發動機聯合外置重整器無催化劑低溫加水燃料重整裝置的製作方法

2023-09-12 09:25:30

本發明涉及一種發動機燃料低溫加水重整的新型燃燒模式與裝置，具體設計一種利用一個外置燃料低溫(T<1000K)加水重整器重整燃料，通過控制該外置重整器的邊界條件(溫度、壓力、當量比等)以及加入重整器中水的比例將燃料重整成不同活性的低溫氧化產物(醛類、酮類、過氧化物等)，而後根據實際工況條件將重整後不同活性的混合氣導入到發動機中參與燃燒的裝置系統。

背景技術：

隨著社會的發展，能源與環境的矛盾日益凸顯，其中汽車對這二者的影響又至關重要，因此優化燃料燃燒以及排放過程，就逐漸被國內外科學家重視起來，並且相繼提出一些新型燃燒方式，如均質壓燃(HCCI)、低溫燃燒(LTC)和部分預混合燃燒(PPC)等[1-9]。與此同時近些年來燃料重整這一新型燃燒模式的研究較為火熱，因為重整後的燃料用於發動機上燃燒在效率和排放方面都表現出一些優秀的性質。Fennell等人[10]在缸內直噴汽油機上，實驗研究了在汽油燃料中添加通過廢氣重整製得的氫氣對燃料的燃燒效率及排放的影響。研究結果表明，通過廢氣重整得到的氫氣可以提高發動機的指示效率，並且降低顆粒物排放。伯明罕大學的Tsolakis等人[11]利用一臺自製的外置重整裝置催化加水重整燃料，研究結果發現在同樣的實驗邊界條件下，加水重整較之無水重整可使發動機重整氣中氫含量提高15％左右，並且排放也得到了一定改善。天津大學的堯命發等人[12]提出FCE(Flexible Cylinder Engine)發動機新型燃燒方式，該方式是將燃料不加催化劑低溫重整成不同活性的低溫重整產物來改善發動機的燃燒狀態，FCE模式已經得到理論驗證。而在低溫重整過程中，水的加入可以使重整過程的過氧化氫含量提高，這在發動機燃燒過程中屬於高活性物質，可以促進發動機燃燒，改善高辛烷值燃料或者小負荷時點火困難等問題。

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技術實現要素：

針對現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種發動機聯合外置重整器無催化劑低溫加水燃料重整裝置，當發動機運行在不同工況條件下，通過控制外置重整器相應的重整反應邊界條件與加水比例，可以排出不同氧化階段不同活性的混合氣，再結合發動機氣缸內直噴的燃料，可以實現缸內混合氣活性與濃度分層，改變燃油燃燒反應的反應路徑，可以有效拓寬高效清潔燃燒範圍。本發明只需要採用簡單的氧化反應後處理器即可以滿足歐VI排放法規的要求。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種發動機聯合外置重整器無催化劑低溫加水燃料重整裝置，包括發動機氣缸、一臺外置低溫加水重整器、空氣進氣管、燃料進樣管和水進樣管，所述發動機氣缸連接有發動機進氣管和發動機排氣管；所述外置低溫加水重整器纏繞有電加熱絲，並設有第一溫控表；所述空氣進氣管的一端和所述燃料進樣管的一端均連接至所述外置低溫加水重整器的進口；所述空氣進氣管的另一端連接至一空氣瓶，所述空氣進氣管上設有氣體流量計；所述燃料進樣管的另一端連接至一燃料注射泵，所述燃料進樣管上設有汽化罐，所述汽化罐設有第二溫控表；所述水進樣管的一端與所述汽化罐的進口相連，所述水進樣管的另一端連接至一水注射泵；所述外置低溫加水重整器的出口通過重整氣氣管與所述發動機進氣管相連；所述重整氣氣管上、並位於臨近外置低溫加水重整器的出口處設有一熱電偶；初始燃料由所述燃料注射泵以勻速經燃料進樣管進入到汽化罐中，此刻，水由水注射泵同樣以勻速經水進樣管進入到汽化罐中，初始燃料與水在汽化罐進行汽化，汽化後的燃料導入所述外置低溫加水重整器中，與此同時，由所述空氣瓶提供的新鮮空氣在氣體流量計調控流量下經空氣進氣管進入到所述外置低溫加水重整器中；在所述外置低溫加水重整器中，新鮮空氣與汽化後的燃料與水的混合氣進行低溫重整；重整後的低溫產物經過重整氣氣管進入到發動機進氣管中，再次與新鮮空氣混合形成均勻混合氣導入到所述發動機氣缸中，並與缸內直噴的燃料混合燃燒實現混合氣活性及濃度分層。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明通過控制燃油與空氣反應的邊界條件，以及燃油與水的混合重整比例，可以使該重整裝置排出不同氧化階段的部分中間產物或完全氧化產物，使其與空氣(或者EGR與空氣的混合氣)混合，導入到發動機氣缸中，再結合缸內直噴的燃料，可以實現混合氣活性及濃度分層協同控制的高效清潔燃燒。本發明將燃料經外置重整器低溫加水重整，重整後的低溫重整產物與新鮮空氣均勻混合導入到發動機氣缸內，而後與工作缸噴入的新鮮燃料混合燃燒，實現了燃油燃燒氧化反應反應路徑可調控制，從而實現高效清潔燃燒的目標。

