CN101099032B - 具有氢产生能力的内燃机系统 - Google Patents

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Abstract

提供一个装有含有机氢化物的氢化燃料的氢化燃料箱(32)和一个装有普通汽油的汽油箱(48)。为了把氢化燃料分离成富氢气体和脱氢产品，提供一种脱氢反应器(22)和分离器(40)。富氢气体流入到氢管(44)中，并供给进气管(12)。脱氢产品管(42)设置有一个流分离器。脱氢产品导入到汽油箱(48)中，直到汽油箱(48)中脱氢产品的混合比率达到最大允许比率。如果比率达到最大允许比率，脱氢产品将被收集到脱氢产品箱(50)中。

Description

具有氢产生能力的内燃机系统
技术领域
本发明涉及一种具有氢产生能力的内燃机系统。更具体地，本发明涉及一种配备有氢产生能力的内燃机系统，该内燃机系统通过使用氢化燃料和普通汽油两者来运转。
背景技术
如日本专利公开2003-343360号公开了具有氢产生能力的内燃机系统。特别地，该系统包括一个产生富氢气体和脱氢产品的机构，例如从包含有萘烷等有机氢化物的氢燃料和使用产生的富氢气体作燃料运转的氢发动机中的萘。
在前述专利中公开的系统中，当氢发动机运转时，利用运转时产生的热量，把氢燃料分离成富氢气体和脱氢产品。然后，仅有富氢气体被提取并作为燃料使用。剩余的脱氢产品被收集到再回收箱中。该再回收箱有一个排放管，脱氢产品通过该排放管排放到外面。
如前所述，该现有技术系统本身能够产生氢作为燃料使用。因此可以实现不安装高压氢箱或其他的氢燃料系统。
在前述文档中，申请人注意到下列作为本发明相关技术的文档。
【专利文档1】
日本专利公开2003-343360号
【专利文档2】
日本专利公开2002-255503号
【专利文档3】
日本专利公开7-63128号
顺便，为了使内燃机输出大功率，同时向内燃机提供汽油和氢是有效的。例如，通过把前述现有技术系统应用到汽油燃料普通内燃机上就可实现此功能。
在前述现有技术中，生成富氢气体的副产品脱氢产品仍然被排出处理。因此，如果系统简单应用于普通内燃机上，脱氢产品需要经常排出，需要使用者进行繁琐的维修/管理操作。
发明内容
本发明用于解决前述问题。本发明的一个目标就是提供一种配备具有氢产生能力的内燃机，该内燃机同时使用富氢气体和普通汽油作为燃料，无需进行繁琐的维修/管理操作。
前述目标可通过本发明的第一方面来获得。本发明的第一方面涉及一种具有氢产生能力的内燃机系统，包括：装有包含有机氢化物的氢化燃料的氢化燃料箱；装有普通汽油的汽油箱；用于将所述氢化燃料分离成富氢气体和脱氢产品的燃料分离装置；用于消耗所述富氢气体的富氢气体消耗装置，所述富氢气体作为燃料由所述内燃机消耗；用于混合所述脱氢产品和普通汽油的脱氢产品混合装置，其中，所述脱氢产品混合装置包括：用于将所述脱氢产品导入所述汽油箱的脱氢产品引导装置；用于检测所述汽油箱中的所述脱氢产品的混合比率的混合比率检测装置；和脱氢产品止入装置，用于如果该混合比率超出最大允许混合比率，则阻止所述脱氢产品流入所述汽油箱；以及将由所述普通汽油和脱氢产品组成的混合燃料供给到内燃机的燃料供给装置。
前述目标也可以通过本发明的第二方面来获得。本发明的第二方面涉及根据第一方面的内燃机系统。在本方面中，脱氢产品混合单元包括用于把脱氢产品导向汽油箱的脱氢产品引导机构，用于检测汽油箱中脱氢产品混合比率的混合比率检测单元，和脱氢产品止入单元，如果混合比率超出最大允许混合比率，该脱氢产品止入单元阻止脱氢产品进入汽油箱。
前述目标还可以通过本发明的第三方面来获得。本发明的第三方面涉及根据本发明第二方面的内燃机系统。在本方面中，还提供用于存贮脱氢产品的脱氢产品箱。脱氢产品引导单元包括流分离器，在第一状态下把脱氢产品导入到汽油箱中，第二状态下把脱氢产品导入到脱氢产品箱中。脱氢产品止入单元包括流分离器控制单元，如果混合比率超过最大允许混合比率，该流分离器控制单元将流分离器设置到第二状态。该系统还包括报警单元，如果注入到脱氢产品箱中的脱氢产品达到最大允许量时，该报警单元发出关于该情况的报警。
