CN106704043A - 一种醇氢混合燃料动力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种醇氢混合燃料动力装置，该装置包括发动机(12)和甲醇储存箱(1)，所述动力装置还包括甲醇供给管路，所述甲醇供给管路包括两条支路；其中，第一支路包括第一甲醇泵(3)和第一甲醇喷嘴(17)；第二支路包括第二甲醇泵(4)、第二甲醇喷嘴(6)和甲醇裂解单元，所述甲醇裂解单元用于利用所述发动机的余热，使所述甲醇发生裂解反应生成氢气和一氧化碳裂解气；所述氢气和一氧化碳裂解气与所述第一支路的甲醇充分混合后，进入所述发动机燃烧做功。本发明的装置有效的利用了发动机的余热，对甲醇进行高温裂解，再与甲醇混合进行燃烧，提高了燃料的热值，甲醇的辛烷值较大，可以提高发动机的压缩比，从而提高发动机的效率。

Description

一种醇氢混合燃料动力装置
技术领域
本发明属于发动机余热利用领域，具体涉及一种醇氢混合燃料动力装置。
背景技术
甲醇(CH3OH)燃料是石油的现实替代燃料之一，其制取的方式很多，自二十世纪八十年代以来，人们就以天然气为燃料使用高效的低压技术来取代低效率的技术来制取甲醇燃料。另外，甲醇燃料也可以通过从煤、生物质燃料的气化进行合成制取，这种方法不但生产成本比较低、生产工艺比较成熟，而且生产的产品价格不高，因此，可以进行大规模的生产。
甲醇燃料作为车用发动机的替代燃料，其和汽油、柴油燃料相比存在以下几个特点：
(1)甲醇燃料的分子式中含有50％的氧，因此，甲醇燃料在完全燃烧时所需要的空气量要比汽油和柴油燃料的少很多。
(2)甲醇燃料的低热值要比汽油和柴油燃料的低很多，因此，当燃料完全燃烧时所产生的热量较少。因此，在保证发动机的动力性能时需要更多的燃料进行燃烧。
(3)甲醇燃料的汽化潜热值比较高，这样就会导致甲醇发动机的冷启动比较困难。
(4)甲醇燃料的沸点只有64.8℃，凝固点达到了-98℃。沸点低有利于可燃混合气的形成，凝固点低有利于发动机的低温启动性能。
(5)甲醇燃料的辛烷值(研究法辛烷值接近109)比汽油(研究法辛烷值接近80～98)的要高，因此相比于汽油燃料，甲醇燃料的抗爆性要更好一些。因此，在使用甲醇为燃料时，我们可以进一步提高发动机的压缩比。
(6)甲醇燃料的着火范围比较宽泛，在较稀的混合气下(空气中体积比着火极限达到7.3％～36.9％)就可以形成燃烧，这样有利于降低发动机的排放水平以及燃油的消耗率。
(7)甲醇燃料的燃烧速率比较高，因此火焰传播速度更快，发动机的热效率更高。
(8)甲醇燃料是一种透明的、易燃的、易发辉、有毒的有刺激性气味的液体。
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纯甲醇发动机的缺陷。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。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。
发明内容
针对现有技术的改进需求，本发明提供一种醇氢混合燃料动力装置，其目的在于有效的利用发动机的余热，对甲醇进行高温裂解，再与甲醇混合进行燃烧，提高了燃料的热值，甲醇的辛烷值较大，可以提高发动机的压缩比，从而提高发动机的效率。
为实现上述目的，本发明提供一种醇氢混合燃料动力装置，该装置包括发动机和甲醇储存箱，所述动力装置还包括甲醇供给管路，所述甲醇供给管路包括两条支路；
其中，第一支路包括设置于所述甲醇储存箱一侧的第一甲醇泵和安装在第一支路上的第一甲醇喷嘴，所述第一甲醇泵用于驱动所述甲醇通过所述第一甲醇喷嘴向所述发动机中喷射甲醇；
第二支路包括第二甲醇泵、第二甲醇喷嘴和甲醇裂解单元，所述第二甲醇泵用于驱动所述甲醇通过所述第二甲醇喷嘴向所述甲醇裂解单元中喷射甲醇，所述甲醇裂解单元与所述发动机的排气主管连接，用于利用所述发动机的余热，使所述甲醇发生裂解反应生成氢气和一氧化碳裂解气；
所述氢气和一氧化碳裂解气与所述第一支路的甲醇充分混合后，进入所述发动机燃烧做功。
进一步地，所述第一支路还包括第一电磁阀门和甲醇预热装置，其中，所述第一电磁阀门用于在所述发动机处于低温时开启，从而使所述甲醇经过所述甲醇预热装置预热后进入所述发动机，实现顺利启动。
进一步地，所述第一支路还包括第一压力传感器，用于测量所述第一甲醇喷嘴前的压力。
进一步地，所述第二支路还包括第二压力传感器，用于测量所述第二甲醇喷嘴前的压力。
