CN115788709B - 一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统与方法 - Google Patents
一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统与方法。该系统中，燃料首先在低压缸中进行第一阶段压缩，压缩至终点的高温高压使燃料发生重整，部分燃料分解为氨和氢气，在第二阶段的重整中未发生重整的氨进一步在热催化条件下分解，随后部分氢用作为氢燃料电池的燃料来源，其余燃料进入高压缸进行第二段压缩，有效提高发动机的进气压力，提高工作过程中的平均压力，提高内燃机热效率。燃烧后的工质进入热重整器对进入低压缸中的燃料进行预热，使其更容易发生重整，随后为燃料电池提供热量，使其快速进入工作温度，进一步提高了装置的能量利用效率。
Description
技术领域
本发明属于动力与能源工程技术领域，特别是涉及一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统与方法。
背景技术
能源世界经济发展的基础产业，关系到整个世界生存和发展。石油作为最重要的传统能源，占世界能源消耗的40％以上，增加石油使用的危险正在逐渐扩大。如今，90％以上的运输业依赖石油，随之而来的是严重的环境污染问题，发展清洁能源和高效的能量转化技术就尤为重要。但传统内燃机由于燃料、结构强度、循环特性等条件已经很难再做出突破。燃料电池作为另一种形式的能量转化装置成为了内燃机的替代品，但也存在功率密度、续航里程、使用寿命及充电场所等问题，所以还未实现全面应用。
近年来基于内燃机和燃料电池组合设计的混合动力系统成为一大热点，而为了避免携带多种燃料，常会使用燃料重整的方法来对内燃机燃料进行重整从而得到燃料电池所需的燃料。目前混合动力系统中常采用重整器的方式来对燃料进行重整，如发明“一种加压燃料电池-内燃机混合动力系统”中，采用的就是安装外部重整器的方法，该方法需要对重整器输入额外的能量，并且燃料重整效率也较低。而对于发动机缸内重整而言，目前常见方法是缸内热化学重整，在论文《基于缸内热化学重整的点燃式天然气发动机研究》中对该方法进行了研究，该方法是利用缸内残余废气对第二次喷射燃料进行重整，但由于缺少催化剂并且废气量较少，用于发动机的低负荷情况，只能实现对较少量地燃料进行热化学重整。
发明内容
本发明目的是为了克服氢燃料的携带问题以及传统内燃机做功能力限制的问题，提出了一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统与方法。所述系统与方法可以提高混合动力系统中内燃机的平均有效压力及能量转化效率，解决氢燃料电池的燃料携带问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统，所述混合动力系统包括燃料箱1、燃料泵2、动力涡轮3、鼓风机4、球阀5、燃料电池6、温度传感器7、电动机8、动力耦合装置9、动力输出轴10、高压缸11、高压缸活塞12、高压活塞连杆13、动力轴14、低压缸15、低压缸活塞16、低压缸进气阀17、废气进气阀18、催化剂涂层19、废气排出阀20、低压缸排气阀21、热重整器22、净化分离器23、高压缸进气阀24、燃料喷射阀25、高压缸排气阀26、预热器27和中冷器28；所述燃料箱1通过燃料泵2与低压缸进气阀17相连，所述低压缸排气阀21与净化分离器23入口相连，所述净化分离器23出口分别与燃料电池6入口和高压缸进气阀24相连，所述废气排出阀20与预热器27、动力涡轮3、球阀5、燃料电池6依次相连，所述高压缸活塞12与低压缸活塞16均通过连杆与动力轴14相连，所述动力轴14通过动力耦合装置9与电动机8相连；所述鼓风机4分别与动力涡轮3和燃料电池6相连，燃料电池6上设置温度传感器7，所述动力耦合装置9与动力输出轴10相连，所述中冷器28连接热重整器22和净化分离器23；所述低压缸排气阀21与热重整器22相连，将第一阶段重整后的燃料通入热重整器22中进行第二阶段重整；所述高压缸进气阀24入口与净化分离器23相连，被净化后的重整气体通入高压缸11中进行能量利用；所述高压缸排气阀26通过热重整器22与废气进气阀18相连，将高压缸11中燃烧膨胀后的气体导入低压缸15中进行二次膨胀做功；所述废气排出阀20、预热器27入口、动力涡轮3依次相连，将膨胀做功后的气体余热用于预热燃料，随后进入动力涡轮3中进行膨胀，带动涡轮做功。
进一步地，发动机的活塞、缸壁和缸盖内表面安装钌催化剂涂层。
