Водородный ротационный двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Водородный ротационный двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Приоритет этой заявки заявляется по предварительной заявке США №60/721,521, поданной 29 сентября 2005, все содержание которой включено сюда посредством ссылки.

Это изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более определенно к двигателям с вращающимися лопастями, использующим термодинамический цикл с водородным топливом.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Возрастающие потребности нефти в разных странах во всем мире приводят к более высоким ценам на энергию, что повышает вероятность увеличения инфляции и геополитических напряжений между странами, конкурирующими за одни и те же ограниченные запасы нефти. Даже если поставка нефти может быть увеличена для удовлетворения потребностей, это приводит к потенциальной возможности дальнейшего производства более высоких выбросов CO₂ с возможностью более быстрого глобального потепления.

В настоящее время многие транспортные, нефтяные и энергетические компании и правительства вкладывают миллиарды долларов в научно-исследовательские программы, связанные с водородом для производства источника топлива, который постепенно заменит ископаемое топливо. Например, многие автомобильные компании развивают транспортные средства на водородных топливных элементах. Однако надежность топливных элементов, их к.п.д., требования к чистоте топлива, хранению водорода, и ограничения стоимости - главные барьеры применимости таких элементов.

Автомобилестроители также развивают гибридные системы поступательного движения электрического двигателя / двигателя внутреннего сгорания как переходную стадию между современными транспортными средствами на двигателях внутреннего сгорания и будущими транспортными средствами на топливных элементах. Неясно, однако, обеспечивают ли гибридные электрические системы поступательного движения достаточно высокие дополнительные выгоды к.п.д. для потребителей, чтобы оправдать их более высокую стоимость.

Конвертация существующих систем двигателя внутреннего сгорания для работы на водороде выполняется не без проблем. Температура сгорания водорода намного выше, чем бензина, что приводит к большому количеству образованных выбросов NO_x. Использование обедненных водородных топливных смесей уменьшает потенциальные выбросы NO_x, но также значительно уменьшает уровни рабочих характеристик выходной мощности. Непосредственная инжекция водорода может улучшить эту проблему, но инжекторы очень дороги и требуют высокого давления и допусков. Импульс инжекции обеспечивает ограниченное количество водородного топлива, что недостаточно для применений, где необходима большая мощность. Сухость водородного газа также осложняет работу пульсирующих инжекторов и увеличивает износ инжектора. Кроме того, высокая диффузионная способность водородного газа часто приводит к тому, что водородный газ проходит через системы уплотнения двигателя в области коленчатого вала, что в свою очередь приводит к очень нежелательному сгоранию, которое может повредить двигатель и/или зажечь масляную смазку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Водородный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися лопастями высокой производительности максимизирует термодинамические энергетические выгоды, чтобы обеспечить улучшенный термический эффективный КПД для более высокой экономии топлива, более высокое отношение плотности мощности к весу двигателя и объему, с пониженным содержанием NO_x. Двигатель также оптимизирован, чтобы максимизировать механические выгоды двигателя с вращающимися лопастями, чтобы дополнить работу с улучшенным уплотнением, ротором и системами кожуха, чтобы минимизировать потери тепла, эксергию разрушения энергии и уменьшить трение, чтобы улучшить надежность, срок службы и шум, вибрацию и низкочастотные вибрации (NVH).

Термодинамическими потерями тепла в двигателе внутреннего сгорания с вращающимися лопастями управляют, удаляя тепло и повторно вводя его, используя камеру паров натрия, камеру инжекции воды и геометрическое сверхрасширение камеры, чтобы, тем самым, использовать энтальпию тепла и выхлопного газа, которая иначе была бы потеряна в системе охлаждения и в атмосфере. Активная система охлаждения воды захватывает тепло от кожуха и выхлопа и вводит это тепло назад в цикл двигателя. Объединение всех этих потоков теплопередачи обеспечивает двигатель с очень большой плотностью мощности и полным термическим эффективным КПД от 65 до 80%, который идеально подходит для производства электроэнергии и применения в поступательном движении.

