JPH06257457A

JPH06257457A - 水推進内燃機関システム

Info

Publication number: JPH06257457A
Application number: JP41911490A
Authority: JP
Inventors: Papesuki Goffuredo; パペスキゴッフレド
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-12-25
Filing date: 1990-12-25
Publication date: 1994-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】水素ガスを内燃機関に安全かつ効率よく使用す
ること。【構成】水素ガスを燃料として使用する例えば内燃機関
エンジンを駆動するためにエネルギ搬送装置がある。ガ
スは車上で水を電気分解することによって得られ、次い
で燃焼室内に噴射される。電気分解は、エンジンによっ
て発生される電流によって付勢される電解タンク内で実
施される。水素は乾燥飽和蒸気とともにエンジン内に供
給され、水素の少なくとも一部は進入の前に加熱されて
もよい。低温でかつより制御された燃焼が蒸気とともに
達成され、さらに比較的小量の水素が要求される。この
ことは、水素の進入および燃焼中に温度調節器として作
用しかつ膨張行程中にさらに膨張する蒸気によって生じ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、エネルギ変換器システ
ムに関し、さらに詳しく言えば、水素ガスによって燃焼
される内燃機関に関するものである。燃焼室に導入され
る主推進物は水素である。さらに詳しく言えば、本発明
は効率的かつ合理的に経済的な方法で水素ガスを得、ま
た、制御された点火および最適エネルギ変換結果を得る
ための条件下でガスを燃焼室に供給する方法および装置
に関する。本発明は、燃料源として水のような物質を含
む入手可能で、安価な不純物のない水素から内燃機関シ
ステムを運転する装置および方法に関するものである。
一般に、本発明は、電気工場のような大きな設備から機
関車、トラック、自動車、船舶、モータ・ボートのよう
な比較的小さい自動システムまでの範囲にわたって内燃
機関の原理を用いる任意のシステムにおける用途を見い
出すことができる。後に述べるように、本発明は一般に
自動車分野の用途に開示されているが、他の分野におけ
る用途も本発明の趣旨内に意図されている。

【背景技術】減少しつつある天然資源、危険な不純物レ
ベル、増加しつつある価額、他国への信頼できない依存
は、自動車の一次エネルギ源として油（炭化水素）およ
び油派生物のような旧来の燃料に代るものを探査するこ
とを次第に必要を増してきている。今日、試みられた代
替物は、不純物、安全性、費用等の固有の欠点による
か、または、代替エネルギ形体を国産自動車に適用する
実用的方法をいまだ誰も発見していないという理由で、
石油に代るものとして価値があることを立証されていな
い。例えば、電気は化学的にかつ音響学的に生態学的意
味で、良い代替物であるが、しかし、電気は公知のエネ
ルギの最小効率形体である。これは、電動機の高価な製
造費および容量と寸法に関する限り厳しい貯蔵制約に加
えて、少なくとも当分は市場に現れることを停止してい
た。同じことは、一般に、太陽エネルギが遭遇されたと
きにも言える。原子力は、効率的で、入手でき、比較的
安価であるが、きわめて危険である。合成燃料は確実に
将来の答とはなるであろうが、十分に実用的なものはい
まだ開発されていない。メタン、プロパン、等のガスま
たは蒸溜アルコールの使用が試みられたが、１つの理由
もしくは別のその市場性が小範囲に限られている。例え
ば、メタノールは有望な合成燃料であるが、塞い天候の
ときに点火することが非常に困難であり、低いエネルギ
容量（約石油の半分）を有している。石油代替物として
の水素ガスの使用は最近実験されるようになってきた。
化学研究者であるＤｅｒｅｋＰ．Ｇｒｅｇｏｒｙは
ある意味では水素は理想的であると述べている。水素燃
焼は、残基としてのみ蒸気をつくり、石油および石炭の
ような従来の燃料に勝る決定的な利点を有している。不
幸にして、水素はその天然の自由形体では存在しにく
く、化合物に結合され、そこから水素は複雑で、高価
で、しばしば危険な生産工程を用いて抽出されなければ
ならない。さらに、この障害が乗り越えられたとして
も、水素をサービス・ステーションに搬送しかつそこに
貯蔵する必要があり、それを自動車に移し換える安全で
実用的方法を発見しなければならない。メルセデス・ベ
ンツは満足できる程度の安全性と費用効率とを達成せず
に、従来の石油タンクおよび回路に代えて、水素ガスを
貯蔵する特別のタンクおよび水素ガスをインジェクショ
ン・システムに供給する手段について実験をしている。
推進物として乾燥ガスの使用は、一般に非制御点火、高
温変動を生ずることがわかった。この高温変動は燃焼室
の壁を破損することがわかった。エンジンの寿命は、１
０，０００ｋｍ（約６，０００マイル）以下に限られて
いた。

