CN109098892A - 一种基于替代燃料的发动机混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，由一个传统的内燃式发动机，由废气涡轮增压器、高温裂解器和燃料预加热器组成的三级能量利用装置，一个质子交换膜燃料电池，一个现场提高供高氢气纯度的氢气钯膜纯化器，一个用于满足替代燃料供给的燃料高压共轨喷射装置以及系统电子控制单元等组成，本发明的新型混合动力系统，综合运用了能量多层级利用管理实现燃料的百分之百充分利用，旨在克服替代燃料在直接发动机燃烧着火困难和直接燃料电池发电效率低等技术问题，同时弥补氢燃料电池因储氢难、废气涡轮增压器功耗大等技术短板；采用内燃式与电化学混合发电模式，为醇类、生物油类替代燃料的高效利用提供一种新的方法。

Description

一种基于替代燃料的发动机混合动力系统

技术领域

本发明涉及发动机，具体为一种基于替代燃料的燃烧式和电化学式发动机混合动力系统，适用于交通运输工具及应急备用电源等领域。

背景技术

随着社会科技的快速发展和生活水平的大幅提高，人类对能源动力需求越来越紧迫，尤其像电力、交通等行业每天消耗大量的石油资源，对大气环境造成恶化影响。此外，石油是一种不可再生资源，目前石油供应短缺、国际油价持续走高，寻找合适的替代燃料和新型的动力装置变得日益迫切。

一般醇类、生物油等替代燃料具有辛烷值高、动力性好、热效率高、排放好等优越特性，已被公认为比较理想的替代能源，可从资源丰富的煤炭、矿材或生物质能中制备提取，工艺较为成熟，符合我国能源发展国情，具有较大的应用潜力。但是这类替代燃料同时存在汽化潜热高、热值低、着火性能差、粘度低、与现有汽油、柴油互溶性差等缺点，一直阻碍着醇类及生物油类替代燃料的广泛使用，有必要探索一种新的使用方法。

目前行业领域使用醇类作为发动机替代燃料存在多种不同的使用方式。

中国专利文献201610512761.4公开了一种基于柴油发动机的100%甲醇发动机，旨在提供一种结构简单、制作成本低且易于推广普及的全甲醇替代发动机。它包括进气歧管总成，火花塞及甲醇燃料共给系统，所述进气歧管总成包括若干与发动机各缸体一一对应连通的进气歧管，将柴油发动机中的柴油喷油器安装孔设置为火花塞安装孔，所述火花塞设置在火花塞安装孔内。但是，由于醇类燃料汽化潜热大，在发动机中或多或少地存在一些熄火区不利于火焰传播方式的燃烧；此外在低负荷工况时，工作温度低，火焰传播速度慢，造成有害物质甲醛排放增加，带来新的环境问题。

针对上述问题，中国专利文献CN 1401890A公开了醇氢混燃发动机装置，发动机燃料为甲醇和氢气的混合气，甲醇由高压泵喷射雾化与空气混合进入燃烧室，氢气由甲醇利用发动机尾排高温裂解产生。通过醇氢混燃，改变发动机缸内燃烧特性，实现高效低耗，并能减少甲醛等有害物质的排放。但是受卡诺循环限制，发动热效率很难提高，甲醇很难被高效利用。

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电效率高、接近热机的两倍，被称为未来动力发展的重要方向，醇类替代燃料和氢气均可作为输入燃料。

目前，直接燃料电池也是替代燃料利用的一种热门方式，文献“刘建国等，直接甲醇燃料电池的原理、进展和主要技术问题，电源技术，2001(5)：第363—366页”指出了目前存在甲醇从阳极向阴极的渗透和阳极催化剂活性较低的实际问题，仅适合于手机电源等微型移动电源和千瓦级用的可移动电源领域，难以满足大功率输出动力系统需求。

氢/空燃料电池在功率等级和效率方面均明显优于直接甲醇燃料电池，寿命、成本等相关技术已经满足使用要求，但是面临着氢气存储、运输、加注困难，且需要额外配备相应的大功率辅机部件，阻碍了氢燃料电池的商业化发展。