进一步地，所述废气排出阀20与预热器27相连，通过预热器27实现对燃料的预热，提升燃料温度，所述预热器27出口与动力涡轮3相连，启动鼓风机4保证燃料电池6所需空气流量。
进一步地，所述动力涡轮3出口通过球阀5与燃料电池6相连，在燃料电池6上设置温度传感器7，当燃料电池6温度低于工作温度时，球阀5开启，带有一定余热的废气进入燃料电池6对其进行加热，当燃料电池6温度达到工作温度时，球阀5关闭，废气直接排入空气中。
进一步地，所述工作温度为70℃。
进一步地，所述低压缸15与高压缸11的冲程一致，高压缸11的体积及内径均小于低压缸15的体积及内径。
进一步地，所述废气进气阀18与热重整器22安装有流量控制阀，当热重整器22达到重整温度前减小从热重整器22外侧流出废气流量以增强内部换热，使其迅速达到重整温度。
本发明提出一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一，燃料箱1中的燃料通过燃料泵2，经过燃料喷射阀25进入高压缸11并自然吸气，进行正常发动机的工作循环，通过动力轴14带动低压缸活塞16运动；
步骤二，高压缸活塞12由下止点运动到上止点时，在压缩终点通过燃料喷射阀25向缸内喷入燃料，同时带动低压缸活塞16从上止点运动至下止点实现进气，同时燃料箱1中的燃料通过燃料泵2由低压缸进气阀17进入缸内，实现进气道喷射；
步骤三，在高压缸11压缩终点，高压缸11内实现燃料的燃烧，高压缸活塞12由上止点运动到下止点，低压缸活塞16由下止点运动至上止点，对燃料混合气进行压缩，在压缩终点形成高温高压环境，并在催化剂环境下实现燃料热重整，产生氢气及其他活性高的可燃气体，并通过低压缸排气阀21进入热重整器22中进行第二次重整，进一步提高重整效率；
步骤四，高压缸活塞12由下止点运动到上止点时，高温高压的废气进入热重整器22中为燃料重整提供热量，随后由废气进气阀18进入低压缸15实现第二次膨胀；
步骤五，高压缸活塞12由上止点运动到下止点时，热重整器22中的气体通过中冷器28冷却后被净化分离器23分离，其中高浓度的氢气进入燃料电池6中作为燃料，其余气体进入高压缸11中作为进气；同时低压活塞16由下止点运动到上止点，低压缸15中二次膨胀后的废气通过废气排出阀20排出；废气通过预热器27对后续进入低压缸15中的燃料进行预热，随后进入动力涡轮3再次膨胀驱动涡轮，最后进入燃料电池6，对燃料电池6进行加热；动力涡轮3驱动鼓风机4使空气进入燃料电池6中，同时热重整器22中的氢气通过净化分离器23进入燃料电池6中，实现燃料电池6放电。
本发明的有益效果为：
1.采用分缸式发动机重整，利用发动机压缩过程所产生的高温高压环境，结合对发动机壁面改造形成的催化剂环境，实现对燃料的重整，不需要额外的外部热源提供热催化所需的能量，同时分缸式发动机对燃料燃烧后的气体进行两次膨胀做功，实现了更高的能量利用效率。
2.对燃料进行两阶段重整，进一步提高了燃料重整效率。
3.对内燃机产生的尾气热量进行充分利用，同时解决混合动力系统中燃料电池启动慢的问题。
4.分缸式重整所产生的高压高活性可燃气体进入高压缸中燃烧提供了更高的进气压力及活性，使内燃机的燃烧性能得到了较好的改善，降低了废气排放。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统的结构示意图。
图中实线表示气体通路，虚线表示电力通路，点划线表示动力通路。
图中：1.燃料箱；2.燃料泵；3.动力涡轮；4.鼓风机；5.球阀；6.燃料电池；7.温度传感器；8.电动机；9.动力耦合装置；10.动力输出轴；11.高压缸；12.高压活塞；13.高压活塞连杆；14.动力轴；15.低压缸；16.低压缸活塞；17.低压缸进气阀；18.废气进气阀；19.催化剂涂层；20.废气排出阀；21.低压缸排气阀；22.热重整器；23.净化分离器；24.高压缸进气阀；25.燃料喷射阀；26.高压缸排气阀；27.预热器；28.中冷器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种分缸式发动机燃料重整混合动力系统的工作方法及热量管理。本发明将分缸式四冲程自由活塞发动机中高压缸的高温废气余热利用，并利用高压缸带动低压缸活塞运动，在低压缸内实现燃料的第一阶段重整，随后进入热催化重整器进行第二阶段的重整，进一步提高重整率和能量利用率。该系统中，燃料首先在低压缸中进行第一阶段压缩，压缩至终点的高温高压使燃料发生重整，部分燃料分解为氨和氢气，在第二阶段的重整中未发生重整的氨进一步在热催化条件下分解，随后部分氢用作为氢燃料电池的燃料来源，其余燃料进入高压缸进行第二段压缩，有效提高发动机的进气压力，提高工作过程中的平均压力，提高内燃机热效率。燃烧后的工质进入热重整器对进入低压缸中的燃料进行预热，使其更容易发生重整，随后为燃料电池提供热量，使其快速进入工作温度，进一步提高了装置的能量利用效率。