【発明が解決しようとする課題】本発明は、内燃機関を
運転するエネルギ変換器システムの発見にもとづいてお
り、さらに詳しく言えば、水素によって内燃機関に信頼
性があり、経済的で、安全に清浄に燃料を供給し、水の
ように安価で豊富に入手可能な物質からこの目的のため
に使用可能な形体で水素を得る方法および装置の発見に
もとづいている。水素はエンジンに供給されるべき最適
条件で発生される。

【課題を解決すべき手段】本発明によれば、水素は電気
分解を受けるイオン化水のような容易に入手できる水素
源から車上でつくられる。そこから、水素は進入行程の
さいにエンジンの各シリンダ内に噴射される。水素ガス
は水蒸気（大気温度における蒸気）と周囲の空気とによ
って混合され、そして、この混合物が燃焼室内で点火さ
れたとき、蒸気は最初は温度調節器として作用し、次い
で膨張行程において助成する。好ましくは、蒸気は、調
節器として燃焼の最大温度を制限する乾燥飽和蒸気とな
り、このようにしてシリンダ、弁、ピストンの要素に圧
力をかけることを助ける。膨張を助成するさいに、蒸気
はピストン・ヘッドに余分の圧力をかけるように迅速に
膨張し、エンジンの機械的出力を増加させる。換言すれ
ば、本発明によって示唆されたように水素推進物内に蒸
気を介在させることは、水素の負の交換を緩和し、燃焼
サイクルに正の効果を強める。この発見の結果として、
エンジンを駆動するために要する水素量は、従来予測さ
れていたものよりも小さくなり、したがって電気分解は
１０ｃｃ／秒（例えば、１，４００ｃｃエンジン）以上
つくる必要はない。したがって、電気分解に要する電気
量（従来の試みではつまづきとなっていた）は、車上で
の水素生産が現在実現可能である程度に小さくなる。本
発明は、水素を発生する第１システムと、水素をシリン
ダ・キャップ上の進入弁に供給し調節するための第２シ
ステムとからなる装置を有している。水素発生システム
は、基本的には水またはその他の適当な水素物質の電気
的に適したもの（少なくとも部分的にイオン化されてい
る）を受ける電気分解装置からできている。電源は水素
を発生するための電気分解装置の電極に接続され、ま
た、電気の要求および装置寸法は代表的な自動車用途で
約１０ｃｃ／秒の最大水素出力量に設計される。第２シ
ステムは、水素を第１システムから引き出す真空ポンプ
のような手段と、水素ガスを進入弁に供給する手段と、
水素の水分含有量を調節する手段と、水素に周囲空気ま
たはその他の燃焼可能物質を混合する増熱器と、混合手
段に供給された水素用の特別のガス圧力弁またはレンジ
を制御し保持する手段とからできている。装置は驚異的
に良好に試験され、実施された。これは、比較的乾いた
ガスをシリンダ室内に、噴射するかまたは空気自体から
入る比較的小量の湿度でもって噴射していた従来のシス
テムにおいて遭遇していた落し穴に打ち勝つ電気分解水
素ガス内の蒸気量の結果となった。最適実施例において
は、電気分解システムは７５−１００ボルトで５０−８
０アンペアのＤＣパイルス信号で駆動される。電解液
は、水１リットルについて約３０グラムの塩から水１０
リットル中に塩１５０グラムまでの濃度で塩化ナトリウ
ムで含塩された蒸溜水である。他の濃度はエンジン、燃
料の種類、電気消費等によって決まる。代表的な現代の
自動車エンジンに要する水素の最大生産量は１０ｃｃ／
秒と見積られている。この水素は、発生された蒸気含有
水素を、ガスから望ましくない過剰の水分を取り除くた
めの手段を設けられた容器に供給するために、約２ｋｇ
／ｃｍ^２の圧力を発生するポンプによって引き出され
る。そのガスは、それが増熱器または混合手段に入った
ときに所望量の蒸気と混合される。発生された水素が十
分な蒸気量を有していない場合には、乾燥飽和蒸気は、
増熱器に入り、取入れ空気と混合する前に、水素に加え
られてもよい。ガスの一部は排気マニフォルドと熱交換
関係で装着された蛇行体をかいして側路されて、それを
増熱器のベース内に噴射する前にガスのいくらかを加熱
する。この加熱噴射は過給のように動作する。加熱され
ていない主な水素流は、増熱器のベンチュリ・システム
に直接にパイプで連結され、そこでそれは進入行程真空
によって引き込まれた空気と混合する。

