一种基于替代燃料的发动机混合动力系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，由一个传统的内燃式发动机，由废气涡轮增压器、高温裂解器和燃料预加热器组成的三级能量利用装置，一个质子交换膜燃料电池，一个现场提高供高氢气纯度的氢气钯膜纯化器，一个用于满足替代燃料供给的燃料高压共轨喷射装置以及系统电子控制单元等组成，本发明专利技术的新型混合动力系统，综合运用了能量多层级利用管理实现燃料的百分之百充分利用，旨在克服替代燃料在直接发动机燃烧着火困难和直接燃料电池发电效率低等技术问题，同时弥补氢燃料电池因储氢难、废气涡轮增压器功耗大等技术短板；采用内燃式与电化学混合发电模式，为醇类、生物油类替代燃料的高效利用提供一种新的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于替代燃料的发动机混合动力系统
本专利技术涉及发动机，具体为一种基于替代燃料的燃烧式和电化学式发动机混合动力系统，适用于交通运输工具及应急备用电源等领域。
技术介绍
随着社会科技的快速发展和生活水平的大幅提高，人类对能源动力需求越来越紧迫，尤其像电力、交通等行业每天消耗大量的石油资源，对大气环境造成恶化影响。此外，石油是一种不可再生资源，目前石油供应短缺、国际油价持续走高，寻找合适的替代燃料和新型的动力装置变得日益迫切。一般醇类、生物油等替代燃料具有辛烷值高、动力性好、热效率高、排放好等优越特性，已被公认为比较理想的替代能源，可从资源丰富的煤炭、矿材或生物质能中制备提取，工艺较为成熟，符合我国能源发展国情，具有较大的应用潜力。但是这类替代燃料同时存在汽化潜热高、热值低、着火性能差、粘度低、与现有汽油、柴油互溶性差等缺点，一直阻碍着醇类及生物油类替代燃料的广泛使用，有必要探索一种新的使用方法。目前行业领域使用醇类作为发动机替代燃料存在多种不同的使用方式。中国专利文献201610512761.4公开了一种基于柴油发动机的100%甲醇发动机，旨在提供一种结构简单、制作成本低且易于推广普及的全甲醇替代发动机。它包括进气歧管总成，火花塞及甲醇燃料共给系统，所述进气歧管总成包括若干与发动机各缸体一一对应连通的进气歧管，将柴油发动机中的柴油喷油器安装孔设置为火花塞安装孔，所述火花塞设置在火花塞安装孔内。但是，由于醇类燃料汽化潜热大，在发动机中或多或少地存在一些熄火区不利于火焰传播方式的燃烧；此外在低负荷工况时，工作温度低，火焰传播速度慢，造成有害物质甲醛排放增加，带来新的环境问题。针对上述问题，中国专利文献CN1401890A公开了醇氢混燃发动机装置，发动机燃料为甲醇和氢气的混合气，甲醇由高压泵喷射雾化与空气混合进入燃烧室，氢气由甲醇利用发动机尾排高温裂解产生。通过醇氢混燃，改变发动机缸内燃烧特性，实现高效低耗，并能减少甲醛等有害物质的排放。但是受卡诺循环限制，发动热效率很难提高，甲醇很难被高效利用。燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电效率高、接近热机的两倍，被称为未来动力发展的重要方向，醇类替代燃料和氢气均可作为输入燃料。目前，直接燃料电池也是替代燃料利用的一种热门方式，文献“刘建国等，直接甲醇燃料电池的原理、进展和主要技术问题，电源技术，2001(5)：第363—366页”指出了目前存在甲醇从阳极向阴极的渗透和阳极催化剂活性较低的实际问题，仅适合于手机电源等微型移动电源和千瓦级用的可移动电源领域，难以满足大功率输出动力系统需求。氢/空燃料电池在功率等级和效率方面均明显优于直接甲醇燃料电池，寿命、成本等相关技术已经满足使用要求，但是面临着氢气存储、运输、加注困难，且需要额外配备相应的大功率辅机部件，阻碍了氢燃料电池的商业化发展。
技术实现思路
针对上述醇类、生物油类替代燃料在使用过程中遇的问题，本专利技术提供了一种综合利用替代燃料的发动机混合动力系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发动机混合动力系统，包括一个传统的内燃式发动机，其曲轴上连接有发动机曲轴轮，其缸内燃烧室设置有电火花塞，其发动机排气道通过发动机排气总管连接有发动机废气涡轮机，所述的发动机废气涡轮机通过涡轮机出口总管连接尾气供热及催化燃烧器；由废气涡轮增压器、高温裂解器和燃料预加热器组成的三级能量利用装置，所述的废气涡轮增压器与发动机废气涡轮机连接，所述的尾气供热及催化燃烧器和高温裂解器分别与燃料预加热器