專利名稱：氫氣發動機、動力驅動系統及所驅動的車輛的制作方法
技術領域：
本發明涉及氫氣發動機、動力驅動系統和車輛，尤其涉及一氫氣發動機，一動力驅動系統和一使用這種氫氣發動機的車輛。
背景技術：
為了生產氫氣發動機和使用這種氫氣發動機的動力驅動系統，人們已經進行了大量的研究和開發工作。
美國專利US5177952中公開了一種使用一氫氣發動機的動力驅動系統。該系統的特征在于帶有一將水分解為氫氣和氧氣的電解裝置。在該裝置電解操作過程中，大量的氫氣泡和氧氣泡吸附在相應的電極表面，導致水和電極表面的接觸大大減少，從而降低了氫氣產出率。
美國專利US5143025中公開了一種利用氫氣和氧氣作為燃料的封閉循環動力驅動系統。該系統涉及一種帶有多個電極板的電解裝置。這種結構同樣存在上述缺點。
美國專利US5690902中也公開了一種使用一反應床的封閉循環動力系統，該反應床充滿鐵催化劑，這些鐵催化劑與水接觸產生氫氣，氫氣用來操作一熱發動機推進機動車。在該系統中，鐵催化劑在很短的時間里就會被氧化而失去活性，進而停止水分解反應。這樣，該系統需要一研磨鐵催化劑非活性表面的研磨裝置。即使有了這種輔助裝置，氫氣產出率也不能提高，還導致電解裝置及控制系統的結構復雜。
發明概述本發明的一個目的是提供一種氫氣發動機、一個動力驅動系統和由該系統驅動的車輛，它們克服了現有技術中存在的各種缺點，并且結構簡單、操作可靠、操作性能大大提高。
根據本發明的一個方面，提供一種氫氣發動機，它包括一壓縮空氣供應部分；一水供應部分；一水/燃料轉換器，用來將水轉換成富氫氣體；還包括，一電弧反應室，在電弧反應室上游側具有一與水供應部分相連的入水口，下游側至少有一個燃料噴嘴；在反應室中的電弧放電電極及在電弧電極之間的多個固體碳電極元件，在固體碳電極元件中形成大量的微小電弧等離子通道，以便允許在其中產生大量電弧等離子體；一電弧放電電源，用來向電弧電極供應電弧放電電源；一燃燒室，與燃料噴嘴和壓縮空氣供應部分相連通，用來燃燒壓縮空氣和富氫氣的混合氣，以產生動力氣體；以及一響應動力氣體產生機械輸出的膨脹器，其中在電弧反應室上游供應的水首先轉換成水蒸氣，隨后水蒸氣通過一微小電弧等離子通道與許多固體碳極在電弧等離子體存在的情況下反應，產生包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的富氫氣。
根據本發明的另一方面，提供一動力驅動系統，它包括一氫氣發動機，該發動機包括一壓縮空氣供應部分；一水供應部分；一用來將水轉換成富氫氣的水/燃料轉換器；還包括一電弧反應室，在電弧反應室上游具有一與水供應部分相連的入水口，下游至少有一個燃料噴嘴；在反應室中的電弧放電電極及在電弧電極之間的多個固體碳電極元件，在固體碳電極元件中形成大量的微小電弧等離子通道，以便允許在其中產生大量電弧等離子體；一電弧放電電源，用來向電弧電極供應電弧放電電源；一燃燒室，與燃料噴嘴和壓縮空氣供應部分相連通，用來燃燒壓縮空氣和富氫氣的混合氣，以產生動力氣體；以及一膨脹器，它響應動力氣體產生機械輸出，其中在電弧反應室上游供應的水首先轉換成水蒸氣，隨后水蒸氣通過一微小電弧等離子通道與許多固體碳極在電弧等離子體存在的情況下反應，產生包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的富氫氣；一由膨脹器驅動的交流電力發電機，用來產生直流電力輸出；一整流器，用來將交流電力輸出轉變成直流電力輸出；以及一電力存儲裝置，用來存儲直流電力輸出；其中，電弧放電電源與電力存儲裝置相連，以便從電力存儲裝置接收電力。