发明内容

针对上述醇类、生物油类替代燃料在使用过程中遇的问题，本发明提供了一种综合利用替代燃料的发动机混合动力系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发动机混合动力系统，包括一个传统的内燃式发动机，其曲轴上连接有发动机曲轴轮，其缸内燃烧室设置有电火花塞，其发动机排气道通过发动机排气总管连接有发动机废气涡轮机，所述的发动机废气涡轮机通过涡轮机出口总管连接尾气供热及催化燃烧器；由废气涡轮增压器、高温裂解器和燃料预加热器组成的三级能量利用装置，所述的废气涡轮增压器与发动机废气涡轮机连接，所述的尾气供热及催化燃烧器和高温裂解器分别与燃料预加热器连接，所述的燃料预加热器连接发动机尾气直排口；一个质子交换膜燃料电池，其阴极侧通过进气中冷器连接废气涡轮增压器，其阳极侧连接高压储氢罐；一个现场提高供高氢气纯度的氢气钯膜纯化器，所述的氢气钯膜纯化器通过氢气高压往复泵连接高压储氢罐，氢气钯膜纯化器通过纯化尾气掺烧阀与发动机排气道连接；一个用于满足替代燃料供给的设置在内燃式发动机进气管道的燃料高压共轨喷射装置，由连接氢气高压往复泵的高压氢气共轨管和通过高压燃料泵连接替代燃料箱的替代燃料高压共轨管组成，所述的高压氢气共轨管通过若干氢气喷射阀与燃烧室进气道的氢气喷嘴连接，所述的替代燃料高压共轨管通过若干高压喷射阀与燃烧室进气道的替代燃料喷嘴连接；还包括系统电子控制单元，分别与氢气喷射阀和高压喷射阀连接；还包括与内燃式发动机连接的发电机、与质子交换膜燃料电池连接的蓄电池、以及分别与发电机和蓄电池连接的驱动电机；所述的氢气高压往复泵通过氢泵驱动连接皮带连接有氢泵皮带轮，所述的高压燃料泵上连接有燃料泵皮带轮，所述的氢泵皮带轮和燃料泵皮带轮分别与发动机曲轴轮连接。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其替代燃料可以为甲醇、乙醇等各类液体醇类燃料，也包括大分子链生物油、生物柴油等替代燃料。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其进气中冷器通过阴极入口阀连接质子交换膜燃料电池的阴极侧；所述的氢气高压往复泵通过氢气单向阀分别连接高压氢气共轨管和高压储氢罐，氢气单向阀和高压储氢罐之间设置有储氢罐进口阀；所述的氢气单向阀和高压氢气共轨管之间依次连接有储氢罐旁路阀、燃料电池短接阀。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其高压储氢罐和质子交换膜燃料电池之间依次连接有储氢罐减压阀、燃料电池进口压力传感器和燃料电池入口单向阀；所述的储氢罐旁路阀同时连接燃料电池进口压力传感器；所述的发动机排气道与阴极入口阀之间设置有中冷器后压力/温度传感器。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其高温裂解器和尾气供热及催化燃烧器通过中间隔板连接；所述的尾气供热及催化燃烧器和燃料预加热器之间设置有催化燃烧器出口温度传感器和燃料浓度传感器；所述的燃料预加热器和高温裂解器之间设置有高温裂解喷射电磁阀，所述的高温裂解喷射电磁阀与系统电子控制单元连接。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其质子交换膜燃料电池阴极侧还连接有阴极尾排阀；所述的阳极侧还设置有阳极出口压力传感器和燃料电池出口单向阀。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其发动机排气总管上还设置有涡轮机进口温度传感器；所述的涡轮机出口总管上还设置有涡轮机出口温度传感器。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其废气涡轮增压器上还连接有空气过滤器。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其替代燃料高压共轨管通过预热器进口电磁阀连接燃料预加热器。

所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其氢气喷嘴和替代燃料喷嘴均设置在发动机缸盖上。

本发明的积极有益效果：

本发明提供的新型混合动力系统可以实现内燃式发动机与质子交换膜燃料电池耦合联用，内燃式发动机的燃料为替代燃料和氢气混合物，氢气的混入改善发动机缸内燃烧特性，促使燃料充分燃烧；通过高温裂解器对替代燃料的高温催化可以现场制氢，高温热量来自发动机废气涡轮机的尾排，经氢气钯膜纯化器可获得高纯度氢气；质子交换膜燃料电池的空气通过废气涡轮增压器获取，该废气涡轮增压器同时满足内燃式发动机与质子交换膜燃料电池的空气需求，无需配用电动废气涡轮增压器消耗多余的电能。

