TW201317439A - 利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置 - Google Patents

Abstract

一種本發明所提供之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其主要利用引擎廢熱製氫，以及對引擎加氫，達到降低污染及省油的目的。本發明包含：甲醇儲桶、甲醇重組器、連接甲醇儲桶與甲醇重組器之間的輸送管路、以及連接甲醇重組器與引擎進氣歧管之間的氫氣輸送管路。該甲醇儲桶內的甲醇水溶液能夠沿輸送管路送至甲醇重組器內。該甲醇重組器包含設置有一體構成的吸熱體及反應用的觸媒床，該吸熱體吸收引擎內燃料點火爆炸所產生廢氣的熱量，作為觸媒床對甲醇與水蒸氣進行化學反應所需的熱源，而產生氫氣。該氫氣能夠沿氫氣輸送管路送入引擎內，使燃料完全燃燒，降低廢氣中的碳含量，降低污染。

Description

利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置

本發明係有關於一種利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其主要利用引擎的廢熱作為甲醇重組器啟動工作所需的熱量，以製造氫氣，並送入引擎內，使引擎內的燃料完全燃燒，達到省油、減污的目的。

由於車輛使用本身既是溫室氣體排放重要來源，同時又是高度倚賴石油的使用部門，故車輛節能減碳為重要政策方向。

查，一般的車輛用的內燃機引擎為達成良好的點火燃燒效率，車廠於內部設定其最佳的空燃比A值(空氣與燃料的混合比率，通常為14.5-15.0)，在此數值下能使燃料發揮最大的燃燒效益。國際知名的汽車製造商在生產省油車輛時，在油、氣混合上，以精確的控制裝置使空燃比接近這最佳A值。

空燃比越高表示燃料的含量越少，越能省油，但常導致引擎不穩定及震盪，也欠缺足夠的馬力來行駛。當空燃比大於A值時，表示燃料為相對稀薄。則點火時引擎內為稀薄燃燒的狀態。稀薄燃燒會延遲爆炸的時間，使引擎內發生爆震現象，以至於引擎運轉不順暢。當汽車的引擎發生爆震現象時，車輛會產生劇烈震動，導致引擎效率的下降，且有熄火之虞，對車體及車內裝置容易因爆震而損壞。

油箱所送出的油與進氣歧管輸入的空氣，在混合後進入引擎內點火燃燒、爆炸，而推動引擎內的活塞作功。在燃燒過程中約有1/3的燃料未燃燒完全，而隨廢氣由排氣管排出，造成污染。空燃比過低時，會發生燃料燃燒不完全的現象，使廢氣污染度較高，影響空氣品質，有害環保。由於氫氣的燃燒能階極低(0.017MJ；汽油,0.29MJ)，快速燃燒而其火焰速度(3.2-4.4M/s)遠比汽油的火焰速度(0.34M/s)快，因此，美國麻省理工學院的教授們在引擎內加氫，透過氫氣的助燃以提高燃油在引擎的燃燒效率，使原來無法完全穩定燃燒的燃料瞬間燃燒殆盡，也免除引擎的爆震，更使排放的廢氣中的含碳量降低，減少污染。即利用氫燃料輔助提高石油能源的效率與淨化其排氣，從而減低石油的消耗及溫室氣體排放。但困難是如何在行駛的車輛在車上連續提供安全而低廉的氫氣。

現階段的作法，所要的氫氣一種來自高壓氫氣鋼瓶或儲氫罐，另一種來自水的電解或電漿重組(Plasma reforming)所產生的氫氣。前者所用的儲氫設備笨重，昂貴，儲存量有限，無法長期連續使用，這些缺點限制了這方法的實用性。

電解水獲得氫氣的方法，有下列的缺點：

1)　所產的氫氣與氧氣2比1的比例混合(67%氫氣及33%氧氣)，在氫氣的自燃範圍內(4-74%H2)，有爆炸的危險，

2)　水電解所要的電力(4-5度/立方米氫氣)間接來自燃油在引擎的運作所產，如果氫氣量高則引起燃油的浪費，抵銷氫氣助燃的效益，如果注入的氫氣量低，則效益不彰。故此方法也難於達成預期的效益。

