甲醇与氢气双燃料动力系统
技术领域：
本发明涉及一种甲醇与氢气双燃料动力系统。
背景技术：
随着社会经济的发展，汽车保有量逐年增加，汽车能源消耗在世界能源消耗中占比也越来越高，能源供需矛盾日益突出，并造成了严重的环境污染问题，节能减排成为各个国家关注的主题之一。因此，发展新型能源清洁燃料动力系统，对缓解世界能源危机、减轻环境污染具有重要意义。甲醇与氢气燃料来源广泛，例如：煤制取甲醇、天然气制取甲醇、二氧化碳制取甲醇等；电解水制取氢气、甲醇裂解或重整制取氢气、焦炉气中提取氢气等。甲醇与氢气具有可再生性，燃烧产物清洁无污染，排放水平高。
发动机动力系统燃烧产生的能量只有约三分之一被有效利用，其余能量以热量形式散发到空气中，造成能源浪费，因此如果可以将这部分能量有效利用，提高发动机动力系统综合效率，将可以节约更多能源。
目前国内动力系统基本为汽油、柴油发动机，热效率只能达到20-45%，且尾气余热基本排放到大气中，未被有效利用，造成能量浪费。
汽油、柴油发动机燃烧尾气中含有碳氢化合物、硫化物与氮氧化物等有害物质，造成环境污染。
汽油燃料着火范围相对较窄，稀薄燃烧条件较难达到，不利于提高发动机排放水平以及降低燃油消耗率，甲醇燃料汽化潜热值比较高，所以甲醇单燃料发动机冷起动困难，冬季寒冷地区应用受限。
发明内容：
本发明的目的是提供一种利用发动机尾气余热，采用甲醇裂解制氢装置产生富氢气体，该富氢气体主要成分为氢气和一氧化碳，甲醇与富氢气体、空气的混合气一同进入发动机气缸燃烧，燃烧效果好。同时有效利用余热，并采用优质燃料，极大地提高了动力系统的热效率。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种甲醇与氢气双燃料动力系统，该甲醇与氢气双燃料动力系统包括发动机、制氢装置、甲醇箱和冷起动电加热制氢装置；
所述的甲醇箱通过管路与所述的发动机进气歧管上的甲醇喷轨、所述的冷起动电加热制氢装置的甲醇入口和制氢装置甲醇入口管连通，所述的制氢装置甲醇入口管接入到所述的发动机排气管的制氢装置上，所述的冷起动电加热制氢装置的出气管路通过电磁三通单向阀一端与所述的制氢装置的气体入口连通，另一端与气体冷却、气液分离装置连通，所述的气体冷却、气液分离装置的甲醇出口与所述的甲醇箱通过管路连通，气体出口与所述的发动机进气歧管上的氢气喷轨通过管路连通。
所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的气体冷却、气液分离装置包括散热片、环路热管、热管蒸发腔、气体入口、排液口和气体出口，所述的环路热管与所述的热管蒸发腔连通，所述的环路热管上设有散热片，所述的气体入口、所述的气体出口分布在气体冷却、气液分离装置两侧，所述的排液口在气体冷却、气液分离装置下部。
所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的冷起动电加热制氢装置包括甲醇入口、多个PTC热敏电阻、制氢催化剂和气体出口，所述的冷起动电加热制氢装置内部固定有多个平行布置的PTC热敏电阻，多个所述的PTC热敏电阻之间形成甲醇蒸汽通道，所述的醇蒸汽通道内填充有所述的制氢催化剂。
所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的冷起动电加热制氢装置顶部安装有温度传感器。
所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的发动机的排气管上具有排气支管，所述的排气管的尾部安装有消音器。
所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的制氢装置甲醇入口管呈螺旋管状。
所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的甲醇箱与所述的与所述的发动机进气歧管上的甲醇喷轨连通的管路上安装有甲醇泵。
所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的甲醇箱与所述的制氢装置甲醇入口管连通的管路上安装有甲醇变量泵。
有益效果：
1.本发明利用发动机尾气余热，采用甲醇裂解制氢装置产生富氢气体，该富氢气体主要成分为氢气和一氧化碳，甲醇与富氢气体、空气的混合气一同进入发动机气缸燃烧，燃烧效果好。同时有效利用余热，并采用优质燃料，极大地提高了动力系统的热效率。
