CN106640428A - 包括混合燃料发动机的发动机组及其燃料供应方法 - Google Patents

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Abstract

一种发动机组，包括：内燃机；供应系统，用于将包含氢气的混合燃料供应内燃机；电解质单元，用于从水或者蒸汽中生成氢气和氧气；以及转换装置，用于将来自内燃机的排气热能生成电能，其中至少通过转换装置生成的电能的一部分被用于电解质单元以生成氢气。

Description

包括混合燃料发动机的发动机组及其燃料供应方法
技术领域
本发明涉及一种包括混合燃料的内燃机的发动机组，尤其涉及使用富含氢的常规燃料的内燃机。本发明还涉及一种用于给前述内燃机供应的方法。
背景技术
众所周知，在汽车工业领域，存在减小污染物排放的迫切需求。为了实现这一目的所采用的途径之一是提供富含氢的常规燃料，例如甲烷或天然气。
进一步已知在机动车辆上制造可用氢是存在问题的。
根据第一种已知技术，氢气可以以液体或者压缩气体的形式在车辆中存储在专门设置的罐中。然而，氢气管理的难度和提供网络保证的缺乏，这个方案没有商业吸引力。
另一个已知的可能是在车辆上通过电解生产氢气。然而迄今为止，由于在电解过程中所占用的由车载交流发电机所产生的电能决定了损耗的增加，这使得这个过程在经济上是不可行的，因而在这个方向上进行的这种研究从能源的角度来看已经证明是不尽如人意的。
发明内容
本发明发现在机动车辆的内燃机中的一种优选、但不唯一的应用，其参考下文做出，但是并不暗示不具有普遍性。
本发明的目的在于提供一种包括混合燃料内燃机的发动机组，以及用于给该内燃机供应的方法，该发动机组将显著解决之前提到的问题。
前述的目的通过根据权利要求1的内燃机和根据权利要求6的供应方法来实现。
在消耗无论如何都要排入环境的排气的能源的情况下，在车辆上生成氢气使得在损耗程度以及排放方面有相当大的减少。
附图说明
为了更好的理解本发明的方案，它的实施例将参考附图1接下来进行描述，图1示出了本发明的发动机组的操作图。
具体实施方式
参照图1，标记1总体上表示了车辆(未示出)的发动机组。
发动机组1包括具有至少一个气缸3的发动机2、进气歧管4和排气歧管5。
发动机2包括用于每个气缸3的主喷射器6，主喷射器6连接到用于供应主燃料的系统7，主燃料例如为已知种类的甲烷或者天然气。备选地，任何其它常规燃料，例如汽油、柴油、LPG、生物燃料或者它们的混合物，都可以用作主燃料。
发动机2进一步包括用于每个汽缸3的用于富含氢的主燃料的副喷射器8，这将在下面进行描述。
发动机组1包括用于回收排气热能并且将它转换成电能的涡轮发电装置9。涡轮发电装置9包括涡轮机10和通过轴12旋转地连接到涡轮机10的转子的发电机11。
涡轮机10具有连接到发动机2的排气歧管5的入口13和出口14。
发电机11与常用类型的交流发电机(未示出)并行地与车辆的电池15连接。
喷射器6、8由控制单元16控制。
发动机组1还包括电解质单元17，电解质单元17被设计成用于分解液态或者蒸汽态的水以产生氢气和氧气。
由电池15供应的电解质单元17可以是一种常规的(碱性的)类型，在环境温度下以大约75％的效率运行。备选地，根据一个优选的实施例，电解质单元17可以是在高温下运行的SOEC(固氧电解质单元)类型，例如700-900℃，具有高于90％的效率。
在这种情况下，使得电解质单元17达到操作温度的热量由涡轮机10下游的排气余热通过热交换装置18(示意性示出)来供应。水以蒸汽的形式供应到电解质单元，所述蒸汽可以由平行的发动机冷却回路来产生，这有助于冷却发动机模块。
电解质单元17具有产生氧气(O2)的阳极19和产生氢气(H2)的阴极20。
阳极19通过氧气供应线路21与发动机1的进气歧管4连接，从而产生的氧气可以与发动机2吸入的空气混合。
阴极20与具有合适的低容量(例如，0.5升，等同于温度为0℃、压力为1bar-密度：0.090kg/m3或者备选地，在环境温度下10bar的4.5mg氢气)的缓冲器22连接，用于暂时存储产生的氢气，所述缓冲器接着连接副喷射器8。氢气可以以大约10bar的压力保存在缓冲器22中。
接下来描述发动机组1的操作。常规的燃料和由电解质单元17产生的氢气通过各自的喷射器6、8被喷入气缸3中。在电解质单元17中产生的氧气被导入进气歧管4。
通过常规燃料与氢气混合形成的混合燃料的使用本身是公知的。氢气有提高火焰锋(flame front)比率的效果，因此提高了性能并且有减少CO2排放物的效果。富含氢的混合燃料的供应使得CO2排放物减少成为可能，通过甲烷减小15-20％而通过汽油可以减小到比30％更多。
使用富含氢的天然气(NG)或者甲烷氢气混合物(hydromethane)(NG 70vol％，H230vol％)在汽车菲亚特(Fiat)Panda 1200cc 52CV上进行的测试显示在混合驾驶时混合物的消耗程度为大约25km/kg，例如大约4kg/100km。
体积比率为70∶30的4kg量的NG/H2的混合物等同于197.34g(2.217Nm3)的氢气。通过电解质单元15生成的氢气所需的电能被估计为4.9kwWh/Nm3，其中效率为70％(在环境温度下)，或者3kWwh/Nm3，其中效率为95％(在800℃下)，也即分别为10.86或者6.65kWwh/100km。通过涡轮发电装置9回收的能源用于供应电解质单元17是非常充足的。
因此，由于涡轮发电装置8，所使用的氢气可以通过消耗在任何情况下都将损失的排气的热能在电解质单元17中生成，即，相比于常规类型的发动机是“零成本”。
因此，除了上面提及的优点，它可以得到整个消耗降低大约15-20％，并且相比于仅采用天然气的情况工作范围扩大。
就过量氧气减少氮氧化物(NOx)的形成而言，由电解质单元17生成并且接着通过管路21送到进气歧管的氧气在燃烧方面具有有益的效果。
最后，应当清楚在没有偏离权利要求所限定的范围内的情况下，能够对本文所描述的发动机组进行修改和变形。
例如，通过预混合并且采用单一喷射器喷射混合物来取代通过各自的喷射器进行常规燃料和氢气的喷射是可行的。

