CN1388308A - 内燃机废气发电及制氢的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实用的内燃机废气发电及制氢装置与方法,特别涉及利用内燃机废气能量产生氢气与氧气,改善内燃机燃烧的方法与装置。它是由废气涡轮,发电机,水电解装置,电控单元组成。废气涡轮将内燃机废气能量转化成机械能,再由发电机将机械能转化成电能,用此电能将水电解成氢和氧,将氢和氧有控制地输入内燃机,在燃烧过程中对所有的内燃机烃燃料进行催化,改善燃烧,从而增加动力,节能,降低排放。

Description

内燃机废气发电及制氢的方法与装置
技术领域
本发明属于利用内燃机废气改善内燃机燃烧的方法与装置，特别涉及利用内燃机废气能量电解水产生氢气来改善内燃机燃烧的方法与装置。
背景技术
氢气对内燃机烃燃料有催化作用，缩短着火延迟期，火焰传播速度快，使内燃机燃烧完全，达到节能、降低有害物排放的目的，效果显著。例如汽油机，掺氢后部分负荷的热效率可提高7％～15％，低负荷汽油油耗下降约20％～25％，CO排放量降低至纯汽油的1/4，HC排放降低至纯汽油的3/4。对于掺氢燃烧，已经有部分学者进行过理论及试验研究，证明掺氢对于内燃机的节省燃料及改善排放有显著效果。目前，氢气的产生与储存是内燃机掺氢燃烧的最大障碍，没有廉价氢的来源，还存在储氢的材料重量过大，成本高等问题。国内外常见的产氢及储氢装置主要是以下三种：
一、金属氢气储存装置
储氢材料以混合稀土镍基合金为主要原料，储氢装置由储氢筒和热交换器二部分组成，合金能够吸附氢气，而后在一定温度下能够释放出来供发动机使用，这种方式储氢装置体积比较大，并且需要加氢气站点。
二、液态氢储存
在-253℃的温度下，将氢液化，再用绝热容器储存，再适当的时候喷入气缸，这种方式成本昂贵，结构复杂，制造液态氢所消耗的能量比制造同重量的气态氢多40％，且液态氢汽化损失严重。
三、水电解装置
电解水产生氢气是方便的氢气提供方法，可以随车用，没有储存的问题，但是电解水需要消耗相当大的电能，产生1NM3氢气，需要4KW以上电能，如果用车上蓄电池或发电机电能(由内燃机有效功提供)，由于消耗大量内燃机有效功，节能效果差，减弱掺氢燃烧的效果，限制了电解水掺氢燃烧的实用化。
发明内容
本发明的目的是使内燃机掺氢燃烧的技术实用化，克服氢气的产生成本及储存的问题。本发明提供一种不用内燃机有效功产生氢气而实现掺氢混燃的装置及方法，降低内燃机有害物的排放，节省烃燃料，同时提供氧气供发动机及人员使用。
本发明的技术方案是利用内燃机废气的能量提供电解水所需电能，再利用电解水产生的氢气与氧气改善内燃机的燃烧，它包括采用废气涡轮将废气能量转化成机械能、采用发电机将机械能转化成电能、采用电解水装置利用电能产生氢气和氧气，再将氢气与氧气输入气缸内，参予燃烧，改善燃烧节能降低排放。其特征在于：通过废气涡轮及发电机将废气能量转化成的电能，提供给电解水装置，利用电解水产生的氢气和氧气调节和改善内燃机的燃烧，达到节能降低排放目的。普通内燃机烃燃料燃烧后产生的热量只有1/3左右转化成内燃机有效功，1/3左右由冷却水带走，而1/3左右由废气带走，本发明是利用废气的能量发出电能解决生产氢气的能量消耗问题，再利用电解水技术，使氢气即产即用，解决氢气的储存问题，从而实现内燃机掺氢燃烧的实用化，达到节能降低排放的目的，同时利用电解水产生的氧气或参予燃烧或供人员使用。本发明的装置尽量在现有的车用装置基础上加以改造，使整个系统更适合车用。
所述内燃机废气发电及制氢的方法是采用涡轮将内燃机废气能量转化成机械能，采用发电机将机械能转换成电能，利用水电解装置产生氢气和氧气，所产生的氢气参与内燃机燃烧，所产生的氧气可以进入气缸参予燃烧，也可以供人员使用。
所述内燃机废气发电及制氢装置包括废气旁通阀、废气涡轮、传动装置、发电机、电解装置、单向阀、转速传感器、控制单元及匹配电子负载组成。
所述内燃机废气发电及制氢装置由排气总管先接电磁废气旁通阀，后接废气涡轮。
所述内燃机废气发电及制氢装置的废气涡轮采用前弯叶片叶轮。
