CN112682223A - 一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，包括柴油机、甲醇供给系统、甲醇气化发生器、甲醇蒸气喷射系统和控制系统；甲醇供给系统包括甲醇箱、滤清器、甲醇泵，通过耐醇管路依次连接于甲醇气化发生器；甲醇气化发生器分为电加热气化和余热气化两部分，每部分都包含有甲醇雾化喷嘴和单向出口，气化甲醇通过出口与甲醇喷射系统连接；甲醇喷射系统包括气液分离器、储气罐、调压阀、甲醇气轨和甲醇蒸气喷嘴，并通过耐醇保温管路依次连接，该燃醇系统通过将甲醇雾化、气化和增压的方式，提高甲醇与空气的混合气浓度和温度，改善甲醇燃料发动机的低温启动性能，具有甲醇燃烧充分和醇柴比高的特点。

Description

一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统

技术领域

本发明涉及甲醇燃料发动机技术领域，尤其涉及一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统。

背景技术

甲醇是一种性能优良的燃料和汽油添加剂，其可以在燃料电池中高效率地产生电，也可以直接作为内燃机燃料使用。伴随着节能减排技术的不断发展，甲醇作为一种燃料和汽油添加剂正在引起人们的关注。甲醇具有生产技术成熟、资源丰富、使用方便，以及良好的排放性能和动力性能等特点，可以逐渐弥补化石能源消耗所造成的能源空缺，成为可再生的车用燃料，是具有巨大发展潜力的新型替代能源。

现有内燃机燃烧甲醇的技术主要采用引燃模式和点燃模式，通过进气道喷射，使甲醇与空气混合进入缸内。但是甲醇具有汽化潜热高、蒸气压力低、热值低、自燃温度高和不易蒸发的特点，并且甲醇喷射受发动机温度的影响较大，直接将液态甲醇喷射进入发动机缸内会吸收大量的热，降低混合气温度和浓度，造成甲醇燃料发动机低温启动性能差、燃烧不充分和排放性能差等问题，同时未气化的甲醇具有腐蚀发动机零件的风险。