以電漿重組方法取得氫氣，必須抽用電池的電能，於車上將汽油轉製氫氣，來進行氫氣的助燃。由美國麻省理工學院的研究人員所開發出，並由Arvin Meritor與德國汽車的汽車工程公司IAV改良的Hydrogen-Boosted Gasoline Engine藉由車上產氫設備，添加15~30%氫氣於現有汽車引擎，達成提升30%能源效率降低燃料成本，並且因為氫氣的幫助使燃料更完全的燃燒，降低廢氣的排放量，更有效降低NOx的排放至幾乎沒有，這方法的設備複雜，昂貴，且其氫氣濃度很低，約12-18%，效益有限。因此至今缺乏商業產品。

為突破上述三種方法的缺點及限制，在不改變原有內燃機結構情況下，本發明以新穎的設備利用引擎廢熱作為製氫能源，生產氫氣，注入引擎達成氫氣助燃的效益20-30%。

本發明主要目的在提供一種利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其主要利用引擎的廢熱作為甲醇重組器啟動工作所需的熱量，以製造氫氣，並送入引擎內，使引擎內的燃料完全燃燒，降低廢氣中的碳含量，以降低污染。

本發明次要目的在提供一種利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其能夠配合空燃比較高的進油量，以及控制加氫時機，改善稀薄燃燒造成內燃機發生震暴現象及運轉不順暢，達到省油的目的。

本發明所提供之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，包含：甲醇儲桶、甲醇重組器、連接甲醇儲桶與甲醇重組器之間的輸送管路、以及連接甲醇重組器與引擎進氣歧管之間的氫氣輸送管路。該甲醇儲桶內的甲醇水溶液能夠沿輸送管路送至甲醇重組器內。該甲醇重組器包含設置有一體構成的吸熱體及反應用的觸媒床，該吸熱體吸收引擎內燃料點火爆炸所產生廢氣的熱量，作為觸媒床對甲醇與水蒸氣進行化學反應所需的熱源，而產生氫氣。該氫氣能夠沿氫氣輸送管路送入引擎內，使燃料完全燃燒，降低廢氣中的碳含量，以降低污染。

所述甲醇重組器的吸熱體包圍部份或全部引擎排氣管，且與該排氣管呈貼合狀，以吸收廢氣的熱量提升溫度。

所述甲醇重組器的吸熱體設置在引擎排氣管內吸取引擎廢氣的熱量提升溫度。

所述甲醇重組器的吸熱體與引擎呈貼合狀，以吸收廢氣的熱量提升溫度。

所述甲醇重組器的吸熱部份為鋁合金，該反應用的觸媒床可由吸熱體延伸擴大將觸媒床孔道包覆在一個整體內。

所述甲醇重組器的吸熱部份為鋁合金，另以標準的觸媒床立方體緊密焊接在吸熱體的平台上而構成一體。

所述甲醇水溶液的輸送管路設置有一液泵，控制輸送管路泵在甲醇重組器所吸收的熱量達到甲醇水溶液重組製氫反應所需的熱量時啟動，輸送甲醇水溶液至甲醇重組器。

所述甲醇重組器的溫度達200℃時，該甲醇重組器所吸收的熱量達到甲醇水溶液重組製氫反應所需的熱量。

所述甲醇水溶液的輸送管路設置有預熱區，該預熱區能夠對甲醇水溶液加熱，使甲醇水溶液氣化產生水蒸氣。該預熱區纏繞在排氣管上，以吸收引擎廢氣的剩餘熱量。

在環保意識高漲與能源缺乏的今日，省油與少污染才是人類追求的目標。本發明所揭露的引擎的加氫裝置，主要在控制甲醇溶液輸送時機，使甲醇溶液於甲醇重組器處產生氫氣，該氫氣能夠送入引擎內達到對引擎的加氫的操作。