根据本发明的第一方面，可以通过分离氢燃料来产生富氢气体和脱氢产品。富氢气体被消耗，脱氢产品被混合到普通汽油中，并作为混合燃料的一部分提供给内燃机。因此，可以减少脱氢产品排出的频率。
根据本发明的第二方面，如果汽油箱中的脱氢产品的混合比率超出最大允许混合比率，可以阻止该脱氢产品进入汽油箱。如果脱氢产品的混合比率过度地上升，混合燃料的可燃性变差，使内燃机不能稳定运转。本发明可以阻止该情况的发生。
根据本发明的第三方面，如果脱氢产品的混合比率超出最大允许混合比率，可以将脱氢产品导入到脱氢产品箱中。这样，能够持续产生富氢气体而不会使混合燃料中脱氢产品的混合比率过分上升。此外，在存储于箱中的脱氢产品数量达到最大允许值的情况下，能够发出警报以促动对脱氢气体的处理(排出)。
附图说明
图1表示根据本发明第一实施例的系统的构造示意图；和
图2表示执行本发明第一实施例的程序流程图。
具体实施例
第一实施例
【第一实施例的构造】
图1是为了说明根据本发明第一实施例的系统的构造。该系统具有一个内燃机10。进气管12和排气管14与内燃机10连通。
进气管12设置有控制吸入空气量的节气门16。在节气门16的下游放置有氢喷嘴18。另外，在内燃机10的进气口放置一个汽油喷嘴20。
氢喷嘴18，如下所述，能提供一定压力的富氢气体。从外部接收到一个驱动信号，氢喷嘴18打开阀门把富氢气体喷射到进气管12中。富氢气体的喷射量根据阀门打开的持续时间。尽管氢喷嘴18设置在图1所示系统中的进气管12，其构造不限于这种布置。特别地，氢油嘴18还可以安装在内燃机的主体上，从而将氢喷射入气缸内。
汽油喷嘴20，如下所述，能提供一定压力的汽油(严格地，混合燃料)。从外部接收到一个驾驶信号，汽油喷嘴20打开阀门把汽油喷射到进气管12中。汽油的喷射量根据阀门打开的持续时间。
脱氢反应器22与排气管14相连。另外，氢燃料喷嘴24安装在该脱氢反应器22的顶部。氢燃料喷嘴24，如下所述，能提供一定压力的含有机氢化物的氢化燃料。
这里，“有机氢化物”是指萘烷、环己胺和其它能够在约300℃的温度下脱氢的碳氢化合物。此外，为方便说明，假设燃料仅包含甲基环己烷C7H14，即，在此实施例中包含大致100％甲基环己烷的燃料被用作“氢化燃料”。
从外部接收到驱动信号，氢化燃料喷嘴24打开其阀门，把氢化燃料喷射到脱氢反应器22中。喷射的氢化燃料的量根据阀门打开的持续时间。脱氢反应器22通过利用排气管14散发的热量，可把供给的氢化燃料分离成富氢气体和脱氢产品，然后把它们从底部排出。
在此实施例中，如前所述，氢化燃料包含100％甲基环己烷C7H14。甲基环己烷C7H14通过如下的脱氢反应被分离成氢气H2和甲苯C7H8：
C7H14→C7H8+3H2    ...(1)
因此，在此实施例中，如果氢化燃料从氢化燃料喷嘴24中喷射，那么富氢气体和甲苯C7H8将从脱氢反应器22的底部排出。
在脱氢反应器22下游的排气管14中安装有O2传感器26和NOx传感器28。基于废气中氧气的量，O2传感器26提供一个输出，该输出表示废气空燃比。另外，NOx传感器28也提供一个输出，该输出表示废气中NOx的浓度。在传感器26和28的下游设置催化剂30以净化排气。
本实施例的系统包括一个氢化燃料箱32。该氢化燃料箱32为应该加有氢化燃料并存贮该氢化燃料的箱。换句话说，本实施例的系统需要将氢化燃料箱32中装有前述氢化燃料，即，100％的甲基环己烷。
氢化燃料供给管34与氢化燃料箱32相连。该氢化燃料供给管34在其通道中部设置有泵36，并在其末端与氢化燃料喷嘴24相连。在内燃机运转过程中，从氢化燃料箱32中抽出氢化燃料，并以一定压力供给到氢化燃料喷嘴24。