发明内容

综上所述，本发明设计了一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，通过利用发动机的高温排气或冷却液余热实现甲醇气化，并采用甲醇雾化、气化和增压的方式，使甲醇以高温气态的形式进入发动机缸内，减少甲醇缸内气化吸热量，提高混合气浓度和温度，改善甲醇燃料发动机的低温冷启动性能，以及燃烧和排放性能。同时可以有效地利用发动机可用余热，提高能源利用率，对甲醇燃料发动机的应用发展具有重要的意义。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，包括甲醇供给系统、甲醇气化发生器、甲醇蒸气喷射系统和控制系统；所述甲醇供给系统包括甲醇箱、滤清器和甲醇泵，甲醇箱、滤清器和甲醇泵通过耐醇管依次连接，甲醇泵通过耐醇管与甲醇气化发生器连接；所述甲醇气化发生器分为电加热气化和余热气化两部分，每部分都包含有甲醇进口、雾化喷嘴和单向出口，雾化后的甲醇通过吸热气化，气化甲醇由单向出口流向甲醇蒸气喷射系统；所述甲醇蒸气喷射系统包括气液分离器、储气罐、调压阀、甲醇气轨和甲醇蒸气喷嘴，气液分离器、储气罐、调压阀、甲醇气轨和甲醇蒸气喷嘴通过耐醇保温管依次连接，甲醇蒸气喷嘴安装于发动机各进气歧管；所述气液分离器用于分离甲醇气化发生器流出的甲醇蒸气与未气化的甲醇，甲醇蒸气流向储气罐；所述储气罐用于满足瞬时甲醇蒸气喷射压力和喷射量的需求，以及为发动机短时间歇启动提供甲醇蒸气；所述调压阀配合储气罐建立甲醇蒸气喷射压力，并起到稳压作用；所述控制系统获取发动机运行状态信息，包括发动机转速、机油温度、冷却液温度、排气温度和油门踏板位置，并判断发动机的运行工况，控制燃醇系统的甲醇气化方式、气化量、喷射时刻、喷射压力和喷射量，以及柴油喷射系统的喷油时刻和喷油量。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，甲醇气化发生器包括壳体，壳体中间设有隔板将壳体内部腔体分为上腔和下腔；上腔内还设置有管体，管体外壁和壳体内壁之间的腔体为电加热气化腔，电加热气化腔内还布置有螺旋形电加热管，下腔为余热气化腔，壳体上还设置有竖直的通孔，通孔内固定有热交换管，热交换管从管体内部穿过，余热气化腔和热交换管直接接触，电加热气化腔的壳体外壁上设置有电加热气化腔甲醇进口，余热气化腔的壳体外壁上设置有余热气化腔甲醇进口，电加热气化腔甲醇进口和余热气化腔甲醇进口上安装有甲醇雾化喷嘴，甲醇雾化喷嘴通过耐醇管与甲醇泵连接，壳体外壁上还设置有甲醇蒸气出口，甲醇蒸气出口上安装有单向出口阀，单向出口阀为三通阀，其两个阀口分别连通电加热气化腔和余热气化腔，甲醇气化发生器的热交换管串接在发动机冷却管路或者发动机排气管中。所述甲醇气化发生器具有电加热气化和余热气化两种模式，当发动机低温冷启动时，采用电加热气化模式将雾化的甲醇快速气化，实现发动机的低温启动；当发动机启动后处于正常运行状态时，切换为余热气化模式，可利用发动机的高温排气或冷却液余热实现甲醇气化。燃醇系统是在原柴油机上增加甲醇燃料系统，并且甲醇气化发生器采用与余热系统等管径尺寸串联的方式，不改变原冷却系统和排气系统的管路尺寸和结构形式，避免影响原机的冷却和排气性能。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，所述甲醇气化发生器的外壳、上腔内的管体以及隔板均采用保温隔热处理；所述管体与热交换管之间有间隔，电加热气化腔和热交换管间不存在热交换现象；所述余热气化腔与热交换管间存在热交换现象。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，电加热气化腔内安装有热电偶，控制系统通过热电偶实时获取电加热气化腔内的温度，并控制螺旋形电加热管的通断，使电加热气化腔保持恒定的设定温度，保证甲醇正常气化。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，所述余热气化腔内的热交换管上分布有交错平行布置的导热翅片。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，所述甲醇蒸气喷射系统中的储气罐内设有蒸气压力传感器，通过蒸气压力传感器对储气罐的压力进行实时监控，根据储气罐中的压力值调节甲醇泵的流量，进而控制甲醇气化量，使储气罐中的甲醇蒸气压力保持稳定。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，所述甲醇蒸气喷射系统的储气罐、甲醇气轨和耐醇保温管采用保温处理，保证甲醇气化发生器产生的甲醇蒸气在喷射系统中不会被液化，并具有较高的蒸气温度。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，所述燃醇系统采用将甲醇雾化、气化和增压的方式，提高混合气浓度和温度，改善甲醇燃料发动机的低温启动性能，使甲醇燃料燃烧更加充分，提高醇柴比。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，单向出口阀包括阀体，阀体上有三个阀口，一个作为出口，另外两个阀口位置相对且作为入口，阀体内两个入口处都设置有常闭阀片，两个常闭阀片的一端都铰接于阀体上，两个常闭阀片的另一端之间连接有反向压紧弹簧，当单向出口阀的一侧入口开启时，另一侧入口的常闭阀片将被反向弹簧力压紧，随着阀口的增大，反向弹簧力增大，保证未开启入口的密封性。

上述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，气液分离器和甲醇气化发生器上连接有回流管，回流管再连接到甲醇箱，使未气化的甲醇流回甲醇箱中。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1.采用甲醇雾化、气化和增压的方式，使甲醇以高温气态的形式进入发动机缸内，减少缸内吸热，提高混合气浓度和温度，使得混合气与柴油充分混合燃烧，改善发动机的燃烧和排放性能，实现甲醇和柴油的高比例混合燃烧。

2.甲醇气化发生器具有电加热气化和余热气化两种模式，低温冷启动时采用电加热气化模式，能够改善发动机的低温冷启动性能；正常运行时采用余热气化模式，利用发动机余热气化甲醇，提高能源的利用效率。

