CN102121418A - 一种重整气-汽油混合燃料内燃机及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种重整气-汽油混合燃料内燃机及控制方法，首先空气和燃料在内燃机15中燃烧后经重整反应器5中的热管进入大气。重整燃料泵2将重整燃料箱1中的液态燃料经重整燃料流量控制电磁阀3泵入重整反应器5。重整气气泵7将重整气泵入重整气存储罐8进行不断的存储。当重整气存储罐8的压力超过3Bar时，重整气流量控制电磁阀10开启，重整气经重整气气轨11从重整气喷嘴12中喷入内燃机15的进气道内。其中重整气电子控制单元16通过采集温度信号，实现不同排气温度下的重整气制备和存储方案；通过采集压力信号，实现内燃机不同工况下不同燃料燃烧工作模式的切换。

Description

一种重整气-汽油混合燃料内燃机及控制方法

技术领域

本发明提供一种重整气-汽油混合燃料内燃机及控制方法，具体涉及车载重整反应器在线制取重整气、重整气的存储、供给以及不同燃料工作模式的切换。

背景技术

随着世界经济的不断发展，人类对化石能源的依赖性日益加剧。与此同时，我国汽车保有量不断增加，汽车消耗的石油资源也越来越多。因此，寻找一种清洁的可替代能源已经刻不容缓。氢气作为一种可再生的替代燃料，在一定程度上可以缓解人类对化石燃料的依赖。

用氢气作为内燃机的燃料可以实现汽车尾气的零排放。但是氢气不易存储和运输，而且增加氢气储存装置不但会提高成本，还会带来安全隐患。以氢气作为单一燃料的纯氢发动机氢气消耗量大，而且不能满足高转速和负荷时的转矩输出要求，再加上加氢站较少，纯氢内燃机一直没能得到大规模的推广及应用。

燃料重整制氢技术可以将甲醇、乙醇等物质转化成富氢重整气，主要包括氢气和一氧化碳。而以甲醇、乙醇等液态燃料代替氢气随车携带，利用内燃机尾气余热，在非贵金属铜基催化剂的作用下，即可生成富氢重整气。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，控制重整气的制备及存储。电子控制单元根据内燃机的转速、负荷信号以及重整气存储装置的内部压力调节重整气流量控制电磁阀的开度。最终通过电控喷射系统实现了汽车内燃机的重整气-汽油单一或者混合燃烧的工作模式。

发明内容

本发明针对现有传统内燃机汽油消耗量大，尾气排放严重以及氢/汽油混合燃料内燃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，提供了一种重整气制备、存储及不同燃料工作模式的切换控制系统。本系统根据重整器内部催化剂的不同温度调节重整燃料的供给和存储；根据重整气存储罐内部压力及内燃机的不同工况调节混入进气道内的重整气量，实现汽车内燃机的重整气-汽油单一或者混合燃烧的工作模式。

本发明采用的技术方案如下：

一种重整气-汽油混合燃料内燃机，其特征在于：设置了重整燃料箱1、重整燃料泵2、重整燃料流量控制电磁阀3、重整器温度传感器4、重整反应器5、冷阱6、重整气气泵7、重整气存储罐8、重整气压力传感器9、重整气流量控制电磁阀10、重整气气轨11、重整气喷嘴12、汽油喷嘴13、火花塞14、内燃机15、重整气电子控制单元16、内燃机电子控制单元17。

空气和燃料在内燃机15中燃烧后经重整反应器5中的热管进入大气；重整燃料泵2将重整燃料箱1中的液态燃料经重整燃料流量控制电磁阀3泵入重整反应器5；液态的燃料在重整反应器5中，通过热管吸收内燃机尾气中的热量后汽化，并在催化剂的作用下发生重整反应生成重整气；重整气经过冷阱6去除水蒸气以及常温下是液态的未参予反应的原料；重整气气泵7将重整气泵入重整气存储罐8；重整气流量控制电磁阀10开启，重整气进入重整气气轨11后，从重整气喷嘴12中喷出，最终进入内燃机15的进气道内；内燃机电子控制单元17采集内燃机的转速信号a和负荷信号b，并通过串行通讯传递给重整气电子控制单元16；重整气电子控制单元16通过重整器温度传感器4采集重整反应器5的温度信号，根据采集的温度信号分别控制重整燃料泵2、重整燃料流量控制电磁阀3的开启与关闭；重整气电子控制单元16通过重整气压力传感器9采集重整气存储罐8的压力信号，根据采集的压力信号分别控制重整气流量控制电磁阀10、重整气喷嘴12、汽油喷嘴13以及火花塞14的开启与关闭。

