一种柴油与氢气双燃料动力系统

摘要

本发明涉及一种柴油与氢气双燃料动力系统，其特征在于，包括：控制单元、柴油供给系统、氢气供给系统以及发动机；所述柴油供给系统的柴油输出端通过设置在所述发动机的各个气缸处的柴油喷嘴与所述发动机的燃烧室相连通；所述氢气供给系统的氢气输出端通过设置在所述发动机的各个气缸处的氢气喷嘴与所述发动机燃烧室相连通；所述控制单元用于根据预设的标定数据以及发动机的工况判断柴油和氢气燃烧比例，并控制各柴油喷嘴和氢气喷嘴的喷射时刻和喷射脉宽来控制参与燃烧的柴油量和氢气量。本发明可以广泛应用于动力系统设计领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柴油与氢气双燃料动力系统，属于动力系统设计领域。

背景技术

随着经济发展和人民生活水平的提高,我国汽车保有量也呈现逐年上升的趋势,导致我国对石油资源的需求持续增长,能源紧缺问题也日益突出。世界各政府与汽车生产厂商都致力于如何提高燃油经济性,并制定出台了相关计划与法规用以节约能源。

在大气污染中,内燃机排放的有害气体主要成分有氮氧化物(NOx),一氧化碳(CO),未燃碳氢(HC),碳烟(PM),对人体以及动植物造成极大危害。随着汽车工业的发展,近年来机动车污染排放已经成为城市空气质量的最大威胁。各国和地区逐渐重视汽车排放及对环境影响的研究和控制,并相继制定了日益严格的汽车排放法规。内燃机排放比较突出的问题就是如何降低颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)。

为了降低车用内燃机的能耗及排放,近年来国内外都纷纷开展了电动汽车,混合动力汽车,代用燃料内燃机以及由风能、压缩空气或液压为动力的车辆技术研究。电动汽车具有能量转化率高,运行时无污染的优点。然而,目前燃料电池的寿命较短,价格也较高。电动车如采用电池充电方案,则仍存在充电速度慢,以及废旧电池的污染问题。目前所研制的基于压缩天然气(CNG)以及液化石油气(LPG)等为燃料的代用燃料内燃机,虽然其可以在一定程度上降低传统化石燃料的消耗,但由于CNG和LPG同样属于化石燃料,因此以纯CNG和LPG为燃料的内燃机在运行时依然会产生较高的有害排放。此外,以压缩空气、风能以及液压能为动力的车辆虽然已经在试验中取得一定进展,但这些技术距离实际应用还需要较长的时间。

随着对能源危机、环境恶化等诸多问题的重视,同时考虑到柴油机在短时间内仍不可被大范围替代的社会背景,这迫使人们不断寻求新的途径,以延长传统能源使用时间并减少汽车排放。因此,寻找替代燃料,以实现清洁、高效的燃烧,降低排放成为了当今科研人员主要的研究方向。氢气的自燃温度较高,而且氢气的火焰传播速率高,因而可以使得柴油掺氢火焰可以获得更高的混合气均匀程度,降低柴油机的循环变动,减少燃烧持续期。同时,氢气还有较宽的着火界限,掺氢可以提高其他燃料的着火界限。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。

综上，目前的动力系统中主要存在以下缺点：

1)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。

2)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。

3)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。

4)目前燃料电池的寿命较短,价格也较高。电动车如采用电池充电方案,则仍存在充电速度慢,以及废旧电池的污染问题。

5)CNG和LPG同样属于化石燃料,因此以纯CNG和LPG为燃料的内燃机在运行时依然会产生较高的有害排放。

6)以压缩空气、风能以及液压能为动力的车辆虽然已经在试验中取得一定进展,但这些技术距离实际应用还需要较长的时间。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种柴油与氢气双燃料动力系统，该动力系统在柴油燃料中混入氢气燃烧，有效提高了该动力系统的能量利用率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柴油与氢气双燃料动力系统，包括：控制单元、柴油供给系统、氢气供给系统以及发动机；所述柴油供给系统的柴油输出端通过设置在所述发动机的各个气缸处的柴油喷嘴与所述发动机的燃烧室相连通；所述氢气供给系统的氢气输出端通过设置在所述发动机的各个气缸处的氢气喷嘴与所述发动机燃烧室相连通；所述控制单元用于根据预设的标定数据以及发动机的工况判断柴油和氢气燃烧比例，并控制各柴油喷嘴和氢气喷嘴的喷射时刻和喷射脉宽来控制参与燃烧的柴油量和氢气量。

