CN106246416A - 一种利用发动机余热的醇‑氢动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用发动机余热的醇‑氢动力系统，该系统包括甲醇供给单元、甲醇裂解单元及电子控制单元，其中，电子控制单元根据发动机的工况确定甲醇量，并通过甲醇喷嘴(15)处的压力精确控制甲醇泵(13)的转速，从而精确控制甲醇量；同时通过控制排气电子阀门(8)的通断，维持壳体内温度为最佳反应温度，从而使得甲醇裂解反应，生成氢气及一氧化碳等裂解气，为发动机提供燃料。本发明的技术方案，一方面提高了甲醇裂解效率，从而提高了发动机的动力性能和经济性能，大大减小了甲醇的用量，降低了成本；并充分利用了发动机的尾气热量，温度控制稳定，从而提高了甲醇裂解反应的稳定性。

Description

一种利用发动机余热的醇-氢动力系统
技术领域
本发明属于发动机余热利用领域，具体涉及一种利用发动机余热的醇-氢动力系统。
背景技术
甲醇分子中含氧50％，燃烧速度快，自身含氧助燃，燃烧充分，既能提高热效率，又可实现机内净化和降低CO、HC和NOx等常规气体排放，与汽油相比,甲醇的H/C和辛烷值高，稀燃范围宽泛，允许发动机使用较高的压缩比，是一种富氧、环保、高能、高效燃料。此外，甲醇的生产原料丰富(如劣质煤、焦炉气、生活生产废弃物等),有利于甲醇燃料的进一步推广和应用。
中国对甲醇燃料替代汽油的研究试验已有将近四十年的历史,目前已经在部分地区有了规模化应用,并取得了一定的经济效益和社会效益。然而，将甲醇直接作为汽车代用燃料,仍然存在一些严重的问题,如热值较低、容易腐蚀发动机、润滑性不良及尾气中含有各种有毒污染物等,这都阻碍着甲醇燃料的进一步应用。
研究发现将甲醇裂解成为氢气和一氧化碳后进入发动机气缸燃烧可以有效克服上述缺陷。甲醇裂解气中含有丰富的氢气,具备氢气燃烧的特点,可实现稀薄快速燃烧,从而提高发动机热效率,大幅降低有害排放物,提高发动机的动力性和经济性。研究表明汽油机掺氢燃烧后的燃油经济性可提高30％，汽油机在部分负荷工况下，使用汽油/氢气混合气可以提高混合气燃烧速率,；柴油机掺氢后着火滞燃期缩短,燃烧可在上止点附近完成，着火滞燃期受混合气中氧含量影响不大,从而为采用废气再循环降低氮氧化物排放创造了条件。甲醇裂解气可以为汽车提供氢能源这种最为洁净和环保的燃料，同时,在氢能利用方面,甲醇裂解解决了氢气存储不便、安全系数低等困难，应用前景较好。此外,甲醇低温裂解催化剂有了突破性的进展,甲醇在较低的温度下使用特殊的催化剂就可以完全裂解。
发动机余热回收利用是未来汽车技术的发展方向之一。例如中国发明专利CN201610198654，公开了一种醇-氢-电混合动力系统，其在发动机尾气管内安装热裂解装置，在原料箱中装入醇的水溶液并通过输送泵输入到热裂解装置中，通过裂解装置裂解生成氢气并进入发动机燃烧推动气缸工作。该系统经济性好、动力性能好，而且减少了目前汽油的废气污染，但该系统也存在一些不足，如甲醇量没有得到精确控制，当发动机处于某一工况时，过大的甲醇量会因为反应热量不够和反应时间不充裕导致甲醇裂解效率低下，从而影响发动机的动力性能和经济性能；过小的甲醇量又会因为没有充分地利用发动机尾气废热而导致发动机动力性能和经济性能下降，同时发应器裂解效能没有被完全利用。此外，该系统中通过温度传感器来控制反应温度，难以将裂解室的温度控制在醇裂解反应最佳的温度范围内，影响甲醇裂解反应的稳定性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，其利用发动机排放的尾气余热，精确控制所述甲醇泵喷入的甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料，一方面提高了甲醇裂解效率，从而提高了发动机的动力性能和经济性能，根据发动机的工况精确控制甲醇量，充分利用了发动机的尾气热量，同时大大减小了甲醇的用量，降低了成本。
为实现上述目的，本发明提供一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，该系统包括甲醇供给单元、甲醇裂解单元及电子控制单元；