根據本發明的另一方面，提供一種車輛，包括一車體；一安裝在車體上的動力驅動系統；一由動力驅動系統驅動，用來推進車體的推進系統；其中，動力驅動系統包括一氫氣發動機，該氫氣發動機包括一壓縮空氣供應部分；一水供應部分；一用來將水轉換成富氫氣的水/燃料轉換器；還包括一電弧反應室，在電弧反應室上游具有一與水供應部分相連的入水口，下游至少有一個燃料噴嘴；在反應室中的電弧放電電極及在電弧電極之間的多個固體碳電極元件，在固體碳電極元件中形成大量的微小電弧等離子通道，以便允許在其中產生大量電弧等離子體；一電弧放電電源，用來向電弧電極供應電弧放電電源；一燃燒室，與燃料噴嘴和壓縮空氣供應部分相連通，用來燃燒壓縮空氣和富氫氣的混合氣，以產生動力氣體；以及一膨脹器，它響應動力氣體產生的機械輸出驅動上述推進系統，其中在電弧反應室上游供應的水首先轉換成水蒸氣，隨后水蒸氣通過一微小電弧等離子通道與許多固體碳極在電弧等離子體存在的情況下反應，以產生包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的富氫氣。
圖簡要說明參照下面優選實施例的說明及圖能最好地理解本發明及其目的和益處，其中

圖1是根據本發明一優選實施例的混合車輛的示意圖，該混合車輛使用一包括氫氣發動機的驅動系統；圖2是圖1中所示的氫氣發動機的部分橫剖視圖；圖3是沿圖2中III-III線的橫剖視圖；圖4是沿圖2中IV-IV線的橫剖視圖；圖5示出了圖2中渦輪機的定子和氫氣發動機的渦輪轉子之間的關系；圖6示出了圖2中壓縮機的定子和氫氣發動機的渦輪轉子之間的關系。
優選實施例的詳細說明參考圖，圖1示出了根據本發明一優選實施例的混合車輛14的方框圖，該混合車輛使用一包括氫氣發動機10的動力驅動系統12。氫氣發動機10包括一水供應部分15，該部分由一水箱11和一水供應泵13組成；一單向閥V，用來防止高壓氣體回流；一水/燃料轉換器16，用來將水轉換成富氫氣體；一燃燒部分18，其通過燃燒壓縮空氣和富氫氣體產生動力氣體；一膨脹器20，用來擴張動力氣體，進而產生一機械輸出；一冷凝器21，用來凝結擴張氣體以便獲得冷凝水；一再循環線路22，用來將冷凝水通過水供應泵13再循環到水/燃料轉換器16；一循環泵19，用來循環冷凝器21和散熱器23之間的冷卻液，散熱器23位于車輛14的前部，用來冷卻冷卻液；以及一空氣壓縮部分24，它由一連接到膨脹器20，以便向燃燒部分18提供壓縮氣體的壓縮機組成。雖然圖中沒有示出，一預定量的包含少量二氧化碳的廢氣G，可以被再循環到壓縮部分24的入口或水/燃料轉換器16中。
應當注意，在交通工具由水運工具組成的情況下，可以省去再循環線路22，并且水供應部分15的水泵13可以有一個位于水運工具的殼體上的入口，以便將推進水運工具的水直接吸入。
膨脹器20可以由一渦輪機、往復式發動機、汪克爾發動機或現有技術中熟知的轉子發動機構成。水供應泵13在壓力的作用下，通過單向閥V連續或間歇地從水箱11向水/燃料轉換器16供應水。水箱11中的水最好包含少量的離子化劑，例如，氫氧化鈉或氫氧化鉀，以提供電導性。
