CN101982653A - 一种重整气制备、存储装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种重整气制备、存储装置及其控制方法，涉及使用在汽车发动机系统中的产生、利用重整气的装置，由重整气制备系统，重整气存储系统，电子控制系统组成，包括燃料存储装置(1)、燃料泵(2)、燃料流量控制电磁阀(3)、重整反应器(4)、重整气存储流量控制电磁阀(5)、重整气存储装置(6)、重整气供给流量控制电磁阀(7)、发动机排气温度传感器(8)、重整气存储装置压力传感器(9)、发动机负荷信号(10)、发动机转速信号(11)、电子控制单元(12)。本发明解决了氢/汽油混合燃料发动机存在的氢气不易存储与运输、加氢耗时长、存在安全隐患等问题，且及其利用电子控制单元，将重整气引入发动机进气系统与汽油在缸内混合燃烧，提高发动机的热效率，降低排放。
Description
技术领域
本发明涉及车载重整反应器在线制取重整气、重整气存储、重整气供给的装置及其使用方法。
背景技术
近几年来，随着我国汽车保有量的不断增加，汽车消耗的石油资源也越来越多，欧洲“世界能源技术与气候政策展望”预计2000-2030年，世界范围内的主要能源需求每年会以1.8％的幅度递增。石油危机正在不断威胁着世界各国。与此同时，汽车尾气中的主要污染排放物一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒等对环境造成了严重的污染，开发新能源与替代能源的工作刻不容缓。对于内燃机来说，氢气长期以来被认为是最好的替代燃料，这是由于氢气用于汽车内燃机燃烧具有以下优势：如单位质量能量密度高；火焰传播速度快等。氢气的加入不但会提高内燃机的热效率，而且会改善发动机的排放。但是由于氢气不易存储与运输，而且加氢耗时长、存在安全隐患等问题，一直没能得到大规模的推广及应用。
以甲醇、乙醇及醚类等液态碳氢为燃料，利用内燃机尾气余热，在催化剂的作用下进行水蒸气催化重整制氢反应，可在线产生富含氢气的重整气。重整气与汽油混合燃烧提高了发动机的制动功、热效率，并且使发动机处于稀燃状态，降低了最高燃烧温度，减少了氮氧化物的排放，从而实现了节能减排的目的。
重整制氢反应虽然解决了氢气的存储与运输问题，但重整气的制备、存储、供给受温度、压力、发动机负荷和转速的影响很大。对重整气的有效利用还需要进一步研究。
保证了氢气的供应，而且。同时氢气的加入代替氢气随车携带开发电子控制单元根据排气温度的不同对重整燃料的流量进行调节，最终重整燃料。重整气通过供给流量控制电磁阀进入重整气存储装置，电子控制单元根据其内部压力调节存储流量控制电磁阀的开度。之后电子控制单元根据发动机的不同工况(负荷、转速)对重整气供给流量控制电磁阀进行调节。最终
发明内容
本发明提供一种重整气制备、存储装置及其控制方法来得到富含氢气的重整气，以解决氢/汽油混合燃料发动机存在的氢气不易存储与运输、加氢耗时长、存在安全隐患等问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
设计一种使用在汽车发动机系统中的重整气制备、存储及控制装置，该装置由重整气制备系统，重整气存储系统，电子控制系统组成，具体包括有燃料存储装置、燃料泵、燃料流量控制电磁阀、重整反应器、重整气存储流量控制电磁阀、重整气存储装置、重整气供给流量控制电磁阀、发动机排气温度传感器、重整气存储装置压力传感器、发动机负荷信号、发动机转速信号、电子控制单元。其中，
重整气制备系统：燃料存储装置依次经燃料泵和燃料流量控制电磁阀接至重整反应器入口；
重整气存储系统：重整反应器出口经重整气存储流量控制电磁阀接至重整气存储装置入口，重整气存储装置出口经重整气供给流量控制电磁阀接至汽车发动机汽缸；