其中，所述甲醇供给单元具有甲醇泵和与该甲醇泵连接的甲醇喷嘴，用于利用该甲醇泵输送甲醇并通过该甲醇喷嘴向所述甲醇裂解单元喷射甲醇；
所述甲醇裂解单元包括反应管，喷入的所述甲醇在催化剂的作用下在该反应管中发生裂解反应，从而生成氢气和一氧化碳裂解气，以与燃油掺混作为发动机燃料；
所述电子控制单元包括信号线、发动机工况传感器和控制器，所述控制器通过信号线分别与发动机工况传感器、甲醇供给单元和甲醇裂解单元连接，所述发动机工况传感器用于实时监测发动机工况并传输至所述控制器，所述控制器用于通过所述发动机工况精确控制所述甲醇泵喷入的甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料。
通过上述技术方案，电子控制单元根据所述发动机传感器实时监测的工况精确控制所述甲醇泵喷入的甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料，一方面提高了甲醇裂解效率，从而提高了发动机的动力性能和经济性能；另一方面，根据发动机的工况精确控制甲醇量，充分利用了发动机的尾气热量，同时大大减小了甲醇的用量，降低了成本。
进一步地，所述发动机工况包括发动机转速和扭矩，在发动机的转速为1500～2000r/min，发动机的扭矩为50～100Nm时，对应喷入的甲醇量控制在甲醇与燃油量比例为6.3％～20％。
进一步地，所述甲醇供给单元还包括与甲醇喷嘴(15)连接的压力传感器(14),该压力传感器(14)用于监测甲醇喷嘴(15)处的压力，并将信号反馈给电子控制单元，所述电子控制单元根据该压力值控制甲醇泵(13)的转速，从而保持甲醇喷嘴处的压力为恒定，进而可通过控制甲醇喷嘴的开闭时间实现对所述喷入的甲醇量的精确控制。
优选地，所述甲醇供给单元还包括甲醇储存箱和液位传感器，液位传感器插入甲醇储存箱中，用于监测甲醇储存箱中的甲醇量，当甲醇量不足时，自动报警。
进一步地，所述甲醇裂解单元还包括温度控制模块，温度控制模块位于所述甲醇裂解单元的壳体一端，用于控制壳体内温度，从而使所述反应管中的甲醇裂解处于最佳反应温度范围内。
进一步地，所述温度控制模块包括位于壳体后端面的测温口和热电偶，以及排气电子阀门，其中，热电偶的一端由测温口插入壳体内腔并与反应管外壁面接触，另一端用信号线与控制器相连，控制器根据热电偶测得的温度与电子控制单元预设的温度值之间的差异控制排气电子阀门的通断，从而实现所述壳体内容温度控制。
本方案中通过热电偶测得的温度与电子控制单元预设的温度值之间的差异控制排气电子阀门的通断，从而维持壳体内温度控制在最佳反应温度，进一步提高了甲醇裂解效率，同时由于温度控制稳定，从而提高了甲醇裂解反应的稳定性，减少发动机余热的能量浪费，可有效提高发动机的燃烧效率，减少发动机的污染物排放。
优选地，所述最佳反应温度为320～380℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明中，电子控制单元根据所述发动机传感器实时监测的工况精确控制所述甲醇泵喷入的甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料，一方面提高了甲醇裂解效率，从而提高了发动机的动力性能和经济性能；另一方面，根据发动机的工况精确控制甲醇量，充分利用了发动机的尾气热量，同时大大减小了甲醇的用量，降低了成本。
(2)本发明中，通过热电偶测得的温度与电子控制单元预设的温度值之间的差异控制排气电子阀门的通断，从而维持壳体内温度控制在最佳反应温度，进一步提高了甲醇裂解效率，同时由于温度控制稳定，从而提高了甲醇裂解反应的稳定性，减少发动机余热的能量浪费，可有效提高发动机的燃烧效率，减少发动机的污染物排放。
附图说明
图1为本发明实施例的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统中涉及的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统中涉及的甲醇裂解单元纵向剖视图；