【実施例】図１は、貯水槽またはタンク（図示せず）か
ら電解槽１５の入口までパイプで送られる水から水素を
得るためのシステム１１を示す。水は貯水槽内に塩化ナ
トリウムを添加することによって塩水にされて、それを
イオン化し、また、１対の端子１７に加えられる電力に
よって付勢されたさいに電気分解できるようにする。後
に詳細に述べるが、端子１７に加えられる電力は、本シ
ステムが自動車に適用される場合、標準自動動力１２ボ
ルト直流レベルから適当な変換器手段をかいして発生さ
れる８７ボルト、６５アンペアの直流パルス信号の形体
になる。電解槽１５は種々の出力を有している。そのう
ちの１つは水素ガス出口１９であり、これは電磁弁２１
をかいしてアキュムレータまたは貯蔵シリンダ２３に接
続される。電解槽１５の他の出口は、後述する水酸化ナ
トリウムおよび塩素ガス等の電解流動を除去するための
ものである。真空ポンプ２５は、水素回路システム２７
をかいして連結する貯蔵槽２３からガスを抽出する。こ
のようにして、貯蔵槽２３は電解槽１５とポンプ２５と
の間のシステム・インターフェイスの圧力緩衝器として
作用する。貯蔵槽２３は、それが最初に常態圧力および
温度（ＮＰＴ）で約１，５００ｃｃの水素で満たされる
ように、ガス通路を調節する弁２１を有する２，０００
ｃｃの容量のステンレス鋼シリンダであってもよい。こ
の目的のために、このシリンダ２３は、弁２１の状態を
電気的に制御するゲージ２８Ｖを与えられる。この弁２
１は、アルゼンチン、コルドバ、サンタローサ５５６の
ＯＴＡＳＪから市販されているＪｅｆｆｅｒｓｏｎＭ
ｏｄｅｌＳＰＳ電磁弁でもよい。真空ポンプ２５はプ
ーリ駆動のダイヤフラム式装置で、また、伝達ベルトに
よってエンジンのクランクシャフト出力に連結される。
このようなポンプ２５は、ドイツにおいて市販されてい
るＢｏｓｃｈｍｏｄｅｌでもよい。プーリ駆動は、ポ
ンプ２５の出口側にねじ込まれたゲージ２８Ｐによって
読み取られる圧力が２ｋｇ／ｃｍ^２を越えたとき、電磁
クラッチによって連結を切られる。ポンプ２５は、２方
弁２８とともに挿入および安全の目的のために設けられ
バイパス２４を有するチュービング２６をかいして、水
素を手段３１を含めた第２シリンダ２９内に送る。この
手段３１は、ガス流に存在する滴３２として概略的に示
される重い混合物を濃縮するために乱流または迷路移動
を生じさせる。濃縮された混合物がシリンダ２９の底で
蒸溜水３３の形体で集まる。頂部付近で、良い量の流れ
に乗った水素ガスが混合器手段３７に搬送される所から
出口がある。コレクタ・シリンダ２９の頂部において
は、電子デジタル温度計回路（図示せず）に接続される
温度センサ装置３８がある。混合器手段３７は、混合物
を燃焼室に供給する前に、水素と空気（酸素）とを混合
する増熱器装置３９からできている。前者は、ドライヤ
・シリンダ２９から３／８″の直径の管４１をかいし
て、また、１対の５／１６″の直径の管または水素噴射
ノズル４５をかいして増熱器装置３９のベンチュリ区分
４３内に供給される。ベンチュリ区分４３は、水素が混
合するために引き出される点で空気速度を増加するよう
に狭くなる取入れ空気通路の区分である。ベンチュリ取
入れ４２は網４６によって簡便に変換されてもよいが、
空気フイルタは混合器の良い動作のために必要とされる
ために現れない。推進物、すなわち、水素ガスがベンチ
ュリ４３に直接に供給されるので、増熱器装置３９は慣
用の増熱器の単純化された形体でもよい。自動車のアク
セル・ペダル（図示せず）に接続されるバタフライ弁が
空気取入れ速度したがってエンジン速度を制御する。こ
の増熱器装置３９は、底の出口はシリンダ・キャップ内