所述内燃机废气发电及制氢装置的涡轮轴一端为成对安装角接触球轴承与另一端为滑动轴承相结合的支撑结构，中间含有润滑油道，利用发动机本体压力润滑油进行润滑及冷却。
所述内燃机废气发电及制氢装置的发电机与涡轮之间采用多楔皮带传动。所述内燃机废气发电及制氢装置中的水电解装置包括电解槽及汽液分离器，采用固体电解质(质子交换膜)。
所述内燃机废气发电及制氢装置中的发电机采用普通车用发电机进行改造，利用蓄电池激磁，不带电压调节器。
所述内燃机废气发电及制氢装置所产生的氢气输出接单向阀再接进气管，氧气输出经单向阀与电控三向阀后，可接到进气管进入
气缸参予燃烧，也可以提供给人员使用。
所述内燃机废气发电及制氢装置的控制单元检测涡轮转速及发电机电流，控制废气旁通阀开闭，控制氧气旁通阀的开启与关闭，同时报警，保证系统的安全性。
所述内燃机废气发电及制氢装置的匹配电子负载采用大功率管将发电机发出多余的电能消耗掉，使电解水装置与发动机的大部分工况匹配。
本发明的优点：
一、回收利用内燃机废气能量，提高燃料的热利用效率，并使内燃机排除的废气温度降低；
二、利用废气发出的电能电解水产生氢气，使掺氢混燃在实车运行中成为可能。避免使用贵重的储氢材料，氢气储藏的危险性，而且解决了产氢成本高的问题。
三、实车掺氢混燃不仅使烃燃料燃烧完全，节约烃燃料，而且可降低汽油机中CO、HC及柴油机排放中的碳烟颗粒、NOx有害物。
四、电解水产生的氧气可以有控制地输入气缸内，在特殊工况及特殊环境中如高原改善燃烧，同时也可以供给成员用；
五、氢气与氧气进入气缸将减少内燃机的泵气损失，减少燃料消耗。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步地描述。
图1为本发明的一个实施例的系统示意图。
图2为内燃机废气发电及制氢装置结构简图。
图3为废气涡轮结构简图。
图4为叶片轮廓简图。
图5发电机线路简图
图6为电解装置结构原理图。
图7为匹配电子负载电路原理图。
具体实施方式
在图1所示的实例中，其内燃机1为自然进气内燃机包括汽油机和柴油机，14为空气滤清器。本发明系统工作过程如下：内燃机由排气管2排除的高温废气流入涡轮4，废气的能量驱动涡轮叶片旋转，将废气的能量一部分转换成机械能，经过皮带传动6带动发电机7旋转，发电机7将机械能转换成电能，发电机7输出直流电接入匹配电子负载32，匹配电子负载32将保证电解水装置工作在设计额定电流以下。经过匹配电子负载32后电流接入电解水装置8，电解水装置8产生氢气及氧气，氢气经过单向阀9进入内燃机进气总管15，氧气经过单向阀10和电控三向阀11，根据需要由控制单元13控制或进入进气总管15参予燃烧，或供给人员使用。电控单元13通过转速传感器5检测涡轮4轴转速，同时通过电流分流器12检测发电机发出的电流，控制电控废气旁通阀3的开启和关闭，并且根据具体要求控制氧气旁通阀11的开启与关闭。当系统工作不正常时，控制单元13打开废气旁通阀3将废气经旁通阀直接排到消音器16，排入大气，而采用燃烧装置则不工作。
本发明装置的安装位置见图2，在排气总管2上游安装电控废气旁通阀3由电磁阀控制阀门的关闭，旁通气道接入消音器16的前端，电控废气旁通阀3的作用是在涡轮超速的情况下，控制废气不经过涡轮直接经过消音器排入大气，防止由于负载消失后涡轮轴超速(如发电机定子线圈断路或电解槽断路)，造成系统的破坏。在排气总管2的下游安装径流涡轮4，涡轮气体出口气道接入消音器16的前端，涡轮轴通过多楔皮带传动6联接到发电机7的轴上，多楔带的型号为PJ，楔数10，减速传动比1.7，最高转速12000rpm。电解装置8产生氢气经过单向阀9接入内燃机进气总管15靠近发动机缸体一端，而氧气经过单向阀10和电控三向阀11，接入接入进气总管15靠近空气滤清器14一端。在氢气与氧气进入进气管前要经过单向阀，防止回火，单向阀采用低压单向阀减少气体运输阻力。氢气与氧气的接入发动机进气总管的位置有所不同，氢气应尽量靠近内燃机机体端1使氢气与氧气的混合时间减少，氧气应尽量靠近空气滤清器端14以便使氧气与空气混合均匀。