本发明提供的内燃式发动机与质子交换膜燃料电池混合驱动，可根据动力需求采用不同的运行模式，做到灵活调配；内燃式发动机为传统燃烧式发动机针对替代燃料特性改造而成，燃料供给方式可采用进气道喷射方式或缸内直喷方式，氢气混入方式采用进气道喷射与空气混合；用于混入燃烧的氢气来源于氢气钯膜纯化器钯膜分离的部分尾气、高压储氢罐中的氢气和质子交换膜燃料电池过量的氢气尾排；所述氢气钯膜纯化器对高温裂解器的裂解产物进行氢气提纯，一定温度下氢气在钯膜作用下分解成氢原子，并溶解于钯扩散到另一侧然后结合成分子，分离后氢气纯度可以达到四个9，符合质子交换膜燃料电池的使用要求；被分离的氢气与裂解产物一氧化碳混合被送至缸内燃烧室燃烧，改善缸内燃烧性能。

高温裂解器将替代燃料裂解产生的氢气、一氧化碳混合气，经氢气钯膜纯化器后为质子交换膜燃料电池供应高纯度氢气，剩余分离气体被送至缸内燃烧室燃烧改善燃烧特性，废气涡轮增压器内燃式发动机与质子交换膜燃料电池提供高压空气，既保证发动机正常运行又可兼顾燃料电池的高效发电，质子交换膜燃料电池的阳极侧过量尾气直接注入缸内燃烧室燃烧，实现替代燃料的百分百利用，裂解产生的富余氢气可以经氢气高压往复泵注入高压储氢罐中，以便发动机启停及怠速时能够有足量的氢气供应，保证燃料电池高效平稳的发电。

本发明使用的内燃式发动机针对替代燃料与氢气混合燃烧特性，在传统柴油发动机基础上进行改进开发；发动机进气管道加装替代燃料供给系统，通过高压共轨喷射进入气道与空气混合，同时在进气道掺入氢气用于改善缸内燃烧性能；为保证内燃式缸内着火特性，在发动机缸盖上方安装电火花塞，实现替代燃料混合充分燃烧。

附图说明

图1是发明的原理结构示意图；

图2是本发明发动机替代燃料喷嘴、氢气喷嘴安装局部示意图。

各附图标记为：1—内燃式发动机，2—发动机排气道，3—高压氢气共轨管，4—氢气喷射阀，5—氢气喷嘴，6—发动机排气总管，7—进气中冷器，8—涡轮机进口温度传感器，9—发动机废气涡轮机，10—涡轮机出口总管，11—空气过滤器，12—涡轮机出口温度传感器，13—尾气供热及催化燃烧器，14—高温裂解器，15—氢气钯膜纯化器，16—氢气高压往复泵，17—氢气单向阀，18—氢泵驱动连接皮带，19—储氢罐进口阀，20—高压储氢罐，21—储氢罐旁路阀，22—储氢罐减压阀，23—燃料电池进口压力传感器，24—燃料电池入口单向阀，25—质子交换膜燃料电池，26—燃料电池短接阀，27—阳极侧，28—燃料电池出口单向阀，29—阳极出口压力传感器，30—蓄电池，31—替代燃料箱，32—驱动电机，33—发电机，34—氢泵皮带轮，35—发动机曲轴轮，36—燃料泵皮带轮，37—高压燃料泵，38—废气涡轮增压器，39—催化燃烧器出口温度传感器，40—燃料浓度传感器，41—高温裂解喷射电磁阀，42—燃料预加热器，43—中冷器后压力/温度传感器，44—预热器进口电磁阀，45—阴极入口阀，46—发动机尾气直排口，47—纯化尾气掺烧阀，48—替代燃料高压共轨管，49—高压喷射阀，50—系统电子控制单元，51—阴极尾排阀，52—替代燃料喷嘴，53—燃烧室进气道，54—电火花塞，55—缸内燃烧室，56—发动机缸盖，57—燃烧室排气道。

