CN85109487B - 余热制氢发动机 - Google Patents

Abstract

一种装有碳氢燃料转化反应装置的发动机，它在运行过程中，使碳氢燃料、水和气化剂三者按比例、定量供入转化反应器进行反应。反应中所需的热量，全部由发动机废气和冷却水余热供给。废气热量的传输，凭发动机缸内的高压状态燃气压力，使废气通过缸壁上的输气孔供入反应器。反应后产生的氢和一氧化碳再生气与汽油混合作为发动机燃料使用，以此提高发动机的热效率、降低耗油量，减少废气污染和利用代用燃料。

Description

余热制氢发动机

本发明是涉及一种在发动机上使碳氢燃料（汽、柴、煤、植物油、酒精、甲醇等），转化为氢和一氧化碳再生气的方法和装置。装置产生的再生气与汽油混合作为该发动机的燃料使用。

众所周知碳氢燃料转化为氢和一氧化碳的要素是：1、燃料和水（气化剂）;2、热量;3、反应釜;4、催化剂。而在发动机上进行转化时还需要满足汽车发动机运行过程的条件。关于这个问题，在现有专利US4059076中已经得到了解决。（发明人：日本KaTuaKi;KosaKa HidaKa;Zene Ueno1977.11.）。其解决的方法和装置是用一台小型辅助汽油机（简称辅机）、一个转化反应器及其配套的部件管路，组成一个与发动机匹配的燃料转化系统。其中辅机在运行中产生的废气（热量）经排管全部供入反应器内作为反应转化的热量。同时供入的还有经过预热的油、水（蒸气）。它们在催化剂条件下进行化学反应。反应中产生氢和一氧化碳（含非可燃气体成份）再生气，经降温后，引入发动机作为燃料使用。值得注意的是当中辅机的职能仅作为传输、产生废气热量之用，而不对外作功。同时与此类似的装置和方法还散见于英国专利GB1491138、GB1485834和德国专利DE2439873等。他们的技术特点是以空压机代替辅机，而在反应器内是用传统的“部分氧化法”使碳氢燃料转化为氢和一氧化碳再生气，但在现有技术中采用的方法和装置存在以下缺点。

1、在发动机上配备一台辅机或一套压气机设备，专门为反应器传输提供反应所需要的热量，而不对外作功;机构复杂笨重，耗能太多。

2、在辅机中不便于利用多种代用燃料。

3、在辅机缸内喷水（US4004554），容易使缸内零部部件产生锈蚀，冷激现象。

4、在辅机缸内进行转化反应，容易使缸内零部件造成积炭。

5、在辅机运行中，由于提供的废气温度、压力不稳定，致使燃料转化反应的速率、强度受到一定的限制。

6、在辅机中不便于利用催化剂。

正是由于以上的缺点，致使现有碳氢燃料转化技术不能在提高发动机热效率和降低耗油量方面产生应有的效益。

本发明的目的是要提供一种新的方法和装置。这种方法和装置，不但能使碳氢燃料充分地高速地转化为氢和一氧化碳再生气供发动机使用。而且它在反应过程中所需的热量，完全由发动机本身所产生的废气传输供给。这样不仅消除了复杂笨重的辅机和由于利用辅机而产生的缺点，而且使整个装置系统结构简单，效益显著，便于实用。

本发明装置的原理是（见附图1）：在发动机运转过程中，当动力冲程末期，活塞行程1/2-2/3，发动机已作功占发动机总功率80.9～89.2%，燃气状态为温度1300-900℃，压力10-6bar时，在缸壁上开输气孔Ⅱ₃，令发动机缸内燃气凭借高压状态的压力穿过输气孔Ⅱ₃，循管路Ⅱ₉进入燃料转化反应器Ⅱ₁内与油、水（蒸气）混合，在催化剂条件下进行化学反应。同时在反应过程中回收利用发动机废气和冷却水余热，使碳氢燃料转化为氢和一氧化碳再生气，作为发动机的高品位燃料使用，以此节约能源，提高发动机的热效率。

