CN110273790B - 一种甲醇制氢作为引燃剂的甲醇发动机系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发动机技术领域，特别涉及一种甲醇制氢作为引燃剂的甲醇发动机系统及其操作方法。一种采用二级加热甲醇制氢方式的甲醇发动机系统，其包括：甲醇发动机，供气系统，排气系统，其中供气系统包含甲醇加热器和甲醇制氢装置。本发明还公开了上述甲醇发动机系统的操作方法。本发明依靠甲醇基燃料反应产生氢气，用做引燃剂，实现了引燃剂的制备和稳定、连续、精确向发动机供给，在不需要对发动机进行结构改动的情况下实现了甲醇基燃料对柴油燃料的完全替代。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，特别涉及一种甲醇制氢作为引燃剂的甲醇发动机系统及其操作方法。
背景技术
甲醇由于其低价格和在发动机上燃烧产生的低排污特性，特别是中国具有广泛的甲醇供应链，受到了人们的普遍关注。目前，甲醇作为燃料在汽油机上应用已经取得了成功，但是甲醇在柴油机上应用一直没有取得突破。由于甲醇十六烷值非常低，只有3左右，将其应用于柴油机上无法压燃，应用到压燃式柴油机上的技术难度很大。因此，为了将甲醇应用于柴油机上，研究人员的主要研究方向是双燃料燃烧，即甲醇基燃料在柴油机上的应用。
目前在柴油机上使用甲醇基燃料的技术路线有三大类：一是用柴油启动压燃，然后从气相喷入少量甲醇实现低比例掺烧；二是在柴油机气缸上安装火花塞，来点燃甲醇基燃料；三是使用甲醇基燃料的压燃式内燃机系统中具有引燃剂在线制备器，可以实现气态引燃剂二甲醚(DMEV)的在线制备和稳定、连续、精确向内燃机供给。其中，第一类因替代比例太低经济效益不明显；第二类对柴油机的本体改造较大，难度较高，客户难以接受；第三类由于具有引燃剂在线制备器，系统复杂，成本过高。除此之外，上述三类仅仅是将甲醇基燃料应用于柴油机中存在的问题，所以想要实现纯甲醇，即单甲醇燃料在柴油机上的应用更是难上加难。
目前，有专利文献公开了压燃式内燃机系统采用液体甲醇为原料在线高效转化成气态二甲醚(DMEV)或甲氧基二甲醚(DMMN)或由甲醇制备的其它引燃剂物质作为引燃剂。但是该在线转化的引燃剂是和甲醇燃料一起进入到发动机中，压燃点温度比较高，发动机启动过程比较困难。
因此，如何在发动机系统中实现单甲醇燃料的应用，同时又使得发动机易于启动是本领域亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，提出本发明。
本发明第一方面提供一种采用二级加热甲醇制氢方式的甲醇发动机系统，其包括：
甲醇发动机1，其包括气缸组件，所述气缸组件具有火花塞22、气缸2、进气道20、排气道21，燃料喷嘴3，所述气缸2连接至所述进气道20、所述排气道21和所述燃料喷嘴3；
供气系统，其包括依次连接的具有甲醇喷嘴16的甲醇加热器18、甲醇制氢装置14、氢气存储容器15、氢气管7，还包括依次连接的空气进气管13、压气机11、进气管5，所述氢气管7的出口连接至所述进气管5，所述进气管5的出口连接至所述进气道20；
排气系统，其包括连接至所述排气道21的排气管9，其在下游分为第一排气支管9-1和第二排气支管9-2两个排气支管，所述第一排气支管9-1依次连接涡轮12和所述甲醇加热器18，所述第二排气支管9-2连接所述甲醇制氢装置14。
其中，所述火花塞设置在所述气缸上。
优选的，所述发动机系统包括多个气缸组件，所述进气管5和所述进气道20之间还具有进气歧管4；所述排气管9和所述排气道21之间还具有排气歧管8。