如前所述，从外部接收到驾驶信息，氢化燃料喷嘴24可以从其顶部喷射氢化燃料到脱氢反应器22中。脱氢反应器22，如前所述，能够把氢化燃料分离成富氢气体和脱氢产品，即富氢气体和甲苯C7H8。
脱氢反应器22的底部通过管38与分离器40相连。分离器40能够通过冷却它们来分离从脱氢反应器22供给的高温富氢气体和脱氢产品(甲苯)。在分离器40的底部有一个液体容器空间，用于存贮冷却的并由此液化的脱氢产品。在此容器空间之上，有一个蒸汽容器空间，用于存贮仍然是汽态的富氢气体。与分离器40相连的脱氢产品管42提供与液体容器空间的连通。同样，氢管44提供与蒸汽容器空间的连通。
脱氢产品管42与流分离器46连通。流分离器46与汽油箱48和脱氢产品箱50相连。从外部接收到驾驶信号，流分离器46能够在第一状态和第二状态之间进行转换，其中，第一状态中脱氢产品管42与脱氢产品箱50连通，第二状态中脱氢产品管42与汽油箱48连通。因此在本实施例的系统中，通过把流分离器46设定为第一状态，把脱氢产品供给到汽油箱48是可能的。通过把流分离器46设定为第二状态，把脱氢产品导入到脱氢产品箱50也是可能的。
脱氢产品箱50包括液面传感器52和排放阀54。液面传感器52提供一个输出，该输出反映脱氢产品箱50中收集的脱氢产品的量。排放阀54是一个能够把注入到脱氢产品箱50中的脱氢产品排放到外面的阀门机构。
汽油箱48是可装有诸如包含40％环己胺、萘烷等有机氢化物的普通汽油的箱体。即，在本实施例系统设计中，氢化燃料箱32装有氢化燃料，而且汽油箱48装有普通汽油。
当流分离器46在第一状态时，脱氢产品，也就是在分离器40中产生的甲苯供给到汽油箱中。在汽油箱48中，由普通汽油和从流分离器46中输入的脱氢产品组成的混合燃料存贮其中。
在此实施例中，汽油箱48包括重量传感器56和水平传感器58。重量传感器56提供一个反映存贮于汽油箱48中的混合燃料量的输出。同时，水平传感器58提供一个反映混合燃料体积的输出。普通汽油的特殊比重不同于脱氢产品。如果已知存贮的混合燃料的重量和体积，可以从这些值中计算出普通汽油成分和脱氢产品成分的比率。在此实施例的系统中，注存贮于汽油箱48的混合燃料中脱氢产品成分的比率能够根据重量传感器56和水平传感器58的输出来检测。
汽油管60与汽油箱48连通。汽油管60在其管道中间提供泵62，且其末端与汽油喷嘴20连通。在内燃机运转期间，存储在汽油箱48中的混合燃料通过泵62以一定压力抽出，并供给汽油喷嘴20。
氢管44与氢缓冲箱64连通。氢管44设置有泵66和安全阀68。由泵66从分离器40中抽出富氢气体到氢缓冲箱64中。安全阀68防止泵66的传送压力过度上升。利用泵66和安全阀68，可以在避免内部压力过度上升的情况下，把富氢气体供给到氢缓冲器64中。
氢缓冲箱64包括一个压力传感器70。该压力传感器70提供一个反映氢缓冲箱64内部压力的输出。根据压力传感器70的输出，可以估计存贮在氢缓冲箱64中的富氢气体的量。
氢供应管72与氢缓冲箱64连通。该氢供应管72在其管道中部设置有调节器74，且其末端与氢喷嘴18连通。在此结构中，只要氢缓冲箱64中存贮有足够的富氢气体，就可通过调节器74把富氢气体调节到一定压力供给氢喷嘴18。
本实施例中的系统包括一个ECU80。各种传感器的输出都连接到ECU80中，包括前述的O2传感器26、NOx传感器28、液面传感器52、液体重量传感器56、液体水平传感器58和压力传感器70。另外，前述流分离器46、泵36、62和66、喷嘴18、20和24、报警灯82和其它的致动器也与ECU80相连，基于传感器的输出来执行程序处理，ECU80能够适当地驱动这些致动器，如果脱氢产品的存贮量已超出上限，将打开报警灯82给出相应的警示。
【第一实施例操作概述】
当内燃机10开始工作，ECU80开始计算供给到内燃机10中的富氢气体和汽油(混合燃料)的数量。根据预定的规则基于操作条件计算出目标值。在内燃机10运转期间，通过驱动氢喷嘴18和汽油喷嘴20来实现这些目标值。因此，存贮在氢缓冲箱64中的富氢气体和存贮在汽油箱48中的混合燃料将分别适当地喷射到进气管12和进气口。