本发明甲醇燃料中混入氢气燃烧，利用氢气点火能量低、火焰传播速度快的特点可改善甲醇低温燃烧特性。
本发明甲醇与氢气可燃范围很广，相对于汽油机，甲醇与氢气双燃料发动机可以在更稀薄的混合气工况下运行，有利于提高发动机排放水平以及降低燃料消耗率。
本发明甲醇和氢气燃料燃烧产物基本为二氧化碳和水，发动机排放水平高。
本发明的氢气来源于甲醇裂解制氢装置，该装置利用发动机尾气热量使甲醇在催化剂作用下反应产生富氢气体，有效利用了发动机余热，提高了能量利用率。制氢原料甲醇来源广泛，成本低，属于清洁新型能源，反应产物无污染。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是气体冷却、气液分离装置的立体图；
附图3是气体冷却、气液分离装置的主视图；
附图4是冷起动电加热制氢装置的结构示意图；
图中：1、甲醇箱；2、甲醇泵；3、甲醇变量泵；4、电磁阀； 5、制氢装置；6、消音器； 8、冷起动电加热制氢装置；9、电磁三通单向阀；10、气体冷却、气液分离装置；11、气体过滤器；12、压力温度传感器；13、电加热装置；14、温度传感器；15、高温电磁阀；16、甲醇喷轨；17、甲醇喷嘴；18、氢气喷轨；19、氢气喷嘴；20、发动机；21、控制单元；22、排气管；23、排气支管；24、散热片；25、环路热管；26、热管蒸发腔；27、气体入口；28、排液口；29、气体出口；30、甲醇入口；31、PTC热敏电阻；32、温度传感器；33、制氢催化剂；34、甲醇蒸汽通道；35、导线；36、气体出口。
具体实施方式：
实施例1：
一种甲醇与氢气双燃料动力系统，该甲醇与氢气双燃料动力系统包括发动机20、制氢装置5、甲醇箱1和冷起动电加热制氢装置8；
所述的甲醇箱通过管路与所述的发动机进气歧管上的甲醇喷轨16、所述的冷起动电加热制氢装置的甲醇入口和制氢装置甲醇入口管连通，所述的制氢装置甲醇入口管接入到所述的发动机排气管22的制氢装置上，所述的冷起动电加热制氢装置的出气管路通过电磁三通单向阀9一端与所述的制氢装置的气体入口连通，另一端与气体冷却、气液分离装置10连通，所述的气体冷却、气液分离装置的甲醇出口与所述的甲醇箱通过管路连通，气体出口与所述的发动机进气歧管上的氢气喷轨18通过管路连通。
实施例2：
根据实施例1所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的气体冷却、气液分离装置包括散热片24、环路热管25、热管蒸发腔26、气体入口27、排液口28和气体出口29，所述的环路热管与所述的热管蒸发腔连通，所述的环路热管上设有散热片，所述的气体入口、所述的气体出口分布在气体冷却、气液分离装置两侧，所述的排液口在气体冷却、气液分离装置下部。
实施例3：
根据实施例1或2所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的冷起动电加热制氢装置包括甲醇入口30、多个PTC热敏电阻31、制氢催化剂33和气体出口36，所述的冷起动电加热制氢装置内部固定有多个平行布置的PTC热敏电阻，多个所述的PTC热敏电阻之间形成甲醇蒸汽通道，所述的醇蒸汽通道内填充有所述的制氢催化剂。
实施例4：
根据实施例1或2或3所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的冷起动电加热制氢装置顶部安装有温度传感器32。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的发动机的排气管上具有排气支管23，所述的排气管的尾部安装有消音器6。
实施例6：
根据实施例1或2或3或4或5所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的制氢装置甲醇入口管呈螺旋管状。
实施例7：
根据实施例1或2或3或4或5或6所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的甲醇箱与所述的与所述的发动机进气歧管上的甲醇喷轨连通的管路上安装有甲醇泵。
实施例8：