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方式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。

参阅图1所示，本发明公开的基于替代燃料的新型发动机混合动力系统，包括一个传统的内燃式发动机1，其曲轴上连接有发动机曲轴轮35，其缸内燃烧室55设置有电火花塞54，电火花塞54两侧分别为燃烧室进气道53和燃烧室排气道57，其发动机排气道2通过发动机排气总管6连接有发动机废气涡轮机9，所述的发动机废气涡轮机9通过涡轮机出口总管10连接尾气供热及催化燃烧器13，涡轮机出口总管10上还设置有涡轮机出口温度传感器12，发动机排气总管6上还设置有涡轮机进口温度传感器8。

还包括由内燃式发动机1和质子交换膜燃料电池25共用的、提供发动机和燃料电池正常工作所需空气的热电两用式废气涡轮增压器38、利用发动机尾排能量实现高温裂解制氢的高温裂解器14和燃料预加热器42组成的三级能量利用装置，所述的废气涡轮增压器38与发动机废气涡轮机9连接，所述的尾气供热及催化燃烧器13和高温裂解器14分别与燃料预加热器42连接，所述的燃料预加热器42连接发动机尾气直排口46。其中，高温裂解器14和尾气供热及催化燃烧器13通过中间隔板连接；所述的尾气供热及催化燃烧器13和燃料预加热器42之间设置有催化燃烧器出口温度传感器39和燃料浓度传感器40；所述的燃料预加热器42和高温裂解器14之间设置有高温裂解喷射电磁阀41，所述的高温裂解喷射电磁阀41与系统电子控制单元50连接。

还包括一个质子交换膜燃料电池25，其阴极侧通过进气中冷器7连接废气涡轮增压器38，废气涡轮增压器38上还连接有空气过滤器11，其阳极侧27连接高压储氢罐20，阳极侧27还设置有阳极出口压力传感器29和燃料电池出口单向阀28。

还包括一个现场提高供高氢气纯度的氢气钯膜纯化器15，所述的氢气钯膜纯化器15通过氢气高压往复泵16连接高压储氢罐20，氢气钯膜纯化器15通过纯化尾气掺烧阀47与发动机排气道2连接。

还包括一个用于满足替代燃料供给的设置在内燃式发动机1进气管道的燃料高压共轨喷射装置，由连接氢气高压往复泵16的高压氢气共轨管3和通过高压燃料泵37连接替代燃料箱31的替代燃料高压共轨管48组成，如图2所示，所述的高压氢气共轨管3通过若干氢气喷射阀4与燃烧室进气道53的氢气喷嘴5连接，所述的替代燃料高压共轨管48通过若干高压喷射阀49与燃烧室进气道53的替代燃料喷嘴52连接，所述的氢气喷嘴5和替代燃料喷嘴52均设置在发动机缸盖56上，所述的替代燃料高压共轨管48通过预热器进口电磁阀44连接燃料预加热器42。

还包括系统电子控制单元50，分别与氢气喷射阀4和高压喷射阀49连接。

还包括与内燃式发动机1连接的发电机33、与质子交换膜燃料电池25连接的蓄电池30、以及分别与发电机33和蓄电池30连接的驱动电机32。

所述的氢气高压往复泵16通过氢泵驱动连接皮带18连接有氢泵皮带轮34，所述的高压燃料泵37上连接有燃料泵皮带轮36，所述的氢泵皮带轮34和燃料泵皮带轮36分别与发动机曲轴轮35连接。

一般内燃式发动机掺烧氢气可以改善发动机的燃烧特性，合理优化掺烧比例和调控混合动力模式可以实现燃料的高效利用，因此，以醇类、生物油类等替代燃料新型混合动力系统研究为例对本发明进行解释：

