NO823763L

NO823763L - Motor med intern forbrenning av hydrogen.

Info

Publication number: NO823763L
Application number: NO823763A
Authority: NO
Inventors: Kenji Watanabe
Original assignee: Kenji Watanabe; Baba Katsuji
Priority date: 1981-11-12
Filing date: 1982-11-11
Publication date: 1983-05-13
Also published as: DE3275306D1; AU8944382A; ES8400794A1; EP0079736A1; ES517360A0; HUT39226A; HU193154B; CA1192107A; FI69912B; PH20355A; IN158105B; FI823825L; EP0079736B1; YU252482A; KR880001431B1; DD205959A5; US4508064A; FI823825A0; IL67192A0; IE822674L

Description

Oppfinnelsen angår en forbrenningsmotor som benytter hydrogengass som brenstoffet for den termiske energikilde og som er i stand til effektivt å omforme den eksplosjonsenergi som oppstår ved forbrenningen av hydrogengass til mekanisk kinetisk energi.

Slik det er kjent er ulike forsøksprodukter fremstilt

da hydrogengassmotorer er mer fordelaktige enn bensinmotorer ved at de har mindre forbruk og gir mindre forurensning. Prøvemotorer som.hittil er fremstilt er imidlertid i betydelig grad mindre praktiske under bruk i sammenheng med energiut^taket, motorbygningen dg vekten samt økonomien, i forhold til konvensjonelle motortyper for petroleumbrennstoffer og utvik-lingen er derfor kommet inn i en blindgate.

De vesentlige grunner for at disse prøvemotorer for hydrogen ikke er nådd frem til en praktisk bruk er at alle disse has forsøkt direkte å overføre hydrogengassens forbren-nings/eksplosjonsenergi til mekanisk kinetisk energi i konvensjonelle bensinmotorer.

Når hydrogengass betraktes som brennstoff for å oppnå mekanisk dynamisk energi, er dens forbrenningshastighet betydelig større enn bensinens og som et resultat av dette blir omformingen av dens forbrennings/eksplosjonsenergi til mekanisk dynamisk energi meget liten. Den ikke omformede termiske energi som forblir i forbrenningskammeret, blir. akkumulert og forårsaker unormale temperaturstigninger i delene som danner forbrenningskamre og tilhørende deler. Dette hindrer i sin tur en god tilførsel av hydrogengass til forbrenningskamre og korrekt tenningstidspunkt slik at det blir umulig å oppnå en korrekt motordrift.

Aktuelle problemer som oppstår i en forbrenningsmaskin som benytter hydrogengass som brennstoff er under tomgang når tilførselen av brennstoff er begrenset. Da kan motoren holdes gående av en blanding som er fortynnet med luft og en stor belastning med en øket brennstofftilførsel vil gi for tidlig tenning på grunn av økningen av hydrogenkonsentrasjonen. Baktenning og banking oppstår således lett og trykket økes hurtig.

For å overvinne dette problem, har Billings og Daimler-Benz foreslått å tilføre hydrogengass som er blandet med vann til forbrenningskamre/ for å senke temperaturen.i forbrenningsgassen, samt temperaturen i de overopphetede deler. Tidligere forsøk av denne type har oppnådd å hindre fortenningen og ban-kingen til en viss grad. Men da de må begrense det maksimale uttak til omkring 60% av det uttak som oppnås ved.bensinmotorer for å redusere varmemengden ved forbrenningen og for å hindre unormal forbrenning, kan uttakskapasiteten ikke økes tilstrekkelig.

Det er et mål ved den foreliggende, oppfinnelse å overvinne de foran nevnte problemer ved hydrogengassdrevne moto-rer og å frembringe en brukbar motor som kan øke effektiviteten ved omdanning av forbrennings/eksplosjonsenergien i hydrogengass til mekanisk dynamisk energi og som kan nyttes i praksis.

Et annet mål ved den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en motor for hydrogengass som hindrer uønsket tenning, fortenning og banking også under høy belastning ved å begrense den termiske energi som oppstår, ved forbrenningen og eksplosjonen av hydrogengass ved: hjelp av vanninnsprøytning til forbrenningskammeret samtidig med gasstilførselen.