重整燃料为甲醇、乙醇或其水溶液；内燃机燃料为高辛烷值燃料。

内燃机燃料为汽油、甲醇、乙醇、液化石油气、天然气。

一种重整气-汽油混合燃料内燃机控制方法，控制方法如下：

在重整气制备和存储过程中，根据重整反应器5中催化剂的不同温度采用不同的燃料流量控制及存储方法：

I)重整器温度传感器4检测重整反应器5中催化剂的温度，当催化剂的温度低于450℃时，重整气电子控制单元16切断重整燃料泵2的供电，闭合重整燃料流量控制电磁阀3；同时关闭重整气气泵7，停止重整气的存储；

II)重整器温度传感器4检测重整反应器5中催化剂的温度，当催化剂的温度高于450℃时，重整气电子控制单元16给重整燃料泵2供电，打开重整燃料流量控制电磁阀3，并随着重整反应器5中催化剂的温度的升高逐渐加大重整燃料流量控制电磁阀3的开度；同时给重整气气泵7供电，抽取重整气并不断存储；

一种重整气-汽油混合燃料内燃机控制方法，对于不同的内燃机工况采用不同的燃料供给控制方法，方法如下：

I)当内燃机冷起动时，重整气压力传感器9检测到重整气存储罐8的压力值低于3Bar时，重整气电子控制单元16闭合重整气流量控制电磁阀10，禁止重整气通过重整气气轨11和重整气喷嘴12进入内燃机15的进气道，并控制汽油喷嘴13工作，实现内燃机单一汽油燃烧模式的冷起动；当重整气压力传感器9检测到重整气存储罐8的压力值高于3Bar时，重整气电子控制单元16停止汽油喷嘴13工作，打开重整气流量控制电磁阀10，重整气进入重整气气轨11，然后经过重整气喷嘴12进入内燃机15的进气道，实现内燃机单一重整气燃烧模式的冷起动；

II)当内燃机启动后，重整气电子控制单元16通过内燃机电子控制单元17获取内燃机的转速信号a和负荷信号b，表明内燃机处于中低负荷时，如果重整气存储罐8内的压力低于3Bar，重整气电子控制单元16闭合重整气流量控制电磁阀10，避免重整气进入内燃机15的进气道参与燃烧，并控制汽油喷嘴13工作，实现内燃机单一汽油燃烧工作模式；如果重整气存储罐8内的压力高于3Bar，重整气电子控制单元16打开重整气流量控制电磁阀10，同时控制重整气喷嘴12和汽油喷嘴13工作，重整气和汽油同时进入内燃机15的进气道，实现内燃机的重整气和汽油混合燃烧工作模式；随着重整反应器5中催化剂温度的升高，重整气电子控制单元16控制重整燃料流量控制电磁阀3的开度逐渐加大，同时控制汽油喷嘴13的工作时间逐渐缩短，直至内燃机完全进入重整气燃烧工作模式；

III)当重整气电子控制单元16通过内燃机电子控制单元17获取内燃机的转速信号a和负荷信号b，表明内燃机处于高转速、高负荷时，无论重整气存储罐8内的压力是否低于3Bar，都要闭合重整气流量控制电磁阀10，避免重整气进入内燃机15的进气道，内燃机处于单一汽油燃烧工作模式。

附图说明

图1本发明的结构和工作原理图。

图中1、重整燃料箱；2、重整燃料泵；3、重整燃料流量控制电磁阀；4、重整器温度传感器；5、重整反应器；6、冷阱；7、重整气气泵；8、重整气存储罐；9、重整气压力传感器；10、重整气流量控制电磁阀；11、重整气气轨；12、重整气喷嘴；13、汽油喷嘴；14、火花塞；15、内燃机；16、重整气电子控制单元；17、内燃机电子控制单元(a、转速信号；b、负荷信号)。

