CN101135273B - 直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机及其控制方法。该发动机包括汽油发动机系统；以及与汽油发动机排气管串联连接的甲醇裂解装置；甲醇燃料箱；裂解气输送管；位于裂解气输送管上的常闭电磁阀；与甲醇裂解装置连接的电控单元。发动机的控制方法，包括如下步骤：(1)发动机在汽油工作模式下正常启动；(2)检测尾气的排气温度；(3)如果排气温度小于320℃，发动机继续在汽油工作模式下运行；(4)如果排气温度大于或等于320℃，发动机进入汽油-甲醇过渡工况运行模式，然后进入纯甲醇运行模式。本发明有如下优点：热效率提高20％以上，消除燃烧甲醇液体燃料所产生的醛类排放，易于改装。

Description

直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种以甲醇为燃料的发动机，进一步涉及一种直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机及其控制方法。

背景技术

目前将传统发动机做部分改进后可直接燃烧甲醇燃料，喷油嘴布置在进气歧管，燃料来自燃料箱，在燃油泵的作用下进入燃烧室燃烧。由于甲醇的汽化潜热较大，在汽化过程中大量吸热，造成进气管及喷油嘴温度很低，致使甲醇汽化不好，出现甲醇燃烧不完全，造成醛类排放较高。此外，甲醇燃料的消耗量也较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机及其控制方法。由于燃烧的燃料由甲醇转化为一氧化碳和氢气，热效率提高20％以上。同时由于燃烧比较完全，醛类排放较低。

本发明是在传统汽油发动机结构上进行的改进，根据甲醇液体可作为汽车燃料，甲醇液体汽化过程中大量吸热的特点，在发动机的排气管上设置甲醇裂解装置，甲醇燃料从甲醇预热管和催化器流过，利用发动机的废气预热对甲醇液体加温，使之裂解为氢气和一氧化碳，提高燃烧热值。

本发明是通过下述技术方案加以实现的。

一种直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机，包括汽油发动机原机系统；与汽油发动机排气管串联连接的甲醇裂解装置；所述裂解装置的一端与甲醇燃料箱连接，另一端与汽油发动机的进气管并联连接；利用尾气余热将甲醇裂解为氢气和一氧化碳，以气态形式进入发动机燃烧。连接甲醇裂解装置与发动机进气管的裂解气输送管。位于裂解气输送管上的常闭电磁阀。与裂解装置相连的甲醇燃料箱。与甲醇裂解装置连接的电控单元，控制甲醇的喷入量，控制汽油模式向甲醇模式的转变。

所述甲醇裂解装置包括一外壁，起支撑、固定和连接甲醇裂解装置部件，以及共发动机所排放的尾气从中通过；所述外壁内依次设置了：甲醇喷嘴，将甲醇燃料以雾化的形式喷入甲醇预热管；甲醇预热管，利用尾气余热将雾化的甲醇气化；甲醇裂解催化器，内置催化剂，将气化的甲醇裂解为一氧化碳和氢气；温度传感器，位于尾气进入甲醇裂解装置的入口处，为电控单元控制汽油模式向甲醇模式的转变提供依据；所述甲醇裂解装置内甲醇的流动反向与尾气的流动方向正好相反，以保证裂解反应温度。

一种直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机的控制方法，包括如下步骤：

第一步：发动机在汽油工作模式下正常启动；

第二步：检测尾气的排气温度；

第三步：如果排气温度小于320℃，发动机继续在汽油工作模式下运行；

第四步：如果排气温度大于或等于320℃，发动机进入汽油-甲醇过渡工况运行模式，然后进入纯甲醇运行模式。

上述汽油-甲醇过渡工况运行模式包括如下步骤：

第一步：在裂解气输送管上的常闭电磁阀关闭的状态下，开启甲醇喷射电磁阀；

第二步：5秒内建立甲醇裂解气压力；

第三步：开启裂解气输送管上的常闭电磁阀，汽油喷射量逐步减小到零；

第四步：过渡到纯甲醇运行模式。

上述纯甲醇运行模式包括如下步骤：

第一步：检测尾气的排气温度；

第二步：如果排气温度小于320℃，甲醇喷射阀关闭，汽油喷射脉冲逐渐增大，1.5秒钟后，裂解气输送管上的常闭电磁阀关闭；

第三步：如果排气温度大于或等于320℃，电控单元在发动机转速和油门开度已知的情况下，根据MAP查值甲醇喷射量；

第四步：氧传感器检测λ值；

第五步：如果λ值大于1.1，增加甲醇喷射量，如果λ值小于或等于1.1，减少甲醇喷射量。

本发明相对于现有技术，有如下优点：

(1)由于燃烧的燃料由甲醇转化为一氧化碳和氢气，热效率提高20％以上。

(2)与汽油机相比，不仅可以提高其动力性、经济性，还可以达到消除燃烧甲醇液体燃料所产生的醛类排放的目的。

(3)采用本发明的装置对现有机型的汽油机，可以方便地进行改装，易于实现造价低。

(4)当尾气排气温度达到320℃时，电控单元可以自动实现由汽油燃料向甲醇燃料的平稳过度，在变工况时，电控单元通过控制甲醇喷嘴的喷醇量，根据空燃比自动调节节气门的开度，使可燃混合气达到最佳燃烧状态。