电子控制系统：所述发动机排气温度传感器安装在汽车的排气管道中，所述重整气存储装置压力传感器安装在重整气存储装置中；发动机排气温度传感器和重整气存储装置压力传感器的输出信号，以及所述发动机负荷信号和发动机转速信号接至电子控制单元的输入；电子控制单元的输出的控制信号分别接至燃料泵、燃料流量控制电磁阀、重整气存储流量控制电磁阀、重整气供给流量控制电磁阀。
上述重整气制备、存储及控制装置在使用时，根据使用的燃料，在重整气制备过程中、在重整气存储过程中、在重整气供给过程中都有相应的控制方法。
当使用甲醇、乙醇及醚类这些液态碳氢燃料时，在重整气制备过程中，发动机起动后，对于不同发动机排气温度采用不同的燃料流量控制方法：
I)当电子控制单元通过发动机排气温度传感器检测到排气温度低于400℃时，电子控制单元切断燃料泵供电，同时闭合燃料流量控制电磁阀，禁止燃料进入重整反应器；
II)当电子控制单元通过发动机排气温度传感器检测到排气温度处于400-550℃时，电子控制单元给燃料泵供电，同时打开燃料流量控制电磁阀，并调节燃料流量控制电磁阀至满量程的1/2开度；
III)当电子控制单元通过发动机排气温度传感器检测到排气温度高于550℃时，电子控制单元调节燃料流量控制电磁阀至满量程的开度。
当使用甲醇、乙醇及醚类这些液态碳氢燃料时，在重整气存储过程中，对于不同的重整气存储装置压力，采用不同的重整气存储流量控制方法：
I)电子控制单元通过重整气存储装置压力传感器采集压力信号。当重整气存储装置的压力低于2.5bar时，电子控制单元调节重整气存储流量控制电磁阀至满量程开度；
II)当重整气存储装置的压力处于2.5-3.0bar时，电子控制单元调节重整气存储流量控制电磁阀至满量程的1/2开度；
III)当重整气存储装置的压力高于3.0bar时，电子控制单元闭合重整气存储流量控制电磁阀，禁止重整气进入重整气存储装置6。
当使用甲醇、乙醇及醚类这些液态碳氢燃料时，在重整气供给过程中，对于不同的发动机工况，采用不同的重整气供给流量控制方法：
I)当发动机的负荷低于10％、转速低于1000rpm时，电子控制单元闭合重整气供给流量控制电磁阀，发动机处于汽油燃烧工作状态；
II)当发动机的负荷在11-30％、转速处于1000-2000rpm时，电子控制单元调节重整气供给流量控制电磁阀至满量程的1/2开度；
III)当发动机的负荷在31-70％、转速处于2001-3000rpm时，电子控制单元调节重整气供给流量控制电磁阀至满量程开度；此时发动机处于重整气/汽油混合燃烧工作状态；
IV)当发动机的负荷高于70％、转速高于3000rpm时，电子控制单元闭合重整气供给流量控制电磁阀。
本发明的有益效果是：用甲醇、乙醇及醚类等液态碳氢为燃料，利用尾气余热生产富含氢气的重整气，解决了氢/汽油混合燃料发动机存在的氢气不易存储与运输、加氢耗时长、存在安全隐患等问题。当汽车发动机处于中低负荷、转速时，通过电子控制单元调节重整气的供给量，将重整气引入发动机进气系统与汽油在缸内混合燃烧，提高发动机的热效率，降低排放。当汽车发动机处于冷起动或者高负荷、转速时，通过电子控制单元保持重整气供给流量控制电磁阀处于闭合位置，从而实现纯汽油工作模式，以保证发动机可以输出足够的有效功。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图。
图中1.燃料存储装置；2.燃料泵；3.燃料流量控制电磁阀；4.重整反应器；5.重整气存储流量控制电磁阀；6.重整气存储装置；7.重整气供给流量控制电磁阀；8.发动机排气温度传感器；9.重整气存储装置压力传感器；10.发动机负荷信号；11.发动机转速信号；12.电子控制单元。
具体实施方式
下面结合图1进一步说明本发明的结构和实施方式。