本发明的核心思想是通过在分缸式内燃机的低压缸中安装催化剂涂层，为燃料重整提供催化剂环境实现低压缸中的燃料重整，并在热重整器中进行二次重整；燃料重整产生的氢用于氢燃料电池中提供辅助动力，其余活性气体进入高压缸中进一步提升其燃烧性能；将高压缸中的废气通入低压缸中再次膨胀做功，提高能量利用效率。结合图1，本发明具体提出一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统，所述混合动力系统包括燃料箱1、燃料泵2、动力涡轮3、鼓风机4、球阀5、燃料电池6、温度传感器7、电动机8、动力耦合装置9、动力输出轴10、高压缸11、高压缸活塞12、高压活塞连杆13、动力轴14、低压缸15、低压缸活塞16、低压缸进气阀17、废气进气阀18、催化剂涂层19、废气排出阀20、低压缸排气阀21、热重整器22、净化分离器23、高压缸进气阀24、燃料喷射阀25、高压缸排气阀26、预热器27和中冷器28；所述燃料箱1通过燃料泵2与低压缸进气阀17相连，所述低压缸排气阀21与净化分离器23入口相连，所述净化分离器23出口分别与燃料电池6入口和高压缸进气阀24相连，所述废气排出阀20与预热器27、动力涡轮3、球阀5、燃料电池6依次相连，所述高压缸活塞12与低压缸活塞16均通过连杆与动力轴14相连，所述动力轴14通过动力耦合装置9与电动机8相连；所述鼓风机4分别与动力涡轮3和燃料电池6相连，燃料电池6上设置温度传感器7，所述动力耦合装置9与动力输出轴10相连，所述中冷器28连接热重整器22和净化分离器23；所述低压缸排气阀21与热重整器22相连，将第一阶段重整后的燃料通入热重整器22中进行第二阶段重整；所述高压缸进气阀24入口与净化分离器23相连，被净化后的重整气体通入高压缸11中进行能量利用；所述高压缸排气阀26通过热重整器22与废气进气阀18相连，将高压缸11中燃烧膨胀后的气体导入低压缸15中进行二次膨胀做功；所述废气排出阀20、预热器27入口、动力涡轮3依次相连，将膨胀做功后的气体余热用于预热燃料，随后进入动力涡轮3中进行膨胀，带动涡轮做功。
为了在发动机缸内实现燃料重整，对发动机内表面进行涂层处理，即对活塞、缸壁和缸盖内表面安装钌催化剂涂层。
为了进一步实现对内燃机为其能量的回收，所述废气排出阀20与预热器27相连，通过预热器27实现对燃料的预热，提升燃料温度，所述预热器27出口与动力涡轮3相连，启动鼓风机4保证燃料电池6所需空气流量。
为进一步解决燃料电池启动慢的问题，所述动力涡轮3出口通过球阀5与燃料电池6相连，在燃料电池6上设置温度传感器7，当燃料电池6温度低于工作温度时，球阀5开启，带有一定余热的废气进入燃料电池6对其进行加热，当燃料电池6温度达到工作温度时，球阀5关闭，废气直接排入空气中。所述工作温度为70℃。
本发明提出的一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统主要包括：内燃机系统、燃料电池系统和余热利用系统，所述内燃机系统包括高压缸11、高压缸活塞12、高压活塞连杆13、低压缸15、低压缸活塞16、低压缸进气阀17、废气进气阀18、催化剂涂层19、废气排出阀20、低压缸排气阀21、高压缸进气阀24和燃料喷射阀25；所述低压缸排气阀21与热重整器22相连，将第一阶段重整后的燃料通入热重整器22中进行第二阶段重整；所述高压缸进气阀24入口与净化分离器23相连，被净化后的重整气体通入高压缸11中进行能量利用，所述高压缸排气阀26通过热重整器22与废气进气阀18相连，将高压缸11中燃烧膨胀后的气体导入低压缸15中进行二次膨胀做功；所述燃料电池系统包括燃料电池6、温度传感器7；所述余热利用系统包括预热器27、动力涡轮3、鼓风机4，所述废气排出阀20、预热器27入口、动力涡轮3依次相连，将膨胀做功后的气体余热用于预热燃料，随后进入动力涡轮3中进行膨胀，带动涡轮做功。
所述低压缸15与高压缸11的冲程一致，高压缸11的体积及内径均小于低压缸15的体积及内径。
两个活塞12、16均通过连杆与动力轴14固接，实现两台内燃机的动作同步。