如果在同一时间为内燃机10同时供给氢和汽油，将比仅用氢作为燃料获得更多的动力。另外，与仅用汽油作为燃料的情况相比，这样将提高确保稳定燃烧的空气过量率的上限，可以显著改善燃料的效率和排放特性。因而，本实施例的系统能够实现内燃机10较高的燃料效率、输出动力特性和排放。
本实施例的系统中的脱氢反应器22能够在其内部温度上升到300℃左右时，把氢化燃料分离成富氢气体和脱氢产品。在内燃机10开始工作之后，ECU80基于内燃机10的温度判断脱氢反应器22是否准备好执行分离操作。然后，如果判断可以执行该操作，ECU80允许氢化燃料喷嘴24开始喷射适当量的氢化燃料。
开始喷射氢化燃料之后，富氢气体和脱氢产品(甲苯)的高温混合气体开始从脱氢反应器22的底部流出。该高温气体在分离器40中冷却，因此，脱氢产品开始流入到脱氢产品管42中，而富氢气体开始流入到氢管44中。
在泵66压力的作用下氢管44中的富氢气体流入到氢缓冲箱64中。通常地，ECU80控制富氢气体的产生量，即，控制从氢化燃料喷嘴24中喷射的氢化燃料的量，从而保持氢缓冲箱64的内部压力在期望的范围内。本发明实施例的系统能够可靠地使用富氢气体和混合燃料使内燃机10运转，同时总是在氢缓冲器64中保持适当量的富氢气体。
脱氢产品，也就是甲苯，流入到脱氢产品管42中，并根据流分离器46的状态导入到汽油箱48和脱氢产品箱50中。脱氢产品如甲苯，由于其辛烷数非常高，不能单独作为内燃机10的燃料。然而，在本实施例的系统中，由于通过分解氢化燃料产生氢，脱氢产品将不可避免地作为副产品产生。
处理脱氢产品的一个可行办法是简单地把产品收集到一个回收箱中，并当积累到一定体积时从回收箱中排出。然而，在这种方法中，需要频繁排出脱氢产品或使用更大的回收箱以降低排放频率。
可选择地，尽管甲苯和其它脱氢产品不能单独作为内燃机10的燃料使用，它们可以混合到普通汽油中作为辛烷值增强剂(octanebooster)。也就是，由于脱氢产品燃烧稳定，在普通汽油中加入一定量的脱氢产品，在不使汽油燃烧性恶化的情况下能够增加辛烷数。因此，由于与单独使用普通汽油相比爆燃的可能性更低，这样的混合燃料能够改善内燃机10的输出动力。
此外，如前所述，本实施例的系统中，注入到汽油箱48中混合燃料的脱氢产品含量的比率能够根据重量传感器56和液面传感器58的输出结果进行检测。因而，在本实施例系统的构造中，通过设定流分离器46到第一状态，把脱氢气体导入到汽油箱48中，直到前述比率达到预定上限，仅当比率高于上限时，通过设定流分离器到第二状态把脱氢产品收集到脱氢产品回收箱50中。
【第二实施例的具体操作】
图2表示在本实施例中通过执行ECU80实现上述功能的程序流程图。在如图2所示的程序中，首先，基于重量传感器56和液面传感器58的输出得到在汽油箱48中的混合燃料的体积和重量(步骤100)。
然后，基于这些获得的结果，计算混合燃料中脱氢成分或甲苯成分的比率(步骤102)。然后判断计算的比率是否等于或大于一个预定的阈值(步骤104)。该预定阈值为甲苯成分范围的上限，在此阈值内，内燃机10表现出良好的燃烧性。
在前述步骤104中，如果判断甲苯成分的比率等于或大于一个预定的阈值，如果脱氢产品(甲苯)继续供给汽油箱48，可以认为混合燃料放宽其作为燃料的适应性。在这种情况下，流分离器46设定到第二状态，以阻止脱氢产品流入到汽油箱48中(步骤106)。
另一方面，在前述步骤104中，如果判断甲苯成分的比率小于一个预定的阈值，可以认为继续供给脱氢产品(甲苯)到汽油箱48是允许的。在这种情况下，流分离器46设定到第一状态，以允许进一步的供给(步骤108)。
根据前述操作，在内燃机10运转过程中，氢化燃料可以被分离成富氢气体和脱氢产品，以补偿富氢气体的消耗。同时，在不恶化混合燃料作为燃料的适应性的情况下，部分产生的脱氢产品也可以作为部分混合燃料被消耗。因此，与普通气体直接从汽油喷嘴20喷射的系统相比，本实施例的系统改善了内燃机的输出动力特性，而且通过降低排放脱氢产品频率来减轻系统保持/管理的负担。