Claims (11)

1.一种发动机组(1)，包括：
内燃机(2)；
供应系统(6，7，8，22)，用于使用包含氢气的混合燃料供应内燃机(2)；
电解质单元(17)，用于从水或者蒸汽中生成氢气和氧气；以及转换装置(9)，用于从所述发动机(2)的排气的热能生成电能，通过所述转换装置(9)生成的电能的至少一部分被用于所述电解质单元(17)以生成氢气。
2.根据权利要求1所述的发动机组，其特征在于，所述转换装置(9)包括由所述排气操作的涡轮机(10)以及由所述涡轮机(10)驱动的发电机(11)。
3.根据权利要求1或2所述的发动机组，其特征在于，所述电解质单元(17)是SOEC(固氧电解质单元)类型的。
4.根据前面任一权利要求所述的发动机组，其特征在于，包括用于将所述电解质单元(17)中生成的氧气供应至所述发动机的入口(4)的线路(21)。
5.根据前面任一权利要求所述的发动机组，其特征在于，包括热交换装置(18)，用于通过所述排气的余热能量加热所述电解质单元(17)。
6.一种用于供应内燃机(2)的方法，包括如下步骤：
通过转换为电能来回收来自所述内燃机(2)的排气的热能；
使用所述电能的至少一部分以用于供应电解质单元(17)；
通过所述电解质单元(17)分解水或者蒸汽以用于产生氢气和氧气；并且
使用包括在所述电解质单元(17)中产生的所述氢气的混合燃料供应所述内燃机(2)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述混合燃料包括在包括甲烷、天然气、汽油、柴油、生物燃料和它们的混合物的组中所选的常规燃料。
8.根据权利要求6或者7所述的方法，其特征在于，所述排气的热能到电能的转换是通过由所述排气操作的涡轮机(10)以及由所述涡轮机(10)驱动的发电机(11)来执行。
9.根据权利要求6到8中任一所述的方法，其特征在于，所述电解质单元(17)是SOEC(固氧电解质单元)类型的。
10.根据权利要求6到9中任一所述的方法，其特征在于，它包括将所述电解质单元(17)中生成的氧气供应至所述发动机的入口(4)的步骤。
11.根据权利要求6到10中任一所述的方法，其特征在于，包括通过所述排气的余热能量加热所述电解质单元(17)的步骤。
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