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技术领域：

本发明涉及甲醇制氢技术领域，具体讲是一种小型电控双热源醇类催化裂解制氢装置及 其在液体燃料汽车上的应用方法。

背景技术：

氢是目前最轻分子，它在自然界以化合物的方式存在。氢气与氧气化合时会释放出大量 能量。氢气易于和空气均匀混合，其着火极限为4.1～75％，最大火焰传播速度为291cm/s， 最大火焰传播速度是汽油的7.72倍。使用氢与汽油、柴油、天然气混合燃料，会带来经济性、 动力性和发动机派发性能的改善，其原因氢的燃烧速度快，原燃料掺入一定比例的氢气后， 会大大缩短燃料的速燃期，使燃烧效率增加。尤其是在柴油机中加入氢气后，由于氢气的着 火极限很宽(4.1～75％)，气缸内温度一旦达到其着火温度，氢气便着火燃烧。由于氢气的火 焰传播速度比柴油快得多，推动柴油一起燃烧，使气缸内火焰传播速度提高，燃料更快燃烧， 使柴油机速燃期缩短。在这一时期，由于燃烧速度加快，消耗的燃料也比原来多，使缓燃期 的可燃混合气浓度下降，降低了缺氧条件下柴油的数量，减少柴油裂解，产生游离碳的因素。 缓燃期缩短，破坏了碳烟(PM2.5)形成的条件，可以大幅度的降低柴油发动机的颗粒排放。 适量的掺入氢气，即可保持柴油发动机原来的特性，还可以达到无颗粒物排放。目前，现有 技术的制氢方法多数采用醇类裂解制氢方法，比如甲醇或乙醇，它们是碳、氢、氧的化合物， 在加热、减压、催化的情况下会分解成氢气(H₂)和一氧化碳(CO)。

本申请人已申请的授权公告号为CN1111647C的发明专利公开了一种降低柴油发动机碳 烟的方法及其消烟净化装置，其主要特点在于利用车辆尾气和低压电加热器的供热，使醇类 催化裂解得到氢气(H₂)和一氧化碳(CO)，从而能够经济、简便地大幅度降低柴油发动机碳 烟，达到低碳烟，甚至无碳烟排放，并同时降低NO_x的排放。

然而经过多年地不断实践，我们发现该消烟净化装置存在两个缺陷：1、进入到醇类裂解 反应室中的发动机尾气与反应室中的催化剂的接触面积比较少，即催化剂的吸热面积比较小， 从而降低了发动机尾气热量的利用率；2、原装置中需要进行催化裂解的甲醇是通过甲醇泵的 工作从甲醇箱中定量地泵入甲醇裂解反应室中，由于甲醇量不是按需要供给，因此催化剂的 能力没有被完全地利用，也不能较好地保护催化剂，最终导致缩短催化剂的使用寿命。

与此同时，我们还发现原降低发动机碳烟方法也存在以下两个缺陷：1、我们知道，发动 机在启动升温、怠速运转时的燃烧状况很差，排放量大，而原方法只通过一个压力平衡罐和 一个电磁阀将原消烟净化装置的氢气和一氧化碳排气口与发动机进气歧管总管入口处连通， 压力平衡罐的容积很小，只起到进气时平衡压力的作用，基本不储存氢气，因此该方法无法 改善发动机在启动升温、怠速运转时的燃烧状况；2、原方法将氢气和一氧化碳只引入到发动 机进气歧管总管入口处，因此进入发动机各缸进气歧管进气门处的氢气和一氧化碳分配量存 在较大的差异。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种不但能够有效增大发动机尾气与催化剂的接触面 积，提高发动机尾气热量的利用率，而且可以更好地利用催化剂的能力，较好地保护催化剂， 延长催化剂的使用寿命的醇类催化裂解制氢装置。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种醇类催化裂解制氢装置在液体燃料汽车上 的应用方法，该方法不但可以较好地改善发动机在启动升温、怠速运转时的燃烧状况，而且 还能便于定量控制，使进入发动机各缸进气歧管进气门处的氢气和一氧化碳的量能够随发动 机工况的变化而改变，从而实现氢气与燃料的最佳配比。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的醇类催化裂解制氢装置，它包括进 气歧管接口、出气歧管接口、具有保温层的外壳、填充有催化剂的反应室、置于外壳内且与 反应室底部连通的预热管以及置于催化剂中的电加热器和温度传感器，外壳顶部设有与预热 管连接相通的醇类入口，反应室上方的外壳顶部设有法兰盘以及与其连接的盖板，盖板上设 有排气口、电加热器的接线出口及温度传感器的出口，其中，进气歧管接口设置在靠近预热 管的外壳侧壁上，出气歧管接口设置在靠近反应室的外壳侧壁上，进气歧管接口与出气歧管 接口之间催化剂中设置有至少一条第一尾气通道，第一尾气通道是与催化密封隔开的，反应 室底部设有一个与预热管连接相通的醇类喷射器。