為了產生交流電力輸出，一交流發電機GE連接在膨脹器20的輸出軸34上。交流電力輸出通過整流器44轉換成直流電力輸出后，被充到電力存儲裝置46，例如一蓄電池、一電容器組或它們的組合。一電動機/發電機50通過一功率變換器48連接在整流器和蓄電池46的連接點上，后輪52通過一差速器(未示出)可驅動地連接在上述電動機/發電機50上。功率變換器48由一根據車輛的運行條件切換其功能的已知的逆變器/轉換器(inverter/converter)組成。也就是，在逆變器方式下，功率轉換器48將電力存儲裝置46或整流器44的直流電力輸出轉換成交流電力輸出，以驅動電動機/發電機50推進后輪52。在車輛減速的過程中，功率變換器48切換成變換器模式，且電動機/發電機50轉換成發電機模式，這樣，減速的能量被轉換成再生能。再生能通過功率變換器48轉換成直流電力輸出，并被充入電力存儲裝置46中。而且，在車輛14加速過程中，來自電力存儲裝置46和整流器44的電力輸出都供應給電動機/發電機50，以便增加動力輸出。
一電弧等離子體電源供應裝置28由電力存儲裝置46提供直流電力輸出，并包括一個三相交流逆變器，以便將直流輸入變換交流電力輸出，該交流電力輸出的輸出頻率變化范圍從10赫茲到60赫茲，其輸出電壓變化范圍從30伏到240伏，該交流電力輸出供應給水/燃料轉換器16。燃燒部分有一點火塞30。
應當注意，膨脹器20的輸出軸34也可以通過一適當的自動變速裝置和一扭矩分動機構(torque splitting mechanism)連接到一推進裝置56上。
圖2至5示出了氫氣發動機10的詳細結構。氫氣發動機10有一個包括第一至第三區60、62、64的渦輪殼體66。渦輪殼體66包括一外部殼體70、一前端板72、一絕緣后端板74。第一區60中容納有水/燃料轉換器16和燃燒部分18，上述水/燃料轉換器包括一等離子反應器，上述燃燒部分由燃燒室組成。第二區62中容納有由壓縮機組成的壓縮部分24，第三區容納有由渦輪組成的膨脹器20。
如圖2和3所示，第一區60中容納一包括水/燃料轉換器16的絕緣殼體78，水/燃料轉換器16包括帶有類似拱形的等離子反應室76的等離子反應器，及包括類似拱形的燃燒室的燃燒部分18。絕緣殼體78還包括一中間空氣預熱室80，它位于等離子反應室76和燃燒室78之間。第一區60有一個在外部殼體68和內部殼體70之間軸向延伸的壓縮空氣通道82，且該通道與壓縮機24相通。燃燒室18形成在非常靠近空氣預熱室80和等離子反應室76的地方，并且有一個射流通道84，該射流通道朝向燃燒室18的下游開口，并且在外部殼體68和內部殼體70之間軸向延伸，以便向膨脹式渦輪20提供動力氣體的射流。
等離子反應器16有一個水噴嘴85，它位于反應室76上游側的壓縮空氣通道82附近，向反應室76上游側射入水流。為此，水噴嘴85有多個朝向反應室76邊緣和中央區域定向的噴射部分85a，以便向反應室76提供多股水流。而且，等離子反應室76包括一微小的電弧等離子體產生部分86。該微小的電弧等離子體產生部分86包括在反應室76中周向等間距的多相電弧極88、90、92，以及一個位于反應室76底壁，與電弧極88、90、92相對，類似拱形的中性電極94，該中性電極與三相電源的中性點或地面相連，電弧極由電弧等離子電源供應裝置28提供三相交流電(參見圖2)。
微小的電弧等離子體產生部分86包括碳球96和絕緣球98的混合物，其中，碳球96作為固體碳電極元素，或者，完全包含許多碳球。每個碳球和絕緣球的直徑為3到30mm。碳球和絕緣球的混合比率的選擇范圍從1∶1.5到1.5∶1。許多微小的電弧通道100在碳球96和絕緣球98中間大的擴展區域中形成，以便在反應室76內的大部分區域產生大量微小的放電電弧。當多股水流以不同的方向射入反應室76的上游時，這些水流由于放電電弧等離子體的作用而接觸高溫，并迅速轉變成水蒸氣。此時，水蒸氣通過微小的電弧通道100，并且在由于電火花而產生的放電電弧等離子體存在的情況下，與碳球96反應，從而產生由富氫氣組成的燃料，富氫氣包含氫氣、一氧化碳、二氧化碳和氧氣。一部分二氧化碳還會與水蒸氣發生反應，產生水置換作用，轉變成富氫氣。