本发明思路是基于内燃式发动机1和质子交换膜燃料电池25的热—电耦合联用，在发动机排气道2上安装废气涡轮增压器38、替代燃料高温裂解器14、燃料预加热器42等三级能量利用装置，高温裂解器14将替代燃料裂解产生的氢气、一氧化碳混合气，经氢气钯膜纯化器15后为质子交换膜燃料电池25（质子交换膜燃料电池发电装置）供应高纯度氢气，剩余分离气体被送至缸内燃烧室55燃烧改善燃烧特性；废气涡轮增压器38为内燃式发动机1与质子交换膜燃料电池25提供高压空气，既保证发动机正常运行又可兼顾燃料电池的高效发电，质子交换膜燃料电池25的阳极侧27（氢气侧）过量尾气直接注入缸内燃烧室55燃烧，实现替代燃料的百分百利用；裂解产生的富余氢气可以经氢气高压往复泵16注入高压储氢罐20中，以便发动机启停及怠速时能够有足量的氢气供应，保证燃料电池高效平稳的发电。

所述氢气高压往复泵16安装在内燃式发动机1的输出端，通过皮带与内燃机输出主轴皮带轮连接，将提纯后的氢气泵入高压储氢罐20中或直接被质子交换膜燃料电池25使用，无需消耗额外的电能，即可满足质子交换膜燃料电池25的正常工作条件；质子交换膜燃料电池25未被使用的氢气可直接注入内燃机进气管道内，与替代燃料、空气混合进入发动机缸内燃烧，改善内燃机燃烧性能，实现氢气的完全利用。燃料的供给方式采用高压燃料泵37建立共轨压力，满足内燃式发动机1和替代燃料高温裂解器14所需的燃料喷射供应，高压燃料泵37与内燃式发动机1通过燃料泵皮带轮36连接，无额外电动供给。

所述的进气中冷器7通过阴极入口阀45连接质子交换膜燃料电池25的阴极侧；所述的氢气高压往复泵16通过氢气单向阀17分别连接高压氢气共轨管3和高压储氢罐20，氢气单向阀17和高压储氢罐20之间设置有储氢罐进口阀19；所述的氢气单向阀17和高压氢气共轨管3之间依次连接有储氢罐旁路阀21、燃料电池短接阀26，所述的高压储氢罐20和质子交换膜燃料电池25之间依次连接有储氢罐减压阀22、燃料电池进口压力传感器23和燃料电池入口单向阀24；所述的储氢罐旁路阀21同时连接燃料电池进口压力传感器23；所述的发动机排气道2与阴极入口阀45之间设置有中冷器后压力/温度传感器43。

系统启动前，内燃式发动机1处于待启动状态，质子交换膜燃料电池25处于未工作状态，系统电子控制单元50（ECU）进行巡弋检查，检查整个系统各部件、阀门开度是否处于正常工作状态，管路压力是否处于正常范围之内。

待系统电子控制单元50检查完毕，系统可正式启动，最先启动内燃发动机1，可按传统内燃式发动机启动模式正常启动。由于发动机曲轴轮35连接燃料泵皮带轮36，从而建立替代燃料高压共轨管48的高压，为缸内燃料直喷提供喷射动力；另一方面，由高压储氢罐20经储氢罐减压阀22减压进入高压氢气共轨管3，由系统电子控制单元50控制氢气喷射阀4的开启时刻和持续时间，从而实现氢气掺烧比例，改善缸内燃烧特性。内燃发动机1尾排气体通过发动机排气总管6进入发动机废气涡轮机9并带动废气涡轮增压器38（即压气机），将新鲜空气压入进气中冷器7，一部分气体进入发动机排气总管6与替代燃料喷嘴52喷射的燃料雾化气相混合一起进入缸内燃烧室55，另一部分气体经阴极入口阀45进入质子交换膜燃料电池25的阴极腔，质子交换膜燃料电池25的阴极侧还连接有阴极尾排阀51，通过阴极尾排阀51控制阴极侧的供给气体的工作压力，并与阳极侧27气体压力相对应，始终保持压差范围在30kPa以内。