Предложенный водородный двигатель достигает вышеупомянутых целей, используя водородный высокопроизводительный термодинамический цикл улучшенного процесса сгорания, улучшенного теплопереноса охлаждения и более низких потерь на выбросы тепла, используя улучшенную подачу водородного топлива, переменную степень сжатия воды, более широкий рабочий диапазон эквивалентности топлива/воздуха, улучшенное зажигание водорода, расширенную камеру сгорания/расширения, более длительное сгорание, обратимую по энергии систему теплопередачи камеры паров натрия с ранними и поздними стадиями инжекции воды.

Водородный двигатель настоящего изобретения содержит улучшенную систему уплотнения, состоящую из уплотнений раздвоенной лопасти, тупого кончика, динамических осевых уплотнений раздвоенной лопасти, проходов газа в уплотнении лопасти, динамических осевых уплотнений ротора, уплотнений лицевой поверхности лопасти, конструкции лопасти, охлаждения/теплопередачи канала тепловой трубы лопасти, и антицентробежной системы ременной передачи лопасти. Двигатель имеет улучшенную структура ротора с контролем тепла ротора, используя охлаждение/теплопередачу камеру водяного пара и уменьшенное трение лопасти благодаря улучшенной тангенциальной системе подшипников лопасти. Двигатель содержит улучшенный кожух с искаженной овальной геометрией внутреннего статора кожуха для большего расширения, более высоких рабочих температур кожуха, твердые смазки, активное охлаждение/теплопередачу водой, уменьшающую утечку водорода, внешние камеры водяного пара и изолирующую крышку.

Настоящее изобретение дополнительно дает улучшенную электроэнергию постоянного тока термоэлектрического преобразователя на щелочных металлах (ТЭПЩМ), расположенного в камере паров натрия.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного термодинамического цикла с более низкими тепловыми потерями выхлопа, тепловыми потерями системы охлаждения, и более низкими тепловыми потерями из-за трения, приводящими к увеличенному полному термическому эффективному КПД по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания.

Согласно второму закону термодинамики, эффективность любого преобразования тепла в работу максимально в цикле Карно, причем некоторое количество тепла должно быть послано в холодильник. Однако эффективность цикла Карно справедлива только в реакциях с одной камерой. Используемый цикл преодолевает ограничения эффективности цикла Карно путем использования цикла реакции во многих камерах, который использует объединенные термодинамические и механические системы всего двигателя как термодинамический цикл реакции. Камера паров натрия связывает или накладывает друг на друга многочисленные реакции в камере вместе вдоль зоны сгорания/расширения. Камера паров натрия обеспечивает обратный перенос избыточного тепла из зоны сгорания в камеры сгорания вдоль зоны расширения.

Заявляемый двигатель - автоматическая, динамически сбалансированная система, которая управляет и поддерживает термодинамические параметры теплопередачи во всем цикле сгорания/расширения, чтобы достигнуть максимальной мощности и эффективных рабочих характеристик. Двигатель использует большую зону сгорания/расширения, чем зона впуска/сжатия, где газы сгорания могут расширяться и выполнять максимальную работу до тех пор, пока давления в камере не будут равны потерям от трения вращения. Камера паров натрия, расположенная вдоль зоны сгорания/расширения, используется для воспламенения предварительной смеси водород/вода и удаления избыточной теплоты сгорания из зоны сгорания и возвращения этой теплоты в полости сгорания вращающихся камер вдоль сверхрасширенной зоны расширения. Инжекция воды на ранней стадии вдоль пути сгорания/расширения в камеры сгорания дополнительно поглощает избыточную теплоту сгорания и тепло от камеры паров натрия вдоль расширенной зоны сгорания/расширения. Инжекция воды на поздней стадии вдоль сгорания/расширения понижает температуры газа сгорания, чтобы минимизировать потери тепла выхлопа и охладить поверхность камеры сгорания для следующего цикла впуска.

Вода из активной системы охлаждения используется в ранней и поздней стадии инжекции воды в полости сгорания. Тепло, поглощенное активной системой охлаждения, повышает температуру воды приблизительно до 250-350°С, или до 523-623K. Эта температура только слегка ниже точки кипения паров воды, и позволяет воде быть накачанной под высоким давлением, как гидравлическая жидкость, в полости сгорания. При температурах сгорания около 1800K инжекция воды значительно понижает температуру газа сгорания. Это ускоряет теплопередачу от камеры паров натрия назад в камеру сгорания, пока не достигнуто температурное равновесие.

