CN104321520B - 用于内燃机的醇重整系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于内燃机的醇重整系统，所述系统包括经过用于从燃料管线接收液体燃料的重整器入口管线与燃料管线选择性流体连通的重整器。所述重整器将燃料的醇‑汽油混合物中的醇重整成包含氢气和汽油的重整物混合物。与所述重整器流体连通的缓冲罐接收所述重整物混合物并且将所述重整物混合物中的氢气与汽油脱离。所述缓冲罐包括液体燃料出口和重整物气体出口，所述液体燃料出口与用于将呈液体的所述汽油再次引入所述燃料管线的所述燃料管线流体连通，所述重整物气体出口用于将所述重整物气体传送至重整物管线，所述重整物气体通过所述重整物管线被传送至所述内燃机。

Description

用于内燃机的醇重整系统
发明领域
本发明总体涉及一种用于内燃机的醇重整系统以及一种在具有内燃机的车辆上重整醇的方法。
发明背景
作为用于内燃机的燃料，醇重整物优于母体醇。醇重整物，尤其是由甲醇和乙醇形成的那些醇重整物，其优越性主要归于氢的存在。重整物比原料醇燃烧得更快，并且更耐受空气或排气的稀释。在部分负载下，稀释通过减少节流损失和燃烧热量到冷却剂的损失而有益于效率。另外，重整物的燃烧热量大于原料醇的燃烧热量。醇和重整物两者都是可耐受高压缩比的高辛烷值燃料。
发明概述
本公开涉及用汽油-醇混合物供燃的车辆的操作，其中燃料重整在由废热驱动的车辆上进行。在一方面，E85或其它醇-汽油燃料共混物通过被称为“重整器”的反应器，通常利用废热将所述反应器维持在约300℃-350℃温度下。重整器中的催化剂催化根据等式1和等式2(针对乙醇)以及等式3(针对甲醇)的燃料中醇组分到永久气体的混合物的转化。
CH3CH2OH→ CH3CHO+H2 (1)
CH3CHO→CH4+CO (2)
CH3OH→CO+2H2 (3)
产物包含被称为“重整物”的永久气体与液体(主要是汽油以及一些未反应的醇和乙醛)的混合物。在300℃至350℃下，汽油不发生反应。产物通过热交换被冷却并且进入“缓冲罐”，所述缓冲罐用作分离液体时气体燃料的贮存器。
重整物的氢含量使其成为有吸引力的发动机燃料，因为它使内燃机在部分负载下(节气门打开和/或在高水平EGR下)的稀释操作成为可能。因此，重整醇的车辆依靠两种燃料来操作：重整物和液体燃料。后者因为重整而部分消耗乙醇。重整器和其它子系统需要提供可靠的重整物供应并且管理液体燃料流的组成。但是，在部分负载下，重整物的值最大。在高负载(2000rpm，8.5巴NMEP)下，由重整物提供的稀释耐受性不能部分地提高效率，因为可使用的稀释剂(EGR或过量空气)的量是有限的并且还归因于在高负载下的液体乙醇的装料冷却的值。
在一方面，一种用于内燃机的醇重整系统总体上包括：燃料系统，其被构造成将包含醇-汽油混合物的液体燃料传送至内燃机，所述燃料系统包括将液体燃料传送至内燃机所通过的燃料管线；重整器，其经过用于从燃料管线接收液体燃料的重整器入口管线与燃料管线选择性流体连通，所述重整器被构造成将燃料的醇-汽油混合物中的醇重整为包含氢气和汽油的重整物混合物；以及缓冲罐，其经过用于接收重整物混合物的重整器出口管线与重整器流体连通，所述缓冲罐被构造成将重整物混合物中的氢气与汽油脱离，其中所述缓冲罐包括液体燃料出口和重整物气体出口，所述液体燃料出口与燃料管线流体连通以用于将呈液体的汽油再次引入燃料管线，所述重整物气体出口用于将重整物气体传送至重整物管线，重整物气体通过所述重整物管线被传送至内燃机。
在另一方面，一种在具有内燃机的车辆上重整醇的方法总体上包括：将包含醇-汽油混合物的液体燃料传送至内燃机，其中液体燃料通过燃料管线传送；将燃料管线中的液体燃料的一部分通过重整器入口管线选择性地分流至重整器；使用重整器将燃料的醇-汽油混合物中的醇重整成包含氢气和汽油的重整物混合物；将重整物混合物通过重整器出口管线传送至缓冲罐；在缓冲罐中将氢气与汽油脱离；以预选的流率将呈液体的汽油从缓冲罐再次引入燃料管线；以及将重整物气体从缓冲罐传送至重整物管线，重整物气体通过所述重整物管线被传送至内燃机。
其它特征将会在下文中部分地显而易见并且部分地指出。
