CN104100421A - 一种醇氢燃料发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种由甲醇及甲醇裂解气作为燃料的全代燃发动机装置，统称为醇氢燃料发动机，其特征在于，包括：内燃发动机；甲醇升温器；甲醇裂解器；尾气导流阀；移动气液分离装置；智能控制单元；气体过滤器；单向阀；压力平衡罐；压力传感器；电磁阀；调压阀；温度传感器；多点喷射掺烧装置等组成。本发明使用高效的热超导技术把内燃机机体及热废气散发的辐射热能、及内燃机排出的废气热能，引导到醇氢裂解器内，裂解器温度达到基本一致，把甲醇完全裂解成富氢气体，并与甲醇按照比例混合燃烧，同时应用智能控制系统控制全代燃过程。尾气排放不污染环境，很大程度上解决了烧汽油、柴油的减排问题。

Description

一种醇氢燃料发动机

技术领域

本发明涉及一种动力装置，是一种利用甲醇及甲醇裂解气完全代替原有燃料的装置，且这种动力装置的燃烧更加充分，输出的动力更大；其尾气排放更加环保，特别涉及一种醇氢燃料发动机。

背景技术

当今世界面临着石油能源危机和环境污染两大问题。能源与环境问题已成为影响中国乃至世界经济和社会发展的重要因素。因此，积极寻求和发展清洁能源已成为各国的头等大事。改变石油短缺、环境污染的唯一方法，就是减少对石油的依赖，开发绿色高效清洁替代能源。

随着中国经济的高速发展，石油使用量的快速增加，以及国际原油价格的飞涨，对中国石油供给和环境保护造成了巨大压力，节能减排任务形势严峻。

目前使用的甲醇汽油只是简单的把甲醇按照一定的比例掺到汽油中使用，没有完全摆脱对汽油的依赖。本发明使用甲醇裂解的富氢气体与甲醇混合燃烧，摆脱了对石油的依赖。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，公开了一种甲醇及甲醇裂解气作为燃料的发动机，以及一种利用发动机尾气余热对甲醇进行裂解的装置。

本发明的目的之一在于，实现甲醇及甲醇裂解气完全替代燃油作为发动机的燃料；本发明的目的之二在于，提供头尾均温的甲醇裂解器来实现甲醇裂解率最大化；同时，保护甲醇裂解器中的催化剂不被过热损坏而降低效能；

本发明的目的之三在于，最大限度地利用发动机尾气的热能，避免损失和浪费。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种醇氢燃料发动机，其特征在于，包括：

甲醇储存箱；

内燃发动机；

排气管，其包括尾气主管和尾气分流管，尾气主管与尾气分流管两端相连通，尾气主管与尾气分流管中部相互分离开设置；

甲醇升温器：其设置在尾气主管上，所述甲醇升温器包括设置在内部的甲醇管道和设置在甲醇升温器侧壁上的进甲醇口和出甲醇口；

甲醇裂解器：其设置在尾气主管上，其内平行设置有多个尾气通道和甲醇通道；

移动气液冷却分离装置：其上设置有五个开口，分别连接进气管，出气管，进液管、出液管和疏水阀，所述进气管另一端连接至所述甲醇裂解器，出气管另一端连接至所述内燃发动机，进液管另一端连接至所述甲醇储存箱，出液管另一端连接至所述甲醇升温器，所述疏水阀另一端延伸至甲醇储存箱。

