CN101092918A - 醇氢发动机燃料*** - Google Patents

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Abstract

一种以醇燃料机载随行催化裂解或重整为以氢气为主的混合氢气后，并以混合氢气作为发动机燃料的醇氢发动机燃料***，本发明的核心在于随行制氢装置带有氢气分离器的分离氢气纯化的旁路***。本发明的优点在于完全避免了氢燃料汽车的氢气储藏与配给问题；克服了直接燃烧醇汽油因醇燃烧不完全和未有效的利用发动机排气废热而引起的高能耗问题，极大的提高了醇燃料的热效率；克服了氢气燃烧中的早燃和爆燃问题；解决了较低压力下氢燃料机车动力下降问题；***结构相对现有技术更加简单。本发明适用于各种机载发动机使用。

Description

醇氢发动机燃料***
所属技术领域
本发明涉及一种以单一醇燃料机载随行催化裂解或重整为氢气后，并以氢气和醇作为发动机燃料的醇氢发动机的燃料***，属发动机和能源技术领域。
背景技术
随着石油资源的不断枯竭和日夜增加的排放压力，寻找环保的替代能源早已受到世界各国的关注。氢气和生物源低碳醇(如乙醇等)已成公认的比较理想的清洁替代能源。
氢燃料作为发动机的直接能源具有能量转换效率高、动力性能好和污染非常小的突出优点。氢能将成为理想的清洁能源之一，已经成为全球性的共识。以纯氢或氢和其它能源共同使用的各种混合动力的机车已成为世界各国研究的热点。
以间接太阳能为代表的生物源乙醇，由于其燃烧不排放二氧化碳、直接燃烧的理化性质与汽油接近，生物源乙醇也是生产氢气的理想的重要原料。所以，生物源乙醇也受到了世界各国的极大重视。乙醇汽油逐渐在一些国家推广使用、将乙醇机载随行裂解为氢气的醇氢汽车及其混合动力汽车也在不同程度的研发及推广中。
但氢能广泛利用的最大障碍在于其储存与配给的困难，地面充氢的氢燃料机车(如CN1800617A公开的氢气车、宝马汽车公司已经上市的氢气-汽油混合动力汽车等)无法避免这一困难。同时，因氢气的特性所决定，***及其控制方法复杂、制造成本高,。
虽然乙醇的辛烷值比汽油高，但因其热值不到汽油热值的60％，加之其气化热潜高、燃烧不完全，直接燃烧乙醇汽油的醇：汽油替代比仍然高达1.3以上，是不科学的耗能燃烧方式。
将乙醇利用发动机排气废热，随车裂解或重整为氢气，并以此裂解氢气为发动机燃料的技术，较好地解决了地面充氢机车的储藏、配给和制造成本问题，同时也提高了乙醇的燃烧热效率，是节能降耗的有效途径。代表性的公开技术如CN1401890A(醇氢混燃发动机装置)、CN1951718A(一种氢电混合动力汽车)等。但二者技术上共同的不足在于1、醇随行裂解制氢***中裂解制氢装置需要用于调控温度的排气旁路管道，***繁复、控制方法相对复杂，***中减少或简化设备装置、管道对于移动机车有限的空间和减少自重十分重要；2、随行裂解制氢装置只能装载颗粒催化剂不能装填整体催化剂，颗粒催化剂在行车的过程中会因剧烈的振动相互摩擦而粉末化；3、裂解器传热不均，催化剂易于老化。CN1401890A更有突出的不足还在于***中需要两个不同形式的醇泵，结构更加繁复。
尤其要强调的是，一、无论需要地面充氢的纯氢汽车(如CN1800617A等)还是氢气混合动力汽车(如宝马公司的氢气-汽油混合动力汽车等)，为了保证与相同排量汽车的动力，必须使用35～90MP以上的高压或零下273℃超低温液氢装灌，即使随车醇裂解制氢的混合动力汽车(如CN1951718A)也使用了8～12MP的高压技术，高压储氢必然加大机车的制造成本。二、混合动力技术和使用的复杂性，与其它能源的混合使用，无论是出于从汽油到纯氢气过渡的考虑，还是用以其它能源来补充氢气的动力不足(每次燃烧时，因喷入发动机气缸内的气态氢气质量不足而引起的动力下降)，都是一种无奈的选择，这种技术使得制造成本加大，同时给机车用户带来极大的不便。
发明内容
为了克服现有公知技术的不足，本发明的目的是提供一种适用于机车的只需地充单一醇燃料、并带氢气分离纯化旁路的***结构简单合理的醇氢发动机燃料***。本发明，利用发动机排气废热将醇燃料在随行制氢装置中裂解或重整为以氢气为主，并含二氧化碳等气体的富氢混合气体，以该富氢混合气体为发动机的主要燃料。这种燃烧方式，因充分的利用了发动机排气的废热，，氢气中含有部分二氧化碳和少量的其它气体，可以有效的防止纯氢燃料的早燃和爆燃；同时，因设置了氢气纯化旁路，可以部分分离纯化混合氢气，适当提高氢气的浓度，可以在同等压力下改善发动机动力，以达到适当降低***压力的目的。
本发明的核心技术在于废热机载随行制氢装置(如本发明人申请号为200710100588.8和200710078679.6的随行制氢装置等，不需要任何外援性手段和排气的旁路管道即能自动调控温度)和带有氢气分离器的分离氢气纯化的旁路***。
本发明所采用技术方案是，包括由醇燃料箱和醇泵之间连接低压醇燃料管，醇泵出口和随行制氢装置的燃料***入口间连接高压醇燃料管，随行制氢装置的燃料***出口和储氢罐的入口间连接混合氢气管，在混合氢气管上顺序串接有混合氢气泵，电控比例三通阀和电控进氢阀，储氢罐出口和恒压分配轨间连接氢燃料管，在氢燃料管上串接有电控恒压阀，恒压分配轨和电控氢气喷射阀间连接氢气支管，电控氢气喷射阀安装在发动机上；在电控比例三通阀和电控进氢阀对应的混合氢气管上并联有由氢气分离旁路管，氢气分离器，杂质气体排除管和电控纯化氢气阀串连组成的氢气分离纯化旁路；随行制氢装置的热源进口端与发动机的排气管连接，出口端安装尾气管；储氢罐底部和醇燃料箱之间连接回流管，回流管上安装有疏液阀；醇泵、混合氢气泵、电控进氢阀、电控恒压阀、电控氢气喷射阀、电控比例三通阀、电控纯化氢气阀与电控单元之间通过导线连接。
