CN1373287A - 氢气发动机、动力驱动系统及所驱动的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢气发动机、动力驱动系统及所驱动的一车辆包括一压缩空气供应部分,一水供应部分,一水/燃料转换器,一燃烧室以及一膨胀器。水/燃料转换器包括一电弧等离子反应器和一微小电弧生成部分,电弧等离子反应器具有电弧放电电极,微小电弧生成部分由多个固体碳电极元件组成,固体碳电极元件位于电弧放电电极之间,在碳电极上形成的多个微小电弧等离子通道中存在电弧等离子的情况下将水转化成富氢气。动力驱动系统包括一产生交流电力输出的电力发电机,一用来将交流电力输出转换成直流电力输出的整流器以及一存储直流电力输出的电力存储装置,该电力存储装置与一电弧等离子电源相连,电弧等离子电源与水/燃油转换器相连。上述车辆包括一由动力驱动系统驱动的推进系统。

Description

氢气发动机、动力驱动系统及所驱动的车辆
技术领域
本发明涉及氢气发动机、动力驱动系统和车辆，尤其涉及一氢气发动机，一动力驱动系统和一使用这种氢气发动机的车辆。
背景技术
为了生产氢气发动机和使用这种氢气发动机的动力驱动系统，人们已经进行了大量的研究和开发工作。
美国专利US5177952中公开了一种使用一氢气发动机的动力驱动系统。该系统的特征在于带有一将水分解为氢气和氧气的电解装置。在该装置电解操作过程中，大量的氢气泡和氧气泡吸附在相应的电极表面，导致水和电极表面的接触大大减少，从而降低了氢气产出率。
美国专利US5143025中公开了一种利用氢气和氧气作为燃料的封闭循环动力驱动系统。该系统涉及一种带有多个电极板的电解装置。这种结构同样存在上述缺点。
美国专利US5690902中也公开了一种使用一反应床的封闭循环动力系统，该反应床充满铁催化剂，这些铁催化剂与水接触产生氢气，氢气用来操作一热发动机推进机动车。在该系统中，铁催化剂在很短的时间里就会被氧化而失去活性，进而停止水分解反应。这样，该系统需要一研磨铁催化剂非活性表面的研磨装置。即使有了这种辅助装置，氢气产出率也不能提高，还导致电解装置及控制系统的结构复杂。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种氢气发动机、一个动力驱动系统和由该系统驱动的车辆，它们克服了现有技术中存在的各种缺点，并且结构简单、操作可靠、操作性能大大提高。
根据本发明的一个方面，提供一种氢气发动机，它包括：一压缩空气供应部分；一水供应部分；一水/燃料转换器，用来将水转换成富氢气体；还包括，一电弧反应室，在电弧反应室上游侧具有一与水供应部分相连的入水口，下游侧至少有一个燃料喷嘴；在反应室中的电弧放电电极及在电弧电极之间的多个固体碳电极元件，在固体碳电极元件中形成大量的微小电弧等离子通道，以便允许在其中产生大量电弧等离子体；一电弧放电电源，用来向电弧电极供应电弧放电电源；一燃烧室，与燃料喷嘴和压缩空气供应部分相连通，用来燃烧压缩空气和富氢气的混合气，以产生动力气体；以及一响应动力气体产生机械输出的膨胀器，其中在电弧反应室上游供应的水首先转换成水蒸气，随后水蒸气通过一微小电弧等离子通道与许多固体碳极在电弧等离子体存在的情况下反应，产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的富氢气。
根据本发明的另一方面，提供一动力驱动系统，它包括：一氢气发动机，该发动机包括一压缩空气供应部分；一水供应部分；一用来将水转换成富氢气的水/燃料转换器；还包括一电弧反应室，在电弧反应室上游具有一与水供应部分相连的入水口，下游至少有一个燃料喷嘴；在反应室中的电弧放电电极及在电弧电极之间的多个固体碳电极元件，在固体碳电极元件中形成大量的微小电弧等离子通道，以便允许在其中产生大量电弧等离子体；一电弧放电电源，用来向电弧电极供应电弧放电电源；一燃烧室，与燃料喷嘴和压缩空气供应部分相连通，用来燃烧压缩空气和富氢气的混合气，以产生动力气体；以及一膨胀器，它响应动力气体产生机械输出，其中在电弧反应室上游供应的水首先转换成水蒸气，随后水蒸气通过一微小电弧等离子通道与许多固体碳极在电弧等离子体存在的情况下反应，产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的富氢气；一由膨胀器驱动的交流电力发电机，用来产生直流电力输出；一整流器，用来将交流电力输出转变成直流电力输出；以及一电力存储装置，用来存储直流电力输出；其中，电弧放电电源与电力存储装置相连，以便从电力存储装置接收电力。