我们知道现代发动机的一般热效率是25-32%，即用于发动机的燃油热量几乎占60%以上是从发动机的冷却和排气系统中散失掉。近几年来，国际上对绝热发动机进行了广泛的研究和实验。其使发动机绝热化的意义和目标就是最大限度地回收利用发动机的废气和冷却水余热来提高发动机的热效率。目标是一个，然而实现的途径和方法往往不是一个。从现在已经采用的绝热方案看，存在材料技术难度大，实验周期长、投资大和实施困难等问题。而本发明装置采用的途径和方法是在发动机燃料转化反应过程中利用化学的方法，直接从废气和冷却水中回收利用余热。其中回收的热量（约占发动机余热总量的20-30%，这相当于使现有发动机热效率增加12-16%）最终以化学能形式存储于新产品再生气之中。

本发明装置的运转程序如下：

1、发动机初始准备阶段（见附图1）：

a、首先关闭发动机水阀Ⅱ₁₂、油阀Ⅱ₁₈、和手控阀Ⅱ₅，然后按传统发动机操作程序起动、运转、并进行工作。这时发动机的结构、原理、性能与传统发动机完全相同。

b、当发动机运转正常、燃料转化反应器开始工作时，首先开启手控阀Ⅱ₅（控制废气量），转动双向阀Ⅱ₂₀，使接通反应器Ⅱ₁-排气歧管Ⅱ₂₁，阻断反应器Ⅱ₁-汽化器的通路。于是当发动机动力冲程时，燃烧室混合气点火爆发，燃气（温度2500℃、压力40-35bar）迫使活塞下行作功。当活塞行程1/2-2/3时，就在气缸壁上显露输气孔Ⅱ₃。由于缸内气压（10-6bar）大于反应器内压力（5-3bar），因此燃（废）气温度1300-900℃，压力10-6bar，凭借高压力冲开限压阀Ⅱ₄经输气孔Ⅱ₃，管路Ⅱ₉进入混合室Ⅱ₂和反应器Ⅱ₁，对反应器内部和催化剂加热升温，然后再由出口经双向阀Ⅱ₂₀和排气歧管Ⅱ₂₁排出机外。当反应器内达到温度830℃以上，压力5-3bar时，则开启水阀Ⅱ₁₂和油阀Ⅱ₁₈，使经预热的油、水（蒸气）按比例进入混合室和废气均匀混合。同时转动双向阀Ⅱ₂₀，接通反应器-汽化器进气管，阻断反应器-排气歧管管路，至此燃料转化工作准备就绪。

2、发动机燃料转化工作阶段：

当发动机动力冲程时，燃烧室混合气爆发燃烧，高温高压的燃气（温度2500℃、压力40-35bar），迫使活塞下行作功，当活塞行程1/2-2/3时，在缸壁上露出输气孔Ⅱ₃。由于缸内外存在压力差，（此时燃气温度1300-900℃，压力10-6bar），因此缸内燃气凭笈高压力冲开限压阀Ⅱ₄，由输气孔Ⅱ₃、循管路Ⅱ₉进入混合室Ⅱ₂，并与油、水（蒸气）混合进入反应器Ⅱ₁内;在催化剂条件下进行反应。与此同时，活塞继续下行，缸内压力继续下降。当缸内外压力达到平衡时，限压阀Ⅱ₄因弹簧压力立即关闭输气孔Ⅱ₃。最后活塞到达下止点，燃烧室排气门Ⅰ₅打开。残留在缸内的废气就在排气冲程中排出机外，接着发动机继续下一个工作循环，由反应器Ⅱ₁中产生的氢和一氧化碳再生气（温度500-300℃，压力3-1.5bar）经水热交换器Ⅱ₁₁，油热交换器Ⅱ₁₅，双向阀Ⅱ₂₀、管道Ⅱ₁₆降温，最后进入存储器Ⅱ₂₄恒压、存储、冷却。使温度下降小于55℃、压力大于1bar，供发动机燃料备用。其中掺与反应的设备、原件、管路如反应器、热交换器、混合室存储器、喷嘴、泵、阀门、管件等，其技术一般，均按现有技术、材料、工艺制作。在反应中进入混合室Ⅱ₂的水是来自发动机水套Ⅰ₁₀，经水阀Ⅱ₁₂、水泵Ⅱ₂₂、水热交换器Ⅱ₁₁和水管Ⅱ₁₀。而进入混合室Ⅱ₂的油是来自发动机油箱Ⅰ₁₃，经油阀Ⅱ₁₈、油泵Ⅱ₁₉排气热交换器Ⅱ₁₄、油热交换器Ⅱ₁₅、管路Ⅱ₁₃。在反应器Ⅱ₁中保持的温度1200-830℃，压力5-3bar。油、水比是1∶0.8（重量）。混合室喷嘴前油温高于227℃，水温高于180℃。混合室喷嘴后，油压力大于5bar，水压力大于5bar，反应器Ⅱ₁与发动机气缸工作容积之比是1/4，而进入反应器Ⅱ₁的废气循环供入量约为发动机燃气（状态温度1300-900℃、压力10-6bar）总量的1/3-1/4。这相当于耗用发动机功率5-7%，使热效率下降1.26-1.76%。发动机废气的主要成份是二氧化碳（CO₂）、氮（N₂）。