图3为本发明实施例的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统中涉及的甲醇裂解单元立体结构视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
图中：1-甲醇储存箱，2-液位传感器，3-信号线，4-控制器，5-燃油储存箱，6-燃料供应管路，7-发动机，8-排气电子阀门，9-旁通管，10-排气主管，11-甲醇裂解单元，12-热电偶，13-甲醇泵，14-压力传感器，15-甲醇喷嘴，16-废气出口法兰，17-废气出气管，18-甲醇进口，19-壳体，20-废气进气管，21-废气进口法兰，22-热电偶测温口，23-反应管，24-裂解气出口，25-12V供电电源，26-液晶显示屏。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统中涉及的结构示意图。如图1所示，该系统包括甲醇供给单元、甲醇裂解单元及电子控制单元，
其中，所述甲醇供给单元具有甲醇泵13和与该甲醇泵13连接的甲醇喷嘴15，用于利用该甲醇泵13输送甲醇并通过该甲醇喷嘴15向所述甲醇裂解单元喷射甲醇；
所述甲醇裂解单元包括反应管23，喷入的所述甲醇在催化剂的作用下在该反应管中发生裂解反应，从而生成氢气和一氧化碳裂解气，以与燃油掺混作为发动机燃料；
所述电子控制单元包括信号线3、发动机工况传感器和控制器4，所述控制器通过信号线3分别与发动机工况传感器、甲醇供给单元和甲醇裂解单元连接，所述发动机工况传感器用于实时监测发动机工况并传输至所述控制器4，所述控制器4用于通过所述发动机工况精确控制所述甲醇泵13喷入的甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料。
当发动机处于某一工况时，过大的甲醇量会因为反应热量不够和反应时间不充裕导致甲醇裂解效率低下，从而影响发动机的动力性能和经济性能；过小的甲醇量又会因为没有充分地利用发动机尾气废热而导致发动机动力性能和经济性能下降，同时发应器裂解效能没有被完全利用。因此，上述技术方案中，电子控制单元根据所述发动机传感器实时监测的工况精确控制所述甲醇泵喷入的甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料，一方面提高了甲醇裂解效率，从而提高了发动机的动力性能和经济性能；另一方面，根据发动机的工况精确控制甲醇量，充分利用了发动机的尾气热量，同时大大减小了甲醇的用量，降低了成本。
如图1，甲醇供给单元还包括与甲醇喷嘴15连接的压力传感器14,压力传感器14用于监测甲醇喷嘴15前的压力，并将信号反馈给电子控制单元，电子控制单元根据甲醇喷嘴15前的压力值控制甲醇泵13的转速，从而维持甲醇喷嘴处的压力恒定，由于甲醇喷嘴的开度也是恒定的，因此甲醇的流量是恒定，因此，通过控制甲醇喷嘴的开闭时间即可实现对所述甲醇量的精确喷入。
优选地，所述甲醇供给单元还包括与甲醇储存箱1连接的液位传感器2，用于监测甲醇储存箱1中的甲醇量，当甲醇量不足时，自动报警。
图2为本发明实施例的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统中涉及的甲醇裂解单元纵向剖视图，图3为本发明实施例的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统中涉及的甲醇裂解单元立体结构视图。如图2和图3所示，所述甲醇裂解单元还包括及温度控制模块，温度控制模块位于所述甲醇裂解单元的壳体一端，用于控制壳体内温度，从而使所述反应管中的甲醇裂解处于最佳反应温度范围内。
如图2和图3所示，所述温度控制模块包括位于壳体19后端面的测温口22和热电偶12，以及排气电子阀门8，其中，热电偶12的一端由测温口22插入壳体19内腔并与反应管23外壁面接触，另一端用信号线3与控制器4相连，控制器4根据热电偶12测得的温度与电子控制单元预设的温度值之间的差异控制排气电子阀门8的通断，从而实现所述壳体内容温度控制。
