CN115234370B - 一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统，包括内燃机，内燃机有三个入口和一个出口，废气出口通过涡轮机后通入汽车废气热交换器，与甲醇水蒸气重整室进行热交换，三个入口分别连接甲醇储箱、甲醇水蒸气重整室以及热交换器。空气经过节气门通入压缩机，经过热交换器水冷后通入内燃机。甲醇水蒸气重整室的入口连接混合器，甲醇储箱内的甲醇和蒸发腔内的水蒸气在混合器内进行混合，生成氢气通入内燃机。蒸发腔内的液态水进入水储箱，水储箱出口连接两个水泵，分别经过热交换器和内燃机加热后回流到蒸发腔。本发明可有效减少甲醇制氢装置体积，并兼顾各种工况的变化，实现了绿色灵活经济的使用氢能。

Description

一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统与方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及以氢为能源的新能源汽车，特别涉及一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统与方法。
背景技术
在道路汽车中，乘用车纯电动市场系统随着锂电池能量密度的逐步提升和充电设施的普及，已经能够较好满足日常使用，因此短期内氢能的替代必要性有限，而在中远途、中重型商用车领域中，则主要面向长途、固定的路线，相较于纯电动汽车而言，氢发动机重载汽车在续航能力、补给时间上都有很大优势。
氢气可以作为燃料在内燃机中进行燃烧，由于氢气质量热值较高、点火能量较低、可燃范围广、辛烷值高、自燃温度高、扩散能力强、排放后处理容易，作为发动机燃料的优势突出。但是氢气的密度非常低，其体积能量密度仅有0.003kW·h/L，并且氢气具有很强的易燃易爆性，运输存在一定的安全风险，是制约氢能发展的一大瓶颈。
而车载燃料重整制氢技术通过在车内直接制氢，解决了大量氢气随车携带的问题，增加了重载汽车的续航里程，整个系统相对压缩储氢系统而言所占体积较小，使氢能在汽车上可以实现更加高效经济的利用，是目前关注的热点。
甲醇是液体燃料、来源丰富、成本低廉、储运体系较为完备，是一种非常具有应用价值的车载制氢的原料，同时，甲醇本身作为内燃机燃料也十分具有应用价值。目前，甲醇重整制氢技术相对成熟，工业上已有多年应用经验。同时，相对氢燃料电池而言，氢内燃机对于氢气的使用纯度范围更广，成本更低，系统简单、体积较小。因此，将甲醇重整制氢的小型产氢装置与内燃机结合的系统在重载汽车应用上的前景广阔。
然而，目前针对甲醇重整制氢与内燃机联合的系统整体设计与构建尚未成熟。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统与方法，以期灵活可靠地使用氢燃料作为汽车能源。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统，基于以氢为主要燃料的内燃机，包括甲醇储箱、蒸发腔、甲醇水蒸气重整室以及电控装置；
所述蒸发腔的出口接入所述甲醇水蒸气重整室向其供给水蒸气；
所述甲醇储箱至少有两个出口，其第一出口接入甲醇水蒸气重整室，与所述水蒸气重整制氢；第二出口接内燃机为其直接供给甲醇燃料；所述甲醇水蒸气重整室的出口接内燃机为其直接供给氢气燃料；
所述电控装置控制所述甲醇储箱的第二出口通断，以根据汽车工况，选择仅向内燃机供给氢气燃料，或同时供给氢气燃料和甲醇燃料。
在一个实施例中，所述甲醇水蒸气重整室的入口连接混合器，所述蒸发腔的出口和所述甲醇储箱的第一出口均连接所述混合器的入口，所述混合器的出口接所述甲醇水蒸气重整室。