在反应器Ⅱ₁内进行的化学反应方程式：

C+CO₂＝2CO-38700千卡/Kgmo 1

C+H₂O＝CO+H₂-28380千卡/Kgmo 1

C+2H₂O＝CO₂+2H-19.2千卡/Kgmo 1

C+2H₂＝CH₄+19.9千卡/Kgmo 1

CO+H₂O＝CO₂+H₂+10.10千卡/Kgmo 1

在反应器Ⅱ₁中产生的再生气成份是氢（H₂），一氧化碳（CO）、氮（N₂）、少量的氧化氮（NOX）。其中的非可燃成份氮（N₂），由于其含量浓度在允许极限值内，根据大量的实验和应用证实，这对发动机正常燃烧和工作，没有任何影响。值得注意的是在再生气成份中的氢含量浓度较高，而且由于在反应中油、水比例可调、反应温度可调，因此氢的浓度也可调。这对于汽油掺氢技术的实施和应用，提供了良好的条件。据报导关于汽油掺氢技术，在国内外都得到广泛的重视和研究，并取得了一定的成果。特别苏联已经采用FeTi型氢储气罐装车实验：将氢和汽油按比例通过双燃料混合器供给发动机作燃料使用。以此可使发动机节约汽油消耗25-40%。但是苏联用储气罐的方法来实现掺氢技术的目的，其成本太高，而且目前该技术尚处于实验阶段。而本技术装置在燃料转化过程中，所产生的再生气中，不仅含有丰富的氢，而且制氢的方法简单、可靠、实用。

本发明装置的特点和效益如下：

1、本技术在燃料转化过程中所需的热量和原料气化剂是直接从发动机来源供给，因此，它不仅消除了笨重和耗能太多的辅机、空压机，而且消除了因此而产生的缺点;所以，本技术装置结构简单，便于实用。

2、本技术在燃料转化过程中掺与反应的油、水比例可调。因此所产生的再生气，其中氢含量丰富，而且可调。这对于汽油掺氢技术方案的实施和应用创造了良好的条件。

3、本技术在燃料转化过程中，能从发动机废气和冷却水中回收利用余热，约占发动机余热总量的20-30%，使发动机热效率提高12-16%。因此，它具有发动机绝热的效用和特性。

4、本技术在燃料转化过程中所用的燃料，除了汽油、柴油外，还可以采用多种代用燃料。例如煤油、酒精和植物油、甲醇等。因而扩大了发动机燃料利用范围，开发了能源。

5、本技术在燃料转化过程中，由于氢和一氧化碳再生气的产生，汽油掺氢技术的实施结果，不仅改善了燃料特性和发动机燃烧特性，提高了发动机热效率，而且减少了废气污染。

6、根据前面的论述，本技术装置与传统四冲程汽油机匹配的工作原理、性能特点、作用效益对于柴油机同样适用。若本技术与二冲程汽油机或柴油机相匹配时，其工作原理、性能特点和作用效益也相同。特别本技术装置当与我国解放牌发动机CA-10B或东风牌140发动机相匹配时，可以使发动机热效率在现有的水平上提高12-16%，耗油量降低8-10%，而废气污染大量减少。