の進入弁に連通するように、従来の増熱器と同様に装着
される。増熱器の底部分において、ヒータ５１をかいし
て水素の一部を側路する別の直径３／８″の導管４９に
接続された補助水素取入れ口４７がある。燃料混合物が
シリンダ・キャップ上の対応する進入弁をかいして燃焼
室内に引き込まれる前に、加熱ガスの一部を燃料混合物
に加えるために、このヒータは、排気マニフォルド５０
（概略的に示されている）の本体上で密接した熱交換関
係で装着されるクロム−コバルト合金の蛇行管５１から
できている。この予進入加熱工程は、水素混合物を公称
臨界温度まで加熱する。これは同じ流量範囲で性能（例
えば、エンジン円滑化）を改善し、また、過給モードで
同様に作動する。実際には、本発明のエンジンは、３極
点火プラグと電子点火システム（図示せず）を用いると
きに、高い効率を示した。図２は、図１に概略を示す電
解槽１５を詳細に示す。それは、１対の間隔をあけた垂
直電極５５を有する方形プリズム貯蔵槽５３からできて
いる。陽極５５Ａは炭素からなるリングであり、陰極５
５Ｃはイオン網状円筒形電極である。各電極５５は前述
したように電力を入力するように頂部に端子５７を有し
ている。電極５５の各外側においては、水溶液６１を保
持するための１枚の石綿からつくられる多孔質膜５９が
あり、また、同時に電気分解生成物、すなわち水素およ
び酸素を通過させる。このようにして、水素ガスは膜５
９をかいしてガス収集室５６内に入り、また、燃焼エン
ジンに燃料供給する導管１９から出る。一方、酸素は出
口６３を通って大気に排気されてもよい。含塩モータ６
１内に漬けられかつそのモータ６１に電解電流の電池作
用を強化するように約８５℃（１８５°Ｆ）まで水を加
熱するために１２ボルトＤＣ電源に接続された電気抵抗
によって構成されたヒータ装置６４がある。サーモスタ
ットは、限界値比較器に接続されかつそこから抵抗６４
内の電流を制御するリレーに接続された固体シリコン熱
検出器装置によって、水温を制御するように用いられて
もよい。加熱塩水溶液６１の電気分解は、流体として塩
素ガス（Ｃｌ_２）および水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）
を生成する。前者は貯蔵槽５３の頂部における開口６５
を通過されるか、または適当な処理タンク（図示せず）
に貯蔵される。水酸化ナトリウムは沈澱し、そして、底
のタップ６７をかいして周期的に排除される。本発明の
実施はエンジン自体に実際に変更を必要としないことが
重要である。すなわち、既存の現在の石油燃料モータは
ほとんど調節せずに用いられる。点火は圧縮行程の上死
点または最大１１／２度の遅れで開始され、また、進
入および排気弁プッシャの一部を広げかつ３極点火プラ
グを用いることは簡便であることがわかった。しかし、
燃焼残基が熱い流れであることを考慮に入れて、排気管
および消音器用のプラスチック等のいくつかの錆を生じ
ない化合物を用いることが望ましい。図１は電解槽１５
の端子１７に接続された電源７１を概略的に示す。電流
は自動車電池／同期電動機システム７３から１２ボルト
ＤＣで得られ、また、８７ボルトで６５アンペアのＤＣ
パルスを発生するインバータ装置７５によって進行され
る。電気分解のパルス付勢は、水素出力流量対電力入力
の比を最大にするように見える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にもとづく第１および第２シス
テムの概略配置であり、水素を得るための電気分解装置
および蒸気に乗った水素を自動車エンジンの燃焼室内に
噴射するための回路手段を示す。

