CN111197532A - 一种氢气/甲醇复合燃料发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于新能源汽车技术领域的氢气/甲醇复合燃料发动机，所述的氢气/甲醇复合燃料发动机的发动机本体(1)的每个进气歧管(2)上设置一个氢气喷嘴(3)，发动机本体(1)每个缸体(4)正上方设置甲醇缸内直喷喷嘴(5)，氢气喷嘴(3)通过氢气管路(6)与储氢罐(7)连通，储氢罐(7)与制氢部件(8)连通，制氢部件(8)同时与发动机本体(1)的排气管连通，甲醇缸内直喷喷嘴(5)通过甲醇管路(9)与甲醇水溶液箱(10)连通，本发明的氢气/甲醇复合燃料发动机，在解决发动机冷启动困难问题的同时，利用甲醇可以重整的优势，制备氢气，满足冷启动要求，启动后实现氢气和甲醇混合燃烧，降低CO、HC以及NOX的排放。

Description

一种氢气/甲醇复合燃料发动机
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，更具体地说，是涉及一种氢气/甲醇复合燃料发动机。
背景技术
当前，甲醇发动机是系能源汽车领域的研发热点。汽车制造企业纷纷推出甲醇汽车。甲醇汽车具有节能减排的优点，并且在经济性方面也具有优势。甲醇为可再生的资源，使汽车的能源不再单纯的依赖化石燃料。但是，甲醇汽车有一个缺点：冷启动困难。究其原因为以下几点：甲醇的热值比汽油低，燃烧时需要更多的甲醇蒸汽；甲醇的汽化潜热高，蒸发时需要更多的热量；甲醇的燃点要比汽油高；甲醇燃烧的空燃比要比汽油的空燃比高，所以完全燃烧时需要更高蒸汽压；甲醇是一种单组分燃料，沸点是固定的。不像汽油一样包含易挥发性成分，故与汽油相比冷启动更加困难；在甲醇液体没有完全挥发的情况下，由于其导电性，可能导致火花塞短路，不利于点火。
目前，为了解决冷启动的问题，甲醇发动机采用两套燃料供给***：汽油与甲醇***。发动机工作时，汽油供油***只在低温冷启动条件下工作，等发动机温度上升后，甲醇燃料供给***工作。目前的技术方案的缺点：此技术方案拥有两套燃料供给***，造成发动机成本显著增加；因为甲醇的辛烷值要远高于汽油的辛烷值，所以甲醇发动机应该有比汽油发动机更高的压缩比。但是考虑到此发动机需要汽油做冷启动，所以在使用甲醇燃料的过程中，发动机压缩比并不高，不利于进一步提高发动机的热效率；并没有完全利用甲醇可以重整的优势进一步提高燃料的热值，并且同时解决甲醇燃料冷启动的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单，在有效解决发动机冷启动困难问题的同时，利用甲醇可以重整的优势，制备氢气，发动机启动后实现氢气和甲醇混合燃烧，提高燃料的热值，降低CO、HC以及NOX的排放的氢气/甲醇复合燃料发动机。
要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明为一种氢气/甲醇复合燃料发动机，所述的氢气/甲醇复合燃料发动机包括发动机本体，所述的发动机本体的每个进气歧管上设置一个氢气喷嘴，发动机本体的每个缸体正上方设置一个甲醇缸内直喷喷嘴，氢气喷嘴通过氢气管路与储氢罐连通，储氢罐与制氢部件连通，制氢部件同时与发动机本体的排气管连通，甲醇缸内直喷喷嘴通过甲醇管路与甲醇水溶液箱连通。
所述的氢气喷嘴和甲醇缸内直喷喷嘴分别与控制部件连接，制氢部件与能够控制制氢部件启停的控制部件连接。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动时，控制部件设置为能够控制氢气喷嘴启动，喷射氢气进入进气歧管的结构。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动后，控制部件在控制氢气喷嘴持续喷射氢气进入进气歧管的同时，控制部件还设置为还能够控制甲醇缸内直喷喷嘴向缸体喷射甲醇的结构。
