CN101016870A - 甲醇－氢组合燃料发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以甲醇－氢为组合燃料的发动机。包括发动机本体、尾气净化器、消声器、甲醇燃料箱、甲醇泵等。尾气净化器与消声器之间串接一个裂解反应器，裂解出的氢气接至发动机的进气系统。甲醇燃料箱中的燃料一路直接供给裂解反应器，另一路以串接方式通过甲醇泵、甲醇燃料轨及喷嘴达发动机的进气系统。发动机本体与尾气净化器之间设有氧传感器作为燃烧信号反馈，氧传感器和传感器组的信号接至电控单元，由电控单元控制甲醇喷嘴、调节阀、进气预热装置、点火线圈以及甲醇泵的工作状态。本发明的特点是采用发动机排气作为循环供热载体，甲醇蒸汽在专用催化剂上裂解和转化一步完成，能够有效的保护环境，使发动机尾气排放达到环保指标。

Description

甲醇-氢组合燃料发动机

技术领域

本发明属于内燃机代用燃料，具体涉及一种以甲醇-氢为组合燃料的发动机。

背景技术

随着能源的紧张以及人们对大气环境保护意识的加强，寻找高效清洁的内燃机燃料成为内燃机技术中的重要问题之一。醇作为清洁代用燃料，目前供应充足，价格适宜。因而单从经济性分析，发动机使用甲醇比使用汽油经济性要好的多。从技术发展来看，甲醇裂解制氢技术已在化工、冶金、石油等行业得到广泛应用。针对当前突出的环境问题，很有必要将甲醇裂解制氢技术应用于发动机的节能中。通过对中国专利文摘数据库的检索得到，在文摘“环保节能的汽车余热裂解制氢装置”(检索号：CN2485438)中提出一种技术，将辅助电热栓分布于裂解室内，由于采用了辅助电热栓，发动机在低温低速运行时，电热栓接通发热，使裂解温度迅速升高，同过采用中心短路管分流方式，并可以自动控制使裂解温度不会过高。在专利“余热制氢发动机”(专利号：ZLO1221486.8)中也提出一种技术，即利用发动机排气的余热，将液态的醇催化裂解成为气态的氢，再将其与汽油混合后进入发动机气缸内燃烧，实现醇——氢代燃、稀薄燃烧，提高能源功率，降低发动机排放对大气环境的污染。这些措施对于改良内燃机燃烧效果是一种新的方法。但存在以下缺点：(1)发动机冷启动时由于排气温度低，不能直接裂解醇制取氢气，此时发动机必须燃用汽油；(2)裂解的氢混合气不能满足发动机大负荷工况的要求，即当发动机在中大负荷工况运行时仍需采用汽油与氢气共同参与燃烧，这将使发动机控制系统复杂化；(3)车辆需设置甲醇、汽油两个燃料箱，很不方便。

鉴于此，在醇(氢)代燃的关键技术中本发明提出一种新的技术，它不需要对发动机的原结构做大的改动，只要在排气系统上设置一套裂解反应器装置，并在发动机上加装一套集中控制系统，便可利用发动机排气余热，将醇类催化裂解产生氢，代燃节能，减少排放污染。

发明内容

本发明的目的是提出一种以甲醇-氢为组合燃料的发动机，利用发动机的排气余热将甲醇在裂解反应器里催化裂解产生氢气，然后将氢气引入发动机作燃料进行燃烧，以达到减少排放污染之目的。

以下结合附图对本发明的技术原理进行说明。本发明是利用发动机的排气余热将甲醇在裂解反应器里催化裂解，产生氢气，然后将氢气引入发动机燃烧。在发动机处于冷机启动的状态时，发动机可以直接燃用甲醇运行，待排气将裂解反应器加热到所需温度后，发动机的控制系统自动切换为氢裂解气作为发动机的燃料，从而实现发动机燃烧的甲醇-氢组合。甲醇-氢组合燃料发动机，主要包括发动机本体1、尾气净化器2、消声器3、甲醇燃料箱4、甲醇泵5、压力调节阀6、甲醇燃料轨7、甲醇喷嘴8、流量调节阀9、氧传感器10、裂解反应器11、进气系统12、发动机状态传感器组13、控制系统14、进气加热装置15及点火线圈16等。由甲醇泵5、压力调节阀6、甲醇燃料轨7、甲醇喷嘴8构成发动机的甲醇燃料供给系统。由尾气净化器2、裂解反应器11、消声器3构成发动机废气的排气系统(图中虚线框)，裂解反应器11串接在尾气净化器2与消声器3之间，其排气气流入口与尾气净化器2的排气气流出口紧密耦合。通过尾气净化器2气流出口的排气余热将甲醇在裂解反应器11内催化裂解产生氢气，裂解出的氢气经管路接至发动机本体1的进气系统12供给发动机燃烧，由此构成发动机的甲醇燃料裂解气(氢)供给系统。甲醇燃料箱4中的甲醇燃料分两路供应：一路经流量调节阀9供给裂解反应器11，在反应器中裂解成氢气抵达发动机本体1的进气系统12；另一路的甲醇燃料以串接方式通过甲醇泵5、压力调节阀6、甲醇燃料轨7经甲醇喷嘴8抵达发动机本体1的进气系统12。在进气系统12的进气通道上设有进气加热装置15。在发动机本体1上装有由各种感知发动机工作状态的传感器组成的传感器组13(传感器组包括：曲轴位置传感器、转速传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、燃气温度传感器、燃气压力传感器)。发动机本体1与尾气净化器2之间设有氧传感器10作为反馈信号，氧传感器10和传感器组13的输出信号接至电控单元14的信号输入端。电控单元14的输出端通过信号线控制甲醇泵5、甲醇喷嘴8、流量调节阀9、进气加热装置15以及点火线圈16的工作状态。系统采用进气预热装置15其目的是提高甲醇燃料的雾化程度，使燃烧更加充分。采用流量调节阀9控制甲醇到裂解反应器11的供给量，使甲醇裂解气满足发动机不同工况的要求。