进一步，所述发动机采用柴油和氢气双燃料压燃式电喷发动机。

进一步，所述柴油供给系统包括柴油箱和柴油泵，所述柴油箱用于储存柴油，所述柴油泵用于将所述柴油箱内储存的柴油泵入柴油供给管路，所述柴油供给管路的末端与所述发动机各个气缸处的柴油喷嘴相连。

进一步，所述氢气供给系统包括甲醇制氢装置、甲醇供给装置和温控装置；所述甲醇制氢装置设置在所述发动机的排气管上，所述甲醇制氢装置的氢气输出端通过氢气供给管路与所述发动机各个气缸的氢气喷嘴相连，所述甲醇制氢装置的甲醇输入口通过甲醇供给管路与所述甲醇供给装置的输出端相连；所述甲醇供给装置和温控装置均由所述控制单元控制，用于为所述甲醇制氢装置提供甲醇并使得所述甲醇制氢装置保持在最佳工作温度范围。

进一步，所述甲醇供给装置包括甲醇箱和甲醇变量泵，所述甲醇箱用于储存甲醇；所述甲醇变量泵与所述控制单元相连，用于根据所述控制单元发送的控制信号保证供制氢原料甲醇的压力恒定，调节甲醇供给流量进而控制产生氢气量。

进一步，所述温控装置包括排气支管、高温电磁阀、热电偶以及电加热器；所述排气支管与甲醇制氢装置并排设置，并与所述排气管相连通，所述高温电磁阀设置在所述排气支管内；所述热电偶和电加热器插设在所述甲醇制氢装置的壳体内，所述热电偶用于对所述甲醇制氢装置内的工作温度进行实时测量，并发送到所述控制单元；所述控制单元将接收到的实时工作温度与预设最佳工作温度范围进行比较，当实时工作温度低于预设最佳工作温度范围时，控制所述高温电磁阀关闭，同时控制所述电加热器启动，对所述甲醇制氢装置进行加热；当实时工作温度高于预设最佳工作温度范围时，控制所述高温电磁阀打开，同时控制所述电加热器关闭，使得所述发动机的部分尾气从所述排气支管排出，降低所述甲醇制氢装置温度并保持所述甲醇制氢装置处于最佳工作温度范围。

进一步，所述甲醇制氢装置的预设最佳工作温度范围为250-285℃。

进一步，所述氢气供给系统还包括一氢气压力传感器，所述氢气压力传感器设置在所述氢气供给管路上，用于对所述氢气供给管路内的氢气压力进行实时监测，并发送到所述控制单元，所述控制单元根据接收到的实时氢气压力数据调整供给甲醇和氢气量。

进一步，所述氢气制氢装置内还设置有催化剂，使得甲醇在所述甲醇制氢装置内催化剂的作用下发生重整反应，生成氢气和二氧化碳。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于在柴油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柴油低温燃烧特性，解决了柴油发动机冷起动问题。

2、本发明由于在发动机中采用柴油和氢气混合燃烧，由于柴油与氢气可燃范围很广，相对于柴油机，柴油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，同时，柴油掺烧氢气，可以减少汽油燃烧产物，发动机排放水平提高。

3、本发明由于氢气供给系统中设置有甲醇制氢装置，该甲醇制氢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。

因此，本发明可以广泛应用于动力系统设计领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的柴油与氢气双燃料动力系统的结构示意图；