进一步地，所述动力装置还包括控制器，其通过信号线分别与所述发动机、第一压力传感器及第二压力传感器连接，用于根据所述第一甲醇喷嘴、第二甲醇喷嘴前的压力及所述发动机的工况，控制所述第一甲醇泵和第二甲醇泵的转速，实现对所述甲醇喷射量的精确控制，使得所述甲醇裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，以及获得适应的甲醇，从而实现两种燃料掺混以获得匹配所述发动机工况的发动机燃料。
进一步地，所述甲醇裂解单元包括反应管、测温口、热电偶及电子阀门，所述热电偶一端经测温口插入所述反应管内部，实时监测反应温度，另一端通过信号线与所述控制器连接，所述控制器根据监测的反应温度，控制所述电子阀门的开闭，从而使所述反应管中的甲醇裂解反应处于最佳反应温度范围内。
优选地，所述甲醇裂解反应最佳反应温度范围为300℃-400℃。
进一步地，所述甲醇储存箱内设有液位传感器，所述液位传感器通过信号线与所述控制器连接，用于监测甲醇储存箱中的甲醇量并实时反馈给所述控制器。
进一步地，所述动力装置还包括液晶显示屏，其通过信号线与所述控制器连接，用于将所述第一压力传感器、第二压力传感器、热电偶及液位传感器的相关参数及错误代码显示在屏幕上，方便驾驶员判断所动力装置是否发生故障。
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，具有以下技术效果：
(1)本发明的动力装置，有效的利用了发动机的余热，对甲醇进行高温裂解，再与甲醇混合进行燃烧，提高了燃料的热值，甲醇的辛烷值较大，可以提高发动机的压缩比，从而提高发动机的效率。
(2)本发明的动力装置，通过预热装置、电磁阀门及控制器，使得发动机能够在外界温度较低的情况下，控制所述空电磁阀门的开闭，对甲醇进行预热，利用纯甲醇燃料启动。
(3)本发明的动力装置，发动机在每个工况点下对应一个最佳的甲醇和甲醇裂解气的匹配比例，本发明通过试验，获得发动机在所有可能工况点对应的最佳的甲醇和甲醇裂解气的匹配比例，并保存至数据库中，然后通过电控单元，监测发动机的工况，并根据发动机工况，控制所述甲醇裂解单元和甲醇供给单元，从而实现对每个工况点下对应一个最佳的甲醇和甲醇裂解气的匹配比例的精确控制。
(4)本发明的动力装置，通过结构优化设计，只需要一个燃料箱，结构紧凑，节省空间。
附图说明
图1为本发明实施例的一种醇氢混合燃料动力装置示意图；
图2为本发明实施例的一种醇氢混合燃料动力装置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醇氢混合燃料动力装置涉及的甲醇裂解单元立体结构视图；
图4为本发明实施例的一种醇氢混合燃料动力装置涉及的原活塞示意图；
图5为本发明实施例的一种醇氢混合燃料动力装置涉及的改压缩比后的活塞示意图。
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：1-甲醇储存箱、2-液位传感器、3-第一甲醇泵、4-第二甲醇泵、5-压力传感器、6-甲醇喷嘴、7-排气主管、8-反应器壳体、9-热电偶、10-旁通管、11-排气电子阀门、12-发动机、13-燃料供应管路、14-甲醇预热装置、15-第一电磁阀门、16-第二电磁阀门、17-甲醇喷嘴、18-压力传感器、19-控制器、20-液晶显示屏、21-小型供电电源、22-废气出气管、23-废气进口法兰、24-测温口、25-反应管、26-裂解气出口、27-甲醇进口、28-废气出口法兰、29-废气进气管、30-信号线。
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醇氢混合燃料动力装置示意图。如图1所示，醇氢混合燃料装置主要包括甲醇供给管路、裂解气供给管路、废气管路以及电子控制单元；
其中，所述甲醇供给管路包括两条支路，第一支路包括甲醇泵3、压力传感器18、甲醇喷嘴17和第一电磁阀门15、第二电磁阀门16以及甲醇预热装置14；第二支路包括甲醇泵4、压力传感器5和甲醇喷嘴6。
当发动机在外界温度较低启动时，第一电磁阀门15开启，第二电磁阀们16关闭，甲醇由第一支路经过第一电磁阀门15在预热装置14中进行预热后进入发动机12，实现顺利启动，之后，第二电磁阀们16开启，第一电磁阀门15关闭，预热装置不工作，甲醇直接进如发动机进行燃烧；当反应器的温度被发动机尾气加热到适当温度时，第二支路开始工作，甲醇经第二支路进入甲醇裂解反应器进行裂解，裂解气经裂解气管路进入发动机12和甲醇进行混合燃烧。