Заявляемый двигатель имеет большой потенциал улучшить экономию топлива и уменьшить выбросы отработавших газов в современных двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Большой потенциал для улучшения экономии топлива исходит из использования иначе истраченного впустую тепла от цилиндрических стен и выхлопного газа для получения нагретой воды и ее инжекции в цилиндр, где нагретая вода претерпевает фазовый переход из жидкости в пар для получения дополнительной мощности расширения. Эффективность цикла заявляемого двигателя не ограничена эффективностью цикла Карно вследствие того, что в используемом цикле масса рабочей среды для производства мощности расширения увеличивается во время цикла, вместе с дополнительной выгодой от более высокой степени расширения (производит мощность), чем степень сжатия (потребляет мощность), в то время как в цикле Карно масса рабочей среды и степень сжатия/степень расширения заданы. Кроме того, высокая эффективность цикла в заявляемом двигателе полагается не на высокую температуру сгорания (как рекомендовано в цикле Карно), а на сдвиг или на передачу тепловой энергии по циклу. Таким образом, прорывом является повышение барьера компромисса эффективности цикла NO_x/дым/двигатель в традиционном ДВС.

Используемый цикл не только использует все тепло сгорания двигателя, но также использует механическое тепло от трения, которое захвачено системой охлаждения и перенесено назад в камеру сгорания, приводя к системе с обратимой энергией.

Следующее являются главными этапами процесса используемого цикла, как изображено на Фиг.71:

1. Камера ротора вращается мимо впускного отверстия, где она принимает полный заряд свежего воздуха, который естественным образом всасывается или предпочтительно вводится с турбонаддувом.

2. Как только камера ротора прошла впуск и достигла своей максимальной зарядки впуска, геометрия кожуха начинает сжимать впущенный воздух. Переменное количество нагретой воды приблизительно до 250-350°С или до 523-623K от активной системы охлаждения вводят в полость камеры во время стадии сжатия. Это является первой переменной инжекцией воды. Нагретую воду стратифицируют в камеру сгорания вдоль сторон и задней половины камеры ротора, увеличивая эффективную степень сжатия камеры. Нагретая вода считается несжимаемой жидкостью, причем количество нагретой воды может быть различным, чтобы управлять и скорректировать степень сжатия камеры. Камера ротора стратифицирована свежим воздухом в передней половине и инжектированной водой в задней половине.

3. Нагретый водородный газ непосредственно вводят в полость камеры ротора во время сжатия на поздней стадии. При использовании непосредственной инжекции водорода во полость камеры ротора устраняется проблема детонации преждевременного зажигания. Водород менее плотен чем воздух и водная масса и будет иметь тенденцию стратифицироваться около передней половины камеры ротора, поддерживая относительно однородную концентрацию водорода, который легко смешивается с новым воздухом впуска, который также стратифицируются к передней половине камеры. Произведенная смесь водорода/воздуха однородной концентрации легко воспламеняется.

4. Свеча зажигания может воспламенить водород, или, в зависимости от эффективной степени сжатия, может произойти управляемое автовоспламенение. Температура автовоспламенения водорода равна 585°С, или 858K.

5. Поскольку камера ротора вращается, проходя через верхнюю мертвую точку (ВМТ), теплота сгорания выше 600°С или 873K проходит через защитное покрытие, создающее тепловой барьер (ПТБ) из перовскита на внутренней поверхности внешнего статора кожуха и переносится в Камеру Паров Натрия (КПН). ПТБ из перовскита защищает кожух от постоянного воспламенения сгорания при 1800K. Натрий в КПН изменяет фазовое состояние из жидкости в газ и протекает вдоль пути расширения.

6. Поверхностная температура ПТБ из перовскита может соответствовать пиковой температуре газа 1800K. Эта область поверхности с высокой температурой находится при температуре, намного большей температуры самовоспламенения водорода 585°С, или 858K, и, таким образом, еще более улучшает реакцию сгорания.