本发明，电控氢气喷射阀直接安装于发动机的气缸盖上，或安装于发动机的空气进气歧管上。
本发明，在储氢罐上安装有手动阀，用于放空或必要时地充氢气。
使用本发明时，当发动机在停止状态时，电控纯氢阀、电控进氢阀、电控恒压阀和电控氢气喷射阀均截止关闭，电控比例三通阀出处于原工作态，醇泵和混合氢气泵处于非工作状态。启动发动机时，电控单元指令电控恒压阀打开，恒压分配轨和氢气支管充满恒压氢气，电控氢气喷射阀中的按照电控单元的指令工作，并点燃发动机。随着发动机的工作，发动机的排气管排出的废热气体将随行制氢装置加热，当随行制氢装置中的催化剂温度达到正常工作温度时，醇泵和混合氢气泵开始工作，随行制氢装置中的催化剂不断将醇转化为混合氢气，并打开电控进氢阀，混合氢气在混合氢气泵的加压作用下，将混合氢气泵入储氢罐。发动机运行中，电控单元根据混合氢气的压力、含量及机车行驶中的负荷工况，通过调整电控比例三通阀改变流经氢气分离旁路的混合氢气的流量比例来改变储氢罐中氢气的浓度，以保证每次喷入发动机气缸内的氢气量与机车运行负荷匹配。，经氢气分离器分离处的杂质气体，经杂质气体排除管排除
本发明中，手动阀只有在需要将储氢罐内的气体排空或者地充氢气的场合才人工打开。
本发明中，经过随行制氢装置后，未被催化转化的醇燃料在储氢罐中冷凝或精馏出的液体通过疏液阀分离后经回流管返回醇燃料箱。
本发明适用于各种低碳醇及多种烃类燃料。
使用本发明有益结果是：完全地避免了氢燃料汽车的氢气储藏与配给问题；克服了直接燃烧醇汽油因醇燃烧不完全和未有效的利用发动机排气废热而引起的高能耗问题，极大的提高了醇燃料的热效率；克服了纯氢气燃烧中的早燃和爆燃问题；解决了较低压力下氢燃料机车动力下降问题；***结构相对现有技术更加简单。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明。
图1是本发明实施例***示意图。
图2、图3是本发明电控氢气喷射阀与发动机的连接位置示意图。
图中：1-醇燃料箱2-高压醇燃料管  3-发动机排气管  4-随行制装置5-尾气管6-混合氢气管  7-混合氢气泵8-疏液阀9-电控比例三通阀10-氢气分离旁路管11-氢气分离器12-杂质气体排除管13-纯氢管14-电控纯氢阀15-电控进氢阀16-储氢罐17-手动阀18-氢燃料管19-电控恒压阀20-氢气支管21-电控氢气喷射阀22-发动机23-恒压分配轨24-空气进气歧管25-电控单元26-醇泵27-低压醇燃料管  28-回流管  29-气缸盖
_具体实施例1
如图1和图2所示，本发明包括由醇燃料箱1和醇泵26之间连接低压-醇燃料管27，醇泵26出口和随行制氢装置4的燃料***入口间连接高压醇燃料管2，随行制氢装置4的燃料***出口和储氢罐16的入口间连接混合氢气管6，在混合氢气管6上顺序串接有混合氢气泵7，电控比例三通阀9和电控进氢阀15，储氢罐16出口和恒压分配轨23间连接氢燃料管18，在氢燃料管18上串接有电控恒压阀19，恒压分配轨23和电控氢气喷射阀21间连接氢气支管20，电控氢气喷射阀21安装在发动机22上；在电控比例三通阀9和电控进氢阀15对应的混合氢气管6上并联有由氢气分离旁路管10，氢气分离器11，杂质气体排除管12和电控纯化氢气阀14串连组成的氢气分离纯化旁路；随行制氢装置4的热源进口端与发动机22的排气管3连接，出口端安装尾气管5；储氢罐16底部和醇燃料箱1之间连接回流管28，回流管28上安装有疏液阀8；醇泵26、混合氢气泵7、电控进氢阀15、电控恒压阀19、电控氢气喷射阀21、电控比例三通阀9、电控纯化氢气阀14与电控单元25之间通过导线连接。
本发明，电控氢气喷射阀21直接安装于发动机22的气缸盖29上。
本发明，在储氢罐上安装有手动阀，用于放空或必要时地充氢气。
具体实施例1
如图1和图3所示，本发明包括由醇燃料箱1和醇泵26之间连接低压醇燃料管27，醇泵26出口和随行制氢装置4的燃料***入口间连接高压醇燃料管2，随行制氢装置4的燃料***出口和储氢罐16的入口间连接混合氢气管6，在混合氢气管6上顺序串接有混合氢气泵7，电控比例三通阀9和电控进氢阀15，储氢罐16出口和恒压分配轨23间连接氢燃料管18，在氢燃料管18上串接有电控恒压阀19，恒压分配轨23和电控氢气喷射阀21间连接氢气支管20，电控氢气喷射阀21安装在发动机22上；在电控比例三通阀9和电控进氢阀15对应的混合氢气管6上并联有由氢气分离旁路管10，氢气分离器11，杂质气体排除管12和电控纯化氢气阀14串连组成的氢气分离纯化旁路；随行制氢装置4的热源进口端与发动机22的排气管3连接，出口端安装尾气管5；储氢罐16底部和醇燃料箱1之间连接回流管28，回流管28上安装有疏液阀8；醇泵26、混合氢气泵7、电控进氢阀15、电控恒压阀19、电控氢气喷射阀21、电控比例三通阀9、电控纯化氢气阀14与电控单元25之间通过导线连接。
本发明，电控氢气喷射阀21安装于发动机22的空气进气歧管24上。
本发明，在储氢罐上安装有手动阀，用于放空或必要时地充氢气。