請參閱圖一。本發明所揭露的利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，主要利用引擎14內燃料點火爆炸所產生的廢熱作為甲醇重組器11啟動工作所需的熱量，製造氫氣。將甲醇儲槽10內的甲醇水溶液藉由液泵12作動，輸送到甲醇重組器11處作重組製氫。該氫氣經引擎14進氣管13的進氣歧管131送入引擎14內與燃油一起點火燃燒。

本發明的引擎加氫裝置包含：甲醇儲桶10、甲醇重組器11、連接甲醇儲桶10與甲醇重組器11之間的輸送管路15、以及連接甲醇重組器11與引擎14進氣歧管131之間的氫氣輸送管路114。該甲醇儲桶10內儲放甲醇水溶液，該甲醇水溶液能夠沿輸送管路15送至甲醇重組器11內。該甲醇重組器11包含設置有一體構成的吸熱體111及反應用的觸媒床112。該吸熱體111吸收引擎點火爆炸所產生廢氣的熱量，作為觸媒床112對甲醇與水蒸氣進行化學反應所需的熱源，而產生氫氣。該氫氣能夠沿氫氣輸送管路114及氣氣歧管131送入引擎14內。圖一中編號16的構件為油箱。

圖二所示為甲醇重組器的第一實施例。該甲醇重組器11的吸熱體111設置有與引擎14排氣管141吻合的凹部113，以包圍部份或全部排氣管141，且與該排氣管141呈貼合狀，以吸收廢氣的熱量提升溫度，如圖三所示的狀態。甲醇重組器11的吸熱體111為鋁合金，該反應用的觸媒床112可由吸熱體111延伸擴大將觸媒床112包覆在一個整體內，使甲醇重組器11的外部為一體成型，如圖二所示者。請參閱圖四，甲醇重組器11的吸熱體111為鋁合金，另以標準的觸媒床112立方體緊密焊接在吸熱體111的平台上而構成一體。

請參閱圖五該甲醇重組器11的吸熱體111亦可凸設一凸部116，該凸部116可凸入排氣管141內，更直接地吸取引擎14廢氣的熱量，提升溫度。

圖六所示為甲醇重組器的第二實施例。該甲醇重組器11’的吸熱體111’設置有一可與排氣管141連接的穿孔116’，以與排氣管141連接成一體，以直接吸收廢氣的熱量。該甲醇重組器11’可以標準的觸媒床112’立方體緊密焊接在吸熱體111’的平台上而構成一體。

圖七所示為甲醇重組器的第三實施例。該甲醇重組器30的吸熱體31設置有可與引擎14貼合的凹部33，而可與引擎14外部貼合，以吸收引擎14內部燃料點火爆炸後的廢氣的熱量，而提升溫度。其中，觸媒床32為設置加熱體31內，為一體構成。

連接甲醇儲桶10與甲醇重組器11之間的輸送管路15設置有一液泵12，以控制輸送管路15的暢通或封閉。該液泵12在甲醇重組器11所吸收的熱量達到甲醇水溶液重組製氫反應所需的熱量時啟動，以適時地輸送甲醇水溶液至甲醇重組器11進行重組製氫反應，以產生氫氣。所產生的氫氣即沿氫氣輸送管路114及進氣歧管131送入引擎13內，與燃料一起點火燃燒，以推動引擎14內的活塞142運動。

甲醇重組器11的溫度達200℃時，表示甲醇重組器11所吸收的熱量達到甲醇水溶液重組製氫反應所需的熱量。故利用溫度偵測開關20來偵測甲醇重組器11的溫度，並在溫度達到200℃時導通液泵12的啟動電路，將甲醇水溶液輸送到甲醇重組器11內，憑藉觸媒床112對甲醇水蒸氣進行化學反應，產生引擎14加氫作業所需要的氫氣。

本發明更可包含設置能夠對甲醇重組器11加熱的電熱器17。甲醇重組器11由引擎廢熱所吸取的熱量尚未達到工作溫度200℃時，可啟動電熱器17對甲醇重組器11加熱，使甲醇重組器11能快速地達到工作溫度200℃，以產生氫氣，對引擎14作加氫作業。甲醇重組器的溫度達到200℃後，自動關閉電熱器17。