下面结合图1说明本实施方式。本系统主要包括四部分：(1)重整气制备单元，主要包括有重整燃料箱1、重整燃料泵2、重整燃料流量控制电磁阀3、重整反应器5；(2)重整气存储单元，主要包括有冷阱6、重整气气泵7、重整气存储罐8；(3)重整气供给单元，主要包括有重整气流量控制电磁阀10、重整气气轨11、重整气喷嘴12；(4)电子控制单元，主要包括有重整器温度传感器4、重整气压力传感器9、汽油喷嘴13、火花塞14、内燃机15、重整气电子控制单元16、内燃机电子控制单元17。

空气和燃料在内燃机15中燃烧后经重整反应器5中的热管进入大气；重整燃料泵2将重整燃料箱1中的液态燃料经重整燃料流量控制电磁阀3泵入重整反应器5；液态的燃料在重整反应器5中，通过热管吸收内燃机尾气中的热量后汽化，并在催化剂的作用下发生重整反应生成重整气；重整气经过冷阱6去除水蒸气以及常温下是液态的未参予反应的原料；重整气气泵7将重整气泵入重整气存储罐8；重整气流量控制电磁阀10开启，重整气进入重整气气轨11后，从重整气喷嘴12中喷出，最终进入内燃机15的进气道内；内燃机电子控制单元17采集内燃机的转速信号a和负荷信号b，并通过串行通讯传递给重整气电子控制单元16；重整气电子控制单元16通过重整器温度传感器4采集重整反应器5的温度信号，根据采集的温度信号分别控制重整燃料泵2、重整燃料流量控制电磁阀3的开启与关闭；重整气电子控制单元16通过重整气压力传感器9采集重整气存储罐8的压力信号，根据采集的压力信号分别控制重整气流量控制电磁阀10、重整气喷嘴12、汽油喷嘴13以及火花塞14的开启与关闭。

一种重整气-汽油混合燃料内燃机及控制方法采取了如下的控制方法：

本系统采用的燃料重整制氢方法为水蒸气重整，反应原料通常为甲醇、乙醇或其水溶液。这是由于甲醇、乙醇来源广泛，成本低廉，并且水蒸气重整反应的产氢量高且反应装置结构简单，适合车载应用。但是水蒸气重整反应是吸热反应，因此汽车排气余热被加以回收，为重整反应提供了热源。当用于重整反应的催化剂达到起燃温度后，燃料重整反应才能发生。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。

在重整气制备和存储过程中，对于重整反应器5中催化剂的不同温度采用不同的燃料流量控制及存储方法：

I)当重整气电子控制单元16通过重整器温度传感器4检测到重整反应器5中催化剂的温度低于450℃时，说明催化剂在这种温度条件下无法正常工作或催化效能低。此时若仍然向重整器中泵入重整燃料，重整反应就不会发生，会使重整气存储罐8中充满气态的重整燃料，进入内燃机15的进气道参与燃烧不会起到改善燃烧效率，降低排放的效果。因此，重整气电子控制单元16应切断重整燃料泵2的供电，闭合重整燃料流量控制电磁阀3，避免燃料进入重整反应器5；同时关闭重整气气泵7，停止重整气的存储。

II)当重整气电子控制单元16通过重整器温度传感器4检测到重整反应器5中催化剂的温度高于450℃时，此时催化剂可以正常工作。重整燃料会在催化剂和高温条件下，转化为富氢重整气，这是实现不同燃料燃烧工作模式的前提和基础。此时，应该使重整气电子控制单元16给重整燃料泵2供电，打开重整燃料流量控制电磁阀3，并随着排气温度的升高逐渐加大重整燃料流量控制电磁阀3的开度；同时给整气气泵7供电，抽取重整气并不断存储。

一旦重整反应器5中催化剂的温度高于450℃，重整反应器5就可以正常工作，不断产生重整气。这些重整气可以通过重整气气泵7被存储在重整气存储罐8中待用。以便汽车起动时可以切换到单一重整气燃烧工作模式。当然考虑到安全因素，当重整气存储罐8的压力高于5Bar时，应断开重整气气泵7供电。

