CN102425509A - 一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置及方法，具体涉及发动机尾气余热回收与利用、燃料重整制氢技术、发动机混重整气燃烧和尾气处理等相关领域。该装置分为四部分：a.尾气处理模块；b.重整燃料供给模块；c.重整气存储和供给模块；d.电子控制模块；在本装置中整燃料在催化剂和一定的温度条件下，发生重整反应制取重整气主要包括H2和CO。重整气可以和汽油一起进入发动机汽缸实现重整气和汽油的混合燃烧。本发明不但可以前期改善内燃机燃料组成，优化缸内燃烧，还可以后期处理发动机尾气，实现排气净化的目的。

Description

一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置及方法
技术领域
本发明提供了一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置及方法，主要利用汽车尾气为重整反应器提供热源，重整燃料在催化剂和一定的温度条件下发生重整反应制取重整气。重整气不但可以和燃油混合在发动机缸内燃烧，还可以和尾气中的NOx发生反应，从而达到排气净化的目的，本发明具体涉及发动机尾气余热回收与利用、燃料重整制氢技术、发动机混重整气燃烧和尾气处理等相关领域。
背景技术
化石燃料的不断消耗和环境污染作为制约我国经济发展的问题已经引起了社会的广泛关注，与此同时，随着汽车产业的不断发展壮大，我国汽车的保有量的数目已经相当可观。目前，绝大部分的汽车以汽油或柴油为燃料，而汽油和柴油主要由不可再生的化石燃料提炼而成。汽车在给人们生活带来便利的同时，也对环境造成了严重的污染。汽车行驶过程中产生的有害排放物NOx可以破坏人的呼吸系统，与血色素的亲和力很强，约为一氧化碳的数百倍至一千倍。它还是是酸雨、酸雾的主要污染物，与碳氢化合物结合会形成光化学烟雾。因此，如何降低尾气中的NOx也是目前人们研究的热点。
目前，改善汽车对环境影响的主要措施包括：改变汽车的能源供给形式，如：锂离子电池、CNG(压缩天然气)；改进发动机的构造，如：采用GDI(缸内直喷)的发动机；改善发动机尾气后处理，如：涂覆有贵金属催化剂的三效催化转化器。而本发明则是回收发动机尾气中的余热，用汽车尾气充当重整反应器的热源，重整燃料在催化剂和一定的温度条件下，发生重整反应制取重整气(主要包括H2和CO)。重整气可以和汽油一起进入发动机汽缸实现重整气和汽油的混合燃烧，由于重整气中的H2和CO具有点火能量密度低、火焰传播速度快、燃烧极限宽等特性，发动机的缸内燃烧会更加充分。并且冷却热损失降低，内燃机的热效率会有所增加。汽车尾气中NOx中主要成分是NO和NO2，还原性强的H2和CO在一定温度和催化剂的条件下可以有效还原NOx，从而将NOx转化为对环境无害的N2。而重整气的主要成分正是H2和CO，此时重整气引入发动机尾气中可以降低车辆在运行过程中向外界环境排放NOx的含量，从而实现了减少燃油消耗和降低有害排放的目的。
发明内容
本发明提供了一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置及方法，本系统可以回收发动机尾气中的余热，重整燃料在催化剂和一定的温度条件下，发生重整反应制取重整气。重整气一方面可以和燃油实现缸内混合，优化燃烧，减少燃油的消耗，还可以还原尾气中的NOx，从而达到节能减排的目的。
一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置，包括发动机1、重整器2、三效催化器3、重整器温度传感器4、电子控制单元5、重整燃料箱6、重整燃料泵7、重整燃料喷嘴8、重整气气泵9、重整气存储罐10、进气管重整气喷嘴11、重整气压力传感器12、排气管重整气喷嘴13、NOx传感器14、发动机转速信号15、发动机负荷信号16，其特征在于：