所述废气进气阀18与热重整器22安装有流量控制阀，当热重整器22达到重整温度前减小从热重整器22外侧流出废气流量以增强内部换热，使其迅速达到重整温度。
本发明提出一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一，燃料箱1中的燃料通过燃料泵2，经过燃料喷射阀25进入高压缸11并自然吸气，进行正常发动机的工作循环，通过动力轴14带动低压缸活塞16运动；
步骤二，高压缸活塞12由下止点运动到上止点(压缩阶段)时，在压缩终点通过燃料喷射阀25向缸内喷入燃料，同时带动低压缸活塞16从上止点运动至下止点实现进气，同时燃料箱1中的燃料通过燃料泵2由低压缸进气阀17进入缸内，实现进气道喷射；
步骤三，在高压缸11压缩终点，高压缸11内实现燃料的燃烧，高压缸活塞12由上止点运动到下止点(燃烧膨胀阶段)，低压缸活塞16由下止点运动至上止点，对燃料混合气进行压缩，在压缩终点形成高温高压环境，并在催化剂环境下实现燃料热重整，产生氢气及其他活性高的可燃气体，并通过低压缸排气阀21进入热重整器22中进行第二次重整，进一步提高重整效率；
步骤四，高压缸活塞12由下止点运动到上止点(排气阶段)时，高温高压的废气进入热重整器22中为燃料重整提供热量，随后由废气进气阀18进入低压缸15实现第二次膨胀；
步骤五，高压缸活塞12由上止点运动到下止点(进气阶段)时，热重整器22中的气体通过中冷器28冷却后被净化分离器23分离，其中高浓度的氢气进入燃料电池6中作为燃料，其余气体进入高压缸11中作为进气；同时低压活塞16由下止点运动到上止点，低压缸15中二次膨胀后的废气通过废气排出阀20排出；废气通过预热器27对后续进入低压缸15中的燃料进行预热，随后进入动力涡轮3再次膨胀驱动涡轮，最后进入燃料电池6，对燃料电池6进行加热；动力涡轮3驱动鼓风机4使空气进入燃料电池6中，同时热重整器22中的氢气通过净化分离器23进入燃料电池6中，实现燃料电池6放电。
至此，一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统一个完整的工作循环结束。
在本发明中，采用分缸式四冲程发动机和热重整器来实现燃料两阶段重整，通过低压缸压缩终点的高温环境实现燃料地第一阶段重整，然后进入重整器中由废气提供热量实现第二阶段地重整，进一步提高燃料重整效率。利用改造的低压缸对载氢燃料进行热催化重整，得到的富氢燃料通入氢燃料电池中，另一部分燃料在低压缸中压缩后进入高压缸燃烧做功，最后将高压缸的废弃通入低压缸中再次碰撞做功，此设计大大提高了内燃机的做功能力及能量转化效率，同时实现了燃料重整，将燃料电池与分缸式发动机相结合形成的混合动力大大提高了动力性能。
以上对本发明所提出的一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统与方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统，其特征在于：所述混合动力系统包括燃料箱(1)、燃料泵(2)、动力涡轮(3)、鼓风机(4)、球阀(5)、燃料电池(6)、温度传感器(7)、电动机(8)、动力耦合装置(9)、动力输出轴(10)、高压缸(11)、高压缸活塞(12)、高压活塞连杆(13)、动力轴(14)、低压缸(15)、低压缸活塞(16)、低压缸进气阀(17)、废气进气阀(18)、催化剂涂层(19)、废气排出阀(20)、低压缸排气阀(21)、热重整器(22)、净化分离器(23)、高压缸进气阀(24)、燃料喷射阀(25)、高压缸排气阀(26)、预热器(27)和中冷器(28)；所述燃料箱(1)通过燃料泵(2)与低压缸进气阀(17)相连，所述低压缸排气阀(21)与净化分离器(23)入口相连，所述净化分离器(23)出口分别与燃料电池(6)入口和高压缸进气阀(24)相连，所述废气排出阀(20)与预热器(27)、动力涡轮(3)、球阀(5)、燃料电池(6)依次相连，所述高压缸活塞(12)与低压缸活塞(16)均通过连杆与动力轴(14)相连，所述动力轴(14)通过动力耦合装置(9)与电动机(8)相连；所述鼓风机(4)分别与动力涡轮(3)和燃料电池(6)相连，燃料电池(6)上设置温度传感器(7)，所述动力耦合装置(9)与动力输出轴(10)相连，所述中冷器(28)连接热重整器(22)和净化分离器(23)；所述低压缸排气阀(21)与热重整器(22)相连，将第一阶段重整后的燃料通入热重整器(22)中进行第二阶段重整；所述高压缸进气阀(24)入口与净化分离器(23)相连，被净化后的重整气体通入高压缸(11)中进行能量利用；所述高压缸排气阀(26)通过热重整器(22)与废气进气阀(18)相连，将高压缸(11)中燃烧膨胀后的气体导入低压缸(15)中进行二次膨胀做功；所述废气排出阀(20)、预热器(27)入口、动力涡轮(3)依次相连，将膨胀做功后的气体余热用于预热燃料，随后进入动力涡轮(3)中进行膨胀，带动涡轮做功。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，发动机的活塞、缸壁和缸盖内表面安装钌催化剂涂层。