根据本发明的另一方面，提供一种车辆，包括：一车体；一安装在车体上的动力驱动系统；一由动力驱动系统驱动，用来推进车体的推进系统；其中，动力驱动系统包括一氢气发动机，该氢气发动机包括一压缩空气供应部分；一水供应部分；一用来将水转换成富氢气的水/燃料转换器；还包括一电弧反应室，在电弧反应室上游具有一与水供应部分相连的入水口，下游至少有一个燃料喷嘴；在反应室中的电弧放电电极及在电弧电极之间的多个固体碳电极元件，在固体碳电极元件中形成大量的微小电弧等离子通道，以便允许在其中产生大量电弧等离子体；一电弧放电电源，用来向电弧电极供应电弧放电电源；一燃烧室，与燃料喷嘴和压缩空气供应部分相连通，用来燃烧压缩空气和富氢气的混合气，以产生动力气体；以及一膨胀器，它响应动力气体产生的机械输出驱动上述推进系统，其中在电弧反应室上游供应的水首先转换成水蒸气，随后水蒸气通过一微小电弧等离子通道与许多固体碳极在电弧等离子体存在的情况下反应，以产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的富氢气。
图简要说明
参照下面优选实施例的说明及图能最好地理解本发明及其目的和益处，其中：
图1是根据本发明一优选实施例的混合车辆的示意图，该混合车辆使用一包括氢气发动机的驱动系统；
图2是图1中所示的氢气发动机的部分横剖视图；
图3是沿图2中III-III线的横剖视图；
图4是沿图2中IV-IV线的横剖视图；
图5示出了图2中涡轮机的定子和氢气发动机的涡轮转子之间的关系；
图6示出了图2中压缩机的定子和氢气发动机的涡轮转子之间的关系。
优选实施例的详细说明
参考图，图1示出了根据本发明一优选实施例的混合车辆14的方框图，该混合车辆使用一包括氢气发动机10的动力驱动系统12。氢气发动机10包括一水供应部分15，该部分由一水箱11和一水供应泵13组成；一单向阀V，用来防止高压气体回流；一水/燃料转换器16，用来将水转换成富氢气体；一燃烧部分18，其通过燃烧压缩空气和富氢气体产生动力气体；一膨胀器20，用来扩张动力气体，进而产生一机械输出；一冷凝器21，用来凝结扩张气体以便获得冷凝水；一再循环线路22，用来将冷凝水通过水供应泵13再循环到水/燃料转换器16；一循环泵19，用来循环冷凝器21和散热器23之间的冷却液，散热器23位于车辆14的前部，用来冷却冷却液；以及一空气压缩部分24，它由一连接到膨胀器20，以便向燃烧部分18提供压缩气体的压缩机组成。虽然图中没有示出，一预定量的包含少量二氧化碳的废气G，可以被再循环到压缩部分24的入口或水/燃料转换器16中。
应当注意，在交通工具由水运工具组成的情况下，可以省去再循环线路22，并且水供应部分15的水泵13可以有一个位于水运工具的壳体上的入口，以便将推进水运工具的水直接吸入。
膨胀器20可以由一涡轮机、往复式发动机、汪克尔发动机或现有技术中熟知的转子发动机构成。水供应泵13在压力的作用下，通过单向阀V连续或间歇地从水箱11向水/燃料转换器16供应水。水箱11中的水最好包含少量的离子化剂，例如，氢氧化钠或氢氧化钾，以提供电导性。
为了产生交流电力输出，一交流发电机GE连接在膨胀器20的输出轴34上。交流电力输出通过整流器44转换成直流电力输出后，被充到电力存储装置46，例如一蓄电池、一电容器组或它们的组合。一电动机/发电机50通过一功率变换器48连接在整流器和蓄电池46的连接点上，后轮52通过一差速器(未示出)可驱动地连接在上述电动机/发电机50上。功率变换器48由一根据车辆的运行条件切换其功能的已知的逆变器/转换器(inverter/converter)组成。也就是，在逆变器方式下，功率转换器48将电力存储装置46或整流器44的直流电力输出转换成交流电力输出，以驱动电动机/发电机50推进后轮52。在车辆减速的过程中，功率变换器48切换成变换器模式，且电动机/发电机50转换成发电机模式，这样，减速的能量被转换成再生能。再生能通过功率变换器48转换成直流电力输出，并被充入电力存储装置46中。而且，在车辆14加速过程中，来自电力存储装置46和整流器44的电力输出都供应给电动机/发电机50，以便增加动力输出。
