CN110273791A - 车载甲醇制氢装置及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载甲醇制氢装置及其控制系统，包括有发动机、发动机排气管路、甲醇制氢器、甲醇存储箱、喷嘴接头以及控制单元，甲醇制氢器包括有壳体、甲醇汽化仓、催化制氢仓、管道、氢气出口和载体，甲醇存储箱依次通过甲醇泵和喷嘴与喷嘴接头相连接；控制单元包括有ECU、第一、二温度传感器、发动机转速传感器、油门踏板位置传感器、进气压力传感器和泵执行器。本发明能够提高甲醇的汽化、裂解制氢反应效率和效果，避免了浪费，能够精准控制甲醇的供给量，提高了制氢效率和效果，减少了发动机的尾气排放，提高了发动机的动力性能。

Description

车载甲醇制氢装置及其控制系统
技术领域
本发明涉及利用发动机余热进行甲醇汽化、裂解的技术领域，具体是一种车载甲醇制氢装置及其控制系统。
背景技术
与汽、柴油相比，甲醇H/C和辛烷值高，稀薄燃烧范围宽泛，允许发动机使用较高的压缩比，且甲醇分子中含氧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，是一种富氧、环保、高能的燃料。
若将甲醇作为直接的汽车代用燃料，会产生一些严重的问题，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。因此，将甲醇裂解成为氢气和一氧化碳后进入发动机气缸燃烧，能够克服甲醇作为直接代用燃料的上述缺点。甲醇裂解气中含有丰富的氢气，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，提高了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提高30％，汽油机部分负荷时使用汽油/氢气混合气可以提高混合气燃烧速率，在高负荷时使用纯汽油以保证功率输出；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。因此，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。另外，甲醇在较低的温度下使用特殊的催化剂就可以完全裂解，使得通过吸收汽车尾气余热裂解甲醇制氢并用作内燃机燃料的技术路线得到了技术支持。
发动机余热回收利用技术是未来汽车技术的重要发展方向，甲醇裂解制氢是气态甲醇转化制氢和一氧化碳的过程，即液态甲醇经过汽化后再裂解制氢反应制氢的过程，例如中国发明专利CN106241734A公开了一种甲醇裂解制氢反应器，包括壳体、裂解管，甲醇经裂解管其中一个端口进入管内，管内填满催化剂，将裂解管作为裂解腔，壳体的内腔作为换热腔，螺旋管体直接安装于壳体内腔，尾气经过壳体内腔与裂解管进行换热；其利用发动机尾气余热对甲醇进行加热，使甲醇汽化、裂解制氢反应为氢气和一氧化碳等混合气，裂解后将这种混合气体通入发动机燃烧室与汽油或柴油掺混燃烧，能够提高发动机的燃烧效率，减少发动机的污染物排放，增强发动机余热利用，提高发动机能效。但是，该甲醇裂解制氢反应器存在较为明显的缺陷，具体如下：1、由于甲醇在同一螺旋管体内先后发生汽化和裂解制氢反应，而汽化和裂解制氢反应均不是在极短的时间内或在某一特定段的管体内就可以完成的，未得到充分汽化的甲醇与已得到充分汽化的甲醇在管内一同流动的过程中，未得到充分汽化的甲醇的继续汽化过程与已得到充分汽化的甲醇的裂解制氢反应过程就会发生相互影响、干扰，影响甲醇的汽化、裂解制氢反应效率和效果，从而影响制氢效率和效果；2、由于螺旋管体内填满球状触媒催化剂(非金属内核)，会造成螺旋管体内发生“气阻”，且球状触媒催化剂(非金属内核)本身的导热效率较差，必然会影响到尾气与甲醇的热交换效率，同样也会影响甲醇的汽化、裂解制氢反应效率和效果，从而也会影响制氢效率和效果。
另外，当甲醇裂解制氢反应器的内部温度条件达不到甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度条件时，此时若持续供给甲醇，则必然会造成浪费。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种车载甲醇制氢装置及其控制系统。
本发明的技术方案如下：