7. Вторую инжекцию нагретой воды приблизительно при 250-350°С, или 523-623K, от активной системы охлаждения выполняют на ранней стадии реакции сгорания/расширения, чтобы частично погасить или охладить реакцию сгорания для управления пиковой температурой приблизительно в 1800K и понизить температуру газ и воды в камере приблизительно до 600°С, или 873K, чтобы ускорить теплопередачу от камеры паров натрия с более высокой температурой обратно в камеры ротора вдоль пути расширения. Нагретая вода изменяет фазовое состояние из жидкости в состояние перегретого водяного пара, который сильно расширяется, увеличивая среднее эффективное давление (СЭД) в камере для выполнения работы.

8. Камера Паров Натрия продолжает перенос тепла обратно во вращающиеся камеры, поддерживая температуру камеры приблизительно при 600°С, или 873K. Поскольку газы в камерах ротора и вода охлаждены, центробежные силы прижимают более холодные и более тяжелые капельки воды к внешней поверхности стенки кожуха, что помогает поглощать тепло от КПН и ускорить теплопередачу обратно в камеру ротора от КПН и далее поддержать высокое давление пара и СЭД для выполнения работы.

9. В третьем охладителе инжекции воды воду от активной системы охлаждения при 30°С, или 303K, инжектируют на поздней стадии реакции сгорания/расширения как раз перед выхлопным отверстием, чтобы охладить реакцию сгорания и ротор камеры сгорания, лопасть и компоненты уплотнения, и чтобы предотвратить тепловое дросселирование при следующем впуске заряда. Холодная вода помогает увеличить давление и плотность пара в камере. Холодная вода также помогает конденсировать водяной пар, облегчая его регенерацию.

10. Высокое давление, высокая скорость, более низкая температура и плотные выхлопные газы воды затем проходят через турбину турбозарядного устройства с переменной геометрией и приводят в действие компрессор впуска. 11. Воду из выхлопа конденсируют, фильтруют и подвергают повторной циркуляции обратно в активную систему охлаждения.

Управление Температурой с Низкой Потерей Тепла

В двигателе с используемым циклом поглощенное тепло посылают в камеру паров натрия и активную систему охлаждения на ранней и поздней стадии инжекции воды. Эти системы обратимы и способны выполнять рециркуляцию тепловых потоков назад в камеры двигателя для улучшения термодинамической эффективности. Воду из активной системы охлаждения, которая в обычном случае не имела бы никакого значения эксергии или способности выполнять работу, вводят обратно в камеру двигателя, где она может выполнять положительную работу эксергии. Тепло, поглощенное в КПН, деабсорбируется или переносится обратно в камеры двигателя для выполнения работы эксергии. Тепло как от активной водной системы охлаждения, так и от КПН, будет взаимодействовать синергистически и может передать тепло как к другой системе, так и от нее. Это позволяет большой части тепла непрерывно быть перенесенной обратно через двигатель для обеспечения выгоды положительной работы эксергии. Хотя некоторая часть тепла теряется во время каждого переноса.

Довольно легко уменьшить температуру газа сгорания, регулируя количество воды, введенной назад в камеру сгорания ротора. Основным моментом здесь является достижение равновесия инжекции воды, чтобы также максимизировать работу и энтальпию двигателя в камере и системе двигателя. Если добавлено слишком много воды, то реакция погаситься или охладиться слишком рано и не будет обладать достаточной энтальпией для должного выпуска потока воздуха. Если введено слишком мало воды, то весь потенциал тепла не будет восстановлен и в этом случае могут иметь место большие потери тепла выхлопа и/или потери тепла охлаждения.

Камера Паров Натрия и Теплоперенос

В двигателе с используемым циклом Камера Паров Натрия (КПН) работает как двухфазная тепловая труба, поглощающая тепло из горячей зоны сгорания и возвращающая это тепло обратно к вращающимся камерам во время такта расширения.

КПН использует натрий в качестве рабочей текучей среды. Тепло, высвободившееся в процессе сгорания в двигателе, передается в зону испарителя КПН, где жидкий натрий поглощает переданное тепло и изменяет фазовое состояние из жидкости в пар газа. После чего пар газа натрия перемещается со звуковыми скоростями вдоль КПН к зоне осаждения, где газ натрия возвращает свое тепло во вращающиеся камеры сгорания вдоль зоны расширения, а натрий опять претерпевает фазовое превращение из пара газа в жидкость. Ряд капиллярных сеток обеспечивает капиллярную активность, чтобы равномерно переместить капиллярно запас жидкого натрия к зоне испарителя КПН, где натрий снова испаряется, и цикл повторяется.