在一个实施例中，所述内燃机的废气出口连接涡轮机的入口，所述涡轮机接发电机带动其发电，涡轮机的乏汽出口接汽车废气热交换器，所述废气热交换器与甲醇水蒸气重整室进行热交换为其提供重整所需热量，所述内燃机的空气进口接热交换器，空气在进入内燃机前由节气门进入压缩机，经过热交换器水冷后通入内燃机。
在一个实施例中，所述蒸发腔的出口还连接水储箱的入口，所述水储箱的出口分为两路，一路流经热交换器吸收空气中的热量，另一路流经内燃机吸收产热，出热交换器和内燃机的两路热水回接至蒸发腔。
在一个实施例中，所述电控装置控制所述空气的进气量，控制所述蒸发腔的蒸发动作，控制所述发电机的发电动作。同时，电控装置根据进气绝对压力传感器或空气流量计信号节气门位置信号以及发动机转速传感器来判断发动机负荷大小。
在一个实施例中，所述同时供给氢气燃料和甲醇燃料的模式中，以氢气为主要燃料，甲醇为掺烧燃料。
本发明还提供了一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的方法，基于所述小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统实现：
当汽车处在小、中负荷的普通工况下，甲醇从甲醇储箱中释放，与蒸发腔内的水蒸气通入甲醇水蒸气重整室重整制氢，得到的氢气通入内燃机中与空气混合燃烧；
当汽车处在大负荷和全负荷阶段，甲醇从甲醇储箱中释放，一部分与蒸发腔内的水蒸气通入甲醇水蒸气重整室重整制氢，得到的氢气通入内燃机中；另一部分直接通入内燃机中，甲醇、氢气与空气在内燃机中混合燃烧。
与现有技术相比，本发明小型车载甲醇重整制氢联合内燃机系统，由氢作为主要供给燃料，甲醇在一些工况下掺烧。氢由甲醇与水蒸气混合之后通过甲醇水蒸气重整室，发生重整反应制得，供给发动机的甲醇由甲醇储罐直接流出。通过电控装置针对不同的工况进行调节，当小/中等负荷工况下时对燃料量的需求较小，使用甲醇重整制得的氢气进行燃烧，所需甲醇重整制氢装置较小；当冷启动、大负荷/全负荷及加速工况下，甲醇重整制氢装置制得的氢气不足，采用甲醇掺烧的方式进行动力的补充，因此有效实现了甲醇重整制氢装置的小型化。该发明能够在汽车上实现氢气的产用结合，为目前存在的氢能储运问题提出了解决方案，实现了绿色灵活经济的利用氢能，有效的减少了化石燃料的使用，大幅度降低了污染物的排放。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
甲醇是液体燃料、来源丰富、成本低廉、储运体系较为完备，是一种非常具有应用价值的车载制氢的原料，同时，甲醇本身作为内燃机燃料也十分具有应用价值。目前，甲醇重整制氢技术相对成熟，工业上已有多年应用经验。同时，相对氢燃料电池而言，氢内燃机对于氢气的使用纯度范围更广，成本更低，系统简单、体积较小。因此，将甲醇重整制氢的小型产氢装置与内燃机结合的系统在重载汽车应用上的前景广阔。
本发明选择在汽车上使用液态甲醇储存装置，液态储存的甲醇来源丰富、价格低廉，且比氢具有更高的体积能量密度，可以降低使用成本，甲醇的燃料储运设施相对比较成熟，储运方便，具有良好经济性。本发明选择甲醇水蒸气重整制氢的技术产生氢气，一方面解决了H2的运输和储存费用高的难题，另一方面提取出了水蒸气里面的氢，增加了供氢量。该技术也具有经济性好，能耗低，重整温度低，加料方便安全等优点。甲醇水蒸气重整制得的氢气随后进入氢发动机中进行燃烧。