Det er et ytterligere mål ved>oppfinnelsen å frembringe en motor for hydrogengass med en høy effektivitet for omdanning av energi til mekanisk dynamisk energi ved fordampning av vannstrålen som er innført i forbrenningskammeret, til damp ved varmen fra forbrenningshydrogengassen og ved bruk av de kombinerte gasser fra hydrogengassen og dampen.

Det er. videre:mål ved den foreliggende oppfinnelse å frembringe en motor for hydrogengass:som opererer effektivt både under høye og lave belastninger ved hjelp av separate kanaler som hver tilfører hydrogengass i en mengde som er egnet enten for operasjon med høy eller lav belastning.

Hydrogengassmotoren i henhold til oppfinnelsen erkarakterisert vedat hydrogengass og vann tilføres ikke blandet på forhånd, men direkte innføres i forbrenningskammeret via separate munnstykker. Hydrogengass og vannstrålen sprøytes inn i forbrenningskammeret simultant eller til forskjøvne tidspunkter. Når den komprimerte hydrogengass tennes ved tennpluggen i forbrenningskammeret omformes den teriske energi ved forbrenningen av hydrogengassen direkte til.mekanisk dynamisk energi. På samme tid bringer en del av den termiske energi vannstrålen i forbrenningskammeret til øyeblikkelig å fordampe til dampe slik at den eksplosive termiske energi av hydrogengassen og dampen kombineres og omformes til mekanisk dynamisk energi.

Mens - forbrenningshastigheten av hydrogengass selv er

høy i hydrogengassmotoren ifølge den foreliggende oppfinnelse, er hastigheten for fordampningen av vannstrålen av gassens forbrenning relativt langsommere enn forbrenningshastigheten i bensinmotorer. Eksplosjon/forbrenning av. hydrogengass og for-dampet vann foregår..! samme forbrenningsrom som flere andre tilhørende hendelser. Som et resultat:av dette kan overfør-ingen av disse energier til mekaniske dynamisk energi foregå

på en tilsvarende måte som i bensinmotorene. Hydrogengassmotoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse er således gjort i stand til effektivt å kunne utnytte den termiske energi i hydrogengassen som ellers har vært utstøtt når hydrogengass alene har vært forbrent, for således å øke den resulterende mekaniske dynamiske energi.

Da videre vannet som tilføres forbrenningskammeret sammen med hydrogengassen ikke på forhånd er blandet med gassen, men tilføres direkte, og adskilt i form av..en stråle, oppstår av strålen dampenergi i forbrenningskammeret som holdes ved en høy temperatur og .trykk på grunn av den hurtig brennende hydrogengass. Dampen hjelper til å forbedre .omformingshastig-heten av den termiske energi ved hydrogengassforbrenningen til mekanisk dynamisk energi. Tilførselen av vannstrålen medvir-ker også til å redusere den termiske energi som ikke omformes i forbrenningskammeret slik at temperaturstigningen i delene som danner kammeret og de tilstøtende deler, kan begrenses. Hydrogengassmotoren ifølge den foreliggende oppfinnelse er således fordelaktig ved dens gode tilførsel av.hydrogengass til forbrenningskammeret og korrekte til tenningstidspunkt.

På tegningen . viser figur 1 et snitt av sylinderen i

en motor med frem og tilbakegående stempel.av typen hydrogengassmotor, som benyttes i den foreliggende oppfinnelse, figur 2 viser brennstofftilførselssystemet i hydrogengassmotoren vist på figur 1, figur,3 viser brennstofftilførselssystemet i en rotasjonsmotor som benyttes som hydrogengassmotor ifølge den foreliggende oppfinnelse, figur 4 viser et snitt av en gass-

turbin som benyttes som hydrogengassmotor ifølge den foreliggende oppfinnelse, : figur .5 viser et frontriss av det delsfær-iske munnstykkedeksel som danner forbrenningssylinderens front-del og figur 6 viser munnstykkedekslet på figur 5 i snitt.