從圖3可以清楚地看出，反應室76的下游有朝向燃燒室18上游側開口的多個燃料噴嘴104。絕緣殼體78還包括一與水噴嘴85連通的水噴射口102，以便允許水噴射到預熱室80中，與從壓縮空氣通道82來的壓縮空氣相混合。而且，絕緣殼體78還包括一下壁，其上有多個朝向燃燒室18的噴射口106，以便提供壓縮空氣和水的混合物。供應到燃燒室18的空氣/燃料混合物由點火塞30(參見圖1)點燃，形成高溫高壓的動力氣體，該氣體包含由噴射水轉變成的水蒸氣。隨后，動力氣體通過射流通道84被供應到膨脹渦輪機20，以驅動渦輪機20。
在圖2和4中，膨脹渦輪機20包括一個固定地保持在內部殼體70中的環形定子110，一可旋轉地設置在環形定子110中的渦輪轉子112。定子110包括一個環形定子圈114和一個圓弧定子葉片116。渦輪轉子112包括第一和第二轉子盤118、120。由圖4清楚可見，定子110包括一與射流通道84連通的噴嘴122，以及一與廢氣室124連通的出口126，上述廢氣室在外部殼體和內部殼體70之間。一分隔件128位于噴嘴122和出口126之間，該分隔件從定子圈114向內徑向延伸，包括一射流導向面130和一廢氣導向面132。
在圖2和4中，渦輪轉子112具有一個環形噴射通道134，該通道在第一和第二轉子盤118、120之間，并且與噴嘴122和出口126連通，圓弧定子葉片116和分隔件128設置在環形噴射通道134中。由圖5清楚可見，定子葉片116包括一個楔形偏轉導向件116a，該導向件用來將射流S分成兩股分別進入第一和第二轉子盤118、120、多個葉片開口閥部分116b及多個輔助偏轉導向部分116c。葉片開口閥部分116c用于定期地關閉射流通道84，使動力氣體的射流沖撞到第一和第二轉子盤118、120上從而增加輸出扭矩。
第一和第二轉子盤118、120分別帶有飛輪盤136、138。飛輪盤136、138帶有軸向延伸的、支撐著輸出軸34的圓柱形基部140、142，并且上述圓柱形基部通過多個緊固螺栓144相互固定。每個螺栓144穿過輸出軸34的一個法蘭146，且一固定凸緣148將壓縮機24和渦輪20固定在適當位置。
如圖2、4和5所示，飛輪盤136、138包括多個周向等距的圓弧形渦輪葉片150、152。渦輪葉片150、152具有拱形的葉片表面，拱形的后表面和閥表面150a、152a，它們分別周向等距地與葉片開口閥部分相連。射流氣體撞擊并驅動渦輪葉片，從出口126排放到廢氣室124，隨膨脹氣體通過排氣口160釋放到圖1所示的冷凝器21。發生這種情況時，膨脹氣體分解成冷凝水和二氧化碳，冷凝水通過再循環線路22被再次循環，而二氧化碳被排放到大氣中。二氧化碳也可以再循環到水/燃料轉換器16中，用于水置換反應。
在圖2、4和6中，壓縮機24包括一壓入配合在內部殼體70中與定子100同心的定子164，以及由一對轉子盤166、168組成的轉子170，它可旋轉地設置在定子164中。定子164包括一個環形定子圈172、一徑向向內延伸的圓弧形定子導向件174以及一分隔件176。定子164具有一形成在導向面176a附近的吸氣口178，以及一形成在拱形導向面176b附近的排氣口180。排氣口180與圖3中所示的空氣預熱室80連通，以便向燃燒室18供應壓縮空氣。