本发明在内燃机模块有两种运行模式：一是氢气燃烧，为减少甲醇制氢的压力，降低制氢的成本，选择的甲醇重整制氢装置体积较小，当汽车处于绝大部分运行工况时，甲醇制得的氢气能够满足汽车的动力性能，此时仅使用氢气在内燃机缸内进行燃烧，燃烧清洁，热效率高。二是氢气掺烧甲醇，在实际汽车行驶过程中，冷启动阶段温度较低，产氢的速率较慢；而随着发动机转速和扭矩的增加，在大负荷和全负荷阶段，需要消耗燃料多，供氢量要求高；当汽车加速时，转速迅速增大，短时间内需要燃烧大量氢气，在这些工况下，甲醇产氢的能力不能满足汽车的实际使用需求，此时，在发动机中掺入部分甲醇，得到的醇氢燃料进入发动机进行燃烧。同时，掺烧甲醇还解决了氢气发动机回火和氢气能量密度不足的问题。
由上述两种运行模式可以看出，本发明可有效减少甲醇制氢装置体积，使其可以在车载条件下达到高效经济的利用，并兼顾各种工况的变化，实现了绿色灵活的使用氢能。
本发明小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统有赖于以氢为主要燃料的内燃机，系统的具体结构可参考图1，主要包括甲醇储箱1、蒸发腔3、甲醇水蒸气重整室5以及电控装置13。
蒸发腔3是用于产生水蒸气的装置，其出口接入甲醇水蒸气重整室5，向其供给重整制氢所需的水蒸气。
甲醇储箱1是用于储存甲醇的装置，在本发明中，其至少有两个出口或者至少将其出口分为独立可控的两路。其第一出口接入甲醇水蒸气重整室5，向其供给重整制氢所需的甲醇。其第二出口接内燃机10为其直接供给甲醇燃料。
甲醇水蒸气重整室5是用于重整制氢反应的装置，其出口接内燃机10，将所得氢气供给至内燃机10作为氢气燃料。甲醇水蒸气重整室5中的制氢反应条件为：反应温度为250～300℃，反应压力为0.1Mpa，n(CH3OH):n(H2O)＝1:1～1:1.3，甲醇转化率约为95％，产气中H2的体积分数约为66％。
电控装置13控制甲醇储箱1的第二出口通断，以根据汽车工况，选择仅向内燃机10供给氢气燃料，或向内燃机10同时供给氢气燃料和甲醇燃料。具体地，在甲醇产氢能力满足汽车实际使用需求时，控制关闭甲醇储箱1的第二出口，在甲醇产氢能力不能满足汽车的实际使用需求时，控制打开甲醇储箱1的第二出口，向内燃机10中通入甲醇。
其中，在同时供给氢气燃料和甲醇燃料的模式中，仍以氢气为主要燃料，甲醇为掺烧燃料。
根据该结构，当汽车处在小、中等负荷的普通工况下，甲醇从甲醇储箱1中释放，与蒸发腔3内的水蒸气通入甲醇水蒸气重整室5重整制氢，得到的氢气通入内燃机10中与空气混合燃烧。
在实际的汽车行驶过程中，冷启动阶段温度较低，产氢的速率较慢；而随着发动机转速和扭矩的增加，在大负荷和全负荷阶段，需要消耗燃料多，供氢量要求高；当汽车加速时，转速迅速增大，短时间内需要燃烧大量氢气，在这些工况下，甲醇产氢的速率不能满足汽车的实际使用需求，此时，甲醇从甲醇储箱1中释放，一部分与蒸发腔3内的水蒸气通入甲醇水蒸气重整室5重整制氢，得到的氢气通入内燃机10中；另一部分直接通入内燃机10中，甲醇、氢气与空气在内燃机10中混合燃烧。
本发明中，电控装置13根据进气绝对压力传感器或空气流量计信号节气门位置信号以及发动机转速传感器来判断发动机负荷大小，从而得到发动机工况信息。
在本发明的一个实施例中，为实现甲醇和水蒸气的良好混合，在甲醇水蒸气重整室5外部设置了混合器4，蒸发腔3的出口和甲醇储箱1的第一出口均连接混合器4的入口，混合器4的出口接甲醇水蒸气重整室5。甲醇和水蒸气在混合器4中完成混合之后，一起进入甲醇水蒸气重整室5完成重整制氢。
本发明内燃机10有一个出口和三个入口，一个出口为废气出口，三个入口分别连接甲醇储箱1、甲醇水蒸气重整室5以及热交换器9。在一个实施例中，内燃机10的废气出口连接涡轮机11的入口，涡轮机11接发电机12带动其发电。在涡轮机11的乏汽出口连接一个汽车废气热交换器6，废气热交换器6用于与甲醇水蒸气重整室5进行热交换，从而为重整制氢提供所需热量。必要时，可以为甲醇水蒸气重整室5设置辅助加热装置，以在废气热交换器6提供的热量不足时补充加热。燃烧所需的空气经由节气门7进入压缩机8，然后经过热交换器9水冷后通入内燃机10。