Существует запаздывание теплового потока, заключающееся во времени, которое требуется для поглощения тепла в систему активного охлаждения и систему камеры паров натрия, и во времени, которое требуется для переноса его обратно в цикл расширения двигателя. Однако это запаздывание является незначительным для рабочего цикла из-за непрерывных тепловых потоков. Запаздывание очевидно только во время запуска, когда тепло сгорания в основном поглощается в КПН и в активной системе охлаждения для их зарядки до диапазонов их рабочей температуры.

Когда двигатель изменяет скорости вращения, переходная тепловая нагрузка пропорционально изменяется. Это изменяет коэффициент запаздывания теплопередачи в ротационных камерах. Однако КПН является самобалансирующей системой, которая автоматически приспосабливается к условиям больших нагрузок. При увеличении скорости вращения тепловая нагрузка теплопередачи в КПН увеличивается, и движение ротора также увеличивает возможность запаздывания, чтобы передать тепло обратно в камеры ротора. Чем выше температура натрия в КПН, тем больше температурный градиент от горячей зоны испарения натрия в зону конденсации. Это увеличивает теплопередачу в КПН. Поскольку нагрузка теплоты сгорания продолжается, средняя рабочая температура КПН и зон испарения и конденсации может увеличиться. Это приводит к условию, при котором существует больший температурный градиент между КПН и ротационными камерами вдоль пути расширения так, что больше тепла передается обратно с более высокими скоростями. Также при большей скорости вращения продолжительность теплопередачи к КПН и от него меньше. Это ограничивает чрезмерную тепловую нагрузку в КПН.

Натрий вступает в сильную реакцию с водой и может производить нагретый водородный газ, который может воспламениться. Для уменьшения " взаимодействия и реакции воды и натрия: во-первых, количество натрия поддерживается относительно небольшим, чтобы нанести ограниченный ущерб, даже двигателям очень больших размеров; во-вторых, кожух двигаетля выполнен из сплава высокого качества, который очень прочен на разрыв; в-третьих, криволинейность геометрии кожуха КПН также обеспечивает огромную силу для передачи сил удара, чтобы предотвратить разрыв; в-четвертых, Наружный кожух дополнительно защищен очень толстым слоем изоляции из металлической пены или изолирующего материала, который также защищает камеру паров натрия от удара; в пятых, используется внутренняя система регулятора давления КПН, которая помогает оптимизировать внутренние рабочие тепловые потоки натрия, поглотить высокие ударные давления и снизить вероятность разрыва; и в шестых, в случае разрыва взаимодействие воды и натрия обычно сильно локализовано и скорость реакции низкая, так что существует некоторая возможность воспламенения, но не взрыва, который привел бы к разлетанию металлических частей.

Наружная Изолирующая Крышка КПН

Наружная поверхность КПН покрыта изолирующей крышкой, которая помогает уменьшить потери тепла через КПН в окружающую среду. Изолирующая крышка также помогает значительно уменьшить уровень шумов заявляемых двигателей. Изолирующая крышка может быть выполнена из изолирующего покрытия из керамических материалов, или из металлической пены, или из керамических материалов. Эти материалы также очень хорошо защищают КПН от повреждения при случайном ударе, который мог бы разорвать КПН.

Термоэлектрический Преобразователь из Щелочного Металла

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в получении прямого источника электричества. Настоящее изобретение обеспечивает системы камеры паров натрия для удаления избыточного тепла из зоны сгорания и передачи его в зону расширения. Профиль циркуляции теплопередачи рабочей текучей среды натрия идентичен использованию термоэлектрического преобразователя на щелочном металле (ТЭПЩМ) для генерации электричества. ТЭПЩМ использует натрий в качестве рабочей текучей среды, которая нагрета и находится под давлением около твердого электрода из бета оксида алюминия (ТЭБА), где натрий преобразуется из жидкость в газ, а ионы натрия проходят сквозь ТЭБА, генерируя электричество.