本发明装置的附图说明：

附图1是传统四冲程汽油机与其匹配的燃料转化装置结构示意图。图中标号Ⅰ是传统四冲程发动机机构零件代号。其中有发动机缸体Ⅰ₀、活塞Ⅰ₁、火花塞Ⅰ₄、排气门Ⅰ₅、进气门Ⅰ₇、排气管Ⅰ₉、水套Ⅰ₁₀、进气管Ⅰ₁₁、化油管Ⅰ₁₂、油箱Ⅰ₁₃、油泵Ⅰ₁₄、进气管Ⅰ₁₆水泵Ⅰ₁₇。以上是传统发动机的现成机件。图中标号Ⅱ是燃料转化反应器（简称反应器）及其配套管路零件代号。其所属部件有反应器Ⅱ₁、混合室Ⅱ₂、管路Ⅱ₁₆、再生气存储器Ⅱ₂₄、排气歧管Ⅱ₂₁、双向阀Ⅱ₂₀、管路Ⅱ₉、水管Ⅱ₁₀、油管Ⅱ₁₃、输气孔Ⅱ₃、限压阀门Ⅱ₄、手控阀门Ⅱ₅、水阀Ⅱ₁₂、水泵Ⅱ₂₂、水热交换器Ⅱ₁₁、油阀Ⅱ₁₈、油泵Ⅱ₁₉、排气热交换器Ⅱ₁₄、油热交换器Ⅱ₁₅等。

附图2是传统二冲程汽油机和与其匹配的燃料转化装置结构示意图。图中标号Ⅰ是传统二冲程汽油机零件代号。其中有汽缸Ⅰ₂、活塞Ⅰ₁、火花塞Ⅰ₄、排气孔Ⅰ₅、进气孔Ⅰ₁₉曲轴箱排气口Ⅰ₁₈、曲轴箱进气门Ⅰ₁₇、化油器Ⅰ₁₅、进气管Ⅰ₁₆、排气管Ⅰ₉、进水管Ⅰ₁₀、水泵Ⅰ₁₁、水阀Ⅰ₁₂、油箱Ⅰ₁₃油管Ⅰ₁₄、油泵Ⅰ₂₀。以上是二冲程发动机的现成机件。图中标号Ⅱ是燃料转化反应器（简称反应器）及其配套管路零件代号。其所属部件有反应器Ⅱ₁、混合室Ⅱ₂、输气孔Ⅱ₃、限压阀Ⅱ₄、手控阀*

Claims (9)

1、一种利用余热使碳氢燃料转化为氢和一氧化碳的发动机，它由传统往复活塞式发动机和反应器、混合室、热交换器、水泵、油泵、水阀、油阀、管路等组成，当碳氢燃料转化反应后，所产生的氢和一氧化碳再生气与汽油混合作为发动机燃料，其特征在于，缸壁上开有输气孔，废气凭本身在缸内的高温高压状态所具有的压力，经输气孔传输，供入反应器且反应中所需的热量全部由经输气孔输入的废气供给。

2、根据权利要求1所述装置，其特征在于缸壁上的输气孔Ⅱ₃位于活塞行程1/2～2/3之间，其孔径是缸径的10～15%。

3、根据权利要求1所述装置，其特征在于供入反应器Ⅱ₁的废气温度1100～830℃，压力5～3bar。

4、根据权利要求1所述装置，其特征在于输气孔Ⅱ₃与混合室Ⅱ₂之间的管路Ⅱ₉，上有手控阀门Ⅱ₅以控制废气的流量。而废气供入反应器Ⅱ₁的数量，占发动机废气总量的1/4～1/3。

5、根据权利要求1所述装置，其特征在于，在发动机水套Ⅰ₁₀外，安置有一个与水套连接并使参与反应的水经二者两次予热的热交换器Ⅱ₁₁。

6、根据权利要求1所述装置，其特征在于，发动机排气管内安装有热交换器Ⅱ₁₄，并同时在排气管外有一热交换器Ⅱ₁₅与Ⅱ₁₄相连，用以对参与反应的油进行两次予热。

7、根据权利要求1、6所述装置，其特征在于参与反应的碳氢燃料可以用柴油、煤油、酒精、甲醇、植物油等。

8、根据权利要求1所述装置，其特征在于，在再生气输入发动机之前，安置有一个使其温度降低至55℃以下的冷却器Ⅱ₁₇。

9、根据权利要求1、8所述装置，其特征在于，在再生气输入发动机之前，安置有一个用于稳压储存再生气的存储器Ⅱ₂₄。

Images