待内燃式发动机1正常启动以后，将发动机废气涡轮机9出口气体接入尾气供热及催化燃烧器13中，未完全燃烧的醇类燃料在此充分燃烧并释放热量，与此同时在另一侧安装有高温裂解器14，热量通过中间隔板传递，需要裂解的替代燃料预先在燃料预加热器42中完成预加热；高温裂解完后，尾气中包含燃料蒸汽、氢气、一氧化碳等混合气体，经过氢气钯膜纯化器15将混合气中的氢气分离，最终得到高纯化的氢气，残余气体氢气、一氧化碳、燃料蒸汽经纯化尾气掺烧阀47重新注入进气总管，进入缸内燃烧室55，达到醇类燃料的充分利用；经钯膜纯化器15分离提纯的氢气通过氢气高压往复泵16将氢气压入高压储氢罐20中，同时配有旁通管路及储氢罐旁路阀21；当高压储氢罐20中的压力达到预设定值后，氢气可直接切换至旁通管路进入质子交换膜燃料电池25或内燃式发动机1；当裂解氢气生成速度不足或暂未启动高温裂解器14时，可由高压储氢罐20经储氢罐减压阀22进入质子交换膜燃料电池25；质子交换膜燃料电池25消耗完的氢气尾气可再次注入内燃式发动机1的缸内燃烧室55进行燃烧，进而实现替代燃料百分百的消耗，提高燃料利用效率。

所述的高温裂解器14热量供应来自于发动机废气涡轮机9的尾排，其次替代燃料裂解前进入燃料预加热器42，高温裂解器14内部安装有高温裂解喷射电磁阀41，通过阀门开启时间精确控制裂解制氢量。

关于制氢系统，所需的氢气需要经过提纯处理，提纯处理方式可以选择氢气钯膜纯化器15处理或者吸附提纯但不仅限于此方式，提纯的氢气经氢气高压往复泵16加压至高压储氢罐20内储存，同时氢气高压往复泵16通过皮带轮34与发动机曲轴轮35连接，被氢气钯膜纯化器15分离的氢气尾气混入缸内燃烧室55燃烧，多级利用燃料利用率达到百分之百。

所述的废气涡轮增压器38的空气分别给内燃式发动机1和质子交换膜燃料电池25提供空气，无需给质子交换膜燃料电池25单独配置电动废气涡轮增压器；系统为增加进气密度满足大功率工作条件，安装了进气中冷器7用于降低进气温度，同时防止气体温度过高损坏质子交换膜燃料电池25的质子交换膜：通过废气涡轮增压器38的气体温度在高速旋转叶片的驱动下温度普遍比高，气体受膨胀作用密度下降，同时质子交换膜燃料电池25不能承受高于80℃以上的进气温度，使用进气中冷器7将进气温度降至50—60℃，可以提高缸内的进气密度，还可兼顾质子交换膜燃料电池25的进气使用，满足进气温度要求。

替代燃料的高压燃料泵37安装在内燃式发动机1的输出端附近，通过皮带连接主轴带动燃料泵皮带轮36旋转，无需电动泵装置和消耗额外电能，建立相应的高压系统能够满足喷射雾化要求；高压燃料泵37至内燃式发动机1进气道喷射口之间采用替代燃料高压共轨喷射装置，承受压力范围在80—100Mpa；替代燃料的供给与消耗速度与发动机功率相关，通过高压喷射阀49控制开启时间和持续时间。

所述废气涡轮增压器38与发动机排气总管6相连接，利用发动机尾排热量和动能驱动废气涡轮增压器38高速旋转，起到进气增压效果，增压气体一部分供给内燃式发动机1燃烧使用，另一部分供给质子交换膜燃料电池25反应消耗，质子交换膜燃料电池25与内燃式发动机1的混合进气可以减少质子交换膜燃料电池25因使用电动空压机而消耗大量辅机功耗，使内燃机排放热能得到有效回收利用，提高整体的动力效率。

所述高温裂解器14安装在发动机排气总管6的尾部，高温气体通过涡轮之后再次进入高温裂解器14，使得尾气热量实现二级回收利用；高温裂解器14内部分为两侧，一侧是尾气供热及催化燃烧器13，另一侧是醇类燃料蒸汽催化器：在高温气源催化燃烧器中，设计有催化燃烧微流通道，高温气源维持温度稳定，催化燃烧持续给裂解测供热；高温裂解器14内嵌有高温裂解喷射电磁阀41，喷射时间和开启时刻由系统电子控制单元50决定，高速喷射的雾化蒸汽在高温环境及催化剂作用下，迅速产生裂解反应，释放氢气和一氧化碳。