一电弧等离子体电源供应装置28由电力存储装置46提供直流电力输出，并包括一个三相交流逆变器，以便将直流输入变换交流电力输出，该交流电力输出的输出频率变化范围从10赫兹到60赫兹，其输出电压变化范围从30伏到240伏，该交流电力输出供应给水/燃料转换器16。燃烧部分有一点火塞30。
应当注意，膨胀器20的输出轴34也可以通过一适当的自动变速装置和一扭矩分动机构(torque splitting mechanism)连接到一推进装置56上。
图2至5示出了氢气发动机10的详细结构。氢气发动机10有一个包括第一至第三区60、62、64的涡轮壳体66。涡轮壳体66包括一外部壳体70、一前端板72、一绝缘后端板74。第一区60中容纳有水/燃料转换器16和燃烧部分18，上述水/燃料转换器包括一等离子反应器，上述燃烧部分由燃烧室组成。第二区62中容纳有由压缩机组成的压缩部分24，第三区容纳有由涡轮组成的膨胀器20。
如图2和3所示，第一区60中容纳一包括水/燃料转换器16的绝缘壳体78，水/燃料转换器16包括带有类似拱形的等离子反应室76的等离子反应器，及包括类似拱形的燃烧室的燃烧部分18。绝缘壳体78还包括一中间空气预热室80，它位于等离子反应室76和燃烧室78之间。第一区60有一个在外部壳体68和内部壳体70之间轴向延伸的压缩空气通道82，且该通道与压缩机24相通。燃烧室18形成在非常靠近空气预热室80和等离子反应室76的地方，并且有一个射流通道84，该射流通道朝向燃烧室18的下游开口，并且在外部壳体68和内部壳体70之间轴向延伸，以便向膨胀式涡轮20提供动力气体的射流。
等离子反应器16有一个水喷嘴85，它位于反应室76上游侧的压缩空气通道82附近，向反应室76上游侧射入水流。为此，水喷嘴85有多个朝向反应室76边缘和中央区域定向的喷射部分85a，以便向反应室76提供多股水流。而且，等离子反应室76包括一微小的电弧等离子体产生部分86。该微小的电弧等离子体产生部分86包括在反应室76中周向等间距的多相电弧极88、90、92，以及一个位于反应室76底壁，与电弧极88、90、92相对，类似拱形的中性电极94，该中性电极与三相电源的中性点或地面相连，电弧极由电弧等离子电源供应装置28提供三相交流电(参见图2)。
微小的电弧等离子体产生部分86包括碳球96和绝缘球98的混合物，其中，碳球96作为固体碳电极元素，或者，完全包含许多碳球。每个碳球和绝缘球的直径为3到30mm。碳球和绝缘球的混合比率的选择范围从1∶1.5到1.5∶1。许多微小的电弧通道100在碳球96和绝缘球98中间大的扩展区域中形成，以便在反应室76内的大部分区域产生大量微小的放电电弧。当多股水流以不同的方向射入反应室76的上游时，这些水流由于放电电弧等离子体的作用而接触高温，并迅速转变成水蒸气。此时，水蒸气通过微小的电弧通道100，并且在由于电火花而产生的放电电弧等离子体存在的情况下，与碳球96反应，从而产生由富氢气组成的燃料，富氢气包含氢气、一氧化碳、二氧化碳和氧气。一部分二氧化碳还会与水蒸气发生反应，产生水置换作用，转变成富氢气。
从图3可以清楚地看出，反应室76的下游有朝向燃烧室18上游侧开口的多个燃料喷嘴104。绝缘壳体78还包括一与水喷嘴85连通的水喷射口102，以便允许水喷射到预热室80中，与从压缩空气通道82来的压缩空气相混合。而且，绝缘壳体78还包括一下壁，其上有多个朝向燃烧室18的喷射口106，以便提供压缩空气和水的混合物。供应到燃烧室18的空气/燃料混合物由点火塞30(参见图1)点燃，形成高温高压的动力气体，该气体包含由喷射水转变成的水蒸气。随后，动力气体通过射流通道84被供应到膨胀涡轮机20，以驱动涡轮机20。
在图2和4中，膨胀涡轮机20包括一个固定地保持在内部壳体70中的环形定子110，一可旋转地设置在环形定子110中的涡轮转子112。定子110包括一个环形定子圈114和一个圆弧定子叶片116。涡轮转子112包括第一和第二转子盘118、120。由图4清楚可见，定子110包括一与射流通道84连通的喷嘴122，以及一与废气室124连通的出口126，上述废气室在外部壳体和内部壳体70之间。一分隔件128位于喷嘴122和出口126之间，该分隔件从定子圈114向内径向延伸，包括一射流导向面130和一废气导向面132。
