CN104595060B - 一种燃气发生器及燃气供给系统和车辆动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机的燃料供给技术；目的是提供一种燃气发生器及利用该燃气发生器的车辆动力系统。燃气发生器包括：利用电能进行加热的电加热机构；电加热机构所提供的加热环境中设置碳本体；向碳本体供水的供水系统。这样碳本体在加热条件下与水反应产生一氧化碳和氢气的混合气体，该混合气体作为燃气可以进一步供车辆发动机或其他需要燃料的场合使用，提供动力或热量。所述的碳本体由石墨或炭块或炭粉或纯净煤等材料制成。混合气体中可能有未反应完全的水蒸气，可以进行简单处理，在要求不高的场合混合气体也可以直接使用。本发明的燃气发生器特别适合作为车辆发动机的燃气供应设备。
Description
技术领域
本发明涉及发动机，具体涉及发动机的燃料供给系统。
背景技术
现有的车辆发动机大都以汽油、柴油为燃料，也有使用蓄电池的电力或燃气作为动力来源的。但是汽油、柴油燃烧后对环境污染比较严重。另外汽油、柴油可以直接在空气中燃烧，一来车祸发生时需要注意防止油箱的爆炸；二来输油车、及加油站都有一定的危险性，需要防止静电和明火。
蓄电池的电量有限，车辆行程有限不便于长途旅行。使用燃气的车辆相对比较普遍；但这些燃气都是天然气，属于化石燃料，资源有限；并且天然气密度远小于柴油、汽油，所以车辆行程短，通常只作为出租车、驾校教练车在市区或近郊使用；而且车载高压气罐还存在安全隐患。
所以现有技术的车辆动力都还是没有真正实现安全、环保、资源循环利用的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气发生器、利用该燃气发生器的燃气供给系统和车辆动力系统；以提供清洁、环保、可循环的燃料和车辆动力。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种燃气发生器，包括：
利用电能进行加热的电加热机构；
电加热机构所提供的加热环境中设置碳本体；
向碳本体供水的供水系统。
这样碳本体在加热条件下与水反应产生一氧化碳和氢气的混合气体，该混合气体作为燃气可以进一步供车辆发动机或其他需要燃料的场合使用，提供动力或热量。所述的碳本体由石墨或炭块或炭粉或纯净煤等材料制成。混合气体中可能有未反应完全的水蒸气，可以进行简单处理，在要求不高的场合混合气体也可以直接使用。
优选的，所述的碳本体固定在陶瓷支架内，陶瓷支架外部设置铜质盘管，所述的电加热机构包括该铜质盘管和与铜质盘管连接的中/高频电源组件。
优选的，所述的中/高频电源组件由蓄电池和逆变电路及适配线路构成。当然，其加热方式也可以是电火花加热、电阻丝加热等加热方式。
优选的，所述的碳本体由石墨制成，整体呈空心柱状，并套接在陶瓷芯体上；所述的陶瓷支架为带有镂空端盖的管状，陶瓷芯体和碳本体固定在陶瓷支架内腔，碳本体沿轴向布置有气流通道；所述的供水系统包括水箱和换热机构，水箱内的源水经换热机构加热后供入气流通道内。该实施方式中，因为石墨本身导电，所以直接能被中/高频电源加热。
或者，所述的碳本体为炭材料或纯净煤制成的棒状，碳本体有多个并插入金属套上设置的储碳孔中；所述的陶瓷支架为带有镂空端盖的管状；所述金属套固定在陶瓷支架内腔，碳本体沿轴向布置有气流通道；所述的供水系统包括水箱和换热机构，水箱内的源水经换热机构加热后供入气流通道内。这样的结构适合本身不导电的碳本体，碳本体在金属套被中/高频电源加热后加热。
优选的，所述的气流通道由碳本体粗细小于储碳孔或陶瓷支架内腔直径构成，或者沿碳本体轴向设置的槽或孔构成。
