CN103075275A

CN103075275A - 内燃机余热回收富氢排气再循环装置

Info

Publication number: CN103075275A
Application number: CN2013100148714A
Authority: CN
Inventors: 李铁
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Zhejiang Hexia Technology Co., Ltd
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103075275B

Abstract

一种内燃机技术领域的富氢排气再循环装置，包括发动机、制氢器、控制阀、质量流量控制器、存储罐和蒸发器，在发动机排气管上依次安装第二制氢器和蒸发器，在第一制氢器出气管上依次安装排气再循环冷却器和排气再循环控制阀，在第二制氢器出气管上依次安装增压器、富氢气体缓存罐和第三质量流量控制器。在发动机机工作过程中，基于发动机工况、排气温度及富氢气体缓存罐内压力信号回馈实时调整发动机燃烧相位来控制催化床温度，利用发动机排气的余热在制氢器内催化裂解氢能载体产生富氢气体，获得的富氢气体随同再循环气一同进入发动机燃烧室内同燃油一起燃烧。本发明设计合理，结构简单，适用于车船用汽油机、柴油机以及航空发动机等领域。

Description

内燃机余热回收富氢排气再循环装置

技术领域

本发明涉及的是一种内燃机技术领域的排气再循环系统，特别是一种利用内燃机余热催化裂解氢能载体（包括甲醇、乙醇、氨水及汽油等）的富氢排气再循环系统。

背景技术

节能与环保是人类实现可持续发展的重要主题之一。鉴于中长期内交通运输用动力装置主流仍将为内燃发动机，降低内燃机油耗及有害物排放乃为可代替动力装置大规模普及前实现节能减排的最为有效之策略。

排气再循环技术是降低内燃机氮氧化物排放的有效手段之一。此外，应用排气再循环可以降低发动机缸内传热损失，提高工质比热比，增加燃烧放热的等容度，改善发动机抗爆性能，从而提高发动机热效率10～15%。然而，过量的排气再循环在低负荷时使得发动机稳定性恶化，在高负荷时增加对进气增压的要求，因而限制了排气再循环更有效的应用。再循环气中加入少量的氢气可以增加发动机对排气再循环的容许度，从而可以利用排气再循环更大限度地改进发动机油耗和排放。然而，目前的相关工作基本上停留在排气再循环中添加氢气对发动机性能影响的探讨之上，实际应用中怎样实现富氢排气再循环方面还鲜有公开报道。

利用发动机排气余热催化裂解氢能载体不仅可以有效地生产富氢气体，而且可以部分回收排气热能，改进发动机燃油经济性。专利CN85109487A利用碳氢燃料、水和气化剂按一定比例供入催化反应器，利用发动机的高压燃气提供热能，催化裂解生产氢和一氧化碳再生气，同汽油混合作为发动机燃料，从而降低发动机油耗。在专利号94116320.2的文献中，发明人对原有技术进行了进一步改进：在原有发动机排气管上直接串接一个氢发生器来利用余热，使得尾气消声器和醇类燃料裂解反应器组合为一体，生产富氢气体同汽油混合进入发动机作为代用燃料。专利号99122107.9的文献公开了一种具有外置采热结构的余热制氢装置，提高了催化反应床温度稳定性，从而改善了氢气掺烧时发动机的稳定性。然而，上述专利技术存在以下缺点和不足：

1.上述专利技术都是以一定量的氢气掺烧作为手段来改进发动机燃烧特性，没有注意到EGR改善发动机热效率和排放的更大效果。

2.专利CN85109487A利用活塞运动到做功冲程的1/2～2/3时缸内高压燃气通过缸壁开孔导入反应器的方法加热制氢。此种方案势必降低发动机的动力输出特性。

3.专利94116320.2与专利99122107.9中，反应器所需热量通过排气的壁面传热来获取，这使得催化反应床升温速度慢，影响制氢效率。

4.专利94116320.2采用制氢器与消音器一体化设计势必增加反应器至发动机排气阀口距离，增加排气热损失，降低排气余热利用效率，使得反应器升温困难，影响催化制氢效率。

5.由于上述专利的技术特点，其高效制氢操作局限于发动机排气温度高的大负荷工况。发动机长期运转时，氢气的不足及添加浓度变动带来发动机动力输出不稳定的隐患。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种利用内燃机余热催化裂解氢能载体的富氢排气再循环系统。