优选的是，所述的醇氢燃料发动机还包括：

气体过滤器、单向阀、压力平衡罐、压力传感器、电磁阀和调压阀依次设置在所述移动气液冷却分离装置出气口与所述内燃发动机相连通的管路上。

优选的是，所述的醇氢燃料发动机还包括：

甲醇电磁喷嘴，其设置在移动气液冷却分离装置出液口与甲醇升温器之间的管路上；

至少一个温度传感器，其设置在甲醇裂解器上；

尾气导流阀，其设置在尾气主管与尾气分流管靠近排气口的衔接处；

尾气消声器，其设置在尾气导流阀与排气口之间。

优选的是，所述的醇氢燃料发动机还包括：

多点喷射掺烧装置，其设置在调压阀和内燃发动机之间的管路上。

优选的是，所述的醇氢燃料发动机，还包括：

非相变热管，其设置在所述甲醇裂解器内的内燃机尾气通道外周；

绝热层，其设置在甲醇裂解器的外侧壁上。

优选的是，所述的醇氢燃料发动机，还包括：

智能控制单元，其与所述压力传感器，温度传感器，电磁阀，调压阀和多点喷射掺烧装置电连接。

内燃发动机，其通过甲醇管路与所述甲醇储存箱连通，同时与甲醇裂解器的第二管路的氢气出口连接，且所述内燃机具有尾气排放管路；

甲醇裂解器，其入口端通过甲醇升温器、醇氢换热器与所述甲醇储存箱联通，且所述裂解器中设有甲醇蒸汽通道和内燃机的尾气通道，内燃发动机尾气通道由高效导热的非相变热管制成。高效导热的非相变热管把内燃机尾气通道的热量快速高效地传导给甲醇蒸汽通道，甲醇蒸汽通道内装有高效甲醇裂解催化剂，甲醇裂解器的外侧还设置有绝热层。甲醇蒸气经过甲醇蒸气通道裂解为富氢气体。

尾气导流阀，用以调节通过甲醇裂解器的内燃机尾气的量。

多点喷射掺烧装置，其设置在所述甲醇裂解器的出口端和所述内燃发动机之间，且与智能控制单元通讯连接，根据智能控制单元的信号，调节从所述甲醇裂解器的出口端进入所述内燃发动机的富氢气体喷射量；

所述的甲醇及甲醇裂解气全代燃发动机中，还包括：甲醇喷嘴，其设置在所述第二管路的上游段，将从甲醇储存箱中流出的甲醇液体进行喷射雾化。并根据智能控制单元的信号控制甲醇喷射量的多少。

所述的甲醇及甲醇裂解气全代燃动力装置中，还包括：甲醇升温室，其设置在内燃机和裂解器之间，所述内燃机的尾气排放管路通过所述甲醇升温室与所述裂解器的内燃机尾气通道联通，内燃机的尾气先通过所述甲醇升温室再进入所述裂解器，且甲醇升温室的甲醇通路的出口与所述第二管路联通，甲醇通路的进口与甲醇喷嘴连通。

所述的甲醇及甲醇裂解气全代燃发动机中，还包括：移动气液分离装置，其设置在裂解器和原车供油系统之间，所述裂解器通过所述移动气液分离装置与所述甲醇储存箱联通，裂解器所产生的高温富氢气体在移动气液分离装置中被冷却，热量由甲醇吸收。同时，甲醇裂解器中未裂解的甲醇蒸汽通过移动气液分离装置的冷却分离，通过疏水阀回流至甲醇箱。

所述的甲醇及甲醇裂解气全代燃发动机中，所述甲醇裂解器中设置有高温测温探头，当甲醇裂解器测温探头检测到所述甲醇裂解器的温度达到设定温度时，打开位于甲醇升温器前的甲醇电磁阀，把甲醇放进甲醇升温器进行加温成蒸汽，再通过甲醇蒸汽管道进入甲醇裂解器，在甲醇裂解器中边从尾气中吸热边裂解成富氢气体。

所述的甲醇及甲醇裂解气全代燃发动机中，其特征在于还包括压力平衡罐，其设置在所述裂解器出口端和所述调压阀之间。用于存储和平衡来自甲醇裂解器的富氢气体。所述压力平衡罐中设置有压力传感器。当检测到压力平衡罐中的富氢气体压力达到预定值时，开启压力平衡罐与多点喷射掺烧装置之间的电磁阀。