优选的，所述氢气管7上具有氢气控制阀6。
优选的，所述涡轮12与所述压气机11共轴连接。
优选的，所述第一排气支管9-1经过所述甲醇加热器18后通往废气排气管17，所述第二排气支管9-2经过所述甲醇制氢装置14后通往废气排气管17，所述第二排气支管9-2入口处设置废气旁通阀19。
本发明第二方面公开一种采用二级加热甲醇制氢方式的甲醇发动机系统的操作方法，其使用第一方面所述的发动机系统，包括以下步骤：
A、空气由空气进气管13进入压气机11内，被压缩升温后进入进气管5；
甲醇基燃料通过甲醇喷嘴16进入甲醇加热器18内得到第一级加热，再进入甲醇制氢装置14内得到第二级加热，甲醇进行反应得到氢气，然后进入氢气储存器15，并经由氢气管7进入所述进气管5，与空气混合，得到引燃剂空气混合气；
B、步骤A中得到的引燃剂空气混合气经所述进气管5进入发动机1的进气道20，再进入气缸2，引燃剂空气混合气在气缸内经火花塞22点燃产生引燃火焰，同时或然后，将甲醇基燃料经燃料喷嘴3喷入所述气缸2，甲醇基燃料被引燃火焰点燃，进入燃烧过程，并推动活塞反向运动以对外做功；
C、甲醇基燃料燃烧后的废气经排气道21进入排气管9，所述排气管9中的废气分为两路，第一路通往第一排气支管9-1，首先经过所述增压器10，利用其余热余压驱动所述涡轮12旋转并进而驱动所述压气机11工作，所述涡轮12排出的废气进入所述甲醇加热器18，对甲醇基燃料进行第一级加热，然后经由废气排气管17排出；
所述排气管9中的第二路废气通往第二排气支管9-2进入所述甲醇制氢装置14，对其内的甲醇基燃料进行第二级加热使其中的甲醇发生反应生成氢气，然后第二路废气经由废气排气管17排出；
优选的，所述发动机包括多个气缸组件，步骤B中引燃剂空气混合气经进气管5后首先进入进气歧管4，再进入进气道20；步骤C中甲醇燃烧后的废气经排气道21后首先进入排气歧管8，再进入排气管9。
优选的，使用氢气管7上的氢气控制阀6控制引燃剂的流量。
优选的，使用所述第二排气支管9-2入口处设置的废气旁通阀19调整所述第一排气支管9-1和第二排气支管9-2的废气流量。
优选的，所述甲醇基燃料的甲醇质量含量为50-100％，优选70-95％，更优选80-90％。
优选的，所述废气在甲醇加热器18和甲醇制氢装置14内部与甲醇进行间接换热。
其中，甲醇制氢装置内可以使用任何现有的甲醇制氢技术，使得甲醇进行反应得到氢气。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明依靠甲醇基燃料进行反应产生氢气，用做引燃剂，与甲醇基燃料分开两路供应到发动机，实现了引燃剂的制备和精确向发动机供给，在不需要对发动机进行结构改动的情况下实现了甲醇基燃料对柴油燃料的完全替代。
2、本发明对发动机废气分为两路，第一路驱动涡轮工作后，高温废气降温为中温废气，中温废气给甲醇加热器中的甲醇基燃料进行第一次加热，第二路废气利用其高温直接加热甲醇制氢装置中的甲醇基燃料，其中的甲醇反应生成氢气，最大限度的利用了废气能量，降低了发动机的成本。
3、本发明不需要另外的空气、燃料、引燃剂的换热系统，简化了工艺，降低了设备投入。
附图说明
图1为本发明的使用甲醇燃料的发动机系统的工作原理流程图；
附图标记为：1-发动机，2-气缸，3-燃料喷嘴，4-进气歧管，5-进气管，6-氢气控制阀，7-氢气管，8-排气歧管，9-排气管，10-增压器，11-压气机，12涡轮，13-空气进气管，14-甲醇制氢装置，15-氢气储存器，16-甲醇喷嘴，17-废气排气口，18-甲醇加热器，19-废气旁通阀，20-进气道，21-排气道，22-火花塞。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步说明本发明的内容。