连接，所述的燃料预加热器连接发动机尾气直排口；一个质子交换膜燃料电池，其阴极侧通过进气中冷器连接废气涡轮增压器，其阳极侧连接高压储氢罐；一个现场提高供高氢气纯度的氢气钯膜纯化器，所述的氢气钯膜纯化器通过氢气高压往复泵连接高压储氢罐，氢气钯膜纯化器通过纯化尾气掺烧阀与发动机排气道连接；一个用于满足替代燃料供给的设置在内燃式发动机进气管道的燃料高压共轨喷射装置，由连接氢气高压往复泵的高压氢气共轨管和通过高压燃料泵连接替代燃料箱的替代燃料高压共轨管组成，所述的高压氢气共轨管通过若干氢气喷射阀与燃烧室进气道的氢气喷嘴连接，所述的替代燃料高压共轨管通过若干高压喷射阀与燃烧室进气道的替代燃料喷嘴连接；还包括系统电子控制单元，分别与氢气喷射阀和高压喷射阀连接；还包括与内燃式发动机连接的发电机、与质子交换膜燃料电池连接的蓄电池、以及分别与发电机和蓄电池连接的驱动电机；所述的氢气高压往复泵通过氢泵驱动连接皮带连接有氢泵皮带轮，所述的高压燃料泵上连接有燃料泵皮带轮，所述的氢泵皮带轮和燃料泵皮带轮分别与发动机曲轴轮连接。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其替代燃料可以为甲醇、乙醇等各类液体醇类燃料，也包括大分子链生物油、生物柴油等替代燃料。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其进气中冷器通过阴极入口阀连接质子交换膜燃料电池的阴极侧；所述的氢气高压往复泵通过氢气单向阀分别连接高压氢气共轨管和高压储氢罐，氢气单向阀和高压储氢罐之间设置有储氢罐进口阀；所述的氢气单向阀和高压氢气共轨管之间依次连接有储氢罐旁路阀、燃料电池短接阀。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其高压储氢罐和质子交换膜燃料电池之间依次连接有储氢罐减压阀、燃料电池进口压力传感器和燃料电池入口单向阀；所述的储氢罐旁路阀同时连接燃料电池进口压力传感器；所述的发动机排气道与阴极入口阀之间设置有中冷器后压力/温度传感器。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其高温裂解器和尾气供热及催化燃烧器通过中间隔板连接；所述的尾气供热及催化燃烧器和燃料预加热器之间设置有催化燃烧器出口温度传感器和燃料浓度传感器；所述的燃料预加热器和高温裂解器之间设置有高温裂解喷射电磁阀，所述的高温裂解喷射电磁阀与系统电子控制单元连接。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其质子交换膜燃料电池阴极侧还连接有阴极尾排阀；所述的阳极侧还设置有阳极出口压力传感器和燃料电池出口单向阀。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其发动机排气总管上还设置有涡轮机进口温度传感器；所述的涡轮机出口总管上还设置有涡轮机出口温度传感器。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其废气涡轮增压器上还连接有空气过滤器。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其替代燃料高压共轨管通过预热器进口电磁阀连接燃料预加热器。所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其氢气喷嘴和替代燃料喷嘴均设置在发动机缸盖上。本专利技术的积极有益效果：本专利技术提供的新型混合动力系统可以实现内燃式发动机与质子交换膜燃料电池耦合联用，内燃式发动机的燃料为替代燃料和氢气混合物，氢气的混入改善发动机缸内燃烧特性，促使燃料充分燃烧；通过高温裂解器对替代燃料的高温催化可以现场制氢，高温热量来自发动机废气涡轮机的尾排，经氢气钯膜纯化器可获得高纯度氢气；质子交换膜燃料电池的空气通过废气涡轮增压器获取，该废气涡轮增压器同时满足内燃式发动机与质子交换膜燃料电池的空气需求，无需配用电动废气涡轮增压器消耗多余的电能。