该装置分为四部分：a.尾气处理模块：包括发动机1、重整器2、三效催化器3。其中发动机1的排气管和回收发动机尾气余热的重整器2相连，重整器2和处理发动机尾气的三效催化器3相连；b.重整燃料供给模块：包括重整燃料箱6、重整燃料泵7、重整燃料喷嘴8。其中重整燃料泵7和重整燃料箱6相连接将燃料泵出，将燃料喷入重整器2的重整燃料喷嘴8与重整燃料泵7连接；c.重整气存储和供给模块：包括重整气气泵9、重整气存储罐10、进气管喷嘴11和排气管喷嘴12。其中重整气气泵9与重整器2相连将重整气泵入重整气存储罐10后，与重整气存储罐10相连的进气管喷嘴11和排气管喷嘴12将重整气喷入发动机的进气管和排气管；d.电子控制模块：包括电子控制单元5、重整器温度传感器4、重整气压力传感器12、NOx传感器14、发动机转速信号15、发动机负荷信号16。其中电子控制单元5通过重整器温度传感器4采集重整器2的温度，通过重整气压力传感器12采集重整气存储罐10的内部压力，通过NOx传感器14采集发动机尾气中NOx的含量，电子控制单元5还同时接收发动机转速信号15和发动机负荷信号16。
重整燃料箱6中的燃料可以是甲醇、乙醇或其水溶液。
在重整器2中在非贵金属催化剂的作用下，甲醇、乙醇或其水溶液发生重整反应，生成包括H2和CO的富氢重整气；收集存储上述的重整气，与燃油混合燃烧，或与发动机排气中的NOx反应。
上述的基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化装置的控制方法，在重整燃料和重整气的存储和供给过程中，采用如下控制方法：
Ⅰ)当电子控制单元5通过重整器温度传感器4检测到重整器2的温度低于400℃，电子控制单元5切断重整燃料泵7的供电，同时控制重整燃料喷嘴8处于闭合状态，避免重整燃料进入重整器2；
Ⅱ)当电子控制单元5通过重整器温度传感器4检测到重整器2的温度高于400℃，电子控制单元5控制重整燃料泵7的供电，同时控制重整燃料喷嘴8处于开启状态，使重整燃料进入重整器2；重整燃料在催化剂和一定温度的条件下发生反应制取重整气，电子控制单元5控制重整燃料泵9的供电，重整气被不断泵入重整气存储罐10；当电子控制单元5通过重整器压力传感器12检测到重整气存储罐10内的压力高于3MPa时，电子控制单元5切断重整燃料泵7的供电；
Ⅲ)当电子控制单元5通过发动机转速信号15和发动机负荷信号16判断发动机处于中低转速和中低负荷工况时，电子控制单元5控制重整燃料喷嘴11处于开启状态，同时通过NOx传感器14检测发动机尾气中NOx的含量，排气管重整气喷嘴13的喷射脉宽随着NOx含量的升高而延长，直至尾气中NOx的浓度低于2000ppm；
Ⅳ)当电子控制单元5通过发动机转速信号15和发动机负荷信号16判断发动机处于高负荷或高转速工况时，电子控制单元5控制重整燃料喷嘴11处于闭合状态，避免重整气进入发动机的进气管；同时电子控制单元5通过NOx传感器14检测发动机尾气中NOx的含量，排气管重整气喷嘴13的喷射脉宽随着NOx含量的升高而延长，直至尾气中NOx的浓度低于2000ppm。
本发明的有益效果：在电子控制单元的控制和管理下，重整燃料在一定的温度和催化剂的作用下发生重整反应制取重整气，存储的重整气通过喷嘴一方面进入发动机的进气管与燃油混合燃烧，另一方面和发动机排气管中的NOx反应，从而实现改善汽车有害排放的前后两级处理。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图。
图中1.发动机；2.重整器；3.三效催化器；4.重整器温度传感器；5.电子控制单元；6.重整燃料箱；7.重整燃料泵；8.重整燃料喷嘴；9.重整气气泵；10.重整气存储罐；11.进气管重整气喷嘴；12.重整气压力传感器；13.排气管重整气喷嘴；14.NOx传感器；15.发动机转速信号；16.发动机负荷信号.