本装置主要包括三部分：(1)重整气制备系统，本系统主要包括有燃料存储装置1、燃料泵2、燃料流量控制电磁阀3、重整反应器4，其中燃料泵2将燃料存储装置1中的液态燃料(醇、醚类溶液)泵入重整反应器4，燃料流量控制电磁阀3控制进入重整反应器4的燃料的流量；(2)重整气存储系统，本系统主要包括有重整气存储流量控制电磁阀5、重整气存储装置6、重整气供给流量控制电磁阀7，其中重整气存储流量控制电磁阀5控制进入重整气存储装置6的重整气的流量，重整气供给流量控制电磁阀7控制重整气的供给流量；(3)电子控制系统，本系统主要包括有发动机排气温度传感器8、重整气存储装置压力传感器9、发动机负荷信号10、发动机转速信号11、电子控制单元12，其中电子控制单元12通过发动机排气温度传感器8采集汽车发动机排气温度信号，分别控制燃料泵2、燃料流量控制电磁阀3，电子控制单元12通过重整气存储装置压力传感器9采集压力信号，控制重整气存储流量控制电磁阀5，电子控制单元12采集发动机负荷信号10、发动机转速信号11控制重整气供给流量控制电磁阀7。
对于重整气制备、存储及控制装置的使用过程，采取了如下的控制方法：
1、重整气制备过程：本系统采用的燃料重整制氢方法为水蒸气重整，这是由于水蒸气重整反应的产氢量高。该反应是吸热反应，因此汽车排气余热利用不但回收了废热，而且为重整反应提供了热源。当用于重整制氢的催化剂达到起燃温度后，燃料重整制氢的反应才能发生。然而不同的温度条件，催化剂所对应的转化能力也有所不同。温度较低时，催化剂的活性低，重整燃料的供给量不宜过高；当温度较高时，催化剂的活性高，重整燃料的供给量可以逐渐加大，从而获得较高的重整气存储量。因此发动机起动后，对于不同发动机排气温度采用不同的燃料流量控制方法：
I)当电子控制单元12通过发动机排气温度传感器8检测到排气温度低于400℃时，催化剂的活性较低，电子控制单元12切断燃料泵2供电，阻止其工作，同时闭合燃料流量控制电磁阀3，禁止重整燃料进入重整反应器4。此时如果继续保持燃料供应，让重整燃料进入重整反应器4，燃料重整制氢的反应并不充分，甚至出现未经反应直接进入重整气存储装置6的情况；
II)当电子控制单元12通过发动机排气温度传感器8检测到排气温度处于400-550℃时，电子控制单元12给燃料泵2供电，同时打开燃料流量控制电磁阀3，并调节燃料流量控制电磁阀3至满量程的1/2开度；
III)当电子控制单元12通过发动机排气温度传感器8检测到排气温度高于550℃时，电子控制单元12调节燃料流量控制电磁阀3至满量程的开度。此时重整温度高，催化剂活性强，可以满足较高流量的燃料在重整反应器4中进行重整反应。
2、重整气存储过程：重整气制备过程中产生的重整气不断进入存储装置，本系统中的重整气存储装置压力设计在3.0bar。当存储装置内压力值超过设计压力时，应闭合重整气存储流量控制电磁阀5，为了迅速降低存储装置内的压力，可以同时开启重整气供给流量控制电磁阀7。因此对于不同的重整气存储装置压力采用不同的重整气存储流量控制方法：
I)电子控制单元12通过重整气存储装置压力传感器9采集压力信号，当重整气存储装置6的压力低于2.5bar时，表明重整气存储装置6依然具有很大的存储空间，电子控制单元12调节重整气存储流量控制电磁阀5至满量程开度，以保证大量重整气进入重整气存储装置6；
II)当重整气存储装置6的压力处于2.5-3.0bar时，表明重整气存储装置6的存储空间接近最大值，电子控制单元12调节重整气存储流量控制电磁阀5至满量程的1/2开度，减少重整气的收集量；
III)当重整气存储装置6的压力高于3.0bar时，表明重整气存储装置6的存储空间已经超出其极限值，电子控制单元12闭合重整气存储流量控制电磁阀5，禁止重整气进入重整气存储装置6，为了迅速降低存储装置内的压力，可以同时开启重整气供给流量控制电磁阀7，避免压力过高带来的安全隐患。