【図２】図１の電気分解装置の側面図である。

【符号の説明】

１１：システム１５：電解槽１７：端子
１９：出口２１：電磁弁２５：真空ポンプ２７：水素
回路システム２９：第２シリンダ３７：混合器手段３
８：温度センサ装置４５：水素噴射ノズル３９：増熱器装置５
１：蛇行管５５：垂直電極６１：水溶液５９：多孔質
膜６３：出口６４：ヒータ装置

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１０月２１日

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼が吸入行程中にエンジンの少なくとも
１つの燃焼室内に導入される水素ガスにもとづいて持続
され、かつ、水素が蒸気とともに燃焼室内に噴射される
ことを特徴とした内燃機関に推進物を供給する方法。
【請求項２】周囲空気が水素および蒸気とともに燃焼室
に入ることを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項３】水素ガスがエンジンによって付勢される電
気分解を連続的に受ける水から得られることを特徴とし
た請求項２記載の方法。
【請求項４】水素が１０ｃｃ／秒以下の流量で発生され
ることを特徴とした請求項２記載の方法。
【請求項５】エンジンが自動車を駆動することを特徴と
した請求項１記載の方法。
【請求項６】蒸気が燃焼室に入る前に水素に加えられる
ことを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項７】蒸気が発生されたとき水素中に含まれてい
ることを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項８】蒸気が乾燥飽和蒸気であることを特徴とし
た請求項１記載の方法。
【請求項９】水を加水分解させてガス状水素を発生させ
ること、加水分解によって発生される水素をエンジン燃
焼室に蒸気の比率とともに各シリンダの進入行程中に制
御自在に供給することからなるエネルギの一次源として
水によって内燃機関を駆動する方法。
【請求項１０】蒸気が乾燥飽和蒸気であることを特徴と
する請求項８記載の方法。
【請求項１１】水素ガスの１０ｃｃ／秒以下のものを生
成するために、電力によって水素が駆動されることを特
徴とした請求項９記載の方法。
【請求項１２】エンジンがその主推進供給源として貯水
槽を含む自動車を駆動することを特徴とした請求項９記
載の方法。
【請求項１３】水素の少なくとも一部が燃焼室内に水素
を噴射する前に加熱されることを特徴とした請求項９記
載の方法。
【請求項１４】蒸気が電気分解から水素ガスとともに得
られ、次いで燃焼室内に通過される前に所定の飽和点ま
で乾燥サイクルを受けることを特徴とした請求項９記載
の方法。
【請求項１５】加水分解手段が約５ｋｗパルス電源を供
給されることを特徴とした請求項１１記載の方法。
【請求項１６】乾燥蒸気が吸入行程中に前記シリンダ内
に通過されて水素点火の温度発生を調節しかつ点火がピ
ストンの力を増加し始めた後に膨張を強化し、吸入行程
中に水素駆動内燃機関シリンダ内に推進物を噴射する方
法。
【請求項１７】水素化合物から水素ガスを解離するこ
と、水素ガスを前記機関の各シリンダ内に所定量の乾燥
蒸気とともに吸入することからなる内燃機関に燃料を供
給するように用いられることのできる水素を得る方法。
【請求項１８】水素ガスが１０ｃｃ／秒以下の流量で機
関シリンダに吸入されることを特徴とした請求項１７記
載の方法。
【請求項１９】化合物がわずかに塩を加えた水であり、
蒸気が飽和蒸気であることを特徴とした請求項１７記載
の方法。
【請求項２０】引き続く燃焼サイクルを受けるピストン