在图2和4中，涡轮转子112具有一个环形喷射通道134，该通道在第一和第二转子盘118、120之间，并且与喷嘴122和出口126连通，圆弧定子叶片116和分隔件128设置在环形喷射通道134中。由图5清楚可见，定子叶片116包括一个楔形偏转导向件116a，该导向件用来将射流S分成两股分别进入第一和第二转子盘118、120、多个叶片开口阀部分116b及多个辅助偏转导向部分116c。叶片开口阀部分116c用于定期地关闭射流通道84，使动力气体的射流冲撞到第一和第二转子盘118、120上从而增加输出扭矩。
第一和第二转子盘118、120分别带有飞轮盘136、138。飞轮盘136、138带有轴向延伸的、支撑着输出轴34的圆柱形基部140、142，并且上述圆柱形基部通过多个紧固螺栓144相互固定。每个螺栓144穿过输出轴34的一个法兰146，且一固定凸缘148将压缩机24和涡轮20固定在适当位置。
如图2、4和5所示，飞轮盘136、138包括多个周向等距的圆弧形涡轮叶片150、152。涡轮叶片150、152具有拱形的叶片表面，拱形的后表面和阀表面150a、152a，它们分别周向等距地与叶片开口阀部分相连。射流气体撞击并驱动涡轮叶片，从出口126排放到废气室124，随膨胀气体通过排气口160释放到图1所示的冷凝器21。发生这种情况时，膨胀气体分解成冷凝水和二氧化碳，冷凝水通过再循环线路22被再次循环，而二氧化碳被排放到大气中。二氧化碳也可以再循环到水/燃料转换器16中，用于水置换反应。
在图2、4和6中，压缩机24包括一压入配合在内部壳体70中与定子100同心的定子164，以及由一对转子盘166、168组成的转子170，它可旋转地设置在定子164中。定子164包括一个环形定子圈172、一径向向内延伸的圆弧形定子导向件174以及一分隔件176。定子164具有一形成在导向面176a附近的吸气口178，以及一形成在拱形导向面176b附近的排气口180。排气口180与图3中所示的空气预热室80连通，以便向燃烧室18供应压缩空气。
在图4和6中，定子导向件174在吸气口178和排气口180之间延伸，并且包括一用来使空气流偏转的偏转导向件174a，它通过一位于吸气口178上游的空气过滤器(未示出)向转子盘166、168、多个斗形开关部分174b以及多个拱形的旁通通道174c吸气。转子盘166、168包括一环形凹槽182，定子导向件174容纳在其中。转子盘166、168包括飞轮盘184、186及多个圆弧形转子叶片184a、186a。转子叶片184a、186a带有朝向转动方向的凹面。在转子170旋转过程中，转子叶片184a、186a的轴端与斗形开关部分174b定期地接合，防止压缩空气反向流动。在转子170旋转过程中，供应到吸气口178的空气通过叶片184a、186a输送，并通过导向部分174a输送到后面的转子叶片184a、186a，通过旁通通道174c输送到后面的叶片。以这样一种方式，空气被持续地压缩并从排气口180高压排放。
在前述的说明中，虽然氢气发动机的膨胀器示例性地描述为由涡轮机组成，膨胀器也可以采用其他的结构，例如，往复式发动机和转子发动机等等。
虽然详细地描述了本发明一特殊的实施例，但是对于本领域的技术人员而言，对细节的各种修改和变化可以由此公开的内容得到。因此，所公开的特殊的布置只是示意性的，并不限制本发明下面的权利要求及其等价内容所限定的全部范围。

Claims (9)

1.一种氢气发动机，其包括：
一压缩空气供应部分；
一水供应部分；
一水/燃料转换器，用于将水转换成富氢气，它包括一电弧反应室，电弧反应室的上游有一与水供应部分相连的入水口，下游至少有一个燃料喷嘴，电弧放电电极位于反应室中，在电弧电极中间有多个固体碳电极元件，在固体碳电极元件中形成大量的微小电弧等离子通道，以便允许在其中产生大量电弧等离子体；
一电弧放电电源，用于向电弧电极提供电弧放电电力；
一燃烧室，与燃料喷嘴和压缩空气供应部分相连通，用于燃烧压缩空气和富氢气的混合物，以产生动力气体；以及
一膨胀器，响应动力气体以产生机械输出；
其中在电弧反应室上游供应的水首先转换成水蒸气，随后水蒸气通过一微小电弧等离子通道与许多固体碳极在电弧等离子体存在的情况下反应，以产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的富氢气。