通过热电偶测得的温度与电子控制单元预设的温度值之间的差异控制排气电子阀门(8)的通断，从而维持壳体内温度控制在最佳反应温度，进一步提高了甲醇裂解效率，同时由于温度控制稳定，从而提高了甲醇裂解反应的稳定性，减少发动机余热的能量浪费，可有效提高发动机的燃烧效率，减少发动机的污染物排放。
选优地，实施例一种利用发动机余热的醇-氢动力系统还包括液晶显示屏，其与电子控制单元相连接，对各传感器测得的相关参数进行实时检测，当发生故障时，将相应传感器的错误代码显示在屏幕上，驾驶员可以通过故障代码来查询当前故障。
本发明技术方案的原理如下：
发动机采用燃油启动，此时反应温度较低，甲醇供给系统不工作。反应器内设热电偶，其一端由信号线连接温控仪，另一端插入反应器壳体内部，实时监测反应温度。为了达到最佳的裂解效率，温度控制须保证甲醇裂解反应器反应管内温度控制在最佳反应温度320～380℃左右。当反应温度低于最佳反应温度时，排气支管排气电子阀门(8)处于关闭状态，发动机的尾气全部通过排气主管进入反应器对其进行加热；当反应温度高于最佳反应温度时，控制单元控制排气支管排气电子阀门(8)自动打开，大部分尾气经排气支管排出，反应器温度不再升高，从而维持壳体内温度控制在最佳反应温度。
同时，发动机工况传感器实时监测发动机工况并传输至所述控制器，所述控制器通过所述发动机工况和压力传感器监测甲醇喷嘴前的压力值，控制甲醇泵的转速，从而实现甲醇量的精确控制。
甲醇裂解单元的壳体内温度控制在最佳反应温度，同时精确控制甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料。
本发明的一个实施例中，以汽油发动机为例，发动机工况、甲醇量与燃油量的比例如下：
通过试验测试，在发动机工况为1500r/min,50Nm时，甲醇量与燃油量的比例为8.5％，对应的当量燃油消耗率为262.9g/kWh。对比发现当量油耗率较原机下降9.7％，热效率为31.2％,热效率较原机提高7.8％。
本发明的一个实施例中，以汽油发动机为例，发动机工况、甲醇量与燃油量的比例如下：
通过试验测试，在发动机工况为1500r/min,60Nm时，甲醇量与燃油量的比例为7.4％，相应的当量燃油消耗率为252.9g/kWh。对比发现当量油耗率较原机下降11.9％，热效率为32.4％,热效率较原机提高13.7％。
本发明的另一个实施例中，以汽油发动机为例，发动机工况、甲醇量与燃油量的比例如下：
在发动机工况为1500r/min,70Nm时，甲醇量与燃油量的比例为6.3％，相应的当量燃油消耗率为252.4g/kWh。对比发现当量油耗率较原机下降7.4％，热效率为32.5％,热效率较原机提高8.3％。
本发明的又一个实施例中，以汽油发动机为例，发动机工况、甲醇量与燃油量的比例如下：
通过试验测试，在发动机工况2000r/min,60Nm时，甲醇量与燃油量的比例为20％，相应的当量燃油消耗率为253.7g/kWh。对比发现当量油耗率较原机下降6.0％，热效率为32.5％,热效率较原机提高6.7％。
本发明的又一个实施例中，以汽油发动机为例，发动机工况、甲醇量与燃油量的比例如下：
通过试验测试，在发动机工况2000r/min,80Nm时，甲醇量与燃油量的比例为20％，对应的当量燃油消耗率为243.6g/kWh。对比发现当量油耗率较原机下降7.3％，热效率为34.2％,热效率较原机提高7.1％。
本发明的另一个实施例中，以汽油发动机为例，发动机工况、甲醇量与燃油量的比例如下：
通过试验测试，在发动机工况2000r/min,100Nm时，甲醇量与燃油量的比例为20％，相应的当量燃油消耗率为232.9g/kWh。对比发现当量油耗率较原机下降8.8％，热效率为35.2％,热效率较原机提高7.3％。