Охлаждение Ротора

Поверхность ротора покрыта дефектным кластером ПТБ, который способен работать до 1400°С. ПТБ помогает защитить ротор от повреждения от теплоты сгорания и минимизирует поверхностную теплопередачу в ротор. Тепло из камеры ротора, которое проходит через ПТБ ротора, поглощается в камере водяного пара, расположенной под поверхностью ротора. Верхняя камера водяного пара ротора является зоной испарителя, где рабочая текучая среда - вода претерпевает фазовый переход из жидкости в газ и переносит тепло внутри камеры водяного пара к конденсаторам, расположенным по обеим сторонам ротора. Активная система водяного охлаждения распыляет воду через конденсаторы ротора, пока ротор вращается, чтобы поглотить тела конденсатора, посредством чего вода в паровой камере ротора охлаждается и изменяет фазовое состояние из газа в жидкость и рециркулируется назад в зону испарителя посредством центробежных сил с высоким значением G. Камера водяного пара ротора также помогает обеспечить изотермичность распределения тепла по всей поверхности ротора. Это даже помогает улучшить сгорание во всей камере и предотвратить тепловые горячие пятна и деформации в конструкции ротора.

Высокий Термический эффективный КПД

Из-за теплопередачи паров натрия, инжекции воды и более длительного такта расширения, заявляемый двигатель может достигнуть более высокого термического эффективного КПД. Тепло, которое может быть потеряно на кожухе и системе охлаждения, восстанавливается из системы камеры паров натрия. Тепло, которое передается в активную систему охлаждения, рециркулируется назад в цикл сгорания/расширения. Расширенная камера сгорания/расширения с инжекцией воды позволяет максимальному количеству теплоты сгорания быть преобразованной в СЭД и работу, уменьшая потери температуры выхлопа. Потери трения от такта сжатия и тепла от скользящих лопастей и ротора захватываются в воде активной системы охлаждения и вводятся назад в рабочий цикл и камеры сгорания. Использование всего двигателя, поскольку цикл уменьшает полные потреи тепла от сгорания, охлаждения посредством теплопередачи, выхлоп, и трение, которое повышает максимальную мощность и термический эффективный КПД до уровня, достигающего 65-80%.

Используемый цикл может быть приспособлен для использования с двигателями Ванкеля и другими ротационными двигателями, но предпочтительный вариант выполнения выполнен для заявляемого двигателя, в соответствии с настоящим изобретением, имеющего много уникальных механических систем, разработанных для оптимизации термодинамической и механической работы используемого цикла.

Высокосбалансированная Плотность Мощности

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение лучше сбалансированного распределения мощности, которая также обладает более высокой эффективностью мощности двигателя к объему и весу.

Цель этого двигателя состоит в том, чтобы оптимизировать каждый из четырех тактов цикла и синтезировать их работу в полностью интегрированную систему двигателя, достигающего высокого КПД, а также большое отношение плотности мощности к объему и весу. Предпочтительная конструкцмя двигателя - двигатель с вращающимися лопастями, в котором ротор отцентрован на ведущем вале. Двигатель ротационного типа идеален в том отношении, что он может независимо отделить каждый из четырех циклов двигателя. Это также обеспечивает непрерывную работу всех сил сгорания и механических сил, чтобы обеспечить вращение только в одном направлении, в отличие от возвратно-поступательных двигателей. Это приводит к более ровному, более сбалансированному вращению с меньшей вибрацией и меньшими силами напряжения. Камеры, используемые в двигателе настоящего изобретения, относительно меньше, что обеспечивает лучшее управление реакцией сгорания для того, чтобы двигатель мог ровно работать только с одним ротором.

Двигатель также может иметь различное число роторов, присоединенных к одному и тому же приводному валу, чтобы увеличить полную мощность системы двигателя. Число роторов ограничено длиной и прочностью приводного вала, чтобы справляться со всеми рабочими нагрузками роторов. Двигатель в соответствии с настоящим изобретением может также иметь шесть, восемь, девять или двенадцать камер сгорания. Однако предпочтительный вариант выполнения является двигателем с восемью камерами сгорания. С шестью, восемью, девятью, двенадцатью или большим количеством камер, в зависимости от масштаба двигателя на 360 градусов СА вращения, двигатель может произвести очень высокую мощность смещения и вращающий момент в пределах маленького объема и веса.