在本发明的一个实施例中，蒸发腔3的出口还连接水储箱2的入口，水储箱2的出口分为两路，第一路流经热交换器9吸收空气中的热量，第二路流经内燃机10吸收产热，出热交换器9和内燃机10的两路热水回接至蒸发腔3。其中，在第一路和第二路上，可分别设置水泵一14-1和水泵二14-2。
本发明中，电控装置13控制对象包括：空气的进气量，蒸发腔3的蒸发动作以及发电机12的发电动作。
以下是本发明的几个具体实施例，分别对应了不同的模式。
实施例1
如图1所示，本发明是一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机系统，主要包括甲醇重整制氢和氢内燃机运行两大部分。氢内燃机运行部分主要包括内燃机10，内燃机10有一个出口和三个入口，废气出口连接涡轮机11的入口，通过涡轮机11后通入汽车废气热交换器6，与甲醇水蒸气重整室5进行热交换，三个入口分别连接甲醇储箱1、甲醇水蒸气重整室5以及热交换器9。空气在进入内燃机10前由节气门7进入压缩机8，经过热交换器9水冷后通入内燃机10。
内燃机10的燃料供应模式有两种，分别为氢气和甲醇-氢气混合物，在两种供应模式中，氢气均为主要燃料，甲醇在氢气不能提供足够的能量时进行掺烧。本实施例针对第一种供应模式，即供应氢气模式做进一步描述。
当汽车处在小、中等负荷的普通工况下，甲醇从甲醇储箱1中释放，与蒸发腔3内的水蒸气经过混合器4进行混合，通入甲醇水蒸气重整室5，吸收汽车废气热交换器6提供的热量进行重整反应，产生大量氢气，氢气通入内燃机10中与空气7混合燃烧。在此实施例中，工况对燃料量的需求较小，使用甲醇重整制得的氢气进行燃烧，所需甲醇重整制氢装置较小，体现了本发明的经济性。
实施例2
如图1及实施例1所示，本发明小型车载甲醇重整制氢联合内燃机系统中的内燃机10的燃料供应模式有两种。本实施例针对第二种供应模式，即氢气与甲醇混合模式做进一步描述。
在实际的汽车行驶过程中，冷启动阶段温度较低，产氢的速率较慢；而随着发动机转速和扭矩的增加，在大负荷和全负荷阶段，需要消耗燃料多，供氢量要求高；当汽车加速时，转速迅速增大，短时间内需要燃烧大量氢气，在这些工况下，甲醇产氢的速率不能满足汽车的实际使用需求，此时，甲醇从甲醇储箱1中释放，一部分与蒸发腔3内的水蒸气经过混合器4进行混合，通入甲醇水蒸气重整室5，吸收汽车废气热交换器6提供的热量进行重整反应，产生氢气被通入内燃机10中，另一部分甲醇则在电控装置13的控制下从甲醇储箱1中直接通入内燃机10中，甲醇、氢气与空气7在内燃机10中混合燃烧。通过甲醇掺烧的方式进行动力的补充，有效实现了甲醇重整制氢装置的小型化，在发动机中掺入部分甲醇，得到的醇氢燃料进入发动机进行燃烧，掺烧甲醇还可以解决氢气发动机回火和氢气能量密度不足的问题，实现了绿色灵活经济的利用氢能。
实施例3
本实施例提供了甲醇重整制氢部分的工作，包括甲醇水蒸气重整室5，甲醇水蒸气重整室的入口连接混合器4，甲醇储箱1中的甲醇和蒸发腔3中的水蒸气通过此混合器进入甲醇水蒸气重整室5，甲醇水蒸气重整室5的出口连接内燃机10。
在本实施例工作过程中，水吸收内燃机10燃烧产热得以汽化，在蒸发腔3内水蒸气和液态水分流，液态水回流到水储箱2内，水蒸气通入混合器4中与甲醇储箱1中流出的甲醇进行混合，随后进入甲醇水蒸气重整室，由于甲醇水蒸气重整制氢反应是吸热反应，甲醇水蒸气重整室还与汽车废气热交换器进行了热量的交换，利用废气余热完成重整制氢反应。甲醇重整制氢反应的原料比由电控系统13进行控制，保证其处在最佳反应比，产生的氢气量较多，质较优。