附图简述
图1是用于在具有内燃机的车辆上使用的醇重整系统的示意图；
图2是图1中的醇重整系统的缓冲罐的示意图；
图3是图2中的缓冲罐的除雾器支撑件；
图4是图1中的醇重整系统的针阀的示意分解透视图；
图5是图4中的针阀的示意截面，其中阀在打开位置；
图6与图5相似，但其中阀在关闭位置；
图7是示出E30，80％重整器转化率情况下的EPFI相对分流比(SR)的图；
图8是实施例1中使用的醇重整系统的透视图；并且
图9是图8中的醇重整系统的缓冲罐和液体燃料出口的放大的截面。
在整个附图中，对应的参考字符指示对应的零件。
优选实施方案的描述
参照图1，用于内燃机动力系统的醇重整系统总体以参考数字10指示。一般来说，重整系统10包括重整器12，所述重整器12用于将包含醇-汽油共混物(或混合物)的液体燃料F重整为包含重整物气体R和汽化了的液体的重整物混合物RM。燃料系统14将液体燃料F传送至重整器12和内燃机E。经过重整器12后，重整物气体R可包含氢气(H2)、一氧化碳(CO)和甲烷气体CH4，并且汽化液体可包含汽油、未重整的醇和乙醛。如下所说明的，在重整物混合物RM离开重整器12后，汽化液体将被冷凝。这种汽化液体在本文中也可被称为燃料F，因为它主要包含汽油。缓冲罐(总体以16指示)接收重整物混合物RM并且将重整物R与冷凝的燃料F(或液体冷凝物或液体燃料)脱离(即分离)。燃料再次引入系统(总体以20指示)将冷凝的燃料F再次引入燃料系统14，如下文详细说明。
仍然参照图1，燃料系统14包括燃料罐22，所述燃料罐22用于在车辆上储存一定量的汽油-醇共混物(或混合物)燃料F。在一个实施方案中，燃料F包含乙醇-汽油共混物，如E85(即，85％乙醇和15％汽油)、或E20、或E50、或以任何其它百分比与汽油共混的乙醇。目前这些燃料F中的许多可在加油站商购获得。第一泵24与罐22的内部流体连通以用于将燃料F引入燃料系统14的燃料管线26(如导管、管子、管道)中。燃料管线26连接燃料系统14的部件，如下文所说明的。第一泵24可为低压泵，如通常在现代商用车辆中所用的。在一个实施例中，紧邻第一泵24下游的燃料系统管线26中的压力被安全阀30限制，所述安全阀30被设定为在比缓冲罐16的压力设定点低至少约两巴的压力下打开。在另一个实施方案中，由压力传感器控制的致动阀(未示出)也可用来实现这个目的。
在第一泵24下游的是第一热交换器32，所述热交换器32也与将来自重整器12的重整物混合物RM传送至缓冲罐16的重整器出口管线34流体连通。在第一热交换器32中，来自燃料罐22的液体燃料F将来自重整器12的重整物混合物RM冷却，并且反过来，重整物混合物将燃料加热。适合的热交换器的实例为具有2ft2的热交换器面积的平型铜焊热交换器，如产品编号为35115K61、可从McMaster Carr商购获得的热交换器。
在流过第一热交换器32后，燃料F流经止回阀36并且流进贮存室40。如图1所示，燃料再次导入系统与燃料系统管线26在位于燃料系统止回阀36与贮存室40中间的燃料再次导入位置FL处流体相连。止回阀36抑制燃料系统管线26中的燃料F(来自燃料罐22和缓冲罐16)向燃料罐22回流。贮存室40在燃料再次引入位置FL与第二燃料泵42中间维持适合容积的燃料F。也就是说，贮存室40在燃料再次引入位置FL的下游和第二燃料泵42的上游。与燃料管线26相比，贮存室40可为容积增加的容器，或者贮存器可为在燃料再次引入位置FL和第二燃料泵42之间、具有适合容积、适合长度的管道。在一个实施例中，贮存室40的容积运载能力可为在约1秒内，在中等负载下，内燃机E使用的燃料F的容积。贮存室40可包括混合器(例如，静态混合器)以将来自燃料管线22的燃料F和来自缓冲罐16的燃料F均匀化。可以理解，来自缓冲罐16的燃料其醇被耗尽，因为它已通过重整器12。