所述的控制部件控制氢气喷嘴和甲醇缸内直喷喷嘴同时喷射时，氢气喷嘴喷射的氢气和甲醇缸内直喷喷嘴喷射的甲醇设置为能够喷射到缸体内不同位置的结构。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动后，当排气管温度达到控制部件存储的制氢温度下限值时，控制部件设置为能够控制制氢部件启动的结构，控制部件控制制氢部件启动时，制氢部件设置为能够制备氢气，同时将制备的氢气储存到储氢罐的结构。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机的制氢部件包括余热回收装置、甲醇水蒸气重整制氢反应器，所述的甲醇水溶液箱与甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体连通，发动机本体的排气管与余热回收装置连通，余热回收装置与甲醇水蒸气重整制氢反应器的加热腔体连通，储氢罐与甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体连通，甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体内设置制氧催化剂。
所述的制氢部件的甲醇水蒸气重整制氢反应器的加热腔体设置进气口和排气口，加热腔体的进气口与余热回收装置连通。
所述的甲醇燃料发动机的制氢部件还包括重整辅助装置，重整辅助装置内设置甲醇泵，甲醇水溶液箱与重整辅助装置内的甲醇泵连通，甲醇泵同时与制氢部件的甲醇水蒸气重整制氢反应器的制氢腔体连通。
采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：
本发明所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，在发动机启动时，通过控制部件控制氢气喷嘴启动，每个氢气喷嘴分别向对应的进气歧管喷射氢气，此时，供应发动起启动的燃料是氢气，而氢气来源则是汽车上的储氢罐。在发动机启动时，控制部件控制甲醇缸内直喷喷嘴处于不工作状态，此时不会供应甲醇到发动机缸体。由于氢气燃烧过程中只产生水蒸气，所以排放可以满足要求。而且，氢气在低温下很容易点燃，所以不存在冷启动困难问题。而当发动机(发动机本体)启动后，尤其是发动机的温度达到设定温度后，此时，控制部件同时控制甲醇缸内直喷喷嘴启动，每个甲醇缸内直喷喷嘴分别向对应的缸体内直接喷射甲醇，甲醇来自于汽车上的甲醇水溶液箱。这样，甲醇通过缸内直喷喷嘴直接喷入燃烧室中，而氢气通过氢气喷嘴喷射进入进气歧管中，随着进气冲程进入燃烧室中。两种气体混合作为发动机工作燃料。通过氢气和甲醇的配比比例，以及甲醇与氢气的喷射时刻控制，实现不同的缸内活性分层燃烧，不仅实现燃料充分燃烧，提高效率，而且能够有效降低CO、HC以及NOX的排放，实现环保目的。而在发动机工作时，引入发动机的尾气到制氢部件中，对甲醇水溶液箱供应到制氢部件内的甲醇水溶液加热，实现甲醇水溶液与制氢部件内的制氢催化剂的反应，从而实时制备氢气，而制备的氢气存入到储氢罐内。一方面，作为发动机启动时的燃料，另一方面，作为发动工作时与甲醇配比形成混合的燃料。这样，有效满足发动机的需求。本发明所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，结构简单，在解决发动机冷启动困难问题的同时，利用甲醇可以重整的优势，制备氢气，发动机启动后实现氢气和甲醇混合燃烧，提高燃料的热值，降低CO、HC以及NOX的排放。
附图说明
下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：
图1为本发明所述的氢气/甲醇复合燃料发动机的燃烧室部位的局部结构示意图；
图2为本发明所述的氢气/甲醇复合燃料发动机的制氢部件的局部结构示意图；
附图中标记分别为：1、发动机本体；2、进气歧管；3、氢气喷嘴；4、缸体(燃烧室)；5、甲醇缸内直喷喷嘴；6、氢气管路；7、储氢罐；8、制氢部件；9、甲醇管路；10、甲醇水溶液箱；11、余热回收装置；12、甲醇水蒸气重整制氢反应器；13、重整辅助装置；14、甲醇泵；15、压缩机；16、减压器；17、过滤器；18、进气门；19、排气门；20、排气歧管；21、活塞；22、尾气输送管路。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：