3.该燃醇系统通过在原柴油机上加装甲醇燃料系统来实现，甲醇燃料系统结构简单，加工安装便捷，且加装后不影响原机的冷却和排气性能。

4.甲醇蒸气和柴油喷射采用集成控制系统，根据发动机运行工况选定喷射初值，并进行实时动态调整，使发动机处于高效运行区域。

附图说明

图 1为本发明实施例中，利用发动机冷却液余热气化甲醇的实施方案示意图。

图 2为本发明实施例中，利用发动机高温排气气化甲醇的实施方案示意图。

图 3为本发明实施例中，甲醇气化发生器内部结构示意图。

图 4为本发明实施例中，气体单向出口阀结构示意图。

图 5为本发明实施例中，保温管路断面结构示意图。

附图标记分别表示为：1-柴油机、2-蓄电池、3-电磁继电器、4-耐醇管、5-甲醇箱、6-滤清器、7-甲醇泵、8-甲醇雾化喷嘴、9-甲醇气化发生器、10-回流管、11-冷却管路、12-单向出口阀、13-气液分离器、14-耐醇保温管、15-储气罐、16-蒸气压力传感器、17-散热器、18-调压阀、19-控制单元、20-甲醇气轨、21-甲醇蒸气喷嘴、22-柴油泵、23-柴油滤清器、24-柴油箱、25-柴油喷嘴、26-排气管、27-电加热气化腔、28-电加热管、29-热电偶、30-甲醇蒸气出口、31-余热气化腔、32-回流口、33-余热气化腔甲醇进口、34-导热翅片、35-隔热层、36-电加热气化腔甲醇进口、37-热交换管、38-常闭阀片、39-反向压紧弹簧、40-外层、41-中间层、42-内层、43-管体。

具体实施方式

以下是结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行详细说明，所描述的实施例仅用于解释本发明，而不是对本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例中提出了一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，该系统包括柴油机、甲醇供给系统、甲醇气化发生器、甲醇蒸气喷射系统和控制系统。

柴油机1包括完整的柴油供给系统、进排气系统、冷却系统和柴油喷射系统。

甲醇供给系统包括甲醇箱5、滤清器6和甲醇泵7，各部件通过耐醇管4依次连接。甲醇箱5用于存储甲醇燃料，由于本发明的主要燃料为甲醇（柴油辅助引燃），因而甲醇箱5为大容量耐醇箱，柴油箱24为小容量；滤清器6安装于甲醇泵7和甲醇箱5之间；甲醇泵7安装于滤清器6和甲醇气化发生器9之间，其入口与滤清器6连接，出口通向甲醇气化发生器9，通过控制甲醇泵7的转速来调节甲醇供给压力和流量，实现甲醇气化量的控制。

甲醇气化发生器9采用等管径尺寸串联的方式接入发动机冷却管路11中。作为优选，甲醇气化发生器9的热交换管37入口与柴油机1的出水口连接，热交换管37出口与散热器17的入水口连接，充分利用发动机冷却液余热。

甲醇蒸气喷射系统包括气液分离器13、储气罐15、调压阀18、甲醇气轨20和甲醇蒸气喷嘴21，并通过耐醇保温管14依次连接。气液分离器13安装于甲醇气化发生器9和储气罐15之间，将来自于甲醇气化发生器9的甲醇蒸气与未气化的甲醇进行分离，未气化的甲醇通过回流管10返回甲醇箱5；储气罐15储存经过气液分离的甲醇蒸气，并与甲醇泵7协调配合，保证储气罐15中具有恒定的甲醇蒸气压力；调压阀18安装于储气罐15和甲醇气轨20之间，配合储气罐15建立甲醇蒸气喷射压力，并起到稳压作用；甲醇蒸气喷嘴21安装于各进气歧管，所需喷嘴数量根据发动机的缸数确定；耐醇保温管14、甲醇气轨20和储气罐15采用保温隔热处理，作为优选采用夹层结构形式，外层40和内层42采用不锈钢材料，中间层41填充有保温材料或采用真空处理，保证甲醇蒸气在甲醇喷射系统中不被液化，减少热量散失。

控制系统主要由控制单元19和信号线组成。控制单元19集成甲醇喷射控制和柴油喷射控制，通过CAN总线获取发动机运行状态信息，包括发动机转数、机油温度、冷却液温度、排气温度和油门开度，判断发动机的运行工况，控制燃醇系统的甲醇气化方式、气化量、喷射时刻、喷射压力和喷射量，以及柴油喷射系统的喷油时刻和喷油量等。当发动机低温冷启动时，控制器19启动电加热气化模式，甲醇泵7、电加热气化腔上的甲醇雾化喷嘴8和电加热管28开始工作。当蒸气压力传感器16检测到储气罐15中的甲醇蒸气压力达到最小压力值时，控制单元19 分别向甲醇蒸气喷射系统和柴油喷射系统发送喷射指令，发动机启动。当发动机冷却液温度达到90℃时，控制器19启动余热气化模式，此时余热气化腔上的甲醇雾化喷嘴8开启，电加热气化腔上的甲醇雾化喷嘴8关闭，电加热管28断电，甲醇气化发生器9切换为余热气化模式。不同运行工况下的甲醇蒸气和柴油喷射量由前期试验标定获得，并固化为喷射初值。发动机运行时，控制单元19通过读取发动机运行状态信息，判断发动机运行工况，根据发动机运行工况选定喷射初值，并进行实时动态调整，使发动机处于高效运行区域。