3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述废气排出阀(20)与预热器(27)相连，通过预热器(27)实现对燃料的预热，提升燃料温度，所述预热器(27)出口与动力涡轮(3)相连，启动鼓风机(4)保证燃料电池(6)所需空气流量。
4.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述动力涡轮(3)出口通过球阀(5)与燃料电池(6)相连，在燃料电池(6)上设置温度传感器(7)，当燃料电池(6)温度低于工作温度时，球阀(5)开启，带有一定余热的废气进入燃料电池(6)对其进行加热，当燃料电池(6)温度达到工作温度时，球阀(5)关闭，废气直接排入空气中。
5.根据权利要求4所述的混合动力系统，其特征在于，所述工作温度为70℃。
6.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述低压缸(15)与高压缸(11)的冲程一致，高压缸(11)的体积及内径均小于低压缸(15)的体积及内径。
7.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述废气进气阀(18)与热重整器(22)安装有流量控制阀，当热重整器(22)达到重整温度前减小从热重整器(22)外侧流出废气流量以增强内部换热，使其迅速达到重整温度。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述基于分缸式内燃机两阶段燃料重整的混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一，燃料箱(1)中的燃料通过燃料泵(2)，经过燃料喷射阀(25)进入高压缸(11)并自然吸气，进行正常发动机的工作循环，通过动力轴(14)带动低压缸活塞(16)运动；
步骤二，高压缸活塞(12)由下止点运动到上止点时，在压缩终点通过燃料喷射阀(25)向缸内喷入燃料，同时带动低压缸活塞(16)从上止点运动至下止点实现进气，同时燃料箱(1)中的燃料通过燃料泵(2)由低压缸进气阀(17)进入缸内，实现进气道喷射；
步骤三，在高压缸(11)压缩终点，高压缸(11)内实现燃料的燃烧，高压缸活塞(12)由上止点运动到下止点，低压缸活塞(16)由下止点运动至上止点，对燃料混合气进行压缩，在压缩终点形成高温高压环境，并在催化剂环境下实现燃料热重整，产生氢气及其他活性高的可燃气体，并通过低压缸排气阀(21)进入热重整器(22)中进行第二次重整，进一步提高重整效率；
步骤四，高压缸活塞(12)由下止点运动到上止点时，高温高压的废气进入热重整器(22)中为燃料重整提供热量，随后由废气进气阀(18)进入低压缸(15)实现第二次膨胀；
步骤五，高压缸活塞(12)由上止点运动到下止点时，热重整器(22)中的气体通过中冷器(28)冷却后被净化分离器(23)分离，其中高浓度的氢气进入燃料电池(6)中作为燃料，其余气体进入高压缸(11)中作为进气；同时低压活塞(16)由下止点运动到上止点，低压缸(15)中二次膨胀后的废气通过废气排出阀(20)排出；废气通过预热器(27)对后续进入低压缸(15)中的燃料进行预热，随后进入动力涡轮(3)再次膨胀驱动涡轮，最后进入燃料电池(6)，对燃料电池(6)进行加热；动力涡轮(3)驱动鼓风机(4)使空气进入燃料电池(6)中，同时热重整器(22)中的氢气通过净化分离器(23)进入燃料电池(6)中，实现燃料电池(6)放电。
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2022
- 2022-11-22 CN CN202211462356.8A patent/CN115788709B/zh active Active
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