另外，如前所述，如果聚积在脱氢产品箱50中的脱氢产品的数量超过最高存储上限，本实施例的系统能够打开报警灯82，报警系统的使用者应该排放脱氢产品。根据本实施例的系统，实现方便使用双燃料内燃机10是有可能的。
需要说明的是，尽管在前述第一实施例中假设包含100％有机氢化物的氢化燃料作为燃料，但本发明不限于此。尽管在氢化燃料中有机氢化物成分的比率越高，产生氢的效率越高，比率不必限制到100％。氢燃料中有机氢化物成分的比率仅需高于在普通汽油中的比率。
还需说明的是，尽管在前述第一实施例中假设通过分离氢化燃料产生的富氢气体作为燃料被内燃机10消耗，氢气体还可以为其它用途所消耗。也就是，与脱氢产品一起产生的富氢气体可以添加到内燃机10的排气中以改善排放。此外，该气体不仅可以被内燃机10消耗，还可以被其它不同装置(辅助氢发动机，燃料电池系统等)消耗。
另外，尽管在前述第一实施例中假设在汽油箱48中混合脱氢产品和普通汽油，混合位置不限于汽油箱48。也就是，脱氢产品可以在汽油喷嘴20之间汽油供应管的某个位置与普通汽油混合。
此外，尽管在前述第一实施例中假设注入的脱氢产品数量达到上限，使用报警灯来指示，报警装置不限于灯，例如报警也可以通过使用报警蜂鸣声、声控等来完成。
需要说明的是，在前述第一实施例中的脱氢反应器22和分离器40相应于本发明第一方面的“燃料分离单元”。同样，内燃机10相应于“富氢气体燃烧机构”，汽油供给管60、泵62和汽油喷嘴20相应于“燃料供给单元”。另外由ECU80如前所述通过执行步骤108来设定流分离器46到第一状态来实现在本发明第一方面的“脱氢产品混合单元”。
还需说明的是，在前述第一实施例中，流分离器46相应于本发明第二方面的“脱氢产品引导机构”。另外，在前述的步骤100和步骤102中通过ECU80来实现本发明第二方面的“混合比率检测单元”。同样，在前述步骤108中通过ECU80设定流分离器46到第二状态来实现本发明第二方面的“脱氢产品止入单元”。
还需说明的是，在前述第一实施例中，在前述步骤106中通过ECU80设定流分离器46到第二状态来实现本发明第三方面的“流分离控制装置”。同样，由ECU80实现本发明第三方面的“报警单元”，如果注入到脱氢产品箱50中的脱氢产品达到最大允许值，则打开报警灯82。

Claims (2)

1.一种具有氢产生能力的内燃机系统，包括：
装有包含有机氢化物的氢化燃料的氢化燃料箱；
装有普通汽油的汽油箱；
用于将所述氢化燃料分离成富氢气体和脱氢产品的燃料分离装置；
用于消耗所述富氢气体的富氢气体消耗装置，所述富氢气体作为燃料由所述内燃机消耗；
用于混合所述脱氢产品和普通汽油的脱氢产品混合装置，其中，所述脱氢产品混合装置包括：
用于将所述脱氢产品导入所述汽油箱的脱氢产品引导装置；
用于检测所述汽油箱中的所述脱氢产品的混合比率的混合比率检测装置；和
脱氢产品止入装置，用于如果该混合比率超出最大允许混合比率，则阻止所述脱氢产品流入所述汽油箱；以及
将由所述普通汽油和脱氢产品组成的混合燃料供给到内燃机的燃料供给装置。
2.如权利要求1所述的内燃机系统，其中：
设置有用来存贮所述脱氢产品的脱氢产品箱；
所述脱氢产品引导装置包括能够执行第一状态和第二状态的流分离器，其中，该第一状态下该脱氢产品被导入到所述汽油箱中，该第二状态下该脱氢产品被导入到所述脱氢产品箱中；
所述脱氢产品止入装置包括流分离器控制装置，如果所述混合比率超出最大允许混合比率，则该流分离器控制装置将所述流分离器设定到所述第二状态；以及
设置有报警装置，如果存贮在所述脱氢产品箱中的脱氢产品的量达到最大允许量，则该报警装置发出关于该情况的报警。
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