一种利用前述的燃气发生器燃气供给系统，包括：
所述供水系统的换热机构包括与水箱连接的换热除水器，换热除水器出水经所述铜质盘管后进入气流通道；
所述燃气发生器产生的混合气体经管道进入换热除水器，经水箱的源水冷却除水，然后进入储气罐储存；
所述混合气体冷却除水所分离的水汇入换热除水器出水或经管道进入水箱。
这样就可以利用换热除水器去除混合气体中的水汽，便于后续使用；经过换热除水器、盘管预热的源水基本上处于高温甚至气化状态，有利于充分与碳本体接触和反应。该系统能高效地提供稳定的燃气。
一种利用前述的燃气发生器的车辆动力系统，包括燃气发动机，
所述供水系统的换热机构包括与水箱连接的换热除水器，换热除水器出水经发动机冷却管路进入所述铜质盘管后进入气流通道；
所述燃气发生器产生的混合气体经管道进入换热除水器，经水箱的源水冷却除水，然后进入储气罐，储气罐的输出管经增压机连通到发动机进气机构；
所述混合气体冷却除水所分离的水汇入换热除水器出水或经管道进入水箱；
所述燃气发生器的蓄电池为车载主蓄电池；
所述水箱为车载水箱。
进一步的，所述的发动机的尾气经排气管连接到换热器，所述铜质盘管出水接入换热器与尾气换热后供入气流通道；所述换热后的尾气通入气液分离器，气液分离器的排气进行排放或收集使用，气液分离器的排水接入水箱。
进一步的，所述换热后的尾气连接温差发电系统，温差发电系统经充电电路连接蓄电池；或者利用所述换热后的尾气对发动机与铜质盘管之间管路上的水进行预热。或者作为其它线路的伴热线路，避免热量的散失。
本发明的原料是常见的水和碳制成的碳本体，而碳和水在高温下会生成一氧化碳和氢气，两者都是高效的气体燃料，可以广泛用于生产、生活；也可以方便地适配现有车辆发动机，提供动力。由化学方程式可知，由碳和水生成一氧化碳和氢气，再由一氧化碳和氢气在空气中然烧生成水和二氧化碳。其过程相当于是碳和氧气反应生产二氧化碳，其中水的作用有点类似于催化剂，所以整个系统几乎不消耗水，而是相当于变相燃烧了碳本体。同时加热过程消耗一定的电能，尤其是在燃气发生器刚开始工作时需要蓄电池供电以加热碳本体达到高温状态，但后续只是补充电能，耗电量降低。但发动机工作时本身会再持续给蓄电池充电，所以本发明的技术相比于纯电动汽车会显著提升续航能力。并且还具有以下技术优势：
1.石墨是碳单质的主要存在形式之一，而碳是自然界储量最丰富的化学元素。石墨自然界储量大，而且也可以人工合成，取之不尽、用之不竭，成本低廉。
2.本发明虽然与传统石化燃料都无法避免温室气体二氧化碳的排放，但没有其他有毒有害气体排放，环保性显著提升。
3.本发明把传统的液体燃料、气体燃料转换为了固体燃料。且这些燃料本身在空气中不容易燃烧，不会发生爆炸。并且只用了一个很小的储气罐。所以相比于汽油、柴油、天然气等遇到明火都会燃烧甚至爆炸的燃料，本发明的安全性也显著提升。
附图说明
图1为一种实施方式的燃气发生器主视结构示意图；
图2为图1所示燃气发生器的A-A向剖视图；
图3为图1所示燃气发生器主的立体结构示意图；
图4为图1所示燃气发生器的爆炸图；
图5为另一种实施方式的燃气发生器的爆炸图；
图6为燃气供给系统的布置图；
图7为车辆动力系统的布置图。
具体实施方式
下面结合附图介绍本发明的具体技术方案和几种优选实施方式：
本发明的燃料发生器包括利用电能进行加热的电加热机构，电加热机构所提供的加热环境中设置碳本体242，以及向碳本体242供水的供水系统。这样碳本体242在加热条件下与水反应产生一氧化碳和氢气的混合气体，该混合气体作为燃气可以进一步供车辆发动机或其他需要燃料的场合使用，提供动力或热量。至于碳本体242的固定、所产生的混合气体收集等则没有特定要求。