所述的甲醇及甲醇裂解气全代燃发动机中，其特征在于还包括调压阀，其设置在压力平衡罐与多点喷射掺烧装置之间。所述调压阀调节输入多点喷射掺烧装置的富氢气体的压力。

所述的甲醇及甲醇裂解氢全代燃发动机中，其特征在于还包括智能控制单元。其为单独安装的专用于控制甲醇裂解和向发动机供应富氢气体的电气控制单元。所述的智能控制单元与压力传感器、温度传感器、电磁阀、尾气导流阀、甲醇电磁喷嘴、多点喷射掺烧装置等部件连接。通过CPU对采集量的分析和计算，对控制量进行控制，保证发动机的正常运行。

所述的甲醇及甲醇裂解氢全代燃发动机中，其特征在于还包括甲醇升温器，所述甲醇升温器内设置有甲醇蒸汽管，所述甲醇蒸汽管与所述第二管路联通，智能控制单元根据裂解器的温度传感器的信号开启甲醇喷嘴向甲醇升温室喷射甲醇进行加温，向裂解器中释放高温甲醇蒸汽。

气液分离腔采用特殊设计，遇到下端设置有多个凸起和凹陷的折流板的阻挡，高热气体会折流而行，而液体由于惯性的作用继续有一个向前的速度向前的液体附着在折流板的下端面上，由于重力作用向下汇集到一起，通过疏水阀排出；利用气液的比重不同，当高热混合气体通过进气管突然进入到气液分离腔内这个比较大的空间时，高热混合气体的体积突然放大，使高热混合气体的流动速度降低，在主流体转向的过程中，气相中细微的液滴下沉而与气体分离；气体的多次变转方向，不断甩碰到器壁上，多次碰撞后失去动能而与转向气体分离，由于气体和液体的密度不同，气体向上流出，液体向下汇集；冷却腔为冷热交换腔，冷却腔内可以通入冷却液体与高热混合气体通过进行换热降低高热混合气体的温度，冷却腔内还设置有多个冷却板以增大换热面积，提高换热效率，将高热混合气体中的水分进行冷凝分离干燥。

本发明的有益效果是：

本发明使用高效的热超导技术把内燃机机体及热废气散发的辐射热能、及内燃机排出的废气热能，引导到醇氢裂解器内，裂解器温度达到基本一致，把甲醇完全裂解成富氢气体，并与甲醇按照比例混合燃烧，同时应用智能控制系统控制全代燃过程。这种技术，称为“热超导醇+氢动力技术”，它可以用于任何内燃发动机及派生产品。现在以汽车为例，使用“热超导全代燃醇+氢动力技术”，可以将原来使用汽油做燃料的汽车改装成使用甲醇的“热超导全代燃醇+氢动力汽车”，还可以设计、生产新型的使用甲醇的“热超导全代燃醇+氢动力汽车”及其它任何内燃机派生产品。

附图说明

图1是本发明所述醇氢燃料发动机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明是使用非相变热超导材料(非相变热管)制造的醇裂解为氢的转化装置。用非相变热超导材料包裹内燃发动机和热废气管道外表面，把内燃发动机未转化成动能的机体散发的辐射热能及其排出的废气热能，都引导到。将的甲醇加热成过热醇蒸汽，再通过高效催化剂将其完全裂解成富氢气体。把富氢气体与甲醇在内燃发动机内混合燃烧，达到完全替代汽油、柴油的效果。使用这种方法，可以把原来以燃油为燃料的汽车、船舶、发电机等等各种内燃式发动机改装或者新设计成全代燃富氢动力装置。可使发动机的功率得到提高，尾气排放更加环保。

如图1所示，下面结合附图对结构进行说明：

一种醇氢燃料发动机，其特征在于，包括：

甲醇储存箱9；

内燃发动机21；

排气管1，其包括尾气主管2和尾气分流管4，尾气主管2与尾气分流管4两端相连通，尾气主管2与尾气分流管4中部相互分离开设置；

甲醇升温器3：其设置在尾气主管2上，所述甲醇升温器3包括设置在内部的甲醇管道和设置在甲醇升温器3侧壁上的进甲醇口和出甲醇口；

甲醇裂解器5：其设置在尾气主管2上，其内平行设置有多个尾气通道和甲醇通道；

移动气液冷却分离装置11：其上设置有五个开口，分别连接进气管，出气管，进液管、出液管和疏水阀10，所述进气管另一端连接至所述甲醇裂解器5，出气管另一端连接至所述内燃发动机21，进液管另一端连接至所述甲醇储存箱9，出液管另一端连接至所述甲醇升温器3，所述疏水阀10另一端延伸至甲醇储存箱。