实施例1
本发明第一方面提供一种采用二级加热甲醇制氢方式的甲醇发动机系统，其包括：
甲醇发动机1，其包括气缸组件，所述气缸组件具有气缸2、进气道20、排气道21，燃料喷嘴3，所述气缸2连接至所述进气道20、所述排气道21和所述燃料喷嘴3；
供气系统，其包括依次连接的具有甲醇喷嘴16的甲醇加热器18、甲醇制氢装置14、氢气存储容器15、氢气管7，还包括依次连接的空气进气管13、压气机11、进气管5，所述氢气管7的出口连接至所述进气管5，所述进气管5的出口连接至所述进气道20；
排气系统，其包括排气管9，其在下游分为第一排气支管9-1和第二排气支管9-2两个排气支管，所述第一排气支管9-1依次连接涡轮12和所述甲醇加热器18，所述第二排气支管9-2连接所述甲醇制氢装置14。
其中，所述火花塞设置在所述气缸上。
本实施方案中所述发动机系统包括6个气缸组件，所述进气管5和所述进气道20之间还具有进气歧管4；所述排气管9和所述排气道21之间还具有排气歧管8。所述氢气管7上具有氢气控制阀6。所述涡轮12与所述压气机11共轴连接。
所述第一排气支管9-1经过所述甲醇加热器18后通往废气排气管17，所述第二排气支管9-2经过所述甲醇制氢装置14后通往废气排气管17，所述第二排气支管9-2入口处设置废气旁通阀19。
现对本实施例的使用单甲醇燃料的压燃式发动机系统的工作原理结合附图1进行说明：
A、空气由空气进气管13进入压气机11内，被压缩升温后进入进气管5；
纯甲醇燃料通过甲醇喷嘴16进入甲醇加热器18内得到第一级加热，再进入甲醇制氢装置14内得到第二级加热，甲醇进行反应得到氢气，然后进入氢气储存器15，并经由氢气管7进入所述进气管5，与空气混合，得到引燃剂空气混合气；
B、步骤A中得到的引燃剂空气混合气经进气管5后首先进入进气歧管4，再进入进气道20，再进入气缸2，引燃剂空气混合气在气缸内经火花塞22点燃产生引燃火焰，同时或然后，将纯甲醇燃料经燃料喷嘴3喷入所述气缸2，纯甲醇燃料被引燃火焰点燃，进入燃烧过程，并推动活塞反向运动以对外做功；
C、纯甲醇燃料燃烧后的废气经排气道21后首先进入排气歧管8，再进入排气管9，所述排气管9中的废气分为两路，使用所述第二排气支管9-2入口处设置的废气旁通阀19调整所述第一排气支管9-1和第二排气支管9-2的废气流量为3:4。第一路通往第一排气支管9-1，首先经过所述增压器10，利用其余热余压驱动所述涡轮12旋转并进而驱动所述压气机11工作，所述涡轮12排出的废气，进入所述甲醇加热器18，对纯甲醇燃料进行第一级加热，然后经由废气排气管17排出；
所述排气管9中的第二路废气通往第二排气支管9-2进入所述甲醇制氢装置14，对其内的纯甲醇燃料进行第二级加热使其中的甲醇反应生成为氢气，然后第二路废气经由废气排气管17排出。
其中，所述废气在甲醇加热器18和甲醇制氢装置14内部与甲醇进行间接换热。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种甲醇制氢作为引燃剂的甲醇发动机系统的操作方法，其特征在于，其使用的甲醇发动机系统如下所示：
所述甲醇发动机系统包括：
甲醇发动机(1)，其包括气缸组件，所述气缸组件具有火花塞(22)、气缸(2)、进气道(20)、排气道(21)，燃料喷嘴(3)，所述气缸(2)连接至所述进气道(20)、所述排气道(21)和所述燃料喷嘴(3)；