该动力装置有效的利用了发动机的余热，对甲醇进行高温裂解，再与甲醇混合进行燃烧，提高了燃料的热值，甲醇的辛烷值较大，可以提高发动机的压缩比，从而提高发动机的效率；此外，通过预热装置、电磁阀门及控制器，使得发动机能够在外界温度较低的情况下，控制所述空电磁阀门的开闭，对甲醇进行预热，利用纯甲醇燃料启动。
如图1所示，所述甲醇供给管路的第一甲醇泵3、第二甲醇泵4通过甲醇管与所述第一甲醇喷嘴17、第二甲醇喷嘴6相连并向甲醇管路提供甲醇，第一压力传感器5和第二压力传感器18用于测量甲醇喷嘴前压力，并将信号反馈给控制器19，所述控制器19根据第一甲醇喷嘴17和第二甲醇喷嘴6前的压力值控制所述第一甲醇泵3和第二甲醇泵4的转速，从而维持所述第一甲醇泵3和第二甲醇泵4处的压力恒定，进而可通过控制第一甲醇泵3和第二甲醇泵4的开闭时间，实现对所述喷入的甲醇量的精确控制。
该动力装置，发动机在每个工况点下对应一个最佳的甲醇和甲醇裂解气的匹配比例，本发明通过试验，获得发动机在所有可能工况点对应的最佳的甲醇和甲醇裂解气的匹配比例，并保存至数据库中，然后通过电控单元，监测发动机的工况，并根据发动机工况，控制所述甲醇裂解单元和甲醇供给单元，从而实现对每个工况点下对应一个最佳的甲醇和甲醇裂解气的匹配比例的精确控制。
图2为本发明实施例的一种醇氢混合燃料动力装置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醇氢混合燃料动力装置涉及的甲醇裂解单元立体结构视图。如图2和3所示，所述甲醇裂解单元包括反应器壳体8、反应管25、测温口24、热电偶9、进口法兰23，出口法兰28、进气管22以及进排气管29，甲醇由第二支路从反应管入口端27进入发生裂解反应，产生的裂解气从反应管出口端26经过裂解气管路直接通往发动机12进行燃烧；所述热电偶9一端经测温口24插入反应器内部并与反应管25外壁接触，实时监测反应温度，另一端由信号线30接入所述控制器19，用于将反应温度反馈给控制器19。
如图2和3所示，所述废气管路包括废气主管7、废气支管10和电子阀门11，发动机排出的废气经废气进气管29和壳体8从废气主管7排出，为甲醇裂解提供足够的能量；当反应器温度较高时，所述控制器19控制电磁阀门11开启，大部分废气从废气支管10排出，反应器温度不再升高，从而使所述反应管25中的甲醇裂解处于最佳反应温度范围内。
在本发明的优选实施例中，所述最佳反应温度范围为300℃-400℃。
所述电子控制单元还包括发动机工况传感器和执行器，所述控制器19通过信号线30与各传感器和执行器连接，通过发动机工况传感器实时监测发动机工况并对相关执行器进行动作命令；根据所述发动机工况精确控制所述第一甲醇泵3、第二甲醇泵4喷入的甲醇量，使得其在反应管25中可裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，以及获得适应的甲醇，从而实现两种燃料掺混以获得匹配发动机工况的发动机燃料。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，该动力装置还包括甲醇储存箱1和液位传感器2，所述液位传感器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。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，该动力装置还包括小型供电电源21、液晶显示屏20，小型供电电源21为所述控制器19供电，液晶显示屏20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。
发动机的压缩比＝汽缸容积/燃烧室容积，发动机的压缩比越大，发动机的性能越好。一般的燃料，比如汽油，在高压缩比下燃烧，会产生爆震，该动力装置因为所用燃料为甲醇，甲醇的辛烷值较大，可以提高发动机的压缩比，可以通过改变压缩比，从而提高发动机的效率主要通过改变活塞来改变发动机压缩比，图4为本发明实施例的一种醇氢混合燃料动力装置涉及的原活塞示意图，图5为本发明实施例的一种醇氢混合燃料动力装置涉及的改压缩比后的活塞示意图。
工作时，发动机采用纯甲醇启动，当发动机在外界温度较低启动时，第一电磁阀门15开启，第二电磁阀们16关闭，甲醇由第一支路经过第一电磁阀门15在预热装置中进行预热后进入发动机，实现顺利启动，之后，电磁阀门(16)开启，电磁阀们(15)关闭，预热装置不工作，甲醇直接进如发动机进行燃烧；当反应器的温度被发动机尾气加热到适当温度时(300℃-400℃)，第二支路开始工作，甲醇经第二支路进入甲醇裂解反应器进行裂解，裂解气经裂解气管路进入发动机和第一支路的甲醇进行混合燃烧。反应器内设热电偶，其一端由信号线连接控制器，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300℃-400℃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给控制器，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。使得甲醇经过第二支路后裂解反应生成的氢气和一氧化碳裂解气与第一之路的甲醇掺混实现发动机工况的最佳匹配。