Figur 1 viser.et snitt av sylinderen i en motor med frem og tilbakegående bevegelse hvori den.foreliggende oppfinnelse benyttes. Som vist har sylinderen 1 et sylinderhode 2 som har en tennplugg 3, en inntaksventil 4 og en uttaksven-til.5 sammen med et munnstykke 6.for innspyling av hydrogengass under" trykk og et munnstykke 7 for innsprøyting av vannet som begge er anordnet for tilførsel av hydrogengassen 8 og vannstrålen 9 inn i f orbrenningskammeret 10.. Munnstykket 6 for innsprøyting av hydrogengassen under trykk .og. vanninnsprøy-tingsmunnstykket 7 sprøyter inn hydrogengassen 8 og vannstrålen 9 i forbrenningskammeret 10 fra respektive kilder,(ikke vist) enten simultant eller til noe forskjøvede tidspunkter.

Hydrogengass 8 og vannstrålen 9 mates under kompresjons-laget inn som ved vanlige bensinmotorer, hvor et stempel 12 beveges oppover og inntaksventilen 4 og uttaksventilen 5 begge er lukket. Innsprøytingen-avsluttes for begge kort før stemplet 12 når det øvre dødpunkt, hvoretter-den komprimerte hydrogengass antennes av tennpluggen 3. Den termiske^ energi som utvikles ved forbrenningen av den antente hydrogengass over-føres direkte til mekanisk dynamisk energi. På:samme tid omformes vannstrålen til damp momentant: i forbrenningskammeret som holdes ved en.høy temperatur og trykk på grunn.av den hurtig brennende hydrogengass, idet den eksplosive termiske energi av hydrogengassen og dampenergien kombineres og omformes til en mekanisk dynamisk energi som presser stemplet 12 nedover. Utstøtningsslagene og"innstøtningsslagene somfølger eksplo-sjonsslagene er de samme som ved den vanlige bensinmotor.

Figur 2 viser brennstofftilførselssystemet i en bil-motor, av den frem og tilbakegående type hvor den foreliggende hydrogengassmotor benyttes.. Hydrogengassen 8 trykksettes og sprøytes direkte inn i sylinderen 1 fra en beholder 13 via en gasstilførselskanal 14 uten å passere en forgasser 23. Kanalen 14 tilfører hydrogengass ved et trykk på omtrent 4,9 N/cm ved hjelp av en trykkstyringsanordning 15. anordnet ved uttaket av beholderen 13. På et mellomliggende sted i kanalen er en tilbakeslagsventil 16 og en regulator 17 anordnet, som redu-serer trykket og regulerer strømningshastigheten. Hydrogengass passerer gjennom regulatoren 17 og strømmer ved et lavt trykk på omtrent 4,9 N/cm^ inn i. munnstykket 6 for innsprøy-ting under trykk. Munnstykket 6 setter gassen under trykk og innsprøyter denne ved et fastlagt trykk inn i sylinderen 1. Kanalen 14 har på begge sider av tilbakeslagsventilen 16 en by-pass 18 som tilfører gass med lavt trykk ved drift med liten belastning og som overspringer tilbakeslagsventilen.16. By-passen 18 har en tilbakeslagsventil 19 og en trykkstyringsanordning 20 som senker hydrogengassens:trykk fra beholderen 13, fra omtrent 49 N/cm^ til omtrent 1 N/cm^. Hydrogengassen med senket trykk til. omtrent 1 N/cm^ sendes således, til regulatoren 17 via by-passen 18 under bruk med liten belastning som eksempelvis tomgang, når en grensebryter 22 i tilknytning til en pedal 21 lukker når pedalen 21 frigjøres og bringer tilbakeslagsventilen 19 til å åpne for by-passen 18 og på samme tid også lukker tilbakeslagsventilen.16 i tilføresels-kanalen 14. Da det på forhånd fastlagte innstilte trykk ved regulatoren 17 er større enn trykket med hvilket gassen strøm-mer-inn fra by-passen 18, vil gassen ved et lavt trykk på omtrent 1 N/cm forsatt være intakt til munnstykket 6 for å sette gassen under ..trykk og sprøyte' den inn slik at gassen trykksettes til det fastlagte trykk og sprøytes inn i sylinderen 1.