在圖4和6中，定子導向件174在吸氣口178和排氣口180之間延伸，并且包括一用來使空氣流偏轉的偏轉導向件174a，它通過一位于吸氣口178上游的空氣過濾器(未示出)向轉子盤166、168、多個斗形開關部分174b以及多個拱形的旁通通道174c吸氣。轉子盤166、168包括一環形凹槽182，定子導向件174容納在其中。轉子盤166、168包括飛輪盤184、186及多個圓弧形轉子葉片184a、186a。轉子葉片184a、186a帶有朝向轉動方向的凹面。在轉子170旋轉過程中，轉子葉片184a、186a的軸端與斗形開關部分174b定期地接合，防止壓縮空氣反向流動。在轉子170旋轉過程中，供應到吸氣口178的空氣通過葉片184a、186a輸送，并通過導向部分174a輸送到后面的轉子葉片184a、186a，通過旁通通道174c輸送到后面的葉片。以這樣一種方式，空氣被持續地壓縮并從排氣口180高壓排放。
在前述的說明中，雖然氫氣發動機的膨脹器示例性地描述為由渦輪機組成，膨脹器也可以采用其他的結構，例如，往復式發動機和轉子發動機等等。
雖然詳細地描述了本發明一特殊的實施例，但是對于本領域的技術人員而言，對細節的各種修改和變化可以由此公開的內容得到。因此，所公開的特殊的布置只是示意性的，并不限制本發明下面的權利要求及其等價內容所限定的全部范圍。
權利要求
1.一種氫氣發動機，其包括一壓縮空氣供應部分；一水供應部分；一水/燃料轉換器，用于將水轉換成富氫氣，它包括一電弧反應室，電弧反應室的上游有一與水供應部分相連的入水口，下游至少有一個燃料噴嘴，電弧放電電極位于反應室中，在電弧電極中間有多個固體碳電極元件，在固體碳電極元件中形成大量的微小電弧等離子通道，以便允許在其中產生大量電弧等離子體；一電弧放電電源，用于向電弧電極提供電弧放電電力；一燃燒室，與燃料噴嘴和壓縮空氣供應部分相連通，用于燃燒壓縮空氣和富氫氣的混合物，以產生動力氣體；以及一膨脹器，響應動力氣體以產生機械輸出；其中在電弧反應室上游供應的水首先轉換成水蒸氣，隨后水蒸氣通過一微小電弧等離子通道與許多固體碳極在電弧等離子體存在的情況下反應，以產生包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的富氫氣。
2.如權利要求1所述的氫氣發動機，其特征在于，電弧放電電極包括交流多相電極，電弧放電電源包括交流多相電源，以便定期地改變電弧反應室中電弧放電區域。
3.如權利要求1所述的氫氣發動機，其特征在于，壓縮空氣供應部分包括一由膨脹器驅動的壓縮機，膨脹器包括一渦輪。
4.如權利要求1所述的氫氣發動機，其特征在于，還包括一冷凝器，與膨脹器相連，用來冷卻膨脹氣體以獲得冷卻水；一再循環線路，與水供應部分相連，用來向那里循環冷卻水。
5.如權利要求3所述的氫氣發動機，其特征在于，還包括一發動機殼體，該殼體具有分別用來容納水/燃料轉換器、壓縮機和渦輪機的第一、第二和第三區；一壓縮空氣供應通道，與壓縮機和燃燒室彼此連通；一射流通道，與燃燒室和渦輪機互連；一水噴嘴，與水供應部分和反應室相連，用來向其上游噴射水流。