如附图1所示，本发明为一种氢气/甲醇复合燃料发动机，所述的氢气/甲醇复合燃料发动机包括发动机本体1，所述的发动机本体1的每个进气歧管2上设置一个氢气喷嘴3，发动机本体1的每个缸体4正上方设置一个甲醇缸内直喷喷嘴5，氢气喷嘴3通过氢气管路6与储氢罐7连通，储氢罐7与制氢部件8连通，制氢部件8同时与发动机本体1的排气管连通，甲醇缸内直喷喷嘴5通过甲醇管路9与甲醇水溶液箱10连通。上述结构，对发动机工作时的燃料配备方案进行改进。在发动机启动时，通过控制部件(ECU)控制氢气喷嘴3启动，每个氢气喷嘴3分别向对应的进气歧管喷射氢气，此时，供应发动起启动的燃料是氢气，而氢气来源则是汽车上的储氢罐。在发动机启动时，控制部件控制甲醇缸内直喷喷嘴5处于不工作状态，此时不会供应甲醇到发动机缸体。由于氢气燃烧过程中只产生水蒸气，所以排放可以满足要求。而且，氢气在低温下很容易点燃，所以不存在冷启动困难问题。而当发动机(发动机本体)启动后，尤其是发动机的温度达到设定温度后，此时，控制部件同时控制甲醇缸内直喷喷嘴5启动，每个甲醇缸内直喷喷嘴5分别向对应的缸体内直接喷射甲醇，甲醇来自于汽车上的甲醇水溶液箱10。这样，甲醇通过缸内直喷喷嘴直接喷入燃烧室中，而氢气通过氢气喷嘴喷射进入进气歧管中，随着进气冲程进入燃烧室中。两种气体混合作为发动机工作燃料。通过氢气和甲醇的配比比例，以及甲醇与氢气的喷射时刻控制，实现不同的缸内活性分层燃烧，不仅实现燃料充分燃烧，提高效率，而且能够有效降低CO、HC以及NOX的排放，实现环保目的。而在发动机工作时，引入发动机的尾气到制氢部件中，对甲醇水溶液箱10供应到制氢部件内的甲醇水溶液加热，实现甲醇水溶液与制氢部件内的制氢催化剂的反应，从而实时制备氢气，而制备的氢气存入到储氢罐内。一方面，作为发动机启动时的燃料，另一方面，作为发动工作时与甲醇配比形成混合的燃料。这样，有效满足发动机的需求。本发明所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，结构简单，在有效解决发动机冷启动困难问题的同时，利用甲醇可以重整的优势，制备氢气，发动机启动后实现氢气和甲醇混合燃烧，提高燃料的热值，降低CO、HC以及NOX的排放。
所述的氢气喷嘴3和甲醇缸内直喷喷嘴5分别与控制部件连接，制氢部件8与能够控制制氢部件8启停的控制部件连接。上述结构，氢气喷嘴3和甲醇缸内直喷喷嘴5分别与控制部件连接后，控制部件不仅能够分别控制氢气喷嘴3和甲醇缸内直喷喷嘴5的喷射启停及喷射时刻，同时还能够根据发动机不同工况，控制氢气喷嘴3和甲醇缸内直喷喷嘴5的各自喷射量，提供满足各工况需求的最佳混合燃料。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动时，控制部件设置为能够控制氢气喷嘴3启动，喷射氢气进入进气歧管2的结构。上述结构，发动机启动时，可以直接利用此前制备而存储在储氢罐(高压储氢罐)中存储的氢气，由于氢气燃烧过程中只产生水蒸气，所以排放可以满足要求。而且，氢气在低温下很容易点燃，容易启动，所以不会存在冷启动困难问题。当排气温度上升后，开始启动制氢部件，实现氢气的在线制备、存储、供应。同时降低了排放温度，提高发动机的热效率。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动后，控制部件在控制氢气喷嘴3持续喷射氢气进入进气歧管2的同时，控制部件还设置为还能够控制甲醇缸内直喷喷嘴5向缸体4喷射甲醇的结构。上述结构，发动机工作时，甲醇通过缸内直喷喷嘴直接喷入燃烧室中，而氢气通过减压器、过滤器后，经过氢气喷嘴喷射进入进气歧管中，随着进气冲程进入燃烧室中。此时，甲醇作为主要燃料，同时加入氢气，形成混合燃料，有效实现燃料充分燃烧，同时降低CO、HC以及NOX的排放。
所述的控制部件控制氢气喷嘴3和甲醇缸内直喷喷嘴5同时喷射时，氢气喷嘴3喷射的氢气和甲醇缸内直喷喷嘴5喷射的甲醇设置为能够喷射到缸体4内不同位置的结构。上述结构，在发动机工作而同时供应甲醇和氢气时，储氢罐中的重整气体(实际上是二氧化碳和氢气的混合气体)通过减压器减压，以满足氢气喷嘴的喷射压力需求，再通过过滤器过滤掉二氧化碳，然后氢气通过氢气喷嘴喷射进入进气气管的进气道中，此时，甲醇通过甲醇缸内直喷喷嘴直喷，直接进入气缸，这样，氢气和甲醇进入发动机后，位于不同部位，从而实现缸内燃料活性的分层，实现缸内的燃烧分层，以此达到降低燃烧的热释放率，使发动机运行向高载荷拓展。