2.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，电弧放电电极包括交流多相电极，电弧放电电源包括交流多相电源，以便定期地改变电弧反应室中电弧放电区域。
3.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，压缩空气供应部分包括一由膨胀器驱动的压缩机，膨胀器包括一涡轮。
4.如权利要求1所述的氢气发动机，其特征在于，还包括：
一冷凝器，与膨胀器相连，用来冷却膨胀气体以获得冷却水；
一再循环线路，与水供应部分相连，用来向那里循环冷却水。
5.如权利要求3所述的氢气发动机，其特征在于，还包括：
一发动机壳体，该壳体具有分别用来容纳水/燃料转换器、压缩机和涡轮机的第一、第二和第三区；
一压缩空气供应通道，与压缩机和燃烧室彼此连通；
一射流通道，与燃烧室和涡轮机互连；
一水喷嘴，与水供应部分和反应室相连，用来向其上游喷射水流。
6.一种动力驱动系统，其包括：
一氢气发动机，该氢气发动机包括一压缩空气供应部分；一水供应部分；一用来将水转换成富氢气的水/燃料转换器；还包括一电弧反应室，在电弧反应室上游具有一与水供应部分相连的入水口，下游至少有一个燃料喷嘴；在反应室中的电弧放电电极及在电弧电极中间的多个固体碳电极元件，在固体碳电极元件中形成大量的微小电弧等离子通道，以便允许在其中产生大量电弧等离子体；一电弧放电电源，用来向电弧电极供应电弧放电电源；一燃烧室，与燃料喷嘴和压缩空气供应部分相连通，用来燃烧压缩空气和富氢气的混合气，以产生动力气体；以及一膨胀器，它响应动力气体产生机械输出，其中在电弧反应室上游供应的水首先转换成水蒸气，随后水蒸气通过一微小电弧等离子通道与许多固体碳极在电弧等离子体存在的情况下反应，以产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的富氢气；
一膨胀器驱动的交流电力发电机，用以产生交流电力输出；
一整流器，用来将交流电力输出转换成直流电力输出；
一电力存储装置，用来存储直流电力输出；
其中电弧放电电源与电力存储装置相连，以便从电力存储装置获得电力。
7.一种车辆，其包括：
一车体；
一动力驱动系统，其安装在车体上；
一推进系统，由动力驱动系统驱动，用来推进车体；
其中，动力驱动系统包括一氢气发动机，该氢气发动机包括一压缩空气供应部分；一水供应部分；一用来将水转换成富氢气的水/燃料转换器；还包括一电弧反应室，在电弧反应室上游具有一与水供应部分相连的入水口，下游至少有一个燃料喷嘴；在反应室中的电弧放电电极及在电弧电极中间的多个固体碳电极元件，在固体碳电极元件中形成大量的微小电弧等离子通道，以便允许在其中产生大量电弧等离子体；一电弧放电电源，用来向电弧电极供应电弧放电电源；一燃烧室，与燃料喷嘴和压缩空气供应部分相连通，用来燃烧压缩空气和富氢气的混合气，以产生动力气体；以及一膨胀器，它响应动力气体产生机械输出驱动上述推进系统，其中在电弧反应室上游供应的水首先转换成水蒸气，随后水蒸气通过一微小电弧等离子通道与许多固体碳极在电弧等离子体存在的情况下反应，以产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的富氢气。
8.如权利要求7所述的车辆，其特征在于，氢气发动机还包括一冷凝器，用来冷却膨胀气体以获得冷凝水；一再循环线路，用来将冷凝水循环到水供应线路，还包括：
一散热器，安装在车体的前部，用来冷却冷却液；及
一循环泵，用来在散热器和冷凝器之间循环冷却液。
9.如权利要求7所述的车辆，其特征在于，还包括：
一交流电力发电机，由膨胀器驱动，用以产生交流电力输出；
一整流器，用来将交流电力输出转换成直流电力输出；
一电力存储装置，用来存储直流电力输出，以便向电弧放电电源供应电力；
一电力转换器，与电力存储装置和整流器相连；及
一电动机/发电机，由电力转换器的电力输出驱动，用来驱动推进系统；
其中，在车辆减速过程中，电动机/发电机作为电力发电机，产生再生电力输出，并通过电力转换器转换成直流电力输出，存储到电力存储单元。
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