以上，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统，基于以氢为主要燃料的内燃机（10），其特征在于，包括甲醇储箱（1）、蒸发腔（3）、甲醇水蒸气重整室（5）以及电控装置（13）；
所述蒸发腔（3）的出口接入所述甲醇水蒸气重整室（5）向其供给水蒸气；
所述甲醇储箱（1）至少有两个出口，其第一出口接入甲醇水蒸气重整室（5），与所述水蒸气重整制氢；第二出口接内燃机（10）为其直接供给甲醇燃料；所述甲醇水蒸气重整室（5）的出口接内燃机（10）为其直接供给氢气燃料；
所述电控装置（13）控制所述甲醇储箱（1）的第二出口通断，以根据汽车工况，选择仅向内燃机（10）供给氢气燃料，或同时供给氢气燃料和甲醇燃料；
所述内燃机（10）的废气出口连接涡轮机（11）的入口，所述涡轮机（11）接发电机（12）带动其发电，涡轮机（11）的乏汽出口接汽车废气热交换器（6），所述废气热交换器（6）与甲醇水蒸气重整室（5）进行热交换为其提供重整所需热量，所述内燃机（10）的空气进口接热交换器（9），空气在进入内燃机（10）前由节气门（7）进入压缩机（8），经过热交换器（9）水冷后通入内燃机（10）；
所述蒸发腔（3）的出口还连接水储箱（2）的入口，所述水储箱（2）的出口分为两路，一路流经热交换器（9）吸收空气中的热量，另一路流经内燃机（10）吸收产热，出热交换器（9）和内燃机（10）的两路热水回接至蒸发腔（3）。
2.根据权利要求1所述小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统，其特征在于，所述甲醇水蒸气重整室（5）的入口连接混合器（4），所述蒸发腔（3）的出口和所述甲醇储箱（1）的第一出口均连接所述混合器（4）的入口，所述混合器（4）的出口接所述甲醇水蒸气重整室（5）。
3.根据权利要求1所述小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统，其特征在于，所述电控装置（13）根据进气绝对压力传感器信号或空气流量计信号、节气门位置信号以及发动机转速传感器信号，判断发动机负荷大小，进而控制所述空气的进气量，控制所述蒸发腔（3）的蒸发动作，控制所述发电机（12）的发电动作。
4.根据权利要求1所述小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统，其特征在于，所述同时供给氢气燃料和甲醇燃料的模式中，以氢气为主要燃料，甲醇为掺烧燃料。
5.根据权利要求1所述小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统，其特征在于，所述甲醇水蒸气重整室（5）中，制氢反应条件为：反应温度为250～300℃，反应压力为0.1Mpa，n(CH3OH):n (H2O) =1:1～1:1.3。
6.一种小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的方法，基于权利要求1所述小型车载甲醇重整制氢联合内燃机的系统实现，其特征在于：
当汽车处在小、中负荷的普通工况下，甲醇从甲醇储箱（1）中释放，与蒸发腔（3）内的水蒸气通入甲醇水蒸气重整室（5）重整制氢，得到的氢气通入内燃机（10）中与空气混合燃烧；
当汽车处在大负荷和全负荷阶段，甲醇从甲醇储箱（1）中释放，一部分与蒸发腔（3）内的水蒸气通入甲醇水蒸气重整室（5）重整制氢，得到的氢气通入内燃机（10）中；另一部分直接通入内燃机（10）中，甲醇、氢气与空气在内燃机（10）中混合燃烧。
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