Når pedalen, trykkes ned for å frembringe en drift med høy belastning, åpner bryteren 22 for å bringe tilbakeslagsventilen 19 i by-passen 18 til å lukke og tilbakeslagsventilen 16 i tilførselskanalen 14 til å åpne på samme tid slik at gassen fra beholderen. 13 overføres til regulatoren 17 for å trykk-. settes til omtrent 4,9 N/crn^ og overføres til munnstykket 6 hvor gassen ytterligere trykksettes til fastlagt størrelse før den mates inn i sylinderen 1.

Den mengde gass 8 som skal tilføres.i henhold, til for-andringene av motorens rotasjonshastighet kan styres ved jus-tering av strømningshastigheten ved regulatoren 17 ved hjelp av et vakuumrør 24 som er forbundet med forgasseren 23 og regulatoren 17 i henhold til hvor meget forgasserens 23 strupe-ventil er åpnet.

Ved å. anordne by-passen 18 som kan tilføre hydrogengass ved et trykk som er lavere enn det fastlagte trykk og egnet for lav belastning, til tilførselskanalen.14, kan som beskrevet ovenfor en høy belastning enkelt oppnås ved hjelp av. til-førselskanalen 14 og':videre kan en lav belastning som eksempelvis! tomgang enkelt, beholdes uten vanskelighet ved tilførselen av gass ved lavt trykk via by-passen 18.. Eksperimenter som har benyttet en motor av frem og tilbakegående type med 1800 cm kapasitet og en rotasjonsmotor fra vanlige seriemes-sige biler har bevist at bruk av den foreliggende oppfinnelse kan sikre en god drift ikke bare ved lave.kjørehastigheter, men også ved høyere kjørehastigheter opp til 120 km/h.

Vannstrålen 9 som sprøytes inn i sylinderen 1 sammen med hydrogengassen . 8 tilføres fra en tank 25 via et rør 27

med en matepumpe som ved regulering av tilførselsmengden i hehold til forandringer i motorens turtall ved hjelp av en pumpe 28 som styres i henhold"til.motorrotasjonen. Figur 3 viser: brennstofftilførselssystemet i en rotasjonsmotor hvor den foreliggende oppfinnelse er benyttet. I dette tilfelle er:tilførselssystemet for hydrogengass 8 identisk.med systemet ved den ovenfor omtalte frem og tilbake-gåend motor, men t ilførselssystemet for vannstrålen er noe anderledes. Ved rotasjonsmotoren tilføres vann fra tanken 25 til forgasseren 23 via en matepumpe 26 og forgasseren 23 for-støver og sprøyter_vannet inn i et rotorhus 70 via inntaksåpningen 11, sammen med luften. På den annen side sprøytes hydrogengass 8 inn i inntaksåpningen 11 via et munnstykke 61 på inntaksåpningen 11. Det skal bemerkes at hydrogengassen 8 og vannstrålen 9 innføres til inntaksåpningen 11 via adskilte kanaler. Med andre.ord.tilføres hydrogengass 8 til inntaksåpningen til et mellomliggende sted foran rotorhuset 70 via en separat kanal 14 kort før blandingen av vannstrålen og luften tilføres rotorhuset 70. Dette er den vesentlige for-skjell ved den foreliggende oppfinnelse fra den konvensjonelle type hvor hydrogengass,,vann og luft blandes før de tilføres sylinderen. Figur 4 viser en utførelse av den foreliggende oppfinnelse for bruk i en gassturbin. På tegningen viser henvis-ningstallet 111 en luftinntaksåpning, 112, en kompressor, 113 en inntaksåpning for trykkluft, 114 et turbinhus og 115 en forbrenningssylindef. Spissen av forbrenningssylinderen 115 danner et delsfærisk munnstykkedeksel 151. I sentrum av dekslet 151, på dettes: innside er det anordnet et munnstykke 116 for innsprøyting av hydrogengass. Som vist på figur 5 og 6

er flere åpninger 117 for avbøyning og innføring av luften anordnet rundt munnstykket 116 for innsprøyting av hydrogengass. Disse åpninger er anordnet radialt fra munnstykket 116 og har ledefinner 118 slik at trykkluften - rundt munnstykkedekslet 151 kan.avbøyes mot dettes innside når luften innføres i forbrenningssylinderen 115.