所述的醇氢燃料发动机还包括：

气体过滤器13、单向阀14、压力平衡罐15、压力传感器18、电磁阀19和调压阀20依次设置在所述移动气液冷却分离装置11出气口与所述内燃发动机21相连通的管路上。

所述的醇氢燃料发动机还包括：

甲醇电磁喷嘴16，其设置在移动气液冷却分离装置11出液口与甲醇升温器3之间的管路上；

至少一个温度传感器，其设置在甲醇裂解器5上；

尾气导流阀7，其设置在尾气主管2与尾气分流管4靠近排气口的衔接处；

尾气消声器8，其设置在尾气导流阀7与排气口之间。

所述的醇氢燃料发动机还包括：

多点喷射掺烧装置22，其设置在调压阀20和内燃发动机21之间的管路上。

所述的醇氢燃料发动机，还包括：

非相变热管，其设置在所述甲醇裂解器5内的内燃机尾气通道外周；

绝热层，其设置在甲醇裂解器5的外侧壁上。

所述的醇氢燃料发动机，还包括：

智能控制单元12，其与所述压力传感器18，温度传感器6，电磁阀19，调压阀20和多点喷射掺烧装置22电连接。

本发明使用的高效超导热管即非相变热管，是根据热管的工质在一定压力下，非相变即可以导热，而且导热的效果是速度更快、效率更高。此外，非相变具有导热的方向可控的特性。

现在使用非相变热超导材料把内燃机机体周围的外表面及热废气经过管道的外表面全部包裹起来，把这些地方散发的热能全部引导到甲醇裂解器内，用于把甲醇裂解成富氢气体，②把内燃机排放的废气热能全部引导到甲醇裂解器内，用于把甲醇裂解成富氢气体，③使用非相变热超导材料制造甲醇裂解器的各种部件，使其温度可控，④使用绝热材料，把甲醇裂解器的外侧包裹起来，尽量减少热能向外侧散失，把这些被浪费的热能(有70％左右)转化成富氢气体的化学能，就可以使用甲醇及其裂解成的富氢气体做各种内燃机的燃料。

本发明醇氢燃料发动机实现了在原有汽油机基础上，经过少量改进替换，就能够替换成本发明的动力装置。

(一)裂解

甲醇裂解的反应是：

主反应：CH₃OH＝CO+2H₂

当甲醇含水的时候：CO+H₂O＝CO₂+H₂

总反应：CH₃OH+H₂O＝CO₂+3H₂

为了保证甲醇蒸汽能完全裂解成富氢气体，采取了以下措施：

1、凡是热废气经过的部件：甲醇升温室、裂解器、移动气液冷却分离装置都使用非相变超导材料制作。

2、本发明使用的非相变热超导材料传递热能的温度可以控制的性能，在制造这些部件时，就把各个部件的温度控制如下：

①、本发明中甲醇升温器设置在内燃发动机排气管前端，保证了使从内燃发动机排出的温度最高的尾气首先进入甲醇升温器，使甲醇蒸汽温度达到≥320℃。

②、本发明中甲醇裂解器设置在甲醇升温器后端，保证了使从内燃发动机排出的温度次高的尾气进入裂解器，使甲醇裂解器内催化剂温度达到最佳的裂解温度。

(二)燃烧

甲醇的热值(21MJ/kg)低于汽油热值(44MJ/kg)的48％，而氢的热值(132MJ/kg)是汽油热值(44MJ/kg)的3倍，氢的燃烧速度是汽油的7倍多，氢的爆炸力是汽油的7倍多，碳氢化合物掺氢燃烧可以增加燃烧的速度、增大最高反应温度、延长了焰后反应、缩短淬熄距离，通过提供更多的活性因子，达到链式反应，促进了燃料的氧化反应，不但提高了动力，而且其尾气的有害物质的排放极低。本发明是把甲醇裂解的富氢气体与甲醇按照比例进行燃烧。