优选的例如：结合图1-5所示的一种燃气发生器，所述的碳本体242固定在陶瓷支架244内，陶瓷支架244外部设置铜质盘管245，所述的电加热机构包括该铜质盘管245和与铜质盘管245连接的中/高频电源组件。优选的中/高频电源组件由蓄电池和逆变电路及适配线路构成。
碳本体242可以由石墨或炭块或炭粉或纯净煤等材料制成。常用的例如碳本体242由石墨制成。如图1-4所示：碳本体242整体呈空心柱状，并套接在陶瓷芯体241上；所述的陶瓷支架244为带有镂空端盖243的管状，陶瓷芯体241和碳本体242固定在陶瓷支架244内腔，碳本体242沿轴向布置有气流通道。该气流通道由碳本体242粗细小于陶瓷支架244内腔直径构成；这种结构也可以说是碳本体242与陶瓷支架244过渡配合，也就是碳本体242与陶瓷支架244内壁之间具有间隙，该间隙就是气流通道。或者也可以沿碳本体242轴向设置凹槽构成气流通道。
所述的供水系统包括水箱和换热机构，水箱内的源水经换热机构加热后供入气流通道内。该实施方式中，因为石墨本身导电，所以直接能被中/高频电源加热。
或者如图5所示的：所述的碳本体242为炭材料或纯净煤制成的棒状，碳本体242有多个并插入金属套246上设置的储碳孔247中，储碳孔247一般靠近金属套246的外周布置。所述的陶瓷支架244为带有镂空端盖243的管状；所述金属套246固定在陶瓷支架244内腔。碳本体242沿轴向布置有气流通道，此时因为碳本体242径向尺寸较小，所以气流通道通常也采用碳本体242直径小于储碳孔247孔径的方式。所述的供水系统包括水箱和换热机构，水箱内的源水经换热机构加热后供入气流通道内。这样的结构适合本身不导电的碳本体，碳本体242在金属套被中/高频电源加热后加热。
两种优选实施方式中，整体结构相近，陶瓷支架244都是一端一体化设置十字形镂空端盖244`，便于内部的碳本体242和金属套246或陶瓷芯体241定位。然后带十字形镂空的可拆卸端盖243过盈连接或螺纹连接到陶瓷支架244上。陶瓷芯体241端部设置与十字形镂空匹配的定位部241`、金属套246端部设置与十字形镂空匹配的定位部248，都是起到进一步固定陶瓷芯体241和金属套246的作用。这样水或水蒸气经供水系统供入气流通道后，可以从另一端的十字形支架排出，同时便于收集和利用。陶瓷支架244和铜质盘管245整体造型紧凑，便于安装和固定。因为设置金属套246的结构大体与设置陶瓷芯体241的结构类似，故省略了相应的主视图、剖视图和立体图。
铜质盘管245本身作为导线接入中/高频加热电路。铜质盘管245内部还可以通冷凝水，也可将该铜质盘管245作为换热机构的一部分。因为冷凝水电阻远大于铜，所以相对于铜基本上相当于被短路了，无需特殊处理即可实现上述方案。铜质盘管245截面可以是圆形，也可以是方形。圆形可以节省材料，方形有更大的和水的换热面积。
利用前述燃气发生器的燃气供给系统如图6所示：所述供水系统的换热机构包括与水箱18连接的换热除水器19，换热除水器19出水经所述铜质盘管245后进入气流通道。所述燃气发生器产生的混合气体经管道进入换热除水器19，经水箱18的源水冷却除水，然后进入储气罐20储存。所述混合气体冷却除水所分离的水汇入换热除水器出水或经管道进入水箱18。