一种车载甲醇制氢装置及其控制系统，包括有发动机、发动机排气管路、甲醇制氢器、甲醇存储箱、喷嘴接头以及控制单元，其特征在于：所述的甲醇制氢器包括有壳体，所述的壳体安装在所述发动机排气管路中，壳体的两端分别设有均与所述发动机排气管路相通的进、出气口，壳体内分别设置有甲醇汽化仓和催化制氢仓，所述的甲醇汽化仓内设置有管道，所述的催化制氢仓为密闭的仓室，所述管道的一端为液态甲醇进口端并从所述的壳体内延伸出后与所述的喷嘴接头相连接，管道的另一端为气态甲醇出口端并从所述催化制氢仓的一端延伸到其内部，所述催化制氢仓的另一端设有从所述壳体内延伸出的氢气出口并连接有出气管，催化制氢仓内设置有载体，所述的出气管缠绕在所述发动机排气管路上并通向所述发动机；所述的甲醇存储箱依次通过甲醇泵和喷嘴与所述喷嘴接头相连接；
所述的控制单元包括有ECU、第一、二温度传感器、发动机转速传感器、油门踏板位置传感器、进气压力传感器和泵执行器，所述的第一、二温度传感器分别设置在所述甲醇汽化仓和催化制氢仓内，所述的进气压力传感器设置在发动机进气道内，所述的ECU一方面分别与所述第一、二温度传感器、发动机转速传感器、油门踏板位置传感器和进气压力传感器电连接，另一方面分别与所述甲醇泵、喷嘴和泵执行器电连接。
所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的壳体为金属圆筒，壳体的两端分别具有延伸部。
所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的管道为由金属管弯折而成的S形管道。
所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的催化制氢仓为两端均封闭的金属圆筒。
所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的载体包括有金属筒和设置于金属筒内的带有孔隙的芯柱，所述芯柱的孔隙中附着有贵金属催化剂。
所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的甲醇存储仓内设置有与所述ECU电连接的液位传感器。
所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的ECU连接有触控屏。
本发明的有益效果：
1、本发明采用独特的甲醇制氢器，即在同一壳体内分别设置相对独立的甲醇汽化仓和催化制氢仓，利用发动机的余热分别进行甲醇的汽化和裂解制氢反应，使得甲醇的汽化和裂解制氢反应相互独立、互不影响，能够提高甲醇的汽化、裂解制氢反应效率和效果，从而能够提高制氢效率和效果；另外，在催化制氢仓内设置附着有贵金属催化剂的载体，在能够有效提高甲醇裂解制氢反应速率的前提下，不会造成催化制氢仓内发生“气堵”，且所采用的贵金属催化剂具有很好的导热效率，不会对尾气与甲醇的热交换效率造成影响，能够进一步提高甲醇的裂解制氢反应效率和效果，从而能够提高制氢效率和效果。
2、本发明在甲醇汽化仓和催化制氢仓内分别设置第一、二温度传感器，分别检测甲醇汽化仓和催化制氢仓内的实时温度值，能够向ECU提供比较精确的实时温度值，ECU根据甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度设定值来控制甲醇泵和喷嘴开启或关闭，从而能够避免因壳体内部温度条件达不到甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度条件而持续供给甲醇所造成的浪费，节约了成本。
3、本发明将用于向发动机供氢的出气管缠绕在发动机排气管路上，利用发动机余热来进行保温，确保了随氢气一同进入发动机的少许未经裂解反应的气态甲醇不会液化成液态甲醇，从而保证了发动机的正常工作。
4、本发明采用油门踏板位置传感器检测油门踏板的实时位置并反馈至ECU，ECU根据设定好的程序来延缓或延迟控制泵执行器工作，调节发动机瞬时进油、进气量，达到延缓发动机响应时间的目的，解决了由于猛踩“油门”而造成尾气排放量过大的问题，减少了尾气排放，更加环保。
5、本发明采用发动机转速传感器和进气压力传感器检测发动机的实时工况并反馈至ECU，通过ECU来精准控制甲醇的供给量，从保证甲醇的供给量的角度，能够提高甲醇的汽化、裂解制氢反应效率，从而能够提高制氢效率，提高了发动机的动力性能。