图中各部件标号如下：1、柴油箱；2、柴油泵；3、控制单元；4、发动机；5、柴油喷嘴；6、氢气喷嘴；7、排气支管；8、排气管；9、高温电磁阀；10、甲醇箱；11、甲醇变量泵；12、热电偶；13、电加热器；14、甲醇制氢装置；15、氢气压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种柴油与氢气双燃料动力系统，该动力系统中发动机是一款柴油与氢气双燃料压燃式电喷发动机。该动力系统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二氧化碳，柴油与富氢气体、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，极大地提高了动力系统的热效率。

具体的，本发明提供的一种柴油与氢气双燃料动力系统，其包括：控制单元3、柴油供给系统、氢气供给系统以及发动机。其中，柴油供给系统的柴油输出端通过设置在发动机4上的各个气缸柴油喷嘴5与发动机燃烧室相连通；氢气供给系统的氢气输出端通过设置在发动机4上的各个气缸氢气喷嘴6与发动机燃烧室相连通；控制单元3用于根据预设的标定数据以及发动机的工况判断柴油和氢气燃烧比例，并控制各柴油喷嘴5和氢气喷嘴6的喷射时刻和喷射脉宽来精准控制参与燃烧的柴油量和氢气量。

进一步，发动机4采用柴油和氢气双燃料压燃式电喷发动机。

进一步，柴油供给系统包括柴油箱1和柴油泵2，其中，柴油箱1用于储存柴油，柴油泵2用于将柴油箱1内储存的柴油泵入柴油供给管路，柴油供给管路的末端与各个气缸的柴油喷嘴5相连。

进一步，氢气供给系统包括甲醇制氢装置14、甲醇供给装置和温控装置。其在，甲醇制氢装置14设置在发动机4的排气管8上，甲醇制氢装置14的氢气输出端通过氢气供给管路与各个气缸的氢气喷嘴6相连，甲醇制氢装置14的甲醇输入口通过甲醇供给管路与甲醇供给装置的输出端相连；甲醇供给装置和温控装置均由温控单元3控制，使得甲醇制氢装置14保持在最佳工作温度范围。

进一步，甲醇供给装置包括甲醇箱10和甲醇变量泵11，其中，甲醇箱10用于储存甲醇；甲醇变量泵11与控制单元3相连，用于根据控制单元3发送的控制信号保证供制氢原料甲醇的压力恒定，调节甲醇供给流量进而控制产生氢气量。

进一步，温控装置包括排气支管7、高温电磁阀9、热电偶12以及电加热器13。其中，排气支管7与甲醇制氢装置14并排设置，并与排气管8相连通，高温电磁阀9设置在排气支管7内；热电偶12和电加热器13插设在甲醇制氢装置14的壳体内，热电偶12用于对甲醇制氢装置14内的工作温度进行实时测量，并发送到控制单元3；控制单元3将接收到的实时工作温度与预设最佳工作温度范围进行比较，当实时工作温度低于预设最佳工作温度范围时，控制高温电磁阀9关闭，同时控制电加热器13启动，对甲醇制氢装置14进行加热；当实时工作温度高于预设最佳工作温度范围时，控制高温电磁阀9打开，同时控制电加热器14关闭，使得发动机4的部分尾气从排气支管7排出，降低甲醇制氢装置温度并保持甲醇制氢装置14处于最佳工作温度范围。

进一步，甲醇制氢装置14的最佳工作温度范围为250-285℃。

进一步，氢气供给系统还包括一氢气压力传感器15，该氢气压力传感器15设置在氢气供给管路上，用于对管路内的氢气压力进行实时监测，并发送到控制单元3，控制单元3根据接收到的实时氢气压力数据调整供给甲醇和氢气量。

进一步，甲醇制氢装置14内还设置有催化剂，使得甲醇在甲醇制氢装置内催化剂的作用下发生重整反应，主要产物为氢气和二氧化碳。

进一步，控制单元3内预存有一套柴油和氢气混烧的标定数据，通过发动机4各工况数据反馈到控制单元3，控制单元3输出信号调节柴油供给量，氢气供给量以及制氢原料甲醇供给量，控制温控装置保持甲醇制氢装置14处于最佳工作温度范围。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。