本专利技术提供的内燃式发动机与质子交换膜燃料电池混合驱动，可根据动力需求采用不同的运行模式，做到灵活调配；内燃式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于：包括一个内燃式发动机（1），其曲轴上连接有发动机曲轴轮（35），其缸内燃烧室（55）设置有电火花塞（54），其发动机排气道（2）通过发动机排气总管（6）连接有发动机废气涡轮机（9），所述的发动机废气涡轮机（9）连接尾气供热及催化燃烧器（13）；由废气涡轮增压器（38）、高温裂解器（14）和燃料预加热器（42）组成的三级能量利用装置，所述的废气涡轮增压器（38）与发动机废气涡轮机（9）连接，所述的尾气供热及催化燃烧器（13）和高温裂解器（14）分别与燃料预加热器（42）连接，所述的燃料预加热器（42）连接发动机尾气直排口（46）；一个质子交换膜燃料电池（25），其阴极侧通过进气中冷器（7）连接废气涡轮增压器（38），其阳极侧（27）连接高压储氢罐（20）；一个氢气钯膜纯化器（15），所述的氢气钯膜纯化器（15）通过氢气高压往复泵（16）连接高压储氢罐（20），氢气钯膜纯化器（15）通过纯化尾气掺烧阀（47）与发动机排气道（2）连接；一个设置在内燃式发动机（1）进气管道的燃料高压共轨喷射装置，由连接氢气高压往复泵（16）的高压氢气共轨管（3）和通过高压燃料泵（37）连接替代燃料箱（31）的替代燃料高压共轨管（48）组成，所述的高压氢气共轨管（3）通过若干氢气喷射阀（4）与燃烧室进气道（53）的氢气喷嘴（5）连接，所述的替代燃料高压共轨管（48）通过若干高压喷射阀（49）与燃烧室进气道（53）的替代燃料喷嘴（52）连接；还包括系统电子控制单元（50），分别与氢气喷射阀（4）和高压喷射阀（49）连接；还包括与内燃式发动机（1）连接的发电机（33）、与质子交换膜燃料电池（25）连接的蓄电池（30）、以及分别与发电机（33）和蓄电池（30）连接的驱动电机（32）；所述的氢气高压往复泵（16）通过氢泵驱动连接皮带（18）连接有氢泵皮带轮（34），所述的高压燃料泵（37）上连接有燃料泵皮带轮（36），所述的氢泵皮带轮（34）和燃料泵皮带轮（36）分别与发动机曲轴轮（35）连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于：包括一个内燃式发动机（1），其曲轴上连接有发动机曲轴轮（35），其缸内燃烧室（55）设置有电火花塞（54），其发动机排气道（2）通过发动机排气总管（6）连接有发动机废气涡轮机（9），所述的发动机废气涡轮机（9）连接尾气供热及催化燃烧器（13）；由废气涡轮增压器（38）、高温裂解器（14）和燃料预加热器（42）组成的三级能量利用装置，所述的废气涡轮增压器（38）与发动机废气涡轮机（9）连接，所述的尾气供热及催化燃烧器（13）和高温裂解器（14）分别与燃料预加热器（42）连接，所述的燃料预加热器（42）连接发动机尾气直排口（46）；一个质子交换膜燃料电池（25），其阴极侧通过进气中冷器（7）连接废气涡轮增压器（38），其阳极侧（27）连接高压储氢罐（20）；一个氢气钯膜纯化器（15），所述的氢气钯膜纯化器（15）通过氢气高压往复泵（16）连接高压储氢罐（20），氢气钯膜纯化器（15）通过纯化尾气掺烧阀（47）与发动机排气道（2）连接；一个设置在内燃式发动机（1）进气管道的燃料高压共轨喷射装置，由连接氢气高压往复泵（16）的高压氢气共轨管（3）和通过高压燃料泵（37）连接替代燃料箱（31）的替代燃料高压共轨管（48）组成，所述的高压氢气共轨管（3）通过若干氢气喷射阀（4）与燃烧室进气道（53）的氢气喷嘴（5）连接，所述的替代燃料高压共轨管（48）通过若干高压喷射阀（49）与燃烧室进气道（53）的替代燃料喷嘴（52）连接；还包括系统电子控制单元（50），分别与氢气喷射阀（4）和高压喷射阀（49）连接；还包括与内燃式发动机（1）连接的发电机（33）、与质子交换膜燃料电池（25）连接的蓄电池（30）、以及分别与发电机（33）和蓄电池（30）连接的驱动电机（32）；所述的氢气高压往复泵（16）通过氢泵驱动连接皮带（18）连接有氢泵皮带轮（34），所述的高压燃料泵（37）上连接有燃料泵皮带轮（36），所述的氢泵皮带轮（34）和燃料泵皮带轮（36）分别与发动机曲轴轮（35）连接。2.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的替代燃料为生物柴油或液体醇类燃料或大分子链生物油。3.根据权利要求1所述的一种基于替代燃料的发动机混合动力系统，其特征在于，所述的进气中冷器（7）通过阴极入口阀（...

【专利技术属性】
技术研发人员：花仕洋，余罡，李柯，王傲，徐增师，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42