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 (9)

1.一种醇氢混合燃料动力装置，该装置包括发动机(12)和甲醇储存箱(1)，其特征在于，所述动力装置还包括甲醇供给管路，所述甲醇供给管路包括两条支路；
其中，第一支路包括设置于所述甲醇储存箱(1)一侧的第一甲醇泵(3)和安装在第一支路上的第一甲醇喷嘴(17)，所述第一甲醇泵(3)用于驱动所述甲醇通过所述第一甲醇喷嘴(17)向所述发动机(12)中喷射甲醇；
第二支路包括第二甲醇泵(4)、第二甲醇喷嘴(6)和甲醇裂解单元，所述第二甲醇泵(4)用于驱动所述甲醇通过所述第二甲醇喷嘴(6)向所述甲醇裂解单元中喷射甲醇，所述甲醇裂解单元与所述发动机(12)的排气主管(7)连接，用于利用所述发动机的余热，使所述甲醇发生裂解反应生成氢气和一氧化碳裂解气；
所述氢气和一氧化碳裂解气与所述第一支路的甲醇充分混合后，进入所述发动机燃烧做功。
2.根据权利要求1所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述第一支路还包括第一电磁阀门(15)和甲醇预热装置(14)，其中，所述第一电磁阀门(15)用于在所述发动机(12)处于低温时开启，从而使所述甲醇经过所述甲醇预热装置(14)预热后进入所述发动机(12)，实现顺利启动。
3.根据权利要求1或2所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述第一支路还包括第一压力传感器(18)，用于测量所述第一甲醇喷嘴(17)前的压力。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述第二支路还包括第二压力传感器(5)，用于测量所述第二甲醇喷嘴(6)前的压力。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述动力装置还包括控制器(19)，其通过信号线(30)分别与所述发动机(12)、第一压力传感器(18)及第二压力传感器(5)连接，用于根据所述第一甲醇喷嘴(17)、第二甲醇喷嘴(6)前的压力及所述发动机(12)的工况，控制所述第一甲醇泵(3)和第二甲醇泵(4)的转速，实现对所述甲醇喷射量的精确控制，使得所述甲醇裂解反应生成相适应量的氢气和一氧化碳裂解气，以及获得适应的甲醇，从而实现两种燃料掺混以获得匹配所述发动机(12)工况的发动机燃料。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述甲醇裂解单元包括反应管(25)、测温口(24)、热电偶(9)及电子阀门(11)，所述热电偶(9)一端经测温口(24)插入所述反应管(25)内部，实时监测反应温度，另一端通过信号线(30)与所述控制器(19)连接，所述控制器根据监测的反应温度，控制所述电子阀门(11)的开闭，从而使所述反应管(25)中的甲醇裂解反应处于最佳反应温度范围内。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述甲醇裂解反应最佳反应温度范围为300℃-400℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述甲醇储存箱(1)内设有液位传感器(2)，所述液位传感器(2)通过信号线(30)与所述控制器(19)连接，用于监测甲醇储存箱(1)中的甲醇量并实时反馈给所述控制器(19)。
9.根据权利要求1、3、4或5所述的一种醇氢混合燃料动力装置，其特征在于，所述动力装置还包括液晶显示屏(20)，其通过信号线(30)与所述控制器(19)连接，用于将所述第一压力传感器(18)、第二压力传感器(5)、热电偶(9)及液位传感器(2)的相关参数及错误代码显示在屏幕上，方便驾驶员判断所动力装置是否发生故障。
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