3、重整气供给过程：发动机正常运行过程中，负荷、转速随着实际工况的不同而不断改变，重整气混入发动机进气系统实现混合燃烧仅适用于中低负荷、转速。当发动机冷起动或者负荷、转速过高时，应避免重整气进入进气系统，参与内燃机燃烧；当发动机处于中低负荷、转速时，应适度调节重整气的供给流量，实现重整气/汽油混合燃烧，因此对于不同的发动机工况采用不同的重整气供给流量控制方法：
I)当发动机冷起动时，电子控制单元12闭合重整气供给流量控制电磁阀7。由于负荷、转速过低，发动机排气温度不高，重整反应器4中的催化剂活性较低，导致重整气中氢气分数较低。此时重整气大部分是未反应的重整燃料，进入发动机不会起到改善燃烧的作用。因此保持重整气供给流量控制电磁阀7处于闭合位置，使发动机处于汽油燃烧工作状态；
II)当发动机的负荷在10-30％、转速处于1000-2000rpm时，电子控制单元12调节重整气供给流量控制电磁阀7至满量程的1/2开度。随着负荷、转速的提高，汽车排气温度有所提高，但并不能达到催化剂的最佳工作温度，因此引入部分重整气进入发动机则会适度改善燃烧；
III)当发动机的负荷在31-70％、转速处于2001-3000rpm时，电子控制单元12调节重整气供给流量控制电磁阀7至满量程开度。此时汽车排气温度较高，催化剂在高温条件下可以将更多燃料转化成含氢分数较高的重整气。大量重整气进入发动机使其处于重整气/汽油混合燃烧的工作状态，较高氢气分数的重整气参与燃烧实现稀薄燃烧，可以提高发动机的热效率，达到节能减排的目的。
IV)当发动机的负荷高于70％、转速高于3000rpm时，电子控制单元12闭合重整气供给流量控制电磁阀7。由于负荷、转速过高，发动机的燃烧属于浓燃，需要大量消耗汽油来提供足够的输出功，此时如果在发动机进气系统中混入重整气会稀释浓然混合气，会挤占汽油的部分缸内空间，致使燃料燃烧释放的能量减少，发动机的有效输出功随之降低，因此保持重整气供给流量控制电磁阀7处于闭合位置，避免重整气的引入对发动机燃烧的影响。
本发明的有益效果是，当汽车排气温度较低时，通过电子控制单元闭合燃料流量控制电磁阀，避免燃料未经重整反应直接进入重整气存储装置；当汽车排气温度较高时，通过电子控制单元调节燃料流量控制电磁阀至不同开度，使氢气分数较高的重整气不断进入重整气存储装置，为重整气/汽油混合燃烧做准备。
当重整气存储装置内压力在设计压力以内时，保证重整气存储电磁阀处于不同开度，保证重整不断进入重整气存储装置，为重整气/汽油混合燃烧做准备；当重整气存储装置内压力超过设计压力时，闭合重整气存储流量控制电磁阀，为迅速降低重整气存储装置的压力，可以同时开启重整气供给流量控制电磁阀，避免因压力过高带来的安全隐患。
当汽车发动机处于中低负荷、转速时，通过电子控制单元调节重整气供给流量控制电磁阀至不同开度，以实现不同的供给量，将重整气引入发动机进气系统与汽油在缸内混合燃烧，提高发动机的热效率，降低排放。当汽车发动机处于冷起动或者高负荷、转速时，通过电子控制单元保持重整气供给流量控制电磁阀处于闭合位置。当汽车发动机处于冷起动或者高负荷、转速的工况下，需要浓然混合气的缸内燃烧才能保证正常运转。因此应处于纯汽油工作模式，才能保证发动机可以输出足够的有效功。
Claims (4)
1.一种使用在汽车发动机系统中的重整气制备、存储及控制装置，由重整气制备系统，重整气存储系统，电子控制系统组成，包括燃料存储装置(1)、燃料泵(2)、燃料流量控制电磁阀(3)、重整反应器(4)、重整气存储流量控制电磁阀(5)、重整气存储装置(6)、重整气供给流量控制电磁阀(7)、发动机排气温度传感器(8)、重整气存储装置压力传感器(9)、发动机负荷信号(10)、发动机转速信号(11)、电子控制单元(12)；其特征在于，