内燃式发动机1与发电机33相连接，将机械能直接转换为输出电能，可直接为驱动电机32供电，也可通过蓄电池30将电能储存起来；质子交换膜燃料电池25发电可输出至蓄电池30储存，也可直接输出驱动电机32，混合动力的运行模式有多种组合，具体如下：

1），内燃式发动机1工作但质子交换膜燃料电池25不工作。

2），内燃式发动机1和质子交换膜燃料电池25同时工作。

3），内燃式发动机1怠速工作时质子交换膜燃料电池25正常工作。

可对多种组合进行模式，根据动力工况需求实时调整混合动力运行模式。

运行模式1）：内燃式发动机1直接发电供驱动电机32驱动，质子交换膜燃料电池25不参与工作，但尾排高温可以持续裂解制氢，通过氢气高压往复泵16将氢气储存，分离的氢气注入缸内燃烧室55进行掺烧，改善发动机燃料特性，提高发电效率；该模式可满足启动阶段以及低负荷运行工况的动力需求。

运行模式2）：内燃式发动机1和质子交换膜燃料电池25均参与发电工作，内燃式燃料包括高压共轨喷射替代燃料蒸汽和纯化尾气，质子交换膜燃料电池25中的燃料氢气由高压储氢罐20供给，同时内燃式高温尾排气体可持续不断的裂解替代燃料并产生氢气，空气由废气涡轮增压器38增压提供，可满足内燃式发动机1和质子交换膜燃料电池25的正常工作，无需额外的电动空压机；该模式可满足大负荷或满负荷条件下的动力需求。

运行模式3）：内燃式发动机1怠速运行，启动质子交换膜燃料电池25正常工作，发动机怠速可满足废气涡轮增压器38的正常运行以及替代燃料高温裂解热量需求，内燃式发动机1不对发电机33输送做功，此时内燃式发动机1的 燃料消耗极低，但可以辅助质子交换膜燃料电池25的正常工作，输出电可直接驱动电机运行，该模式可以满足低负荷工况的动力需要。

总体而言，目前国内资料报道的醇—氢发动机，仅局限于改善燃烧的特性，而未充分考虑燃料的充分利用和高效利用，而少数的燃料电池与内燃机联用的系统由于设计不充分，不能合理的利用发动机尾气能量和减少额外耗能部件，未能到达理想发电效率水平。

而与现有技术手段相比，本发明综合运用能量管理方法、高温裂解制氢、钯膜过滤提纯器、氢气混合掺烧、替代燃料高压共轨，以及内燃机—燃料电池混合进气等技术，旨在克服替代燃料在直接发动机燃烧着火困难和直接替代燃料电池发电效率低下等技术问题，绕开氢燃料电池因储氢难、废气涡轮增压器功耗大等问题而不能被广泛使用的技术瓶颈，为替代燃料的高效利用提供了一种新方法。

本发明质子交换膜燃料电池25是发电装置，空气由废气涡轮增压器38供给，氢气由替代燃料高温裂解提纯后供给，正常工作发电效率可达60%以上，可持续不断的为蓄电池30充电使用。

本发明发电机33主要是将内燃式发动机1产生的机械能转换成电能，最终驱动电机向外输出功率，同时驱动电机32的另一部分电能是由蓄电池30进行补充，实现混合动力平稳运行。

进一步的，为了实现混合动力系统能量的综合管理，设计各种检测传感器，用于监测物料使用情况和组分比例，可为控制单元提供控制基础。

进一步的，为了满足所述部件的正常工作，需要额外配置相应的管路、接头及阀门，满足管道密封要求。

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。例如，在混合动力系统中可根据需要选择合适的替代燃料种类（诸如甲醇、乙醇、生物油等）、不同的现场制氢方式（重整制氢、裂解制氢等）、不同的氢气提纯方法、不同的组合运行模型等，形成多元化替代燃料深度混合动力系统。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于：包括

一个内燃式发动机（1），其曲轴上连接有发动机曲轴轮（35），其缸内燃烧室（55）设置有电火花塞（54），其发动机排气道（2）通过发动机排气总管（6）连接有发动机废气涡轮机（9），所述的发动机废气涡轮机（9）连接尾气供热及催化燃烧器（13）；