优选地，本发明所述的醇类催化裂解制氢装置，其中，尾气通道的数量可为二～六条。

采用以上结构后，与现有技术相比，本发明醇类催化裂解制氢装置具有以下优点：

1、由于进气歧管接口设置在靠近预热管的外壳侧壁上，出气歧管接口设置在靠近反应室 的外壳侧壁上，因此刚由发动机排出的尾气首先是对预热管加热，此时的尾气具有足够的热 量，因此本发明可以减少预热管的数量，换句话说，在预热管受热面积较小的情况下也可以 很好地对预热管进行加热。

2、本发明在催化剂与壳体之间原本具有第二尾气通道的情况下，在进气歧管接口与出气 歧管接口之间的催化剂中又设置了至少一条第一尾气通道，这使得进入到醇类裂解反应室中 的发动机尾气与反应室中的催化剂的接触面积大大增加，即催化剂的吸热面积大大增加，从 而有效提高了发动机尾气热量的利用率。

3、反应室底部设置的与预热管连接相通的醇类喷射器不但通过其多个喷口的喷射，使醇 类液体更便于雾化、蒸发，而且可以在车辆控制系统的控制下，根据发动机工况，按照实际 需求，将醇类喷射给催化剂，从而充分利用催化剂的能力，较好地保护催化剂，延长催化剂 的使用寿命。

本发明另一个技术解决方案是，提供一种醇类催化裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应 用方法，该方法包括以下步骤：

①通过与点火开关连接的泵的工作，将醇类液体箱中甲醇或乙醇泵入预热管中；

②将发动机排出的尾气通过靠近预热管一侧的进气歧管接口引入到裂解制氢装置的外 壳内，从而首先对预热管中醇类液体进行加热，使之成为醇类蒸汽，然后再通过至少三条以 上的尾气通道对反应室中的催化剂进行加热；

③在步骤②中，车辆控制系统发出指令，控制醇类喷射器按照实际需求将加热后的预 热管中的醇类蒸汽喷入到反应室中，并经加热后的催化剂的作用分解出氢气和一氧化碳；

④将分解出的氢气和一氧化碳从排气口排出，并依次经过储气罐及多个与车辆控制系统 连接的电磁阀，储气罐内设置一个与车辆控制系统连接的压力传感器，多个电磁阀分别与发 动机各缸进气歧管进气门连接相通，储气罐的作用是冷却、降压及存储氢气和一氧化碳，车 辆控制系统依据发动机的工况发出指令，打开各个电磁阀，氢气和一氧化碳喷入发动机各缸 进气歧管进气门处，和新鲜空气一同进入燃烧室，压缩后参与燃烧。

通过采用以上步骤，醇类催化裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应用方法除了上述三个 优点之外，还具有以下有益效果：

1、本发明中的储气罐不但容积大，而且压力平衡作用增加，并可以储存一定数量的氢气 和一氧化碳，存储的氢气和一氧化碳供发动机启动升温、怠速运转时使用，从而有效减少这 一段时间发动机的排放量，较好地改善了发动机在启动升温、怠速运转时的燃烧状况。

2、与原方法将氢气和一氧化碳只引入到发动机进气歧管总管入口处不同，本发明中所述 的醇类催化裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应用方法，在储气罐与发动机各缸进气歧管进 气门处设置了多个电磁阀，电磁阀的数量是根据各缸进气歧管的数量来定，换句话说，通过 车辆控制系统的控制，通过各个电磁阀排入发动机各缸进气歧管进气门处的氢气和一氧化碳 的量可以依据发动机的工况来定，从而实现氢气与燃料的最佳配比。

优选地，本发明所述的醇类催化裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应用方法，其中，步 骤②中还包括以下步骤：车辆控制系统根据温度传感器反馈的温度信号来控制电加热器的通 断，当发动机排出的尾气不能保证醇类裂解需要的温度时，车辆控制系统控制电加热器发热， 当发动机排出的尾气足够供给醇类裂解需要的温度时，车辆控制系统控制电加热器断电。

优选地，本发明所述的醇类催化裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应用方法，其中，醇 类分解出的氢气和一氧化碳从排气口排出后是经过单向阀后再进入储气罐中。设置单向阀的 目的是为了防止氢气和一氧化碳倒流。