两种燃料分开喷射，降低了缸内直喷的甲醇的量，减轻了甲醇附壁的情况。在进气歧管的进气道内喷射氢气，使得氢气通过进气冲程导入气缸内，更容易实现氢气和空气的均匀混合，使用两种不同属性燃料可以实现点火时刻的有效控制。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动后，当排气管温度达到控制部件存储的制氢温度下限值时，控制部件设置为能够控制制氢部件8启动的结构，控制部件控制制氢部件8启动时，制氢部件8设置为能够制备氢气，同时将制备的氢气储存到储氢罐7的结构。上述结构，在发动机启动时，利用的是发动机上次工作制备而存储在储氢罐内的氢气，而发动机刚刚启动时，不进行氢气制备。而只有发动机启动一段时间，使得发动机排气管的尾气温度达到设定的温度，排气管上的温度传感器向控制部件反馈信号，控制部件控制制氢部件启动，制氢部件开始制备氢气，制备的氢气，进入储氢罐存储。一方面，满足发动机工作时的氢气需求，另一方面，满足发动机下次启动时的需求。
所述的氢气/甲醇复合燃料发动机的制氢部件2包括余热回收装置11、甲醇水蒸气重整制氢反应器12，所述的甲醇水溶液箱10与甲醇水蒸气重整制氢反应器12的制氢腔体连通，发动机本体1的排气管通过尾气输送管路22与余热回收装置11连通，余热回收装置11与甲醇水蒸气重整制氢反应器12的加热腔体连通，储氢罐7与甲醇水蒸气重整制氢反应器12的制氢腔体连通，甲醇水蒸气重整制氢反应器12的制氢腔体内设置制氧催化剂。上述结构，在制氢部件制备氢气时，将发动机排出的部分尾气引入制氢部件的余热回收装置11，余热回收装置对尾气温度进行调整，使得此后通过甲醇水蒸气重整制氢反应器12的加热腔体的尾气的温度满足甲醇与制氢催化剂的反应温度条件。与此同时，甲醇水溶液箱10输送甲醇水溶液到甲醇水蒸气重整制氢反应器12的制氢腔体内，甲醇水溶液在余热回收装置11的高温作用下被汽化，形成CH30H与H2O的混合气体，而后上述混合气体与甲醇水蒸气重整制氢反应器12的制氢腔体内的制氢催化剂发生反应，在制氢催化剂的作用下，吸收热量转化为CO2与H2的混合气体(具体化学反应方程式如下：CH3OH+H2O＝CO2+3H2)。制备的CO2与H2的混合气体被输送到储氢罐中存储。这样，可靠完成氢气的在线制备。
所述的制氢部件8的甲醇水蒸气重整制氢反应器12的加热腔体设置进气口和排气口，加热腔体的进气口与余热回收装置11连通。上述结构，余热回收装置输送经过甲醇水蒸气重整制氢反应器12的加热腔体的尾气，在加热腔体释放热量后，从加热腔体的排气口排出。
所述的甲醇燃料发动机的制氢部件8还包括重整辅助装置13，重整辅助装置13内设置甲醇泵14，甲醇水溶液箱10与重整辅助装置13内的甲醇泵14连通，甲醇泵14同时与制氢部件8的甲醇水蒸气重整制氢反应器12的制氢腔体连通。上述结构，通过重整辅助装置，甲醇泵泵送甲醇水溶液进入甲醇水蒸气重整制氢反应器12的制氢腔体，参与制氢。而在发动机工作时，甲醇水溶液箱10同时通过甲醇管路与甲醇缸内直喷喷嘴5连通，直接向缸体内输送甲醇燃料。
本发明所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，在发动机启动时，通过控制部件控制氢气喷嘴启动，每个氢气喷嘴分别向对应的进气歧管喷射氢气，此时，供应发动起启动的燃料是氢气，而氢气来源则是汽车上的储氢罐。在发动机启动时，控制部件控制甲醇缸内直喷喷嘴处于不工作状态，此时不会供应甲醇到发动机缸体。由于氢气燃烧过程中只产生水蒸气，所以排放可以满足要求。而且，氢气在低温下很容易点燃，所以不存在冷启动困难问题。而当发动机(发动机本体)启动后，尤其是发动机的温度达到设定温度后，此时，控制部件同时控制甲醇缸内直喷喷嘴启动，每个甲醇缸内直喷喷嘴分别向对应的缸体内直接喷射甲醇，甲醇来自于汽车上的甲醇水溶液箱。这样，甲醇通过缸内直喷喷嘴直接喷入燃烧室中，而氢气通过氢气喷嘴喷射进入进气歧管中，随着进气冲程进入燃烧室中。两种气体混合作为发动机工作燃料。通过氢气和甲醇的配比比例，以及甲醇与氢气的喷射时刻控制，实现不同的缸内活性分层燃烧，不仅实现燃料充分燃烧，提高效率，而且能够有效降低CO、HC以及NOX的排放，实现环保目的。