由废气涡轮增压器（38）、高温裂解器（14）和燃料预加热器（42）组成的三级能量利用装置，所述的废气涡轮增压器（38）与发动机废气涡轮机（9）连接，所述的尾气供热及催化燃烧器（13）和高温裂解器（14）分别与燃料预加热器（42）连接，所述的燃料预加热器（42）连接发动机尾气直排口（46）；

一个质子交换膜燃料电池（25），其阴极侧通过进气中冷器（7）连接废气涡轮增压器（38），其阳极侧（27）连接高压储氢罐（20）；

一个氢气钯膜纯化器（15），所述的氢气钯膜纯化器（15）通过氢气高压往复泵（16）连接高压储氢罐（20），氢气钯膜纯化器（15）通过纯化尾气掺烧阀（47）与发动机排气道（2）连接；

一个设置在内燃式发动机（1）进气管道的燃料高压共轨喷射装置，由连接氢气高压往复泵（16）的高压氢气共轨管（3）和通过高压燃料泵（37）连接替代燃料箱（31）的替代燃料高压共轨管（48）组成，所述的高压氢气共轨管（3）通过若干氢气喷射阀（4）与燃烧室进气道（53）的氢气喷嘴（5）连接，所述的替代燃料高压共轨管（48）通过若干高压喷射阀（49）与燃烧室进气道（53）的替代燃料喷嘴（52）连接；

还包括系统电子控制单元（50），分别与氢气喷射阀（4）和高压喷射阀（49）连接；

还包括与内燃式发动机（1）连接的发电机（33）、与质子交换膜燃料电池（25）连接的蓄电池（30）、以及分别与发电机（33）和蓄电池（30）连接的驱动电机（32）；

所述的氢气高压往复泵（16）通过氢泵驱动连接皮带（18）连接有氢泵皮带轮（34），所述的高压燃料泵（37）上连接有燃料泵皮带轮（36），所述的氢泵皮带轮（34）和燃料泵皮带轮（36）分别与发动机曲轴轮（35）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的替代燃料为生物柴油或液体醇类燃料或大分子链生物油。

3.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的进气中冷器（7）通过阴极入口阀（45）连接质子交换膜燃料电池（25）的阴极侧；所述的氢气高压往复泵（16）通过氢气单向阀（17）分别连接高压氢气共轨管（3）和高压储氢罐（20），氢气单向阀（17）和高压储氢罐（20）之间设置有储氢罐进口阀（19）；所述的氢气单向阀（17）和高压氢气共轨管（3）之间依次连接有储氢罐旁路阀（21）、燃料电池短接阀（26）。

4.根据权利要求3所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的高压储氢罐（20）和质子交换膜燃料电池（25）之间依次连接有储氢罐减压阀（22）、燃料电池进口压力传感器（23）和燃料电池入口单向阀（24）；所述的储氢罐旁路阀（21）同时连接燃料电池进口压力传感器（23）；所述的发动机排气道（2）与阴极入口阀（45）之间设置有中冷器后压力/温度传感器（43）。

5.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的高温裂解器（14）和尾气供热及催化燃烧器（13）通过中间隔板连接；所述的尾气供热及催化燃烧器（13）和燃料预加热器（42）之间设置有催化燃烧器出口温度传感器（39）和燃料浓度传感器（40）；所述的燃料预加热器（42）和高温裂解器（14）之间设置有高温裂解喷射电磁阀（41），所述的高温裂解喷射电磁阀（41）与系统电子控制单元（50）连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池（25）阴极侧还连接有阴极尾排阀（51）；所述的阳极侧（27）还设置有阳极出口压力传感器（29）和燃料电池出口单向阀（28）。

7.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的发动机排气总管（6）上还设置有涡轮机进口温度传感器（8）；所述的涡轮机出口总管（10）上还设置有涡轮机出口温度传感器（12）。

8.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的废气涡轮增压器（38）上还连接有空气过滤器（11）。

9.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的替代燃料高压共轨管（48）通过预热器进口电磁阀（44）连接燃料预加热器（42）。

10.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的氢气喷嘴（5）和替代燃料喷嘴（52）均设置在发动机缸盖（56）上。