該甲醇水溶液的輸送管路15設置有預熱區151，該預熱區151能夠對甲醇水溶液加熱，使甲醇水溶液氣化產生甲醇水蒸氣。該預熱區151纏繞在排氣管141上，以吸收引擎14廢氣的剩餘熱量。本發明另設置一回流管路152，可將未作重組製氫的甲醇水溶液導回甲醇儲槽10內。該回流管路152憑藉一電磁閥153控暢通或封閉。

該甲醇重組器11係架設在引擎的排氣管141或引擎的外部，除了能快速升溫外，還能進一步的降低引擎14的溫度，使活塞142與引擎14壁面的間隙縮小到正常狀態。

在引擎14內添加氫氣，能夠憑藉氫氣的燃燒能階極低的特性而做快速燃燒，使燃料完全燃燒殆盡，而淨化排氣，無污染。在引擎14運作的過程中進行全程加氫作業，就可達到排氣無污染的目的。

前述液泵12的啟動電路中包含設置有一液面偵測開關101，該液面偵測開關101偵測到甲醇儲槽10內的甲醇溶液不足時，會切斷液泵12的啟動電路。該甲醇重組器11的超過300℃時，可開啟散熱風扇115降溫，以降低甲醇重組器11工作環境的溫度，以提高安全性。

本發明另可藉由提高進入引擎14內燃料空燃比的方式，以及適時對引擎14內加氫的作業，達到省油的目的。當燃料空燃比高於引擎14出廠的最佳設定值時，可憑藉氫氣的快速燃燒作用，使稀薄燃料加速燃燒，則引擎14內不會發生延遲爆炸，即無爆震現象，使引擎14正常運作。

以上所述的內燃機引擎14可為汽車引擎。實車測試結果如下：以現代汽車2005年款1300cc GETZ進行測試，將本發明裝置安裝於該車上，以75%H₂/25%CO₂鋼瓶供應氫氣源，測試自動模式下，測試氫氣的供應與否對油耗影響的差別。測試路線為龜山文化一路加油站經國道一號至內湖交流道來回，共51.3公理的路程，於高速公路上轉速維持在2000-2200rpm，時速維持在90-100km/hr之間，共測試三組數據如下表。

由上表中可以發現，第一趟(Trip-01)為不加氫氣下的基準值，測試結果油耗量為15.3公里/公升，第二趟加氫量為509L/hr，油耗為20.5公里/公升，可節省25.6%燃油消耗，通入汽車引擎的氫氣與汽油之熱量比為5%。第三趟將氫氣量提高至1700公升/小時，油耗為17.9公里/公升，可節省14.6%燃油消耗，通入汽車引擎的氫氣與汽油之熱量比為14.54%。表示添加適量的氫氣有助於降低耗油量的效果。

本發明能夠在引擎14內的燃料的空燃比較高的情形下，進行加氫操作，就能夠達到降低耗油量的目的，同時也會使原來無法完全穩定燃燒的燃料瞬間燃燒殆盡，使排放的廢氣中的含碳量降低，減少污染。

本發明所提供之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，可運用在各種型式的燃油引擎(例如：車輛引擎、發電機引擎)上，都能發揮節省燃油與降低污染的功能。本發明對引擎的加氫的控制，可在空燃比高的油料稀薄下加氫，以避免引擎爆震與節省燃油；亦可對引擎作全程加氫降低廢氣污染。

以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解，在不脫離所附說明書所限定的精神和範圍的情况下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發明的保護範圍內。