如图3所示，甲醇气化发生器9分为电加热气化腔27和余热气化腔31两部分，每部分都包含有甲醇进口、雾化喷嘴和单向出口。甲醇气化发生器9的外壁设有两个甲醇进口36和33，以及一个甲醇蒸气出口30；两个甲醇进口36和33分别通向电加热气化腔27和余热气化腔31，甲醇蒸气出口30位于甲醇气化发生器9的中部，采用三通的结构形式，分别与电加热气化腔27和余热气化腔31连通；甲醇雾化喷嘴8选用具有电磁阀控制功能的扇形雾化喷嘴，通过螺纹连接的形式安装于甲醇进口36和33，喷嘴头部伸入气化腔内部，喷嘴尾部通过耐醇管4与甲醇泵7连接；通过对甲醇雾化喷嘴8的电磁阀的开关，实现喷雾的自动控制，雾化后的甲醇通过吸热气化为甲醇蒸气，具有一定压力的甲醇蒸气推动单向出口阀12的常闭阀片38流向甲醇蒸气喷射系统。余热气化腔31的外壳壁上还设置有回流口32，回流口32连接回流管10，未气化的甲醇流回甲醇箱5。

如图4所示，单向出口阀12的内部采用三通的结构形式，包含两个常闭阀片38和反向压紧弹簧39。当单向出口阀12的一侧阀口开启时，另一侧阀口的常闭阀片38将被反向弹簧力压紧。随着阀口的增大，反向弹簧力增大，保证未开启阀口的密封性。单向出口阀12保证了甲醇蒸气由气化发生器9向甲醇蒸气喷射系统的单向流动，有助于甲醇蒸气喷射系统喷射压力的建立。

如图3和图5所示，甲醇气化发生器9的整体外壳，以及电加热气化腔27与余热气化腔31的分隔板、上腔内管体43均采用保温隔热处理，隔热层35的结构形式与耐醇保温管14相同，外层、内层采用不锈钢材料，中间层填充有保温材料或采用真空处理。电加热气化腔27与余热管道37不接触，两者间留有一定的间距；余热气化腔31与余热管道37融为一体，两者间存在热交换。电加热气化腔27内部安装有螺旋形电加热管28和热电偶29，控制单元19通过热电偶29实时获取电加热气化腔27内的温度，并控制电加热管28的通断，保证电加热气化腔27内的温度恒定，温度控制值设定为90℃，电加热管28采用车内电源供电；余热气化腔31内部分布有交错平行布置的导热翅片34，导热翅片34焊接于余热管道37上，增加雾化甲醇与热源的接触面积，提升气化效率。

如图2所示，为本发明的另一种实施方案示意图，该实施方案利用发动机高温排气气化甲醇。与图1所示的实施方案相比，该实施方案中的甲醇气化发生器9采用等管径尺寸串联的方式接入发动机排气管26中，利用发动机排气温度气化甲醇。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：包括甲醇供给系统、甲醇气化发生器、甲醇蒸气喷射系统和控制系统；所述甲醇供给系统包括甲醇箱（5）、滤清器（6）和甲醇泵（7），甲醇箱（5）、滤清器（6）和甲醇泵（7）通过耐醇管（4）依次连接，甲醇泵（7）通过耐醇管（4）与甲醇气化发生器（9）连接；所述甲醇气化发生器（9）分为电加热气化和余热气化两部分，每部分都包含有甲醇进口、雾化喷嘴和单向出口，雾化后的甲醇通过吸热气化，气化甲醇由单向出口流向甲醇蒸气喷射系统；所述甲醇蒸气喷射系统包括气液分离器（13）、储气罐（15）、调压阀（18）、甲醇气轨（20）和甲醇蒸气喷嘴（21），气液分离器（13）、储气罐（15）、调压阀（18）、甲醇气轨（20）和甲醇蒸气喷嘴（21）通过耐醇保温管（14）依次连接，甲醇蒸气喷嘴（21）安装于发动机各进气歧管；所述气液分离器（13）用于分离甲醇气化发生器（9）流出的甲醇蒸气与未气化的甲醇，甲醇蒸气流向储气罐（15）；所述储气罐（15）用于满足瞬时甲醇蒸气喷射压力和喷射量的需求，以及为发动机短时间歇启动提供甲醇蒸气；所述调压阀（18）配合储气罐建立甲醇蒸气喷射压力，并起到稳压作用；所述控制系统获取发动机运行状态信息，包括发动机转速、机油温度、冷却液温度、排气温度和油门踏板位置，并判断发动机的运行工况，控制燃醇系统的甲醇气化方式、气化量、喷射时刻、喷射压力和喷射量，以及柴油喷射系统的喷油时刻和喷油量。