本发明是通过以下技术方案得以实现。本发明包括发动机进气管、发动机、发动机排气管、第一制氢器、排气再循环进气管、第一制氢器出气管、排气再循环冷却器、排气再循环控制阀、第二制氢器、第二制氢器进气管、第二制氢器出气管、第二换热管、第一制氢器进气管、第二质量流量控制器、第一质量流量控制器、增压器、富氢气体缓存罐、第三质量流量控制器、氢能载体存储罐、蒸发器、蒸发器流进管、蒸发器流出管、第一换热管、第一温度传感器、第二温度传感器和压力传感器，发动机的进出气口分别于发动机进气管的出气口、发动机排气管的进气口相连接，沿排气流动方向在发动机排气管上依次安装第二制氢器和蒸发器，排气再循环进气管的进气口与第二制氢器上游的发动机排气管相连通，第一制氢器的进出气口分别与排气再循环进气管的出气口、第一制氢器出气管的进气口相连接，第一制氢器出气管的进气口与发动机进气管相连通，沿气体流动方向在第一制氢器出气管上依次安装排气再循环冷却器和排气再循环控制阀，第二换热管安装在第二制氢器内，第二换热管的进出气口分别与第二制氢器进气管的出气口、第二制氢器出气管的进气口相连接，第二制氢器出气管的出气口与排气再循环控制阀上游的第一制氢器出气管相连通，沿气体流动方向在第二制氢器出气管上依次安装增压器、富氢气体缓存罐和第三质量流量控制器，第一换热管安装在蒸发器内，第一换热管的进出口分别与蒸发器流进管的出口、蒸发器流出管的进口相连接，蒸发器流进管的进口与氢能载体存储罐相连接，蒸发器流出管的出口、第二制氢器进气管的进气口、第一制氢器进气管的进气口连接在一起，第一制氢器进气管的出气口与排气再循环进气管相连通，第一质量流量控制器安装在第一制氢器进气管上，第二质量流量控制器安装在第二制氢器进气管上，第一温度传感器安装在第一制氢器上，第二温度传感器安装在第二制氢器上，压力传感器安装在富氢气体缓存罐上。

进一步地，本发明还包括液泵、单向阀和金属丝，液泵安装在蒸发器流进管上，单向阀安装在蒸发器流出管上，金属丝安装在第二换热管内，在金属丝的表面涂有制氢催化剂，第一制氢器为多孔质催化制氢器。

更进一步地，在本发明中，基于压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、以及发动机工况的反馈信号，通过调整发动机燃烧相位来控制进入第一制氢器与第二制氢器中排气的温度；基于压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、以及发动机工况的反馈信号，通过调整第一质量流量控制器和第三质量流量控制器的开度来控制排气再循环气内氢气浓度；基于压力传感器、第二温度传感器的反馈信号，通过调整第二质量流量控制器和增压器来控制第二制氢器的工作。

在本发明中，通过第一质量流量控制器可以控制进入第一制氢器中气相氢能载体的流量，通过第二质量流量控制器可以控制进入第二制氢器中气相氢能载体的流量，通过第三质量流量控制器可以控制进入第一制氢器出气管中富氢气体的流量，通过排气再循环控制阀可以控制进入发动机进气管中富氢气体的流量。在第一制氢器中，气相氢能载体与发动机排气在催化剂表面直接产生化学反应，产生富氢气体；在第二制氢器中，通过第二换热管的换热作用，第二换热管中的气相氢能载体产生富氢气体；在蒸发器中，通过第一换热管的换热作用，第一换热管中液相氢能载体变成气相氢能载体。基于发动机工况、缓存罐压力及排气温度信号反馈，通过调整发动机燃烧相位来控制催化床温度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.以富氢排气再循环为着眼点，在发挥排气再循环降低排放，改善油耗的基础上，通过在排气再循环中掺入一定量的氢气扩大排气再循环使用范围，从而可以实现发动机更大范围的油耗与排放的改善。

2.提出接近发动机排气口的三重排气余热回收的设计，包括液体燃料蒸发器、外部采热式制氢器和直接混合式制氢器。本设计热损失少，制氢反应速度快，结构紧凑，便于实车安装。

3.排气再循环回路内导入氢能载体直接制氢与氢气缓存罐导入氢气两种方式，使得排气再循环中掺氢气比例控制更加灵活。

4.调整发动机燃烧相位控制排气温度的策略，可以在保持发动机动力输出不受影响的同时，快速提高制氢催化剂的活性。

5.基于制氢器温度反馈的控制策略可以保持裂解气成分比例稳定，提高采用富氢排气再循环时发动机的运行稳定性。

6.在通过排气再循环技术降低10～15%左右油耗的基础上，加上排气余热回收5%左右热能，可实现最大20%左右的节油。

7.除排气系统外，本发明对原发动机不做任何硬件改动，应用普及前景广阔。

8.本发明中的氢能载体可为甲烷，甲醇，乙醇，二甲醚，氨气，煤油及汽油等多种燃料，适应能源多样化的要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中第二制氢器的结构示意图；