本发明的技术方案中，实施例中给出了发动机的工况及甲醇与燃油比例效果较优的值，但本发明中并不限于上述实施例中的值，其中，发动机的转速为1500～2000r/min，可以取实施例中的1500r/min或2000r/min，还可以取1600r/min、1700r/min、1800r/min或1900r/min等；发动机的扭矩为50～100Nm，实施例中取50Nm、60Nm、70Nm、80Nm或100Nm，还可以取55Nm、65Nm、75Nm、85Nm、90Nm、95Nm等；对应甲醇和燃油比例为6.3％～20％，可以取实施例中的6.3％、7.4％、8.5％、或20％，还可以取9.5％、10.3％、11.5％、12.5％、13.5％、14.5％、15.5％、16.5％、17.5％、18.5％或19.5％等，而且，发动机工况及的甲醇与燃油比例的配比也可以在上述范围内进行任意搭配，并不限于上述实施例中给出的值，具体发动机工况及的甲醇与燃油比例可以根据具体情况进行确定。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，该系统包括甲醇供给单元、甲醇裂解单元以及电子控制单元；
其中，所述甲醇供给单元具有甲醇泵(13)和与该甲醇泵(13)连接的甲醇喷嘴(15)，用于利用该甲醇泵(13)输送甲醇并通过该甲醇喷嘴(15)向所述甲醇裂解单元喷射甲醇；
所述甲醇裂解单元包括反应管(23)，喷入的所述甲醇在催化剂的作用下在该反应管(23)中发生裂解反应，从而生成氢气和一氧化碳裂解气，以与燃油掺混作为发动机燃料；
其特征在于，所述电子控制单元包括信号线(3)、发动机工况传感器和控制器(4)，所述控制器(4)通过信号线(3)分别与发动机工况传感器、甲醇供给单元和甲醇裂解单元连接，所述发动机工况传感器用于实时监测发动机工况并传输至所述控制器(4)，所述控制器用于根据所述发动机工况精确控制所述甲醇泵(13)喷入的甲醇量，使得其在反应管中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，从而与燃油掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料。
2.根据权利要求1所述的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，其中，所述发动机工况包括发动机转速和扭矩，在发动机的转速为1500～2000r/min，发动机的扭矩为50～100Nm时，对应喷入的甲醇量控制在甲醇与燃油量比例为6.3％～20％。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，其中，所述甲醇供给单元还包括与甲醇喷嘴(15)连接的压力传感器(14),该压力传感器(14)用于监测甲醇喷嘴(15)处的压力，并将信号反馈给电子控制单元，所述电子控制单元根据该压力值控制甲醇泵(13)的转速，从而维持甲醇喷嘴处的压力恒定，进而可通过控制甲醇喷嘴的开闭时间实现对所述喷入的甲醇量的精确控制。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，其中，所述甲醇供给单元还包括甲醇储存箱(1)和液位传感器(2)，液位传感器(2)插入甲醇储存箱(1)中，用于监测甲醇储存箱(1)中的甲醇量。
5.根据权利要求1所述的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，其中，所述甲醇裂解单元还包括温度控制模块，温度控制模块位于所述甲醇裂解单元的壳体(19)一端，用于控制壳体(19)内温度，从而使所述反应管(23)中的甲醇裂解处于最佳反应温度范围内。
6.根据权利要求5所述的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，其中，所述温度控制模块包括位于壳体(19)后端面的测温口(22)和热电偶(12)，以及排气电子阀门(8)，其中，热电偶(12)的一端由测温口(22)插入壳体(19)内腔并与反应管(23)外壁面接触，另一端用信号线(3)与控制器(4)相连，控制器(4)根据热电偶(12)测得的温度与电子控制单元预设的温度值之间的差异控制排气电子阀门(8)的通断，从而实现所述壳体内容温度控制。
7.根据权利要求5或6所述的一种利用发动机余热的醇-氢动力系统，其中，所述最佳反应温度范围为320～380℃。
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