而在发动机工作时，引入发动机的尾气到制氢部件中，对甲醇水溶液箱供应到制氢部件内的甲醇水溶液加热，实现甲醇水溶液与制氢部件内的制氢催化剂的反应，从而实时制备氢气，而制备的氢气存入到储氢罐内。一方面，作为发动机启动时的燃料，另一方面，作为发动工作时与甲醇配比形成混合的燃料。这样，有效满足发动机的需求。本发明所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，结构简单，在解决发动机冷启动困难问题的同时，利用甲醇可以重整的优势，制备氢气，发动机启动后实现氢气和甲醇混合燃烧，提高燃料的热值，降低CO、HC以及NOX的排放。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的氢气/甲醇复合燃料发动机包括发动机本体(1)，所述的发动机本体(1)的每个进气歧管(2)上设置一个氢气喷嘴(3)，发动机本体(1)的每个缸体(4)正上方设置一个甲醇缸内直喷喷嘴(5)，氢气喷嘴(3)通过氢气管路(6)与储氢罐(7)连通，储氢罐(7)与制氢部件(8)连通，制氢部件(8)同时与发动机本体(1)的排气管连通，甲醇缸内直喷喷嘴(5)通过甲醇管路(9)与甲醇水溶液箱(10)连通。
2.根据权利要求1所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的氢气喷嘴(3)和甲醇缸内直喷喷嘴(5)分别与控制部件连接，制氢部件(8)与能够控制制氢部件(8)启停的控制部件连接。
3.根据权利要求1或2所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动时，控制部件设置为能够控制氢气喷嘴(3)启动，喷射氢气进入进气歧管(2)的结构。
4.根据权利要求3所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动后，控制部件在控制氢气喷嘴(3)持续喷射氢气进入进气歧管(2)的同时，控制部件还设置为还能够控制甲醇缸内直喷喷嘴(5)向缸体(4)喷射甲醇的结构。
5.根据权利要求4所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的控制部件控制氢气喷嘴(3)和甲醇缸内直喷喷嘴(5)同时喷射时，氢气喷嘴(3)喷射的氢气和甲醇缸内直喷喷嘴(5)喷射的甲醇设置为能够喷射到缸体(4)内不同位置的结构。
6.根据权利要求4所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的氢气/甲醇复合燃料发动机启动后，当排气管温度达到控制部件存储的制氢温度下限值时，控制部件设置为能够控制制氢部件(8)启动的结构，控制部件控制制氢部件(8)启动时，制氢部件(8)设置为能够制备氢气，同时将制备的氢气储存到储氢罐(7)的结构。
7.根据权利要求1或2所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的氢气/甲醇复合燃料发动机的制氢部件(2)包括余热回收装置(11)、甲醇水蒸气重整制氢反应器(12)，所述的甲醇水溶液箱(10)与甲醇水蒸气重整制氢反应器(12)的制氢腔体连通，发动机本体(1)的排气管与余热回收装置(11)连通，余热回收装置(11)与甲醇水蒸气重整制氢反应器(12)的加热腔体连通，储氢罐(7)与甲醇水蒸气重整制氢反应器(12)的制氢腔体连通，甲醇水蒸气重整制氢反应器(12)的制氢腔体内设置制氧催化剂。
8.根据权利要求7所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：制氢部件(8)的甲醇水蒸气重整制氢反应器(12)的加热腔体设置进气口和排气口，加热腔体的进气口与余热回收装置(11)连通。
9.根据权利要求7所述的氢气/甲醇复合燃料发动机，其特征在于：所述的甲醇燃料发动机的制氢部件(8)还包括重整辅助装置(13)，重整辅助装置(13)内设置甲醇泵(14)，甲醇水溶液箱(10)与重整辅助装置(13)内的甲醇泵(14)连通，甲醇泵(14)同时与制氢部件(8)的甲醇水蒸气重整制氢反应器(12)的制氢腔体连通。
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