甲醇裂解制氢原理：

(1)甲醇在280～350℃温度下，通过催化剂，裂解为一氧化碳和氢气。反应式如下：CH₃OH→CO+3H₂。

(2)一氧化碳和氢在发动机气缸内燃烧做功，排出二氧化碳和水。反应式如下：

2CO+O₂→2CO₂；2H₂+O₂→2H₂O。

附图说明

附图是甲醇-氢组合燃料发动机主要部件及其控制线路连接示意图。

图中：

表示控制系统的信号线与控制线路；

表示甲醇供给路线；

表示裂解气进气路线；

表示空气与燃料的混合气；

表示废气排气路线。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的技术原理作进一步的说明。按附图所示将各部件进行组装。裂解反应器11加装在尾气净化器2与消声器3之间的管路中，其排气气流入口与尾气净化器2的排气气流出口紧密耦合。通过在排气系统上设置的氧传感器10，来监测燃烧过程的可燃混合气浓度作为反馈信号，通过电控单元14对醇燃料的供给量进行调节控制。甲醇-氢组合燃料发动机的工作过程是供给不同浓度(以过量空气系数λ为衡量指标)的可燃混合气，以实现发动机不同工况的要求。首先，发动机冷启动时，因为没有排气余热，所以不能裂解制氢，此时电控单元14控制甲醇喷嘴8喷射甲醇燃料进入发动机燃烧室进行燃烧。随着发动机温度的升高，当排气温度达到280℃时，排气的高温可以裂解反应器11中的部分甲醇产生氢气，此时供给发动机进行燃烧的燃料是甲醇与氢气的混合物——醇氢混燃。随着燃烧的进行当发动机排气温度超过350℃时，即达到能够裂解出大量的氢时，电控单元14将自动切断醇燃料喷射支路，实现纯氢燃烧。

整个过程甲醇裂解热力学如下：

甲醇在有催化剂的条件下350℃按以下反应式裂解：CH₃OH→CO+2H₂

每mol甲醇吸收了汽车尾气的余热，被从常温的液体加热汽化成350℃的蒸汽，热焓增值为：156(64.51.25)+35000+106(350-64.51)＝71.4kJ/mol

1mol甲醇裂解后，产生1mol的一氧化碳和2mol的氢。其热值增加为：

CO+1/2O₂→CO₂，ΔH＝284.7kJ/mol；H₂+1/2O₂→H₂O，ΔH＝242.6kJ/mol。

每mol甲醇通过催化热裂解以后，其热焓的增值为：

(248.7+2×242.6+71.4)-726.55＝78.8kJ/mol

由此实施例可知，利用发动机尾气余热裂解甲醇产生的裂解气，其热值比原来同质量的甲醇提高了10.8％。

本发明的有益效果在于：采用发动机排气作为循环供热载体，除满足工艺要求外且能耗低，甲醇蒸汽在专用催化剂上裂解和转化一步完成。专用催化剂具有活性高、选择性好、使用温度低，寿命长的特点。本发明能够有效的保护环境，使发动机尾气排放达到环保指标。

Claims (1)

1.甲醇-氢组合燃料发动机，包括发动机本体(1)、尾气净化器(2)、消声器(3)、甲醇燃料箱(4)、甲醇泵(5)、压力调节阀(6)、甲醇燃料轨(7)、甲醇喷嘴(8)、调节阀(9)、氧传感器(10)，其特征是：在所述尾气净化器(2)与所述消声器(3)之间串接一个裂解反应器(11)，裂解反应器(11)裂解出的氢气经管路接至发动机本体(1)的进气系统(12)，甲醇燃料箱(4)中的甲醇燃料一路经流量调节阀(9)直接供给裂解反应器(11)；甲醇燃料箱(4)中另一路的甲醇燃料以串接方式通过甲醇泵(5)、压力调节阀(6)、甲醇燃料轨(7)经甲醇喷嘴(8)达发动机本体(1)的进气系统(12)；在发动机本体(1)上装有传感器组(13)，发动机本体(1)与尾气净化器(2)之间设有氧传感器(10)，氧传感器(10)和传感器组(13)的信号输出端接至电控单元(14)的信号输入端，由电控单元(14)控制甲醇喷嘴(8)、调节阀(9)、进气预热装置(15)、点火线圈(16)以及甲醇泵(5)的工作状态。

Images