图3为本发明中第二换热管的结构示意图；

图4为本发明中蒸发器的结构示意图；

图5为本发明中富氢排气再循环的控制流程图；

图6为本发明中第二制氢器的控制流程图；

其中：1、发动机进气管，2、发动机，3、发动机排气管，4、第一制氢器，5、排气再循环进气管，6、第一制氢器出气管，7、排气再循环冷却器,8、排气再循环控制阀，9、第二制氢器,10、第二制氢器进气管,11、第二制氢器出气管,12、第二换热管，13、第一制氢器进气管，14、第二质量流量控制器,15、第一质量流量控制器,16、增压器,17、富氢气体缓存罐,18、第三质量流量控制器,19、氢能载体存储罐，20、蒸发器，21、蒸发器流进管,22、蒸发器流出管,23、第一换热管,24、第一温度传感器，25、第二温度传感器，26、压力传感器，27、液泵，28、单向阀，29、金属丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明在火花点火发动机上的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括进气管1、发动机2、发动机排气管3、第一制氢器4、排气再循环进气管5、第一制氢器出气管6、排气再循环冷却器7、排气再循环控制阀8、第二制氢器9、第二制氢器进气管10、第二制氢器出气管11、第二换热管12、第一制氢器进气管13、第二质量流量控制器14、第一质量流量控制器15、增压器16、富氢气体缓存罐17、第三质量流量控制器18、氢能载体存储罐19、蒸发器20、蒸发器流进管21、蒸发器流出管22、第一换热管23、第一温度传感器24、第二温度传感器25、压力传感器26、液泵27、单向阀28和金属丝29，发动机2的进出气口分别于发动机进气管1的出气口、发动机排气管3的进气口相连接，沿排气流动方向在发动机排气管3上依次安装第二制氢器9和蒸发器20，排气再循环进气管5的进气口与第二制氢器9上游的发动机排气管3相连通，第一制氢器4的进出气口分别与排气再循环进气管5的出气口、第一制氢器出气管6的进气口相连接，第一制氢器出气管6的进气口与发动机进气管1相连通，沿气体流动方向在第一制氢器出气管6上依次安装排气再循环冷却器7和排气再循环控制阀8，第二换热管12安装在第二制氢器9内，第二换热管12的进出气口分别与第二制氢器进气管10的出气口、第二制氢器出气管11的进气口相连接，第二制氢器出气管11的出气口与排气再循环控制阀8上游的第一制氢器出气管6相连通，沿气体流动方向在第二制氢器出气管11上依次安装增压器16、富氢气体缓存罐17和第三质量流量控制器18，第一换热管23安装在蒸发器20内，第一换热管23的进出口分别与蒸发器流进管21的出口、蒸发器流出管22的进口相连接，蒸发器流进管21的进口与氢能载体存储罐19相连接，蒸发器流出管22的出口、第二制氢器进气管10的进气口、第一制氢器进气管13的进气口连接在一起，第一制氢器进气管13的出气口与排气再循环进气管5相连通，第一质量流量控制器15安装在第一制氢器进气管13上，第二质量流量控制器14安装在第二制氢器进气管10上，第一温度传感器24安装在第一制氢器4上，第二温度传感器25安装在第二制氢器9上，压力传感器26安装在富氢气体缓存罐17上，液泵27安装在蒸发器流进管21上，单向阀28安装在蒸发器流出管22上，金属丝29安装在第二换热管12内，在金属丝29的表面涂有制氢催化剂，第一制氢器4为多孔质催化制氢器。

在本发明中，通过第一质量流量控制器15可以控制进入进气第一制氢器4中气相氢能载体的流量，通过第二质量流量控制器14可以控制进入进气第二制氢器9中气相氢能载体的流量，通过第三质量流量控制器18可以控制进入第一制氢器出气管6中富氢气体的流量，通过排气再循环控制阀8可以控制进入发动机进气管1中富氢气体的流量。在第一制氢器4中，气相氢能载体与发动机排气直接产生化学反应，产生富氢气体；在第二制氢器中9，通过第二换热管12的换热作用，第二换热管12中的气相氢能载体产生富氢气体；在蒸发器中20，通过第一换热管23的换热作用，第一换热管23中的液相氢能载体变成气相氢能载体。

在本发明中，富氢排气再循环的控制流程图如图5所示：可以根据是否需要富氢排气再循环来决定排气再循环控制阀8的开关，可以根据第一制氢器4入口的排气温度是否达到目标温度来决定第一质量流量控制器15的开关。