根据实施例1或2或3或4或5或6或7所述的甲醇与氢气双燃料动力系统，所述的甲醇箱与所述的制氢装置甲醇入口管连通的管路上安装有甲醇变量泵。
发动机为甲醇与氢气双燃料点燃式电喷发动机，该发动机进气歧管上分别装有甲醇喷轨16，氢气喷轨18，两条喷轨上各自安装有甲醇喷嘴17，氢气喷嘴19，喷嘴都通过控制单元21控制其电磁阀开启时刻和开启时长来精确控制甲醇和氢气喷射量。
发动机20连接排气管22，排气管中布置有制氢装置5，高温电磁阀15，消音器6；排气支管23。高温电磁阀15的作用是当制氢装置5内温度超过反应要求时，关闭电磁阀，发动机高温尾气从排气支管23排出，保持制氢装置工作温度范围。
制氢装置5外表面包裹隔热层，减少热量散失和对其它零件的热辐射，内部包含多条平行排气通道，所有排气通道截面积与排气管截面积相同，保证发动机排气背压值不变。各排气通道外部即为甲醇蒸汽通道，其中装入甲醇裂解反应催化剂。制氢装置5甲醇入口管为螺旋管状，增大甲醇与高温尾气接触面积，增强甲醇蒸发效果。制氢装置5外壳体内壁设有温度传感器探针通道，固定好温度传感器14随时监测制氢装置5温度，反馈给控制单元21。制氢装置5外壳体内壁设有电加热装置，当制氢装置5内温度未达到要求时，开启电加热对装置进行加热，保持制氢装置工作温度范围。
该方案使用甲醇箱1，通过甲醇泵2提供发动机燃料甲醇，通过甲醇变量泵3提供制氢原料甲醇。甲醇变量泵3保持供醇压力不变，通过控制单元21控制制氢原料甲醇供给流量；单醇箱节约了布局空间和成本。
该方案为应对甲醇冷起动设置冷起动电加热制氢装置8，当温度较低起动时，电磁阀4关闭，电磁阀7开启，甲醇原料通过冷起动电加热制氢装置8，产生的富氢气体用于冷起动时与甲醇混合燃烧，由于氢气着火范围广，点火能量低，火焰传播速度快，可以改善甲醇低温燃烧特性，解决冷起动难题。当发动机20正常运转后，电磁阀7关闭，冷起动电加热制氢装置8停止工作，电磁阀4开启，制氢装置5正常工作。控制单元21分别控制电磁阀4，电磁阀7与冷起动电加热制氢装置8。
制氢装置5和冷起动电加热制氢装置8产生的富氢气体，分别通过电磁三通单向阀9，保证各装置产生高温气体不回流，避免在装置内低温液化而导致制氢催化剂失效。高温气体通过气体冷却与气液分离装置10，降低气体温度，分离其可能存在的极少量甲醇蒸汽，使高温气体降温分离后变为常温高浓度氢气，保证发动机进气效率；分离出的极少量甲醇液体流回甲醇箱1。氢气通过气体过滤器11，进入氢气喷轨18，控制单元21根据发动机工况，开启氢气喷嘴19，控制氢气喷量。供氢管路中设置有温度压力传感器12，即时监测供氢压力，反馈给控制单元21。
如图二、图三是整体方案中气体冷却与气液分离装置10的结构图，主要包括散热片24，环路热管25，热管蒸发腔26，气体入口27，排液口28，气体出口29。环路热管与热管蒸发腔连通，热管设有散热片，气体通道与热管蒸发腔通过管壁换热，气体入口和气体出口分布在装置两侧，排液口在装置下部。它是一种集成式热管冷却装置，制氢装置产生的高温气体通过气体入口27进入，在热管蒸发腔26内和冷却介质换热，冷却介质蒸发通过散热片24，冷却液化后再通过环路热管25回到热管蒸发腔26内继续换热。高温气体通过该装置后，少部分未完全反应的甲醇蒸汽液化留在装置下部，通过控制排液口28打开，回到甲醇箱内；冷却后的气体从气体出口29排出。本装置不需外加能量进行冷却，可以高效降低气体温度。
如图四是整体方案中冷起动电加热制氢装置8的结构图，主要包括甲醇入口30，PTC热敏电阻31，温度传感器32，制氢催化剂33，甲醇蒸汽通道34，导线35，气体出口36，内部PTC热敏电阻和甲醇蒸汽通道平行设置，甲醇蒸汽通道内装有催化剂，甲醇入口处有喷淋口，可以使甲醇雾化，便于均匀受热变成甲醇蒸汽。在发动机冷起动时，甲醇从甲醇入口30喷入，喷淋雾状甲醇经PTC热敏电阻31加热后变成甲醇蒸汽，进入甲醇蒸汽通道34内，PTC热敏电阻31经导线35通电加热后，提供甲醇裂解反应温度，在制氢催化剂33的作用下，制取富氢气体，然后从气体出口36排出。该装置体积小，结构紧凑，控制简单，可以满足发动机冷起动时所需氢气。
该动力系统的控制单元21内包含一套甲醇和氢气混烧的标定数据，通过发动机20各工况数据反馈到控制单元21，控制单元21输出信号控制甲醇燃料供给量、氢气供给量、发动机进气量、制氢原料甲醇供给量，控制辅助元件保持制氢装置温度、制取富氢气体量、控制富氢气体成分等。