使用中/高频电源对钢铁进行熔融、锻造等已经是相当普遍的技术，其效率、能源使用率是很高的。本发明由于需要高温使石墨和水反应生成可燃气体，因此采用中/高频加热方式。首先是中/高频加热方式的可行性，高频感应加热机的工作原理为它的电流流向被绕制成环状或其它形状的加热线圈(通常是用紫铜管制作，类似于本发明的铜质盘管245)。由此在线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将金属等被加热物体放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物体，在被加热物体的内部与加热电流相反的方向，便会产生相对应的涡电流。由于被加热物体内存在着电阻，所以会产生很多的焦耳热，使物体自身的温度迅速上升，达到对所有金属等导电材料加热的目的。
由此可以看出，高频感应加热机要加热的物体必须具有良好的导电导磁能力。我们都知道，金属一般都具有很好的导电导磁能力，所以说高频感应加热机可以加热金属，而非金属材料中石墨也具有良好的导电导磁能力，因此，高频感应加热机也是可以加热石墨的。综上所述，高频感应加热机是可以加热石墨的。设备进行熔炼热处理时所用的坩埚就是石墨坩埚，这正是利用了石墨良好的导电导磁能力。而对于本来不导电的碳本体242，本发明也设置了金属套246等可被加热的材料来实现对碳本体242的加热。电源可以是一般的车载蓄电池作为电源，经逆变电路逆变即可得到所需的中/高频电源。由于反应温度不需要太高，大概是800多度，因此方案是切实可行的。
另外，中/高频加热具有趋肤性。当向燃气发生器中以喷入水或通入水蒸气的方式供水时，高温石墨和水反应生产可燃气体。这个过程中由于图4所示的碳本体242的中心孔和陶瓷芯体241配合间隙较小及中/高频加热的趋肤性，碳本体242的外围温度高，因此碳本体242和水蒸气的反应会从外围逐渐向芯部反应。图5所示的碳本体242也会从表面开始反应。然后在陶瓷支架244一端供水、另一端即可收集可燃气体。该一氧化碳和氢气为主的可燃气体可以用于取暖、照明、发电、作为汽车动力等方式使用。
优选的，例如图7所示的前述的燃气发生器的车辆动力系统，包括燃气发动机22，所述供水系统的换热机构包括与水箱18连接的换热除水器19，换热除水器19出水经发动机22冷却管路进入所述铜质盘管245后进入气流通道。所述燃气发生器产生的混合气体经管道进入换热除水器19，经水箱18的源水冷却除水，然后进入储气罐20，储气罐20的输出管经增压机21连通到发动机22进气机构。所述混合气体冷却除水所分离的水汇入换热除水器出水或经管道进入水箱18。
所述燃气发生器的蓄电池26为车载主蓄电池；所述水箱18为车载水箱。所述的发动机22的尾气经排气管9连接到换热器23，所述铜质盘管245出水接入换热器23与尾气换热后供入气流通道。这样就构成了向车辆发动机提供燃气的完善技术方案。并且适配性好，通用性强，现有的燃气出租车、教练车安装本发明的燃气发生器，利用蓄电池、水箱改造线路即可使用。普通燃油车辆先进行油改气改造然后进行上述安装即可使用。
更好的实施方式：所述换热器23换热后的尾气通入气液分离器27，气液分离器27的排气进行排放或收集使用，气液分离器27的排水接入水箱18。或者所述换热后的尾气连接温差发电系统，温差发电系统经充电电路连接蓄电池26。或者利用所述换热后的尾气对发动机22与铜质盘管245之间管路3上的水进行预热。或者作为其它线路的伴热线路，避免热量的散失。
如图7所示，更详细地说，车辆动力系统也就是：在中/高频加热中，利用蓄电池26，线路14、15，逆变电路25，线路16、17及燃气发生器的铜质盘管245构成加热线路，实现对碳本体242加热，提供反应温度。
以水/水蒸气为主线路来看，图中以粗、细线表示主线路和分回路。水从水箱出发经管道1、2、3、4、5进入燃气发生器，与碳本体242反应，产生的燃气、水蒸气混合气体经管路6进入换热除水器19，在换热除水器19中利用水箱18来的温度较低的源水对管路6中的混合气体中的水蒸气进行除却。冷凝成液体的水经管道12返回水箱，或者汇入管路2进入发动机冷却管路。