内燃机正常运行过程中，其负荷、转速随着实际工况的不同而不断改变，因此对于不同的重整气压力和内燃机工况采用不同的燃料供给控制方法：

I)当内燃机冷起动时，其转速信号a负荷信号b比较低，重整反应器5中催化剂的温度不高，催化剂活性较低。此时重整气大部分是未反应的重整燃料，进入内燃机不会起到改善燃烧的作用。因此断开重整燃料泵2，重整燃料流量控制电磁阀3也应该处于闭合位置。重整气电子控制单元16通过重整气压力传感器9检测到压力低于3Bar时，闭合重整气流量控制电磁阀10，禁止重整气通过重整气气轨11和重整气喷嘴12进入内燃机15的进气道，并使汽油喷嘴13工作，从而实现内燃机单一汽油燃烧模式的冷起动；

当重整气电子控制单元16通过重整气压力传感器9检测到压力高于3Bar时，停止汽油喷嘴13工作，打开重整气流量控制电磁阀10，使重整气进入重整气气轨11，最终经重整气喷嘴12进入内燃机15的进气道，从而实现内燃机单一重整气燃烧模式的冷起动。试验结果表明，与单一汽油机相比，HC排放降低60％，CO降低40％，但是由于重整反应产生的H2使得内燃机缸内燃烧温度有所增加，因此NOx上升了40％。

II)当重整气电子控制单元16通过内燃机电子控制单元17获取内燃机的转速信号a负荷信号b，表明内燃机处于中低负荷时，如果重整气存储罐8内的压力低于3Bar，此时重整气电子控制单元16闭合重整气流量控制电磁阀10，避免重整气进入内燃机15的进气道参与燃烧，并控制汽油喷嘴13工作，从而实现内燃机的单一汽油燃烧模式工作；

如果重整气存储罐8内的压力高于3Bar，重整器电子控制单元16打开重整气流量控制电磁阀10，并同时使重整气喷嘴12和汽油喷嘴13工作，重整气和汽油同时进入内燃机15的进气道，从而实现内燃机的重整气和汽油混合燃烧模式工作；随着重整反应器5中催化剂温度的升高逐渐加大燃料流量控制电磁阀3的开度，逐渐降低汽油喷嘴的工作时间，直至内燃机完全进入重整气燃烧模式工作。试验结果表明，与单一汽油机相比，重整气和汽油混合燃烧模式下的HC排放降低40％，CO降低30％，但是NOx上升了30％。

III)当重整气电子控制单元16通过内燃机电子控制单元17获取内燃机的转速信号a和负荷信号b，表明内燃机处于高负荷时，由于负荷、转速过高，内燃机的燃烧属于浓燃，需要大量消耗汽油来提供足够的输出功，此时如果在内燃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，内燃机的有效输出功随之降低。无论重整气存储罐8内的压力是否低于3Bar，都要闭合重整气流量控制电磁阀10，禁止重整气进入进气道，从而实现内燃机的单一汽油燃烧模式工作。

上述试验结果表明，采用本发明提供的重整气-汽油混合燃料内燃机及控制方法，可以在冷启动时大幅降低HC和CO的排放，NOx由于燃烧温度的提高而有所增加。当内燃机处于冷起动工况时，缸内燃烧较差，排放比较严重，因此冷起动时实现单一重整气燃烧工作模式可以有效降低汽车尾气的排放。当内燃机处于中低转速和负荷工况时，HC和CO的排放显著减少，而NOx的排放略有增加。当内燃机处于高转速和负荷工况时，排放与纯汽油机基本保持一致。综合考量汽车尾气排放和油耗，HC排放降低50％，CO排放降低35％，只有含量较低的NOx排放有所增加，汽油消耗可以降低10％。因此，本发明专利对节能减排有着一定的积极作用。

Claims (4)

1.一种重整气-汽油混合燃料内燃机，其特征在于：设置了重整燃料箱1、重整燃料泵2、重整燃料流量控制电磁阀3、重整器温度传感器4、重整反应器5、冷阱6、重整气气泵7、重整气存储罐8、重整气压力传感器9、重整气流量控制电磁阀10、重整气气轨11、重整气喷嘴12、汽油喷嘴13、火花塞14、内燃机15、重整气电子控制单元16、内燃机电子控制单元17；