Например, для двигателя с восьмью камерами сгорания в роторе, двигатель обеспечивает восемь импульсов на 360 градусов поворота вала.

Переменная Степень Сжатия Инжекции Воды

Хотя использование КПН в водородном двигателе с используемым циклом позволило бы полости сгорания быть полностью исключенной из двигателя, такая полость действительно помогает управлять свойствами стратификации водорода и воды для улучшения зажигания и создания турбулентности для улучшенного смешивания реакции сгорания. Однако использование углубления полости сгорания дает больший объем камеры, что отрицательно сказывается на степени сжатия камеры путем добавления объема камеры, который не может быть легко сжат, основываясь на взаимодействии геометрии ротора с наружной поверхностью статора кожуха. В заявляемом двигателе водная инжекция геометрически отделена от системы инжекции топлива. Два инжекции воды расположены ранее в ходе сжатия в точке, в которой запаздывающая лопасть камеры ротора освобождает впускной канал. Это позволяет провести полную зарядку впуска новым воздухом прежде, чем будет инжектирована вода. В это время нагретая вода из активной системы охлаждения инжектируется в камеру ротора двумя водными инжекторами, выполненными на сторонах статора кожуха ротора. Инжекция воды направлена вперед в сторону вращения ротора при инжекции инжектором воды на каждой стороне ротора и камеры ротора около осевых уплотнений. Температура воды - от 250 до 350°С около точки пара. По мере вращения ротора во внутреннем кожухе статора введенная вода стратифицируется в заднюю половину камеры ротора благодаря центробежной силе и силе инерции. Затем камеру ротора стратифицируют свежим воздухом в передней половине и инжектируют воду в заднюю половину. В этот момент с водой поступают как с несжимаемой текучей средой, что сильно уменьшает эффективный объем камеры. Затем водородное топливо непосредственно инжектируется в переднюю центральную половину камеры ротора. Добавленная вода помогает управлять максимальной температурой сгорания, а также увеличивать эффективную степень сжатия и помогает воспламенить топливо. Стратификация воды и топлива в камере также способствует быстрому воспламенения топлива без растворения воды, улучшающего рабочие характеристики сгорания. Стратификация воды и топлива также удерживает реакцию сгорания в передней части камеры ротора. Это и далее улучшает максимальное использование сил сгорания. Без этой стратификации топливо также имело бы тенденцию стратифицироваться в камере к задней половине камеры ротора, минимизируя желательное направление сил сгорания. Как только водородное топливо воспламенилось, требуется очень небольшое количество теплоты сгорания, чтобы выпарить воду в перегретый водяной пар. Этот перегретый пар мгновенно испаряется вперед в направлении вращения с очень сильным движением от взрыва, производящим огромную турбуляцию для смешивания с воспламенившимся топливом. Эта перегретая сильно турбулентная реакция топлива/воды затем передается по поверхности сгорания камеры паров натрия с поверхностной температурой 1800K или 1526°С. Эта геометрическая секция заявляемого двигателя имеет очень высокое отношение площади поверхности кожуха к объему камеры и помогает улучшить скорость сгорания и полное сгорание топлива. Количество воды, инжектированной в такте сжатия, может изменяться для изменения эффективной степени сжатия, чтобы оптимизировать рабочие характеристики двигателя и КПД при различных числах оборота.

Например геометрический объем впуска 400 ее может сжиматься до 40 сс со степенью сжатия 10:1. Однако, если введено 20 ее несжимаемой воды, то эффективный газовый объем камеры сжатия будет 20 сс со степенью сжатия 20:1. Количество воды может быть отрегулировано, чтобы приспособить эффективную степень сжатия к идеальным рабочим условиям двигателя.