En tennplugg 119 er anordnet bak munnstykket 116 for hydrogengass og et bakre munnstykkedeksel 152 .som er semisfærisk i form, tilsvarende det fremre munnstykkedeksel 151, er anordnet bak tennpluggen 119. Det bakre munnstykkedeksel 152 er også anordnet radialt rundt et munnstykke 120 for vannstrålen med flere åpninger 121.som har ledefinner på innsiden for avbøyning og innføring av forbrenningsgassene.

Hydrogengassen 12 3 og vannstrålen 124 innsprøytes fra munnstykkene 116 og 120 mens luften som komprimeres av kom-pressoren 112 mates inn fra■turbinhuset 114 mot forbrenningssylinderen 115 via åpningene 117 for avbøyning og innføring av luften som foreligger ved det fremre munnstykkedeksel 151 og via lufthullene 125 anordnet på siden av forbrenningssylinderen. Når tennpluggen T19 som er plassert bak hydrogengassmunnstykket 116, aktiveres i denne stilling, forbrenner hydrogengassen 123 kontinuerlig ved et høyere trykk i den fremre forbrenningssone 126 bak hydrogengassmunnstykket 116.

På samme tid innføres vannstrålen 124 i sonen bak. det bakre munnstykkedeksel 152 som er.anordnet bak forbrenningssonen 126 og har kontakt med den brennende hydrogengass 123 slik at den fordampes i den bakre forbrenningssone 127 anordnet bak det bakre munnstykkedeksel 152. Således kombineres forbrenningsenergien i hydrogengassen og dampenergien i vannstrålen i forbrenningssylinderen til kontinuerlig å frembringe ekspanasjons-energi.

Da med andre ord den komprimerte luft som skal innføres i forbrenningssylinderen 115 er rettet roterende og spiralfor-met mot den indre periferi av den fremre forbrenningssone 126 i sylinderen fra åpningen 117 (for. avbøyning og innføring av luften), anordnet ved det fremre munnstykkedeksel 151, dannes en negativ trykksone bak munnstykket 116 i forbrenningssonen 126 som hvirvelens sentrum. Dette understøtter innsprøytingen av hydrogengass 123 og dennes difusjon slik at forbrennings-arealet ekspanderes og antenneligheten gjøres bedre.

Den forbrenningsgass som fremstilles ved eksplosjonen

i den fremre forbrenningssone 126 trenger hvirvelformet inn i den bakre forbrenningssone 127 gjennom åpningen 121 for før-ing av gassen mot det bakre munnstykkedeksel 152 som separerer den primære forbrenningsgass og fordamper vannet 124 som er sprøytet inn i sonen 127. Dampen som således.er fremstilt gir ekspansjonsenergi til forbrenningsgassen som kommer inn i den bakre forbrenningssone 127 gjennom åpningene 121 på munn-stykkedekslét 152 og fra siden av dekslet. Med hensyn til ut-viklingen av dampenergi i den bakre forbrenningssone 127, kan vannstrålen som kommer:.inn: fra munnstykket 120 spres effektivt og det areal hvor dampen dannes kan utvides når forbrenningsgassen trenger inn i hvirvler fra åpningene 121. Gassen med høy temperatur som. fremkommer ved en kombinasjon av forbrenningsenergien som dannes i sonen 127 og dampkraften på grunn av fordampningen av vannet, overføres til den bakre del av forbrenningssylinderen 115 og tilføres deretter en kraftturbin 128 mens den avkjøles av lufttilførselen fra lufthullene 125 på baksiden av sylinderen.