6.一種動力驅動系統，其包括一氫氣發動機，該氫氣發動機包括一壓縮空氣供應部分；一水供應部分；一用來將水轉換成富氫氣的水/燃料轉換器；還包括一電弧反應室，在電弧反應室上游具有一與水供應部分相連的入水口，下游至少有一個燃料噴嘴；在反應室中的電弧放電電極及在電弧電極中間的多個固體碳電極元件，在固體碳電極元件中形成大量的微小電弧等離子通道，以便允許在其中產生大量電弧等離子體；一電弧放電電源，用來向電弧電極供應電弧放電電源；一燃燒室，與燃料噴嘴和壓縮空氣供應部分相連通，用來燃燒壓縮空氣和富氫氣的混合氣，以產生動力氣體；以及一膨脹器，它響應動力氣體產生機械輸出，其中在電弧反應室上游供應的水首先轉換成水蒸氣，隨后水蒸氣通過一微小電弧等離子通道與許多固體碳極在電弧等離子體存在的情況下反應，以產生包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的富氫氣；一膨脹器驅動的交流電力發電機，用以產生交流電力輸出；一整流器，用來將交流電力輸出轉換成直流電力輸出；一電力存儲裝置，用來存儲直流電力輸出；其中電弧放電電源與電力存儲裝置相連，以便從電力存儲裝置獲得電力。
7.一種車輛，其包括一車體；一動力驅動系統，其安裝在車體上；一推進系統，由動力驅動系統驅動，用來推進車體；其中，動力驅動系統包括一氫氣發動機，該氫氣發動機包括一壓縮空氣供應部分；一水供應部分；一用來將水轉換成富氫氣的水/燃料轉換器；還包括一電弧反應室，在電弧反應室上游具有一與水供應部分相連的入水口，下游至少有一個燃料噴嘴；在反應室中的電弧放電電極及在電弧電極中間的多個固體碳電極元件，在固體碳電極元件中形成大量的微小電弧等離子通道，以便允許在其中產生大量電弧等離子體；一電弧放電電源，用來向電弧電極供應電弧放電電源；一燃燒室，與燃料噴嘴和壓縮空氣供應部分相連通，用來燃燒壓縮空氣和富氫氣的混合氣，以產生動力氣體；以及一膨脹器，它響應動力氣體產生機械輸出驅動上述推進系統，其中在電弧反應室上游供應的水首先轉換成水蒸氣，隨后水蒸氣通過一微小電弧等離子通道與許多固體碳極在電弧等離子體存在的情況下反應，以產生包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的富氫氣。
8.如權利要求7所述的車輛，其特征在于，氫氣發動機還包括一冷凝器，用來冷卻膨脹氣體以獲得冷凝水；一再循環線路，用來將冷凝水循環到水供應線路，還包括一散熱器，安裝在車體的前部，用來冷卻冷卻液；及一循環泵，用來在散熱器和冷凝器之間循環冷卻液。
9.如權利要求7所述的車輛，其特征在于，還包括一交流電力發電機，由膨脹器驅動，用以產生交流電力輸出；一整流器，用來將交流電力輸出轉換成直流電力輸出；一電力存儲裝置，用來存儲直流電力輸出，以便向電弧放電電源供應電力；一電力轉換器，與電力存儲裝置和整流器相連；及一電動機/發電機，由電力轉換器的電力輸出驅動，用來驅動推進系統；其中，在車輛減速過程中，電動機/發電機作為電力發電機，產生再生電力輸出，并通過電力轉換器轉換成直流電力輸出，存儲到電力存儲單元。
全文摘要
本發明公開了一種氫氣發動機、動力驅動系統及所驅動的一車輛包括一壓縮空氣供應部分,一水供應部分,一水/燃料轉換器,一燃燒室以及一膨脹器。水/燃料轉換器包括一電弧等離子反應器和一微小電弧生成部分,電弧等離子反應器具有電弧放電電極,微小電弧生成部分由多個固體碳電極元件組成,固體碳電極元件位于電弧放電電極之間,在碳電極上形成的多個微小電弧等離子通道中存在電弧等離子的情況下將水轉化成富氫氣。動力驅動系統包括一產生交流電力輸出的電力發電機,一用來將交流電力輸出轉換成直流電力輸出的整流器以及一存儲直流電力輸出的電力存儲裝置,該電力存儲裝置與一電弧等離子電源相連,電弧等離子電源與水/燃油轉換器相連。上述車輛包括一由動力驅動系統驅動的推進系統。
文檔編號B60K1/04GK1373287SQ02108500
公開日2002年10月9日 申請日期2002年1月29日 優先權日2001年2月2日
發明者畑中武史 申請人:畑中武史