と、該サイクル中の吸入行程のさいに燃料をシリンダ内
に進入させる噴射手段とを含めた少なくとも１つのシリ
ンダを有する内燃機関に水素推進物をつくって供給する
システムであって、水素化合物を含む燃料源手段と、電
力を受ける少なくとも１対の電極および前記手段に接続
されていて前記化合物を電気分解手段に供給する吸入手
段を有する電気分解手段と、該電気分解手段の前記電極
の一方から水素ガスを抽出しかつ該ガスを前記シリンダ
噴射手段に供給する手段と、水素ガスをシリンダ噴射手
段に供給することを制御しこれにより機関内のガス燃焼
流量が１０ｃｃ／秒以下になる制御手段とからなるシス
テム。
【請求項２１】シリンダ噴射手段へ水素ガスを供給する
手段がさらに水素ガスを蒸気と混合する手段を有してい
ることを特徴とした請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】化合物が水であり、燃料源手段が貯水槽
を有し、水が電気分解を促進するように塩を含有してい
ることを特徴とした請求項２０記載のシステム。
【請求項２３】前記制御手段は前記加水分解手段から抽
出される水素ガスから過剰水分を取り除く手段を有する
ことを特徴とした請求項２０記載のシステム。
【請求項２４】前記電気分解手段が前記機関によって付
勢されることを特徴とした請求項２０記載のシステム。
【請求項２５】水素で作動しかつ燃焼燃料の一次源とし
て水タンクと、関連したピストンを有する少なくとも１
つのシリンダ室を含むシリダ・ブロックと、燃料取入れ
手段と、点火手段と、排気手段と、機関から機械的出力
動力を得るようにピストンによって駆動されるように連
結されたクランクシャフト手段とからなる内燃機関であ
って、水素を得るために水を電気分解をするように水タ
ンクに接続された電気分解手段と、水の電気分解を実施
するための電気分解手段の少なくとも１対の電極に電力
を供給するように接続された電気的手段と、電気分解手
段から水素ガスを抽出しかつ燃焼室内の燃料の制御され
た点火および膨張を可能にして水素ガスを前記取入れ手
段に通過させる水素回路手段とをさらに有することを特
徴とした内燃機関。
【請求項２６】前記水素回路手段が水素ガスを前記取入
れ手段に１０ｃｃ／秒以下の流量で通過することを特徴
とした請求項２５記載の内燃機関。
【請求項２７】水素の点火前に蒸気を各室内に加える手
段をさらに有することを特徴とした請求項２５記載の内
燃機関。
【請求項２８】前記蒸気供給手段は前記電気分解手段か
ら蒸気を抽出する手段と、前記蒸気に乾燥工程を所定の
点まで受けさせる手段とからなることを特徴とした請求
項２７記載の内燃機関。
【請求項２９】水素ガスが燃焼室内に通過する前に、水
素ガスの少なくとも一部を加熱する手段をさらに有して
いることを特徴とした請求項２５記載の内燃機関。
【請求項３０】前記加熱手段が水素回路手段の側路内に
挿入されかつ機関のマニフォルド排気に熱交換関係で装
着された蛇行体であることを特徴とした請求項２９記載
の内燃機関。
【請求項３１】前記電気的手段が電気パルスを少なくと
も１対の電極に供給するパルス発生器手段を有すること
を特徴とした請求項２５記載の内燃機関。
【請求項３２】前記パルス発生器手段は６０−１００ボ
ルトで５０−７５アンペアのＤＣパルスを供給すること
を特徴とした請求項３１記載の内燃機関。
【請求項３３】前記水素回路手段は前記電気分解手段か
ら抽出された水素から過剰水分を取り除く乾燥手段を有
していることを特徴とした請求項２５記載の内燃機関。
【請求項３４】前記クランクシャフト手段が水燃料自動
車を駆動することを特徴とした請求項２５記載の内燃機
関。
【請求項３５】前記電気分解手段が機関から派生された
電気によって駆動されることを特徴とした請求項２５記
載の内燃機関。