在本发明中,第二制氢器的控制流程图如图6所示:可以根据富氢气体缓存罐17中的实际压力值来决定第二质量流量控制器14的开关，可以根据第二制氢器9入口的排气温度是否达到目标温度来决定发动机是否推迟点火提前角。

Claims

1.一种内燃机余热回收富氢排气再循环装置，包括发动机进气管（1）、发动机（2）和发动机排气管（3），发动机（2）的进出气口分别于发动机进气管（1）的出气口、发动机排气管（3）的进气口相连接，其特征在于还包括第一制氢器（4）、排气再循环进气管（5）、第一制氢器出气管（6）、排气再循环冷却器（7）、排气再循环控制阀（8）、第二制氢器（9）、第二制氢器进气管（10）、第二制氢器出气管（11）、第二换热管（12）、第一制氢器进气管（13）、第二质量流量控制器（14）、第一质量流量控制器（15）、增压器（16）、富氢气体缓存罐（17）、第三质量流量控制器（18）、氢能载体存储罐（19）、蒸发器（20）、蒸发器流进管（21）、蒸发器流出管（22）、第一换热管（23）、第一温度传感器（24）、第二温度传感器（25）和压力传感器（26），沿排气流动方向在发动机排气管（3）上依次安装第二制氢器（9）和蒸发器（20），排气再循环进气管（5）的进气口与第二制氢器（9）上游的发动机排气管（3）相连通，第一制氢器（4）的进出气口分别与排气再循环进气管（5）的出气口、第一制氢器出气管（6）的进气口相连接，第一制氢器出气管（6）的进气口与发动机进气管（1）相连通，沿气体流动方向在第一制氢器出气管（6）上依次安装排气再循环冷却器（7）和排气再循环控制阀（8），第二换热管（12）安装在第二制氢器（9）内，第二换热管（12）的进出气口分别与第二制氢器进气管（10）的出气口、第二制氢器出气管（11）的进气口相连接，第二制氢器出气管（11）的出气口与排气再循环控制阀（8）上游的第一制氢器出气管（6）相连通，沿气体流动方向在第二制氢器出气管（11）上依次安装增压器（16）、富氢气体缓存罐（17）和第三质量流量控制器（18），第一换热管（23）安装在蒸发器（20）内，第一换热管（23）的进出口分别与蒸发器流进管（21）的出口、蒸发器流出管（22）的进口相连接，蒸发器流进管（21）的进口与氢能载体存储罐（19）相连接，蒸发器流出管（22）的出口、第二制氢器进气管（10）的进气口、第一制氢器进气管（13）的进气口连接在一起，第一制氢器进气管（13）的出气口与排气再循环进气管（5）相连通，第一质量流量控制器（15）安装在第一制氢器进气管（13）上，第二质量流量控制器（14）安装在第二制氢器进气管（10）上，第一温度传感器（24）安装在第一制氢器（4）上，第二温度传感器（25）安装在第二制氢器（9）上，压力传感器（26）安装在富氢气体缓存罐（17）上。

2.根据权利要求1所述的内燃机余热回收富氢排气再循环装置，其特征在于还包括液泵（27）和单向阀（28），液泵（27）安装在蒸发器流进管（21）上，单向阀（28）安装在蒸发器流出管（22）上。

3.根据权利要求1所述的内燃机余热回收富氢排气再循环装置，其特征在于还包括金属丝（29），金属丝（29）安装在第二换热管（12）内，在金属丝（29）的表面涂有制氢催化剂。

4.根据权利要求1所述的内燃机余热回收富氢排气再循环装置，其特征在于第一制氢器（4）为多孔质催化制氢器。

5.根据权利要求1所述的内燃机余热回收富氢排气再循环装置，其特征在于基于压力传感器（26）、第一温度传感器（24）、第二温度传感器（25）、以及发动机（2）工况的反馈信号，通过调整发动机（2）燃烧相位来控制进入第一制氢器（4）与第二制氢器（9）中排气的温度。

6.根据权利要求1所述的内燃机余热回收富氢排气再循环装置，其特征在于基于压力传感器（26）、第一温度传感器（24）、第二温度传感器（25）、以及发动机（2）工况的反馈信号，通过调整第一质量流量控制器（15）和第三质量流量控制器（18）的开度来控制排气再循环气内氢气浓度。

7.根据权利要求1所述的内燃机余热回收富氢排气再循环装置，其特征在于基于压力传感器（26）、第二温度传感器（25）的反馈信号，通过调整第二质量流量控制器（14）和增压器（16）来控制第二制氢器（9）的工作。