附图说明
图1为本发明结构原理框图。
图2为本发明中甲醇制氢器的外部立体结构示意图。
图3为本发明中甲醇制氢器的内部结构示意图一。
图4为本发明中甲醇制氢器的内部结构示意图二。
图5为本发明中载体的结构剖视图。
图6为本发明中控制单元的结构原理框图。
具体实施方式
参见附图，一种车载甲醇制氢装置及其控制系统，包括有发动机1、发动机排气管路2、甲醇制氢器3、甲醇存储箱4、喷嘴接头5以及控制单元，甲醇制氢器3包括有壳体3-1，壳体3-1安装在发动机排气管路2中，壳体3-1的两端分别设有均与发动机排气管路2相通的进、出气口，壳体3-1内分别设置有甲醇汽化仓3-2和催化制氢仓3-3，甲醇汽化仓3-2内设置有管道3-4，催化制氢仓3-3为密闭的仓室，管道3-4的一端为液态甲醇进口端3-5并从壳体3-1内延伸出后与喷嘴接头5相连接，管道3-4的另一端为气态甲醇出口端3-6并从催化制氢仓3-3的一端延伸到其内部，催化制氢仓3-3的另一端设有从壳体3-1内延伸出的氢气出口3-7并连接有出气管6，催化制氢仓3-3内设置有载体3-8，出气管6缠绕在发动机排气管路2上并通向发动机1；甲醇存储箱4依次通过甲醇泵7和喷嘴8与喷嘴接头5相连接；
控制单元包括有ECU9、第一、二温度传感器10、11、发动机转速传感器12、油门踏板位置传感器13、进气压力传感器14和泵执行器15，第一、二温度传感器10、11分别设置在甲醇汽化仓3-2和催化制氢仓3-3内，进气压力传感器14设置在发动机1的进气道内，ECU9一方面分别与第一、二温度传感器10、11、发动机转速传感器12、油门踏板位置传感器13和进气压力传感器14电连接，另一方面分别与甲醇泵7、喷嘴8和泵执行器15电连接。
本发明中，壳体3-1为金属圆筒，壳体3-1的两端分别具有延伸部3-9，便于装配。
管道3-4为由金属管弯折而成的S形管道。
催化制氢仓3-3为两端均封闭的金属圆筒。
载体3-8包括有金属筒3-8-1和设置于金属筒3-8-1内的带有孔隙的芯柱3-8-2，芯柱3-8-2的孔隙中附着有贵金属催化剂。
甲醇存储箱4内设置有与ECU9电连接的液位传感器16，用于检测甲醇存储箱4内液态甲醇的液位高度。
ECU连接有触控屏17，既可通过触控屏17输入例如甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度值等相关参数，也可用于显示例如甲醇制氢器3的内部温度值、发动机工况(发动机转速值、发动机进气道压力值)以及甲醇的供给量值等相关参数。
以下结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明采用12V直流电源18进行供电。
催化制氢仓3-3为两端均封闭的金属圆筒，可通过固定焊接的方式固定在壳体3-1的内壁上。
甲醇汽化仓3-2为在壳体3-1的内壁与催化制氢仓3-3的外壁之间形成的扇形夹腔，管道3-4一方面为由金属管弯折而成的S形管道，另一方面为沿扇形的甲醇汽化仓3-2分布的弧形结构，管道3-4可采用若干个弧形连接条3-10并通过固定焊接的方式固定在催化制氢仓3-3的一侧，若干个弧形连接条3-10能够使得进入甲醇汽化仓3-2内的尾气形成“湍流”，能够进一步提高尾气与催化制氢仓3-3、管道3-4的热交换效率。
发动机1排出的尾气进入动机排气管路2，并经进气口进入壳体3-1内，甲醇泵7将甲醇存储箱4内存储的液态甲醇抽出，并由喷嘴8依次经喷嘴接头5和液态甲醇进口端3-5喷入管道3-4，管道3-4与带有余热的尾气进行换热，管道3-4内的液态甲醇逐渐汽化，成为气态甲醇，经气态甲醇出口端3-6进入催化制氢仓3-3，在高温和一定压力环境下，并在贵金属催化剂的催化作用下，气态甲醇进行裂解制氢反应，得到氢气，再经氢气出口3-5和出气管6进入发动机1的燃烧室，与汽油或柴油掺混燃烧，能够提高发动机的燃烧效率，减少发动机的污染物排放。