附图说明

图1  甲醇裂解装置在发动机上的安装示意图；

图2  甲醇裂解装置结构图；

图3  甲醇预热管结构图；

图4  催化器结构图；

图5  甲醇裂解气燃料系统控制策略图；

图6  汽油-甲醇过渡工况模式图；

图7  纯甲醇工作模式图。

图中：1代表甲醇燃料箱、2代表甲醇燃料供给泵、3代表甲醇喷嘴、4代表排气支管、5代表甲醇裂解装置后安装法兰、6代表甲醇预热管、7代表压力表接口、8代表催化器、9、催化剂、10、温度传感器、11代表甲醇裂解装置前安装法兰、12代表氧传感器、13代表常闭电磁阀、14代表裂解气滤清器、15代表裂解气输送管、16代表空气滤清器、17代表节气门、18代表裂解气在进气管上的入口、19代表进气管、20代表汽油喷嘴、21代表电控单元。

具体实施方式

如图1-4所示，一种直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机，包括：

汽油发动机原机，以及

甲醇燃料箱1、甲醇燃料供给泵2、甲醇喷嘴3、排气支管4、甲醇裂解装置后安装法兰5、甲醇预热管6、压力表接口7、催化器8、催化剂9、温度传感器接口10、甲醇裂解装置前安装法兰11、氧传感器12、常闭电磁阀13、裂解气滤清器14、裂解气输送管15、空气滤清器16、节气门17、裂解气在进气管上的入口18、进气管19、汽油喷嘴20、电控单元21。

甲醇燃料箱1、甲醇燃料供给泵2连通与甲醇喷嘴3依次连接，甲醇喷嘴3与甲醇预热管6相通，甲醇预热管6与催化器8连通，催化器8与裂解气输送管15连通，裂解气输送管15与进气管19连通。

在甲醇裂解装置的出口设置压力表接口7，在裂解气输送管15上设置常闭电磁阀13和裂解气滤清器14。甲醇喷嘴3设置在甲醇裂解装置外壁内，甲醇预热管6和催化器8均设置在甲醇裂解装置内，催化器8中设置催化剂9，在甲醇裂解装置外壁内靠近催化器8一端设置排气温度传感器接口10。甲醇裂解装置的进口与排气管连通，催化器8靠近发动机排气管，甲醇喷嘴远离排气管。

利用发动机余热对甲醇裂解，裂解产物为一氧化碳和氢气，以达到发动机燃用一氧化碳和氢气，燃烧完全，提高动力性之目的。

采用上述裂解制氢装置，来实现发动机高效、清洁燃烧的方法，其具体过程如下：

(1)在起动时仍采用原机的汽油模式，当发动机的排气温度达到320℃时，接通甲醇燃料供给泵2，通过甲醇喷嘴3向甲醇预热管6喷入甲醇；进入甲醇预热管6的液体甲醇通过发动机的排气预热，将甲醇液体汽化为甲醇蒸汽。甲醇蒸汽通过甲醇预热管6进入催化器8。

(2)进入催化器8的甲醇蒸汽在催化剂9的作用下，转化为一氧化碳和氢气。

(3)甲醇喷入5秒后，电控单元打开裂解气输送管15上设置的常闭电磁阀13。

(4)一氧化碳和氢气通过裂解气输送管15上设置的电磁阀13，进入裂解气滤清器14对一氧化碳和氢气进行过滤。

(5)一氧化碳和氢气进入进气管节气门13前，与空气混合，形成可燃混合气。

(6)按照适当的空燃比开启节气门13的开度。

(7)可燃混合气进入燃烧室燃烧。

逐渐增加甲醇的喷入量，设置在排气管上的氧传感器显示过浓，发动机ECU自动降低汽油的喷射量。当汽油的燃油消耗量降为零时，切断汽油喷嘴20的供电，实现从汽油模式向甲醇模式的平稳过度。整个过程和喷入甲醇预热管6的甲醇量均由电控单元21根据发动机的工况进行控制。

由于燃烧的是氢气和一氧化碳，其热值较甲醇液体燃料提高20％以上，其排放物为水蒸汽和二氧化碳，是无公害的排放物。

实施例：

发动机原汽油机主要技术参数见表1；直接燃用甲醇裂解产物的发动机与原汽油机的性能对比见表2；直接燃用甲醇裂解产物的发动机与原汽油机的排放对比见表3。

表1：

表2：

转速(rpm)	扭矩(N·m)	功率(kW)	纯烧甲醇消耗量(kg/h)	纯烧汽油消耗量(kg/h)	替换比例
						2000	111.2	23.3	9.2	5.7	1.614
2500	118.42	31	12.87	7.8	1.65

表3：

Claims (1)

1.一种直接燃用甲醇裂解产物的点火式发动机的控制方法，包括如下步骤：

第一步：发动机在汽油工作模式下正常启动；

第二步：检测尾气的排气温度；

第三步：如果排气温度小于320℃，发动机继续在汽油工作模式下运行；

第四步：如果排气温度大于或等于320℃，发动机进入汽油-甲醇过渡工况运行模式，然后进入纯甲醇运行模式；

其特征在于，所述汽油-甲醇过渡工况运行模式包括如下步骤：

第一步：在裂解气输送管上的常闭电磁阀关闭的状态下，开启甲醇喷射电磁阀；

第二步：5秒内建立甲醇裂解气压力；

第三步：开启裂解气输送管上的常闭电磁阀，汽油喷射量逐步减小到零；

第四步：过渡到纯甲醇运行模式；

所述纯甲醇运行模式包括如下步骤：

第一步：检测尾气的排气温度；

第二步：如果排气温度小于320℃，甲醇喷射阀关闭，汽油喷射脉冲逐渐增大，1.5秒钟后，裂解气输送管上的常闭电磁阀关闭；

第三步：如果排气温度大于或等于320℃，电控单元在发动机转速和油门开度已知的情况下，根据MAP查值甲醇喷射量；

第四步：氧传感器检测λ值；

第五步：如果λ值大于1.1，增加甲醇喷射量，如果λ值小于或等于1.1，减少甲醇喷射量。

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