附图说明：

图1为本发明中醇类催化裂解制氢装置的结构示意图；

图2为沿图1中“A-A”线的剖视结构示意图；

图3为将醇类催化裂解制氢装置应用在液体燃料汽车上时的应用原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明醇类催化裂解制氢装置及其在液体燃料汽车上的 应用方法作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明醇类催化裂解制氢装置包括进气歧管接口13、出气歧管接口 14、电加热器5、温度传感器6、具有保温层的外壳1、填充有催化剂2的反应室3以及置于 外壳1内且与反应室3底部连通的预热管4。外壳1顶部设有与预热管4连接相通的醇类入 口7，反应室3上方的外壳1顶部设有法兰盘8以及与其连接的盖板9，盖板9上设有排气口 10、电加热器5的接线出口11及温度传感器6的出口12。进气歧管接口13设置在靠近预热 管4的外壳1侧壁上，出气歧管接口14设置在靠近反应室3的外壳1侧壁上，反应室3底部 设有一个与预热管4连接相通的醇类喷射器16。反应室3中的催化剂2是密封设置的，换句 话说，催化剂2是放置在一个密封单元30中，催化剂2沿竖直方向由分隔单元(图中未示出) 分为上、中、下三层，层与层之间的催化剂2通过设置在分隔单元上的空洞进行连通。催化 剂2与壳体1之间存在第二尾气通道28的同时，本发明还在催化剂2中设置了两条轴向的第 一尾气通道15，两条第一尾气通道15同时连通进气歧管接口13与出气歧管接口14，两条第 一尾气通道15是与催化剂2密封隔开的，换句话说，本发明要保证第一尾气通道15和第二 尾气通道28中的尾气不能与反应室中的催化剂2直接接触，但尾气所带的热量可以通过密封 单元30传递给催化剂2。本发明增加的两条第一尾气通道15，大大增加了催化剂2的受热面 积，从而提高了发动机尾气热量的利用率。本发明中的电加热器5和温度传感器6均位于催 化剂2中，其数量分别为6个和3个。

如图3所示，醇类催化裂解制氢装置在液体燃料汽车上的应用方法如下：

①点火开关17两端分别连接电源26(蓄电池、发电机)和泵18，点火开关17打开后， 泵18开始工作，将醇类液体箱22中的甲醇或乙醇泵入预热管4中；

②将发动机19排出的尾气通过靠近预热管4一侧的进气歧管接口13引入到裂解制氢装 置21的外壳1内，从而首先对预热管4中醇类液体进行加热，使之成为醇类蒸汽，然后再通 过四条条以上尾气通道15对反应室3中的催化剂2进行加热；

③预热管4加热后，车辆控制系统20发出指令，控制醇类喷射器16按照实际需求将加 热后的预热管4中的醇类蒸汽通过其上的四个喷口喷入到反应室3中，并经加热后的催化剂 2的作用分解出氢气和一氧化碳；

④将分解出的氢气和一氧化碳从排气口10排出，并依次经过单向阀29、储气罐23及 多个与车辆控制系统20连接的电磁阀24，储气罐23内设置一个与车辆控制系统20连接的 压力传感器25，多个电磁阀24分别与发动机各缸进气歧管进气门连接相通，储气罐23的作 用是冷却、降压及存储氢气和一氧化碳，车辆控制系统20依据发动机的工况发出指令，打开 各个电磁阀24，氢气和一氧化碳喷入发动机各缸进气歧管进气门处，和新鲜空气一同进入燃 烧室，压缩后参与燃烧。

在上述步骤②中，车辆控制系统20根据温度传感器6反馈的温度信号来控制电加热器 5的通断，当发动机19排出的尾气不能保证醇类裂解需要的温度时，车辆控制系统20控制 电加热器5发热，当发动机19排出的尾气足够供给醇类裂解需要的温度时，车辆控制系统 20控制电加热器5断电。更为详细地说，温度传感器6将温度信号传输给车辆控制系统20， 车辆控制系统20按裂解制氢装置21内的温度控制电磁开关27的开、闭，调节醇类液体的供 给量和电加热器5的通断。当发动机排出的尾气不能保证醇类裂解需要的温度时，车辆控制 系统20发出指令，电加热器5发热，保证醇类裂解的正常温度，使裂解持续进行。当发动机 尾气足够供给裂解制氢装置21所需的热量时，温度传感器6输出信号给车辆控制系统20， 车辆控制系统20发出指令，电加热器5断，由发动机尾气独立供热。在发动机启动时，发动 机尾气的温度极低，车辆控制系统20发出指令，电加热器5导通，主要由电源26(蓄电池、 发电机)供电，保证裂解制氢装置21的正常裂解温度，使裂解反应正常进行。裂解产生的低 压氢气(H₂)和一氧化碳(CO)进入不锈钢气体储气罐23，储气罐23内的低压氢气(H₂) 和一氧化碳(CO)按车辆控制系统20的指令打开电磁阀24，按发动机工况供给实际所需的 低压氢气(H₂)和一氧化碳(CO)，和空气(可燃混合气)一起进入气缸参与燃烧。车辆控 制系统20还设置有一个显示器27，从而便于显示裂解制氢装置21的一些相关参数和状态。

本发明中的其他结构及方法与现有技术相同，故不在此赘述。

以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进 行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出 的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。