第一、二温度传感器10、11分别检测甲醇汽化仓3-2催化制氢仓3-3内的实时温度值，向ECU9提供比较准确的实时温度值，ECU9根据甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度设定值来控制甲醇泵7和喷嘴8开启或关闭；当第一、二温度传感器10、11所检测到的实时温度值远小于甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度设定值时，表明此时壳体3-1内部的温度条件不足以满足甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度条件，ECU9关闭甲醇泵7和喷嘴8，当壳体3-1内部的温度条件能够满足甲醇汽化、裂解制氢反应所需的温度条件时再开启甲醇泵7和喷嘴8，这样就避免了持续供给甲醇所造成的浪费，节约了成本。
用于向发动机供氢的出气管6缠绕在发动机排气管路2上，利用发动机余热来进行保温，确保了随氢气一同进入发动机的少许未经裂解反应的气态甲醇不会液化成液态甲醇，从而保证了发动机1的正常工作。
在上述过程中，油门踏板位置传感器13检测油门踏板的实时位置并反馈至ECU9，ECU9根据设定好的程序来延缓或延迟控制泵执行器15的工作，调节发动机1的瞬时进油、进气量，达到延缓发动机响应时间的目的，解决了由于猛踩“油门”而造成尾气排放量过大的问题，减少了尾气排放，更加环保。
发动机转速传感器12和进气压力传感器14检测发动机1的实时工况并反馈至ECU9，ECU9根据发动机1的实时工况来精准控制喷嘴8喷入的甲醇量，从而能够精准控制甲醇的供给量，从保证甲醇的供给量的角度，能够提高甲醇的汽化、裂解制氢反应效率，从而能够提高制氢效率，提高了发动机的动力性能。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方案进行描述，并非对本发明的保护范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种车载甲醇制氢装置及其控制系统，包括有发动机、发动机排气管路、甲醇制氢器、甲醇存储箱、喷嘴接头以及控制单元，其特征在于：所述的甲醇制氢器包括有壳体，所述的壳体安装在所述发动机排气管路中，壳体的两端分别设有均与所述发动机排气管路相通的进、出气口，壳体内分别设置有甲醇汽化仓和催化制氢仓，所述的甲醇汽化仓内设置有管道，所述的催化制氢仓为密闭的仓室，所述管道的一端为液态甲醇进口端并从所述的壳体内延伸出后与所述的喷嘴接头相连接，管道的另一端为气态甲醇出口端并从所述催化制氢仓的一端延伸到其内部，所述催化制氢仓的另一端设有从所述壳体内延伸出的氢气出口并连接有出气管，催化制氢仓内设置有载体，所述的出气管缠绕在所述发动机排气管路上并通向所述发动机；所述的甲醇存储箱依次通过甲醇泵和喷嘴与所述喷嘴接头相连接；
所述的控制单元包括有ECU、第一、二温度传感器、发动机转速传感器、油门踏板位置传感器、进气压力传感器和泵执行器，所述的第一、二温度传感器分别设置在所述甲醇汽化仓和催化制氢仓内，所述的进气压力传感器设置在发动机进气道内，所述的ECU一方面分别与所述第一、二温度传感器、发动机转速传感器、油门踏板位置传感器和进气压力传感器电连接，另一方面分别与所述甲醇泵、喷嘴和泵执行器电连接。
2.根据权利要求1所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的壳体为金属圆筒，壳体的两端分别具有延伸部。
3.根据权利要求1所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的管道为由金属管弯折而成的S形管道。
4.根据权利要求1所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的催化制氢仓为两端均封闭的金属圆筒。
5.根据权利要求1所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的载体包括有金属筒和设置于金属筒内的带有孔隙的芯柱，所述芯柱的孔隙中附着有贵金属催化剂。
6.根据权利要求1所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的甲醇存储仓内设置有与所述ECU电连接的液位传感器。
7.根据权利要求1所述的车载甲醇制氢装置及其控制系统，其特征在于：所述的ECU连接有触控屏。
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