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明。该装置分为四部分：a.尾气处理模块：包括发动机1、重整器2、三效催化器3。其中发动机1的排气管和回收发动机尾气余热的重整器2相连，重整器2和处理发动机尾气的三效催化器3相连；b.重整燃料供给模块：包括重整燃料箱6、重整燃料泵7、重整燃料喷嘴8。其中重整燃料泵7和重整燃料箱6相连接将燃料泵出，将燃料喷入重整器2的重整燃料喷嘴8与重整燃料泵7连接；c.重整气存储和供给模块：包括重整气气泵9、重整气存储罐10、进气管喷嘴11和排气管喷嘴12。其中重整气气泵9与重整器2相连将重整气泵入重整气存储罐10后，与重整气存储罐10相连的进气管喷嘴11和排气管喷嘴12将重整气喷入发动机的进气管和排气管；d.电子控制模块：包括电子控制单元5、重整器温度传感器4、重整气压力传感器12、NOx传感器14、发动机转速信号15、发动机负荷信号16。其中电子控制单元5通过重整器温度传感器4采集重整器2的温度，通过重整气压力传感器12采集重整气存储罐10的内部压力，通过NOx传感器14采集发动机尾气中NOx的含量，电子控制单元5还同时接收发动机转速信号15和发动机负荷信号16。
重整燃料箱6中的燃料可以是甲醇、乙醇或其水溶液。
在重整器2中在非贵金属催化剂的作用下，甲醇、乙醇或其水溶液发生重整反应，生成包括H2和CO的富氢重整气；收集存储上述的重整气，与燃油混合燃烧，或与发动机排气中的NOx反应。
在重整燃料和重整气的存储和供给过程中，采用如下控制方法：
Ⅰ)当电子控制单元5通过重整器温度传感器4检测到重整器2的温度低于400℃，电子控制单元5切断重整燃料泵7的供电，同时控制重整燃料喷嘴8处于闭合状态，避免重整燃料进入重整器2；
Ⅱ)当电子控制单元5通过重整器温度传感器4检测到重整器2的温度高于400℃，电子控制单元5控制重整燃料泵7的供电，同时控制重整燃料喷嘴8处于开启状态，使重整燃料进入重整器2；重整燃料在催化剂和一定温度的条件下发生反应制取重整气，电子控制单元5控制重整燃料泵9的供电，重整气被不断泵入重整气存储罐10；当电子控制单元5通过重整器压力传感器12检测到重整气存储罐10内的压力高于3MPa时，电子控制单元5切断重整燃料泵7的供电；
Ⅲ)当电子控制单元5通过发动机转速信号15和发动机负荷信号16判断发动机处于中低转速和中低负荷工况时，电子控制单元5控制重整燃料喷嘴11处于开启状态，同时通过NOx传感器14检测发动机尾气中NOx的含量，排气管重整气喷嘴13的喷射脉宽随着NOx含量的升高而延长，直至尾气中NOx的浓度低于2000ppm；
Ⅳ)当电子控制单元5通过发动机转速信号15和发动机负荷信号16判断发动机处于高负荷或高转速工况时，电子控制单元5控制重整燃料喷嘴11处于闭合状态，避免重整气进入发动机的进气管；同时电子控制单元5通过NOx传感器14检测发动机尾气中NOx的含量，排气管重整气喷嘴13的喷射脉宽随着NOx含量的升高而延长，直至尾气中NOx的浓度低于2000ppm。
一种基于重整气的汽油机燃烧优化和排气净化的装置及方法主要利用汽车尾气为重整反应器提供热源，重整燃料在催化剂和一定的温度条件下，发生重整反应制取重整气，重整气主要包括H2和CO。重整气可以和汽油一起进入发动机汽缸实现重整气和汽油的混合燃烧，汽车尾气中NOx主要成分是NO和NO2，利用还原性强的H2和CO在一定温度和催化剂的条件下可以有效还原NOx，从而将NOx转化为对环境无害的N2。而重整气的主要成分正是H2和CO，此时重整气引入发动机尾气中可以降低车辆在运行过程中向外界环境排放NOx的含量。基于尾气余热回收的乙醇燃料重整方法所产生的重整气，不但可以前期改善内燃机燃料组成，优化缸内燃烧，还可以后期处理发动机尾气，实现排气净化的目的。这对于我国当前面临的能源消耗和环境污染问题有着十分重要的意义！

Claims (4)

1.一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置，包括发动机(1)、重整器(2)、三效催化器(3)、重整器温度传感器(4)、电子控制单元(5)、重整燃料箱(6)、重整燃料泵(7)、重整燃料喷嘴(8)、重整气气泵(9)、重整气存储罐(10)、进气管重整气喷嘴(11)、重整气压力传感器(12)、排气管重整气喷嘴(13)、NOx传感器(14)、发动机转速信号(15)、发动机负荷信号(16)，其特征在于：