燃气则通过管道7进入到储气罐20，储气罐20的作用是暂时储气，稳定压力。燃气经输出管8和增压机21进入发动机22燃烧后生成高温的水蒸气和二氧化碳。水蒸气和二氧化碳经管道9和从管道4中、由铜质盘管245出来的水/水蒸气在换热器23中换热，对管路4中的水/水蒸气进一步加热，本身则一定程度的降温。进而经管道10进入气液分离器27，水蒸气冷凝成水经管路11回收到水箱18中，二氧化碳则经管道13排放到大气当中或者收集利用。
经过管道10的气体温度较高，在管道10及气液分离器27周边可利用温差发电技术对其中的余热转化为电能。或者利用这部分热量对管道3中的水加热；或者作为其它线路的伴热线路，避免热量的散失；这样可以提高热能利用率，也加快水蒸气的冷凝速度。
上述动力系统中，在燃气发生器后，因为需要分离水蒸气，而最好的方式就是降温使水蒸气液化，这个过程会放出较多的热量，需加以收集。经除水后的燃气基本保持原有的高温，短暂的存储在储气罐20中，储气罐20的目的是稳定发动机22的进气气压，其也是是处于高温状态，如此可以最大限度的提高热能使用率。燃气在发动机22内和空气混合燃烧放出热量进而产生机械能，同时排出尾气，这个过尾气中不仅含有水蒸气，且含较多的热量，也可以加以收集。另外，在中/高频加热碳本体242的过程中铜质盘管245本身也会产生大量的热量，需要冷却水加以冷却，因此如果以常温水经燃气发生器除水预热、铜质盘管245加热、发动机22尾气(汽车排放的尾气温度最高可以达到600℃～700℃,怠速时400℃)加热/护热，进入燃气发生室的时候，常温水被加热成为了水蒸气，且其温度可能已经达到了几百度，在燃气发生器中和高温的碳本体242接触即可生产燃气。每辆车上还安装两套或多套燃气发生器，共用储气罐20和蓄电池26，避免燃料发生器的燃气供应不稳定。
本发明整个过程化学反应中水就是类似于催化剂的作用，由于系统的优化，对水的回收利用，使其基本没有水的损失，甚至有所增加(视空气中含水量而定，当空气中含水量大的时候是有可能的)，因此在车的行驶过程中采取优化设计后可以避免补水甚至不用补水就可以联系行驶。作为需补充的燃料----石墨，由于其密度相比于汽油要大许多，基本是汽油密度的三倍，而燃烧时期热能是汽油燃烧时的70％，因此其单位体积的热量是汽油单位体积热量的2.1倍。也就是说如果同等热能利用率的情况下同体积的石墨和汽油石墨的行程是汽油的2.1倍。但是由于现有汽车的热能利用率只有还非常低，一般只有30％多一点。一般都是燃油燃烧的能量有50％多是变成热量散失掉的，现代发动机来说，剩余的50％里面又有20％能量用于各种设备的供能，也就是说，真正用于发动机驱动车辆行驶的，只有30％了，对于这30％的能量，2％是用在气缸磨擦上。
而本发明由于注重各个环节的热能利用，其中的温差发电还能补充电能，减少能量损失。日后随着温差发电效率的提高，有可能会提供全部的设备供能。由于对现有发动机大部分损失热量有加以回收利用，以及燃料发生器的处处热量重复利用，整车的热能利用率至少不会低于现有的30％。作为最保守的估计，石墨燃料的使用，使汽车在同等体积车载燃料的情况下可以行驶原本2.1倍以上的距离。且避免了燃烧汽油过程中氮的氧化物排放。由于原本汽车上的空间就十分有限，2.1倍以上的距离就是十分可观的，且由于石墨的安全储存性能大大提高，可减少甚至避免运送燃料车的伤亡事故，且我国为主要的石墨产地，有助于减少对国外石油的依赖。