Claims (4)

1、本发明为以醇燃料箱，随车裂解制氢装置，储氢罐，恒压分配轨，发动机、氢气分离器为主要设备的醇氢发动机燃料***，其特征在于醇燃料箱(1)和醇泵(26)之间连接低压醇燃料管(27)，醇泵(26)出口和随行制氢装置(4)的燃料***入口间连接高压醇燃料管(2)，随行制氢装置(4)的燃料***出口和储氢罐(16)的入口间连接混合氢气管(6)，在混合氢气管(6)上顺序串接有混合氢气泵(7)，电控比例三通阀(9)和电控进氢阀(15)，储氢罐(16)出口和恒压分配轨(23)间连接氢燃料管(18)，在氢燃料管(18)上串接有电控恒压阀(19)，恒压分配轨(23)和电控氢气喷射阀(21)间连接氢气支管(20)，电控氢气喷射阀(21)安装在发动机(22)上，在电控比例三通阀(9)和电控进氢阀(15)对应的混合氢气管(6)上并联有由氢气分离旁路管(10)，氢气分离器(11)，杂质气体排除管(13)和电控纯化氢气阀(14)串连组成的氢气分离纯化旁路，随行制氢装置(4)的热源进口端与发动机(22)的排气管(3)连接，出口端安装尾气管(5)，储氢罐(16)底部和醇燃料箱(1)之间连接回流管(28)，回流管(28)上安装有疏液阀(8)，醇泵(1)，混合氢气泵(7)，电控进氢阀(15)、电控恒压阀(19)，氢气电控喷射阀(21)，电控比例三通阀(9)，电控纯化氢气阀(14)与电控单元(25)之间通过导线连接。
2、根据权利要求1所述的醇氢发动机燃料***，电控氢气喷射阀(21)安装于发动机(22)的气缸盖(29)上。
3、根据权利要求1所述的醇氢发动机燃料***，电控氢气喷射阀(21)安装于发动机(22)的空气进气歧管(24)上。
4、通过氢气分离纯化旁路的混合氢气流量的控制比例，其特征在于电控比例三通阀(9)按照电控单元(25)的指令在0～100％的比例范围进行调节。
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