废气涡轮4采用轴向排气的径流式涡轮见图3，由涡轮外壳22、中间壳20、涡轮叶轮23、涡轮轴17、盖板19、滑动轴承24、滚动轴承25及油封26等组成，涡轮轴17一端装有涡轮叶轮23，另一端装有皮带传动主动轮18。在皮带传动主动轮18一端，涡轮轴与中间壳之间采用成对安装角接触球轴承25，承受皮带传动所产生的径向力及废气冲击涡轮叶轮23所产生的轴向力。中间壳20内有润滑油道，接入发动机压力润滑油，起润滑轴承及冷却作用。涡轮叶轮23接受涡轮外壳的进气道送来的废气的能量而转动，通过涡轮轴17带动皮带传动主动轮18转动。在皮带传动主动轮18上安装电磁转速传感器27，用作检测涡轮轴17的转速。
为减少废气背压及涡轮转速，叶片采用前弯叶片见图4，由两个相邻叶片A和B组成流道形状，实例所设计的叶片数为11，叶片进口几何角(前弯角)为50度，叶片出口几何角为30度，涡轮设计转速为12000rpm。
废气从涡轮出来后经过原车消音器16排入大气。涡轮与发电机的连接采用多楔皮带传动选用PJ型，传动比为1.7∶1，以降低发电机轴转速适应普通发电机，同时皮带传动可以方便发电机安装位置的选择。
发电机采用普通车用同步交流发电机进行改动，改动后的发电机线路见图5，将车用发电机的电压调节器去掉，由车上蓄电池28输出的直流电经过车钥匙开关29及二极管30接到激磁线圈31，而定子线圈输出的交流电经过整流模块直接接到匹配电子负载32后接入电解槽8的两个极板，由于没有电压调节器，所以发电机输出直流电的电压与电流由水电解装置8负载及废气能量所决定。
电解水装置结构见图6，电解水装置采用固体电解质，电解水装置是由双极性压滤式电解槽和自动压力平衡式汽液分离器35二部分组成，电解槽极板37是垂直互相平行排列，采用串联联接，电流从一端极板导入+P，通过电极经由去离子水33，传导到下一块极板，最后由另一端极板输出-N。相邻两块极板37及其中间的质子交换膜36、去离子水33组成一个电解小室，本装置由22个电解小室并列组成，两端用端板夹紧。对同一块极板而言，在前一电解小室中作为阴极产生氢气，在后一电解小室中则作为阳极产生氧气。产生的氢气与氧气首先应经过汽液分离器35，将带出的去离子水33回收。汽液分离器35的作用一是借助重力，使水电解过程中产生的氢气、氧气同循环去离子水33分离；二是利用分离器35的压力控制，保持电解槽中阴极、阳极室压力平衡；三是利用汽液分离器35及其仪表控制和调节水电解装置运行过程中的各种参数，保持一定量的去离子水33。
匹配电子负载的电路原理见图7，匹配电子负载主要是由大功率管38、运算放大器40、分流器41及电阻39组成。其功用是当发电机发出的电能超过电解水装置设计的额定功率时，将超过部分的电能消耗掉，保证电解水装置正常工作。由于车用发动机工作范围比较广，即发动机转速与扭距变化比较大，相应废气能量变化比较大，所以电解水装置的额定参数设计就要根据发动机经常工作的工况设计(一般取发动机额定负载的2/3)，当发动机工况超过所采用的设计工况时，发动机所排废气能量超过所设计的废气能量值，导致发电机发出的电超过电解水装置设计的额定值，将会导致电解水装置超负荷工作而损坏，所设计的匹配电子负载就是将超过部分的能量消耗掉。发电机输出B+端子接到匹配电子负载，电子负载工作原理是：当电解水装置电流超过设计额定值时，分流器41两端的电压增加，经过运算放大器40，使大功率管38的基极电位升高，基极电流减小，大功率管38的发射极及集电极之间的电流减小，保证电解装置8的电流不超过设计额定电流，由于水电解装置8电流保持不变，在发电机功率增加寸，导致发电机输出端B+电压增加，增加的压降落在大功率管的集电极及发射极之间，使发电机增加的功率消耗在大功率管38上。
控制单元13的作用主要是系统的安全控制。控制单元13主要由单片机、及输入输出外围电路组成，控制单元13通过检测涡轮转速及发电机电流决定系统工作是否正常，如果涡轮轴转速超过设计值12000rpm，控制单元将打开废气旁通阀使废气不通过涡轮直接经过消音器排入大气同时报警，避免涡轮轴超速造成机械损坏。如果发电机电流超过设计额定电解槽电流(在实例中为40A)发电机电流超过范围，控制单元将打开废气旁通阀使废气不通过涡轮直接经过消音器排入大气同时报警，避免由于电流过大造成发电机与电解槽的损坏。