甲醇裂解的富氢气体含有：氢气H₂60-65％，一氧化碳CO₂25％，其余为二氧化碳CO。富氢气体燃烧之后变成水和二氧化碳：

主反应：CH₃OH+2O₂→2H₂O+CO₂

2H₂+O₂→2H₂O

2CO+O₂→2CO₂

尾气排放不污染环境，这就解决了环保问题。

用富氢气体代替石油燃料，燃烧之后，二氧化碳排放的减少量为：34％以上，这就解决了烧汽油、柴油的减排问题。

(三)催化剂

甲醇蒸汽在甲醇裂解器内的催化剂载体一多孔陶瓷球的微孔和缝隙中流动，催化剂载体的微孔最大限度地增大了甲醇蒸汽和催化剂的接触面积和增长了甲醇蒸汽的流动的路径，使甲醇的催化裂解可以更快更有效的进行。

从甲醇裂解器5出来的富氢气体，进入压力平衡罐15储存，当压力平衡罐15内的压力传感器18检测到富氢气体的压力≥规定值时，系统就指挥电磁阀19打开，把富氢气体放进多点喷射掺烧装置内，该装置由智能控制单元控制系统可以自动、按比例给富氢气体配入空气，进入进气歧管，把富氢气体与甲醇混合，进入内燃机燃烧。

(四)自动控制、检测、监控、显示

醇氢燃料动力技术改装或者设计、制造的内燃机派生产品，例如全代燃醇氢气体动力汽车，从头到尾都是全自动控制，驾驶员只需要像普通汽车一样正常操作，其它一切工作都由智能控制单元进行控制、检测、监控。如果发生故障，就自动报警，输出故障的地方及原因。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种醇氢燃料发动机，其特征在于，包括：

甲醇储存箱；

内燃发动机；

排气管，其包括尾气主管和尾气分流管，尾气主管与尾气分流管两端相连通，尾气主管与尾气分流管中部相互分离开设置；

甲醇升温器：其设置在尾气主管上，所述甲醇升温器包括设置在内部的甲醇管道和设置在甲醇升温器侧壁上的进甲醇口和出甲醇口；

甲醇裂解器：其设置在尾气主管上，其内平行设置有多个尾气通道和甲醇通道；

移动气液冷却分离装置：其上设置有五个开口，分别连接进气管，出气管，进液管、出液管和疏水阀，所述进气管另一端连接至所述甲醇裂解器，出气管另一端连接至所述内燃发动机，进液管另一端连接至所述甲醇储存箱，出液管另一端连接至所述甲醇升温器，所述疏水阀另一端延伸至甲醇储存箱。

2.如权利要求1所述的醇氢燃料发动机，其特征在于，还包括：

气体过滤器、单向阀、压力平衡罐、压力传感器、电磁阀和调压阀依次设置在所述移动气液冷却分离装置出气口与所述内燃发动机相连通的管路上。

3.如权利要求2所述的醇氢燃料发动机，其特征在于，还包括：

甲醇电磁喷嘴，其设置在移动气液冷却分离装置出液口与甲醇升温器之间的管路上；

至少一个温度传感器，其设置在甲醇裂解器上；

尾气导流阀，其设置在尾气主管与尾气分流管靠近排气口的衔接处；

尾气消声器，其设置在尾气导流阀与排气口之间。

4.如权利要求3所述的醇氢燃料发动机，其特征在于，还包括：

多点喷射掺烧装置，其设置在调压阀和内燃发动机之间的管路上。

5.如权利要求4所述的醇氢燃料发动机，其特征在于，还包括：

非相变热管，其设置在所述甲醇裂解器内的内燃机尾气通道外周；

绝热层，其设置在甲醇裂解器的外侧壁上。

6.如权利要求5所述的醇氢燃料发动机，其特征在于，还包括：

智能控制单元，其与所述压力传感器，温度传感器，电磁阀，调压阀和多点喷射掺烧装置电连接。