空气和燃料在内燃机15中燃烧后经重整反应器5中的热管进入大气；重整燃料泵2将重整燃料箱1中的液态燃料经重整燃料流量控制电磁阀3泵入重整反应器5；液态的燃料在重整反应器5中，通过热管吸收内燃机尾气中的热量后汽化，并在催化剂的作用下发生重整反应生成重整气；重整气经过冷阱6去除水蒸气以及常温下是液态的未参予反应的原料；重整气气泵7将重整气泵入重整气存储罐8；重整气流量控制电磁阀10开启，重整气进入重整气气轨11后，从重整气喷嘴12中喷出，最终进入内燃机15的进气道内；内燃机电子控制单元17采集内燃机的转速信号a和负荷信号b，并通过串行通讯传递给重整气电子控制单元16；重整气电子控制单元16通过重整器温度传感器4采集重整反应器5的温度信号，根据采集的温度信号分别控制重整燃料泵2、重整燃料流量控制电磁阀3的开启与关闭；重整气电子控制单元16通过重整气压力传感器9采集重整气存储罐8的压力信号，根据采集的压力信号分别控制重整气流量控制电磁阀10、重整气喷嘴12、汽油喷嘴13以及火花塞14的开启与关闭。

2.根据权利要求1所述的一种重整气-汽油混合燃料内燃机，其特征在于：重整燃料为甲醇、乙醇或其水溶液；内燃机燃料为高辛烷值燃料。

3.根据权利要求2所述的一种重整气-汽油混合燃料内燃机，其特征在于：内燃机燃料为汽油、甲醇、乙醇、液化石油气或天然气。

4.一种重整气-汽油混合燃料内燃机控制方法，控制方法如下：

在重整气制备和存储过程中，根据重整反应器5中催化剂的不同温度采用不同的燃料流量控制及存储方法：

I)重整器温度传感器4检测重整反应器5中催化剂的温度，当催化剂的温度低于450℃时，重整气电子控制单元16切断重整燃料泵2的供电，闭合重整燃料流量控制电磁阀3；同时关闭重整气气泵7，停止重整气的存储；

II)重整器温度传感器4检测重整反应器5中催化剂的温度，当催化剂的温度高于450℃时，重整气电子控制单元16给重整燃料泵2供电，打开重整燃料流量控制电磁阀3，并随着重整反应器5中催化剂的温度的升高逐渐加大重整燃料流量控制电磁阀3的开度；同时给重整气气泵7供电，抽取重整气并不断存储；

一种重整气-汽油混合燃料内燃机控制方法，对于不同的内燃机工况采用不同的燃料供给控制方法，方法如下：

I)当内燃机冷起动时，重整气压力传感器9检测到重整气存储罐8的压力值低于3Bar时，重整气电子控制单元16闭合重整气流量控制电磁阀10，禁止重整气通过重整气气轨11和重整气喷嘴12进入内燃机15的进气道，并控制汽油喷嘴13工作，实现内燃机单一汽油燃烧模式的冷起动；

当重整气压力传感器9检测到重整气存储罐8的压力值高于3Bar时，重整气电子控制单元16停止汽油喷嘴13工作，打开重整气流量控制电磁阀10，重整气进入重整气气轨11，然后经过重整气喷嘴12进入内燃机15的进气道，实现内燃机单一重整气燃烧模式的冷起动；

II)当内燃机启动后，重整气电子控制单元16通过内燃机电子控制单元17获取内燃机的转速信号a和负荷信号b，表明内燃机处于中低负荷时，如果重整气存储罐8内的压力低于3Bar，重整气电子控制单元16闭合重整气流量控制电磁阀10，避免重整气进入内燃机15的进气道参与燃烧，并控制汽油喷嘴13工作，实现内燃机单一汽油燃烧工作模式；

如果重整气存储罐8内的压力高于3Bar，重整气电子控制单元16打开重整气流量控制电磁阀10，同时控制重整气喷嘴12和汽油喷嘴13工作，重整气和汽油同时进入内燃机15的进气道，实现内燃机的重整气和汽油混合燃烧工作模式；随着重整反应器5中催化剂温度的升高，重整气电子控制单元16控制重整燃料流量控制电磁阀3的开度逐渐加大，同时控制汽油喷嘴13的工作时间逐渐缩短，直至内燃机完全进入重整气燃烧工作模式；

III)当重整气电子控制单元16通过内燃机电子控制单元17获取内燃机的转速信号a和负荷信号b，表明内燃机处于高转速、高负荷时，无论重整气存储罐8内的压力是否低于3Bar，都要闭合重整气流量控制电磁阀10，避免重整气进入内燃机15的进气道，内燃机处于单一汽油燃烧工作模式。

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