其中，加水重整的三個優點：一是，在重整過程中水的加入可以降低發動機缸內燃燒溫度及排放。二是，初始燃料由於水的加入可以提高初始混合氣的H/C比，有益於產生更多的氫。三是，由於水的分子式中含有氧有利於減少碳煙等汙染物的排放，使燃燒更加清潔。

利用本發明，當發動機運行在不同轉速、負荷等工況條件下，通過控制外置重整器相應的重整反應邊界條件，以及燃油與水重整的混合比例可以改變燃油燃燒反應的反應路徑，獲得不同活性的重整混合氣，可以有效拓寬高效清潔燃燒範圍。本發明只需要採用簡單的氧化反應後處理器即可以滿足歐VI排放法規的要求。

附圖說明

圖1是本發明發動機聯合外置重整器無催化劑低溫加水燃料重整裝置的相同結構示意簡圖；

圖2是重整不同混合比例的正庚烷及水數值模擬結果。

圖中：

1-發動機氣缸 2-發動機排氣管 3-發動機進氣管

4-重整氣氣管 5-熱電偶 6-重整器

7-電加熱絲 8-第一溫控表 9-汽化罐

10-第二溫控表 11-空氣進氣管 12-流量計

13-空氣瓶 14-燃料進樣管 15-燃料注射泵

16-水進樣管 17-水注射泵

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發明進行解釋說明，並不用以限制本發明。

如圖1所示，本發明提出的一種發動機聯合外置重整器無催化劑低溫加水燃料重整裝置，由發動機主體和外置低溫加水重整器兩部分組成，主要是通過向外置低溫加水重整器6中的低溫重整氣中加入一定比例的水，並與新鮮空氣混合再導入到發動機氣缸中參與燃燒。具體結構如下：

該低溫加水燃料重整燃燒裝置包括發動機氣缸1，一臺外置低溫加水重整器6、空氣進氣管11、燃料進樣管14和水進樣管16，所述發動機氣缸1連接有發動機進氣管3和發動機排氣管2。

所述空氣進氣管11的一端和所述燃料進樣管14的一端均連接至所述外置低溫加水重整器6的進口；所述空氣進氣管11的另一端連接至一空氣瓶13，所述空氣進氣管11上設有氣體流量計12，所述氣體流量計12調控進入外置低溫燃料重整器6的空氣量。