10．．．甲醇儲槽

101．．．液面偵測開關

11．．．甲醇重組器

111．．．加熱體

112．．．觸媒床

113．．．凹部

114．．．輸送管路

115．．．散熱風扇

116．．．凸部

12．．．液泵

13．．．進氣管

131．．．氣氣歧管

14．．．引擎

141．．．排氣管

142．．．活塞

15．．．輸送管路

151．．．預熱區

152．．．回流管路

153．．．電磁閥

16．．．油箱

11’．．．甲醇重組器

111’．．．加熱體

112’．．．觸媒床

116’．．．穿孔

20．．．工作溫度偵測開關

30．．．甲醇重組器

31．．．加熱體

32．．．觸媒床

33．．．凹部

圖一為本發明第一實施例的加氫裝置結構示意圖。

圖二為甲醇重組器第一實施例的外觀圖。

圖三為圖二所示甲醇重組器安裝在排氣管上的示意圖。

圖四為圖二所示甲醇重組器的加熱體與觸媒床另一種結合型態的構造圖。

圖五為圖三所示甲醇重組器增設有凸部的使用狀態示意圖。

圖六為甲醇重組器第二實施例安裝在排氣管上的示意圖。

圖七為甲醇重組器第三實施例的外觀圖。

10．．．甲醇儲槽

101．．．液面偵測開關

11．．．甲醇重組器

114．．．輸送管路

115．．．散熱風扇

12．．．液泵

13．．．進氣管

131．．．氣氣歧管

14．．．引擎

141．．．排氣管

142．．．活塞

15．．．輸送管路

151．．．預熱區

152．．．回流管路

153．．．電磁閥

16．．．油箱

20．．．工作溫度偵測開關

Claims (14)

1. 一種利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，包含：甲醇儲桶、甲醇重組器、連接甲醇儲桶與甲醇重組器之間的輸送管路、以及連接甲醇重組器與引擎進氣歧管之間的氫氣輸送管路；該甲醇儲桶內儲放甲醇水溶液，該甲醇水溶液能夠沿輸送管路送至甲醇重組器內；該甲醇重組器包含設置有一體構成的吸熱體及反應用的觸媒床；該甲醇重組器的吸熱體吸收引擎內燃料點火爆炸所產生廢氣的熱量，作為觸媒床對甲醇與水蒸氣進行化學反應所需的熱源，而產生氫氣；該氫氣能夠沿氫氣輸送管路送入引擎內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該甲醇重組器的吸熱體包圍部份或全部引擎排氣管，且與該排氣管呈貼合狀，以吸收廢氣的熱量提升溫度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該甲醇重組器的吸熱體設置在引擎排氣管內吸取引擎廢氣的熱量提升溫度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該甲醇重組器設有可與排氣管連接的穿孔；該甲醇重組器能夠與排氣管連接成一體，以直接吸收引擎所排放廢氣的熱量。
5. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該甲醇重組器的吸熱體與引擎呈貼合狀，以吸收廢氣的熱量提升溫度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，甲醇重組器的吸熱體為導熱性佳的金屬製成，該反應用的觸媒床可由吸熱體延伸擴大將觸媒床孔道包覆在一個整體內。
7. 如申請專利範圍第6項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，甲醇重組器的吸熱體為鋁合金、銅合金、銅等其中之一所製成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，甲醇重組器的吸熱體為導熱性佳的金屬所製成，另以標準的觸媒床立方體緊密焊接在吸熱體的平台上而構成一體。
9. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該甲醇水溶液的輸送管路設置有一液泵，控制輸送管路的暢通或封閉。
10. 如申請專利範圍第9項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該液泵在甲醇重組器所吸收的熱量達到甲醇水溶液重組製氫反應所需的熱量時啟動，輸送甲醇水溶液至甲醇重組器。
11. 如申請專利範圍第10項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，甲醇重組器的溫度達200℃時，該甲醇重組器所吸收的熱量達到甲醇水溶液重組製氫反應所需的熱量。
12. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該甲醇水溶液的輸送管路設置有預熱區，該預熱區能夠對甲醇水溶液加熱，使甲醇水溶液氣化產生甲醇水蒸氣。
13. 如申請專利範圍第11項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其中，該預熱區纏繞在排氣管上，以吸收引擎廢氣的剩餘熱量。
14. 如申請專利範圍第1項所述之利用引擎廢熱啟動甲醇重組器的引擎加氫裝置，其可包含設置有電熱器，該電熱器能夠對甲醇重組器加熱，以加速甲醇重組器升溫。