2.根据权利要求1所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：甲醇气化发生器（9）包括壳体，壳体中间设有隔板将壳体内部腔体分为上腔和下腔；上腔内还设置有管体（43），管体外壁和壳体内壁之间的腔体为电加热气化腔（27），电加热气化腔（27）内还布置有螺旋形电加热管（28），下腔为余热气化腔（31），壳体上还设置有竖直的通孔，通孔内固定有热交换管（37），热交换管（37）从管体（43）内部穿过，余热气化腔（31）和热交换管（37）直接接触，电加热气化腔（27）的壳体外壁上设置有电加热气化腔甲醇进口（36），余热气化腔（31）的壳体外壁上设置有余热气化腔甲醇进口（33），电加热气化腔甲醇进口（36）和余热气化腔甲醇进口（33）上安装有甲醇雾化喷嘴（8），甲醇雾化喷嘴（8）通过耐醇管（4）与甲醇泵（7）连接，壳体外壁上还设置有甲醇蒸气出口（30），甲醇蒸气出口（30）上安装有单向出口阀（12），单向出口阀（12）为三通阀，其两个阀口分别连通电加热气化腔（27）和余热气化腔（31），甲醇气化发生器（9）的热交换管（37）串接在发动机冷却管路（11）或者发动机排气管（26）中。

3.根据权利要求2所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：所述甲醇气化发生器（9）的外壳、上腔内的管体以及隔板均采用保温隔热处理；所述管体（43）与热交换管（37）之间有间隔，电加热气化腔（27）和热交换管（37）间不存在热交换现象；所述余热气化腔（31）与热交换管（37）间存在热交换现象。

4.根据权利要求3所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：电加热气化腔（27）内还安装有热电偶（29），控制系统通过热电偶（29）实时获取电加热气化腔（27）内的温度，并控制螺旋形电加热管（28）的通断，使电加热气化腔保持恒定的设定温度，保证甲醇正常气化。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：所述余热气化腔内的热交换管（37）上分布有交错平行布置的导热翅片（34）。

6.根据权利要求2或3或4所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：所述甲醇蒸气喷射系统中的储气罐（15）内设有蒸气压力传感器（16），通过蒸气压力传感器（16）对储气罐的压力进行实时监控，根据储气罐（15）中的压力值调节甲醇泵（7）的流量，进而控制甲醇气化量，使储气罐中的甲醇蒸气压力保持稳定。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：所述甲醇蒸气喷射系统的储气罐（15）、甲醇气轨（20）和耐醇保温管（14）采用保温处理，保证甲醇气化发生器产生的甲醇蒸气在喷射系统中不会被液化，并具有较高的蒸气温度。

8.根据权利要求4所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：所述燃醇系统采用将甲醇雾化、气化和增压的方式，提高混合气浓度和温度，改善甲醇燃料发动机的低温启动性能，使甲醇燃料燃烧更加充分，提高醇柴比。

9.根据权利要求2或3或4所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：单向出口阀（12）包括阀体，阀体上有三个阀口，一个作为出口，另外两个阀口位置相对且作为入口，阀体内两个入口处都设置有常闭阀片（38），两个常闭阀片（38）的一端都铰接于阀体上，两个常闭阀片（38）的另一端之间连接有反向压紧弹簧（39），当单向出口阀（12）的一侧入口开启时，另一侧入口的常闭阀片（38）将被反向弹簧力压紧，随着阀口的增大，反向弹簧力增大，保证未开启入口的密封性。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统，其特征在于：气液分离器（13）、甲醇气化发生器（9）上连接有回流管（10），回流管（10）再连接到甲醇箱（5），使未气化的甲醇流回甲醇箱中。

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