Обратимость Потери Сгорания

Степень сжатия отрегулирована так, что температура предварительной смеси водорода/воды/воздуха очень близко к 585°С, т.е. температуры самовоспламенения. Водород является топливом с большой диффузионной способностью и быстро формирует гомогенную заряд с водой. Тепло от камеры паров натрия воспламеняет смесь водорода/воды/воздуха. При использовании площади поверхности кожуха для воспламенения смеси вся камера сгорания воспламеняется одновременно. Небольшая энергия сгорания теряется из-за температуры предварительной смеси водорода/воды/воздуха, находящейся в равновесии с температурой самовоспламенения. Поскольку для воспламенения смеси используется весь кожух, то теряется очень немного энергии от обмена фронта пламени с непрореагировавшим топливом и воздухом. Так как смесь сгорания состоит только из водорода, воды и воздуха, то продукты реакции и реагенты ограничены только этими элементами. Это уменьшает потери кинетической энергии сгорания, связанные с разрывом молекулярных связей топлива из углеводородов с более длинными цепями. При однородной смеси водорода/воды/воздуха вода находится в непосредственной близости от водорода и помогает ограничить реакцию сгорания, преобразовывая тепловую энергию в энергию высокого давления пара для выполнения работы. Нагревание водяного пара в реакции сгорания является более обратимой реакцией, в которой теплота сгорания может быть перенесена или передана путем проводимости между другими молекулами воды с небольшим разрушением энергии.

Улучшенная Подача Водородного Топлива

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной водородной подачи топлива и рабочие характеристики зажигания по сравнению с существующим двигателям. Заявляемый двигатель не только использует и перерабатывает всю теплоту реакции сгорания, но также использует активную систему охлаждения воды, которая захватывает тепло от механического трения двигателя, сжатия в цикле, и потока выхлопного газа. Нагретая вода из активной системы охлаждения используется для предварительного смешивания с газом водородом перед инжекцией, на ранней и поздней стадии инжекции воды в зоны сгорания/расширения. Системы хранения сжатого водорода используют резервуары с давлениями от 690 до 1030 атм (от 10000 до 15000 фунт/дюйм²). Заявляемый двигатель использует регуляторы для инжекции водорода под давлением во вращающиеся полости сгорания. Когда сжатый газ изменяется из состояния с высоким давлением в состояние с низким давлением, тепло поглощается от расширения газа. Если перепад давлений и скорость использования газа достаточно высоки, это может привести к обледенению и к прекращению работы системы и регуляторов из-за неисправности. Заявляемый двигатель использует нагретую воду от активной системы охлаждения, предварительно смешанную с газом водородом прежде, чем она поступит в камеру сгорания двигателя, и поставляет тепло, необходимое в расширении газа, чтобы предотвратить обледенение регуляторов. Поскольку водород имеет высокую температуру самовоспламенения, 585°С, важно быстро поднять его температуру выше этого значения для надлежащего сгорания.

Высокое Сжатие

Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение двигателя с более высоким рабочим сжатием впуска. Водород способен подвергаться очень высоким степеням сжатия, которые могут быть столь высокими как 33:1. Путем предварительного смешивания водорода с водой, двигатель согласно настоящему изобретению может создавать более высокие степени сжатия, больше чем 14:1, с уменьшенной вероятностью возникновения детонации или предварительного зажигания. Настоящее изобретение использует степень сжатия, которая доводит предварительную смесь водорода/воды/воздуха до температуры, близкой к 585°С, рядом с температурой самовоспламенения. Это равновесие сгорания помогает уменьшить кинетические потери тепла реакции сгорания для зажигания топливной предварительной смеси.

Более Широкий Рабочий Диапазон Эквивалентности Топлива/Воздуха

Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение водородного двигателя, который способен успешно работать с более широким диапазоном значения Phi топлива к смесям воздуха, которые могут быть изменены от очень обедненного до стехиометрического или (от >=0,4 до <=1,0), чтобы оптимизировать реакцию сгорания для получения высокого КПД топлива или рабочих характеристик высокой мощности. Водород и воздух впуска сконцентрированы вместе для создания превосходного зажигания даже при низких отношениях эквивалентности. Инжекция воды может создать высокое сжатие, которое может улучшить рабочие характеристики зажигания. Высокая температура внутренней поверхности статора еще более улучшает зажигание обедненной воздушно-топливной смеси и полное сгорание.

Более Низкое Выделение NO_x

Еще одной целью настоящего изобретения является получение улучшенное более низкое выделение NO_x с более высокими рабочими характеристиками в