所述燃料進樣管14的另一端連接至一燃料注射泵15，所述燃料注射泵15按照規定重整當量比勻速地向汽化罐9進樣燃料，所述燃料進樣管14上設有汽化罐9，所述汽化罐9設有第二溫控表10；所述水進樣管16的一端與所述汽化罐9的進口相連，所述水進樣管16的另一端連接至一水注射泵17，所述水注射泵17按照與燃料合適的配比勻速的向汽化罐9進樣水。所述燃料汽化罐9，所述燃料汽化罐9上設有電加熱絲和熱電偶，用以汽化來自燃料進樣管14和水進樣管16的待重整的混合液體，使其在一定溫度下變成汽態，所述燃料汽化罐9設有第二溫控表10，所述燃料汽化罐9上的電加熱絲由第二溫控表10控制其加熱溫度，並與位於燃料汽化罐9上的熱電偶進行閉環溫度控制。

所述外置低溫加水重整器6纏繞有電加熱絲7，並設有第一溫控表8；所述外置低溫加水重整器6的出口通過重整氣氣管4與所述發動機進氣管3相連；所述重整氣氣管4上、並位於臨近外置低溫加水重整器6的出口處設有一熱電偶5，所述熱電偶5用以檢測重整後混合氣的溫度。所述第一溫控表8控制所述電加熱絲7的加熱功率進而控制外置低溫燃料重整器6的重整溫度，所述電加熱絲7、第一溫控表8與位於外置低溫燃料重整器6出口端的熱電偶5形成閉環迴路控制調控燃料的重整溫度，用以燃料低溫重整。

初始燃料由所述燃料注射泵15以勻速經燃料進樣管14進入到汽化罐9中，此刻，水由水注射泵17同樣以勻速經水進樣管16進入到汽化罐9中，初始燃料與配以合適的比例的水在汽化罐9進行汽化，汽化後的燃料導入所述外置低溫加水重整器6中，與此同時，由所述空氣瓶13提供的新鮮空氣在氣體流量計12調控流量下經空氣進氣管11進入到所述外置低溫加水重整器6中；在所述外置低溫加水重整器6中，新鮮空氣與汽化後的燃料與水的混合氣進行低溫重整。重整後的低溫產物(混合氣)經過重整氣氣管4進入到發動機進氣管3中，再次與新鮮空氣混合形成均勻混合氣導入到所述發動機氣缸1中，並與缸內直噴的燃料混合燃燒實現混合氣活性及濃度分層。

本發明是利用一套外置低溫加水燃料重整系統根據發動機實際工況條件產生不同氧化階段的低溫重整產物，水的加入後可以明顯提高重整混合氣活性物質過氧化氫含量，從而促進發動機燃燒。本發明不但實現了燃料的低溫重整，也實現了發動機氣缸內混合氣濃度分層和活性分層燃燒，並且不需要添加催化劑，從而使發動機更加高效節能的運行。

綜上，本發明低溫加水燃料重整燃燒裝置根據發動機實際工況特點，對外置重整器中的燃料進行低溫重整，通過控制燃油與空氣反應的邊界條件以及燃油與水的混合重整比例，可以使該重整裝置排出不同氧化階段的部分中間產物或完全氧化產物，即可以得到不同活性的低溫氧化產物，例如重整PRF90(異辛烷與正庚烷體積比為9)燃料，除了可以得到高活性物質(過氧甲烷CH3O2H，羰基的過氧化物KETs等等)外，還可以得到含量較高的過氧化氫H2O2；從圖2中可以看到重整不同混合比例的正庚烷及水數值模擬結果，發現當正庚烷與水的混合體積比是95：5時，重整混合氣中高活性的過氧化氫含量提高較為明顯，因此可以得知，在重整過程中水的加入可以促進混合氣活性的升高，因此在後續導入發動機過程中可以改善發動機小負荷時點火困難問題，促進著火。重整器排出的重整後的低溫重整產物與新鮮空氣(或者EGR與空氣的混合氣)均勻混合導入到發動機氣內，而後與工作缸噴入的新鮮燃料混合燃燒，可以實現燃油燃燒氧化反應，反應路徑可調控制，從而實現混合氣活性及濃度分層協同控制的高效清潔燃燒的目標。

儘管上面結合附圖對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。