I denne turbinen som benytter den foreliggende oppfinnelse er området hvor gassen med høy temperatur dannes delt i to deler; den fremre forbrenningssone 126 hvor forbrenningsgassen utvikles av hydrogengass 123 og den bakre forbrenningssone 127 hvor dampenergi fremstilles av vannstrålen 12 4 som bringes i kontakt med forbrenningsgassen. Dette muliggjør til-førsel av tilstrekkelig vannstråle til å danne dampeenergien i forbrenningssylinderen 115 som skal tilføres gassen med høy temperatur som utvikles ved forbrenningen av hydrogengass. Dersom vannstrålen og hydrogengassen blandes på forhånd og tilføres på samme tid, vil hydrogengassens stråletrykk hindre vannstrålen slik at vannstrålens partikkelstørrelse ikke kunne reduseres tilstrekkelig og således ville dampenergien som skal tilføre tilstrekkelig ekspansjonskraft til forbrenningsgassen/

ikke kunne utvikles.

Slik det er beskrevet ovenfor/ kan den foreliggende oppfinnelse effektivt omforme forbrennings/eksplosjonsenergien i hydrogengass til mekanisk dynamisk energi ved kombinasjon av dampenergien:og sikrer således en hydrogengassmotor som kan bringes til praktisk bruk som en ny kraftkilde, noe som hittil.har vært betraktet som vanskelig.

Claims

1. Motor for intern forbrenning av hydrogengass,karakterisert vedat den har et innsprøy-tingsmunnstykke for hydrogengass og et innsprøytingsmunnstykke for en vannstråle i et forbrenningskammer. for direkte å inn-sprøyte hydrogengass og vannstålen i forbrenningskammeret hvor luften er.komprimert, slik at vannstrålen umiddelbart fordampes til damp ved-tenning av hydrogengassen'for således å utnytte forbrennings/eksplosjonsenergien i hydrogengassen og dampenergien som utvikles ved fordampningen i dampen i kombinasjon for å oppnå mekanisk dynamisk energi.

2. Motor ifølge krav 1,karakterisertved at forbrenningskammeret er en sylinder for en motor av den frem og tilbakegående type med et stempel og hvor syl-inderhodet har et. munnstykke for innsprøyting av hydrogengass og et munnstykke for innsprøyting av vannet.

3. Motor ifølge krav 1,karakterisertved at forbrenningskammeret er.et rotorhus i en rotasjonsmotor og har et munnstykke for innsprøyting av hydrogengass i en inntaksåpning for å innføre hydrogengass kort før blandingen med vannstrålen :og luften innføres i rotorhuset via inntaksåpningen.

4. Motor ifølge krav 1-3,karakterisertved at et tilførselskanal for hydrogengass mellom en hydro-gengassbeholder og forbrenningskammeret har en by-pass til-førsel for hydrogengass ved lavt trykk som kan lukke gasstil-førselskanalen ved lav belastning og tilføre hydrogengassen til forbrenningskammeret ved et trykk som ér lavere enn tilfør-selstrykket i tilførselskanalen.

5. Motor ifølge krav 1,karakterisertved at forbrenningskammeret er en sylinder i en gassturbin som har et semisfærisk fremre munnstykkedeksel ved spissen med et munnstykke for hydrogengass i sitt senter og et semisfærisk bakre munnstykke på innsiden av sylinderen med i sitt senter et munnstykke for vannstrålen og som videre er slik oppbygget at den konti nuerlige gasstrøm i forbrenningssylinderen kombineres med dampenergien som utvikles ved fordampningen av vannstrålen for således å fremstille mekanisk dyna misk energi.

6. Motor ifølge krav 1 og 5,karakterisertved at det semisfæriske fremre munnstykkedeksel og det bakre munnstykkdeksel omfatter forbrenningskammersylinderen og har åpninger for å lede luften, anordnet.radialt rundt munnstykkene og videre har. lederfinner for avbøyning og inn-sprøyting av den komprimerte luft på innsiden av åpningene, anordnet i en avledningsvinkel.