并且由于燃料电池的研究不断的深化，未来汽车使用燃料电池产生的电能驱动并不遥远，因此，本系统和燃料电池的结合使用会产生良好的效果。同样，需要对燃料电池燃烧过中的热量加以回收利用。
Claims (7)
1.一种燃气发生器，包括：
利用电能进行加热的电加热机构；
电加热机构所提供的加热环境中设置碳本体(242)；
向碳本体(242)供水的供水系统；
所述的碳本体(242)固定在陶瓷支架(244)内，陶瓷支架(244)外部设置铜质盘管(245)，所述的电加热机构包括该铜质盘管(245)和与铜质盘管(245)连接的中/高频电源组件；
所述的碳本体(242)由石墨制成，整体呈空心柱状，并套接在陶瓷芯体(241)上；所述的陶瓷支架(244)为带有镂空端盖(243、244`)的管状，陶瓷芯体(241)和碳本体(242)固定在陶瓷支架(244)内腔，碳本体(242)沿轴向布置有气流通道；所述的供水系统包括水箱(18)和换热机构，水箱(18)内的源水经换热机构加热后供入气流通道内。
2.根据权利要求1所述的燃气发生器，其特征在于：所述的碳本体(242)为炭材料或纯净煤制成的棒状，碳本体(242)有多个并插入金属套(246)上设置的储碳孔(247)中；所述的陶瓷支架(244)为带有镂空端盖(243、244`)的管状；所述金属套(246)固定在陶瓷支架(244)内腔，碳本体(242)沿轴向布置有气流通道；所述的供水系统包括水箱(18)和换热机构，水箱(18)内的源水经换热机构加热后供入气流通道内。
3.根据权利要求1或2所述的燃气发生器，其特征在于：所述的气流通道由碳本体(242)粗细小于储碳孔(247)或陶瓷支架(244)内腔直径构成，或者沿碳本体(242)轴向设置的槽或孔构成。
4.一种利用权利要求3所述燃气发生器的燃气供给系统，包括：
所述供水系统的换热机构包括与水箱(18)连接的换热除水器(19)，换热除水器(19)出水经所述铜质盘管(245)后进入气流通道；
所述燃气发生器产生的混合气体经管道进入换热除水器(19)，经水箱(18)的源水冷却除水，然后进入储气罐(20)储存；
所述混合气体冷却除水所分离的水汇入换热除水器(19)出水或经管道进入水箱(18)。
5.一种利用权利要求1或2或3所述燃气发生器的车辆动力系统，包括燃气发动机(22)，
所述供水系统的换热机构包括与水箱(18)连接的换热除水器(19)，换热除水器(19)出水经发动机(22)冷却管路进入所述铜质盘管(245)后进入气流通道；
所述燃气发生器产生的混合气体经管道进入换热除水器(19)，经水箱(18)的源水冷却除水，然后进入储气罐(20)，储气罐(20)的输出管经增压机(21)连通到发动机(22)进气机构；
所述混合气体冷却除水所分离的水汇入换热除水器(19)出水或经管道进入水箱(18)；
所述燃气发生器的蓄电池(26)为车载主蓄电池；
所述水箱(18)为车载水箱。
6.根据权利要求5所述的车辆动力系统，其特征在于：所述的发动机(22)的尾气经排气管连接到换热器(23)，所述铜质盘管(245)出水接入换热器(23)与尾气换热后供入气流通道；所述换热后的尾气通入气液分离器(27)，气液分离器(27)的排气进行排放或收集使用，气液分离器(27)的排水接入水箱(18)。
7.根据权利要求6所述的车辆动力系统，其特征在于：所述换热后的尾气连接温差发电系统，温差发电系统经充电电路连接蓄电池(26)；或者利用所述换热后的尾气对发动机(22)与铜质盘管(245)之间管路上的水进行预热。
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