系统工作过程如下：内燃机1排除的高温废气流入涡轮4，废气的能量驱动涡轮叶片旋转，将废气的能量一部分转换成机械能，经过皮带传动6带动发电机7旋转，发电机7将机械能转换成电能，发电机7输出直流电经过匹配电子负载32输入电解水装置8，电解水装置8产生氢气及氧气，然后氢气与氧气分别经过单向阀9、10进入内燃机进气总管15，参予燃烧。电控单元13通过检测涡轮轴的转速传感器信号及发电机产生电流传感器信号来判定整个系统工作是否正常，如果工作不正常，打开电磁废气旁通阀3来关闭系统的工作。

Claims (19)

1.一种内燃机废气发电及制氢的方法，涉及用氢气掺混烃类燃料燃烧，改善内燃机燃烧的方法，其特征在于：它是利用内燃机废气能量转化成机械能，由机械能转化成电能，利用电能产生氢气及氧气，进入气缸内改善内燃机的燃烧。
2.根据权利要求1所述的内燃机废气发电及制氢的方法，其特征在于：利用涡轮将内燃机废气能量转化成机械能。
3.根据权利要求1所述的内燃机废气发电及制氢的方法，其特征在于：采用交流同步发电机将机械能转化成电能。
4.根据权利要求1所述的内燃机废气发电及制氢的方法，其特征在于：采用水电解装置利用电能产生氢气及氧气。
5.根据权利要求1所述的内燃机废气发电及制氢的方法，其特征在于：将氢气与氧气通过进气道输入气缸，参予燃烧。
6.根据权利要求1所述的内燃机废气发电及制氢的方法，其特征在于：氧气根据内燃机工况，可以供给内燃机燃烧，也可以供给人员使用。
7.一种内燃机废气发电及制氢的装置，涉及用氢气掺混烃类燃料燃烧，改善内燃机燃烧的装置，其特征在于：包括一将内燃机废气能量转化成机械能的废气涡轮，一将机械能转化成电能的发电机，一利用该发电机的电能产生氢气及氧气的水电解装置，一控制氢气及氧气进入气缸内改善内燃机燃烧的控制单元，一消耗超过设计额定值的功率的匹配电子负载。
8.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：废气涡轮的叶片采用前弯叶片。
9.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：废气涡轮的轴支撑采用一端为成对安装角接触球轴承与另一端为滑动轴承相结合的支撑结构。
10.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：废气涡轮的中间壳内含有润滑油道，利用发动机本体压力润滑油进行润滑及冷却。
11.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：发电机采用普通车用交流同步发电机，不带电压调节器。
12.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：氧气及氢气的输送管道中装有单向阀。
13.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：内燃机废气管与涡轮进气口之间安装电控废气旁通阀。
14.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：涡轮轴与发电机轴之间采用多楔带传动。
15.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：氧气及氢气的输送管道中装有普通低压单向阀。
16.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：内燃机废气管与涡轮之间安装电控废气旁通阀。
17.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：电子负载采用大功率管消耗发电机产生的过剩电能。
18.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：水电解装置的设计额定功率，根据具体发动机常用工况决定。
19.根据权利要求7所述的内燃机废气发电及制氢的装置，其特征在于：采用固体电解质的水电解装置。
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