供气系统，其包括依次连接的具有甲醇喷嘴(16)的甲醇加热器(18)、甲醇制氢装置(14)、氢气储存器(15)、氢气管(7)，还包括依次连接的空气进气管(13)、压气机(11)、进气管(5)，所述氢气管(7)的出口连接至所述进气管(5)，所述进气管(5)的出口连接至所述进气道(20)；
排气系统，其包括连接至所述排气道(21)的排气管(9)，其在下游分为第一排气支管(9-1)和第二排气支管(9-2)，所述第一排气支管(9-1)依次连接涡轮(12)和所述甲醇加热器(18)，所述第二排气支管(9-2)连接所述甲醇制氢装置(14)；
所述甲醇发动机系统包括多个气缸组件，所述进气管(5)和所述进气道(20)之间还具有进气歧管(4)；所述排气管(9)和所述排气道(21)之间还具有排气歧管(8)；
所述氢气管(7)上具有氢气控制阀(6)；
所述涡轮(12)与所述压气机(11)共轴连接；
所述第一排气支管(9-1)经过所述甲醇加热器(18)后通往废气排气管(17)，所述第二排气支管(9-2)经过所述甲醇制氢装置(14)后通往废气排气管(17)，所述第二排气支管(9-2)入口处设置废气旁通阀(19)；
所述操作方法包括以下步骤：
A、空气由空气进气管(13)进入压气机(11)内，被压缩升温后进入进气管(5)；
甲醇基燃料通过甲醇喷嘴(16)进入甲醇加热器(18)内得到第一级加热，再进入甲醇制氢装置(14)内得到第二级加热，甲醇进行反应得到氢气，然后进入氢气储存器(15)，并经由氢气管(7)进入所述进气管(5)，与空气混合，得到引燃剂-空气混合气；
B、步骤A中得到的引燃剂-空气混合气经所述进气管(5)进入甲醇发动机(1)的进气道(20)，再进入气缸(2)，引燃剂-空气混合气在气缸内经火花塞(22)点燃产生引燃火焰，同时或然后，将甲醇基燃料经燃料喷嘴(3)喷入所述气缸(2)，甲醇基燃料被引燃火焰点燃，进入燃烧过程，并推动活塞反向运动以对外做功；
C、甲醇基燃料燃烧后的废气经排气道(21)进入排气管(9)，所述排气管(9)中的废气分为两路，第一路通往第一排气支管(9-1)，首先经过所述涡轮(12)，利用其余热余压驱动所述涡轮(12)旋转并进而驱动所述压气机(11)工作，所述涡轮(12)排出的废气进入所述甲醇加热器(18)，对甲醇基燃料进行第一级加热；然后经由废气排气管(17)排出；
所述排气管(9)中的第二路废气通往第二排气支管(9-2)进入所述甲醇制氢装置(14)，对其内的甲醇基燃料进行第二级加热使其中的甲醇反应得到氢气，然后经由废气排气管(17)排出。
2.根据权利要求1所述的操作方法，其特征在于，所述甲醇发动机包括多个气缸组件，步骤B中引燃剂-空气混合气经进气管(5)后首先进入进气歧管(4)，再进入进气道(20)；步骤C中甲醇燃烧后的废气经排气道(21)后首先进入排气歧管(8)，再进入排气管(9)。
3.根据权利要求1所述的操作方法，其特征在于，使用氢气管(7)上的氢气控制阀(6)控制引燃剂的流量并使用所述第二排气支管(9-2)入口处设置的废气旁通阀(19)调整所述第一排气支管(9-1)和第二排气支管(9-2)的废气流量。
4.根据权利要求1所述的操作方法，其特征在于，所述甲醇基燃料的甲醇质量含量为50-100％。
5.根据权利要求1所述的操作方法，其特征在于，所述废气在甲醇加热器(18)和甲醇制氢装置(14)内部与甲醇进行间接换热。
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