重整气制备系统：燃料存储装置(1)依次经燃料泵(2)和燃料流量控制电磁阀(3)接至重整反应器(4)入口；
重整气存储系统：重整反应器(4)出口经重整气存储流量控制电磁阀(5)接至重整气存储装置(6)入口，重整气存储装置(6)出口经重整气供给流量控制电磁阀(7)接至汽车发动机汽缸；
电子控制系统：所述发动机排气温度传感器(8)安装在汽车的排气管道中，所述重整气存储装置压力传感器(9)安装在重整气存储装置(6)中；发动机排气温度传感器(8)和重整气存储装置压力传感器(9)的输出信号，以及所述发动机负荷信号(10)和发动机转速信号(11)接至电子控制单元(12)的输入；电子控制单元(12)的输出的控制信号分别接至燃料泵(2)、燃料流量控制电磁阀(3)、重整气存储流量控制电磁阀(5)、重整气供给流量控制电磁阀(7)。
2.一种使用在汽车发动机系统中的重整气制备、存储及控制装置的使用方法，对于使用甲醇、乙醇及醚类这些液态碳氢燃料的情况，在重整气制备过程中，发动机起动后，对于不同发动机排气温度采用不同的燃料流量控制方法，其特征在于：
I)当电子控制单元(12)通过发动机排气温度传感器(8)检测到排气温度低于400℃时，电子控制单元(12)切断燃料泵(2)供电，同时闭合燃料流量控制电磁阀(3)，禁止燃料进入重整反应器(4)；
II)当电子控制单元(12)通过发动机排气温度传感器(8)检测到排气温度处于400-550℃时，电子控制单元(12)给燃料泵(2)供电，同时打开燃料流量控制电磁阀(3)，并调节燃料流量控制电磁阀(3)至满量程的1/2开度；
III)当电子控制单元(12)通过发动机排气温度传感器(8)检测到排气温度高于550℃时，电子控制单元(12)调节燃料流量控制电磁阀(3)至满量程的开度。
3.一种使用在汽车发动机系统中的重整气制备、存储及控制装置的使用方法，对于使用甲醇、乙醇及醚类这些液态碳氢燃料的情况，在重整气存储过程中，对于不同的重整气存储装置压力，采用不同的重整气存储流量控制方法，其特征在于：
I)电子控制单元(12)通过重整气存储装置压力传感器(9)采集压力信号。当重整气存储装置(6)的压力低于2.5bar时，电子控制单元(12)调节重整气存储流量控制电磁阀(5)至满量程开度；
II)当重整气存储装置(6)的压力处于2.5-3.0bar时，电子控制单元(12)调节重整气存储流量控制电磁阀(5)至满量程的1/2开度；
III)当重整气存储装置(6)的压力高于3.0bar时，电子控制单元(12)闭合重整气存储流量控制电磁阀(5)，禁止重整气进入重整气存储装置(6)。
4.一种使用在汽车发动机系统中的重整气制备、存储及控制装置的使用方法，对于使用甲醇、乙醇及醚类这些液态碳氢燃料的情况，在重整气供给过程中，对于不同的发动机工况，采用不同的重整气供给流量控制方法，其特征在于：
I)当发动机的负荷低于10％、转速低于1000rpm时，电子控制单元(12)闭合重整气供给流量控制电磁阀(7)，发动机处于汽油燃烧工作状态；
II)当发动机的负荷在11-30％、转速处于1000-2000rpm时，电子控制单元(12)调节重整气供给流量控制电磁阀(7)至满量程的1/2开度；
III)当发动机的负荷在31-70％、转速处于2001-3000rpm时，电子控制单元(12)调节重整气供给流量控制电磁阀(7)至满量程开度；此时发动机处于重整气/汽油混合燃烧工作状态；
IV)当发动机的负荷高于70％、转速高于3000rpm时，电子控制单元(12)闭合重整气供给流量控制电磁阀(7)。
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