该装置分为四部分：a.尾气处理模块：包括发动机(1)、重整器(2)、三效催化器(3)。其中发动机(1)的排气管和回收发动机尾气余热的重整器(2)相连，重整器(2)和处理发动机尾气的三效催化器(3)相连；b.重整燃料供给模块：包括重整燃料箱(6)、重整燃料泵(7)、重整燃料喷嘴(8)。其中重整燃料泵(7)和重整燃料箱(6)相连接将燃料泵出，将燃料喷入重整器(2)的重整燃料喷嘴(8)与重整燃料泵(7)连接；c.重整气存储和供给模块：包括重整气气泵(9)、重整气存储罐(10)、进气管喷嘴(11)和排气管喷嘴(12)。其中重整气气泵(9)与重整器(2)相连将重整气泵入重整气存储罐(10)后，与重整气存储罐(10)相连的进气管喷嘴(11)和排气管喷嘴(12)将重整气喷入发动机的进气管和排气管；d.电子控制模块：包括电子控制单元(5)、重整器温度传感器(4)、重整气压力传感器(12)、NOx传感器(14)、发动机转速信号(15)、发动机负荷信号(16)。其中电子控制单元(5)通过重整器温度传感器(4)采集重整器(2)的温度，通过重整气压力传感器(12)采集重整气存储罐(10)的内部压力，通过NOx传感器(14)采集发动机尾气中NOx的含量，电子控制单元(5)还同时接收发动机转速信号(15)和发动机负荷信号(16)。
2.权利要求1所述的一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化的装置，其特征在于：重整燃料箱(6)中的燃料可以是甲醇、乙醇或其水溶液。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化装置，其特征在于：在重整器(2)中在非贵金属催化剂的作用下，甲醇、乙醇或其水溶液发生重整反应，生成包括H2和CO的富氢重整气；收集存储上述的重整气，与燃油混合燃烧，或与发动机排气中的NOx反应。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于重整气的发动机燃烧优化及排气净化装置的控制方法，其特征在于：在重整燃料和重整气的存储和供给过程中，采用如下控制方法：
Ⅰ)当电子控制单元(5)通过重整器温度传感器(4)检测到重整器(2)的温度低于400℃，电子控制单元(5)切断重整燃料泵(7)的供电，同时控制重整燃料喷嘴(8)处于闭合状态，避免重整燃料进入重整器(2)；
Ⅱ)当电子控制单元(5)通过重整器温度传感器(4)检测到重整器(2)的温度高于400℃，电子控制单元(5)控制重整燃料泵(7)的供电，同时控制重整燃料喷嘴(8)处于开启状态，使重整燃料进入重整器(2)；重整燃料在催化剂和一定温度的条件下发生反应制取重整气，电子控制单元(5)控制重整燃料泵(9)的供电，重整气被不断泵入重整气存储罐(10)；当电子控制单元(5)通过重整器压力传感器(12)检测到重整气存储罐(10)内的压力高于3MPa时，电子控制单元(5)切断重整燃料泵(7)的供电；
Ⅲ)当电子控制单元(5)通过发动机转速信号(15)和发动机负荷信号(16)判断发动机处于中低转速和中低负荷工况时，电子控制单元(5)控制重整燃料喷嘴(11)处于开启状态，同时通过NOx传感器(14)检测发动机尾气中NOx的含量，排气管重整气喷嘴(13)的喷射脉宽随着NOx含量的升高而延长，直至尾气中NOx的浓度低于2000ppm；
Ⅳ)当电子控制单元(5)通过发动机转速信号(15)和发动机负荷信号(16)判断发动机处于高负荷或高转速工况时，电子控制单元(5)控制重整燃料喷嘴(11)处于闭合状态，避免重整气进入发动机的进气管；同时电子控制单元(5)通过NOx传感器(14)检测发动机尾气中NOx的含量，排气管重整气喷嘴(13)的喷射脉宽随着NOx含量的升高而延长，直至尾气中NOx的浓度低于2000ppm。
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