第二燃料泵42可为高压泵，并且具体来说可为直接喷射式燃料泵。燃料泵42提供驱动燃料F通过重整器12所需的压力并且也将燃料通过燃料轨道(未示出)传送至燃料喷射器46。通过燃料管线26后，燃料F分流并且进入重整器入口管线48(例如，管子、导管、管道)，所述重整器入口管线48将燃料传送至重整器12。燃料F向入口重整器管48和重整器12的供应由控制阀50控制，所述控制阀50本身由控制器52控制。控制器52可包括处理器(例如，微处理器)、包括用于控制处理器的一组指令的存储器。或者，可由发动机控制模块(ECM)适当地提供控制。使用控制器52来控制控制阀50，并且从而控制燃料F进入重整器12的流率的方法在下文中陈述。在流过阀50后，燃料F流过第二热交换器54，在那里它被经过重整器出口管线34(例如，管子、导管、管道)从重整器12中流出的重整物混合物RM加热。在一个实施方案中，第二热交换器54用作汽化器，借此燃料F在进入重整器12之前被汽化。第二热交换器54可与第一热交换器32相似或相同(即，第二热交换器可为具有2ft2的热交换器面积的平型铜焊热交换器，如产品编号为35115K61、可从McMaster Carr商购获得的热交换器)。
在流过第二热交换器54后，液体燃料F流入重整器12。重整器12可包括包含铜和镍的粉末状催化剂，其中燃料F中的醇(例如，乙醇)的重整由废热驱动。通常使用废热将重整器12维持在约300℃-350℃温度下。重整器12中的催化剂催化根据等式1和等式2(针对乙醇)以及等式3(针对甲醇)的燃料中醇组分到永久气体的混合物的转化。
CH3CH2OH→CH3CHO+H2 (1)
CH3CHO→CH4+CO (2)
CH3OH→CO+2H2 (3)
汽油汽化但不在重整器12中反应(即汽油不在重整器的操作温度下反应)。虽然图1中所示的实施方案只具有一个重整器12，但如果车辆具有双排气管，可采用两个重整器12，每个管道上一个，优选具有单独燃料控制阀50。在不脱离本发明的范围的情况下，重整器12可以是另一种类型。
重整物混合物RM离开重整器12并且进入重整器出口管线34。在它离开重整器12时，重整物混合物中汽油的至少一部分是蒸气。重整物混合物RM流过第二热交换器54，在这里混合物被进入的液体燃料F冷却(即，热量从重整物混合物RM传递至燃料F)。然后重整物混合物RM流过热交换器32，在这里重整物混合物被进入的燃料F进一步冷却。在第二热交换器54和第一热交换器32处重整物混合物RM的冷却促进了重整物混合物RM中的液体F(例如，汽油)的冷凝。
在流过第一热交换器32后，重整物混合物RM流向缓冲罐16。参照图2，在一个实施方案中，缓冲罐16包括限定了内部容积62的本体60。内部容积62连通的液体或冷凝物出口64位于本体60底部或下部部分，并且与内部容积连通的重整物出口66位于本体的顶部或上部部分。例如，包括除雾材料垫的除雾器70位于本体60的上部部分在内部容积62和重整物出口66之间。除雾器70抑制冷凝物液滴(或雾)进入重整物出口66。可从AmistcoSeparation Products of Alvin,Texas获得适合的除雾材料(例如，金属丝网)。除雾器支撑件72可将除雾器70保持在本体60的上部部分，同时允许重整物R通过除雾器支撑件和除雾器70并且进入重整物出口66。举例来说，除雾器支撑件72可包括线或穿孔金属筛网，并且为了防止旁通，可将除雾器70压缩在支撑件与本体60上部部分之间。
在所示的实施方案中，重整物混合物RM经过重整物混合物入口76进入缓冲罐的内部容积62。在所示的实施方案中，入口76包括接收在内部容积62中的水平的入口导管(例如，管子或管道)。入口导管76包括用于将重整物混合物RM导向缓冲罐本体60底部的朝下的喷孔78。在另一实施例中，可使用偏转板或有角度的入口管道来实现缓冲罐16中的重整物下流。为了将液体冷凝物排至位于缓冲罐16下面的再次引入系统20中，本体60的底部可为漏斗形(例如具有圆锥或倒置圆拱形状)。这样，进入缓冲罐16的重整物混合物RM分成气体(例如，氢气(H2)、一氧化碳(CO)和甲烷气体CH4)以及液体冷凝物(例如，汽油、未重整的醇和乙醛)。冷凝物(即，燃料F)流向内部容积62的底部并且经过冷凝物出口64进入再次引入系统20。重整物R流过除雾器支撑件72和除雾器70并且流入重整物出口66。
在一个实施方案中，缓冲罐16限定足以为内燃机E的冷启动供应足够的重整物R的内部容积62。可通过向内燃机供以50％重整物和50％E85或相似的富含乙醇或甲醇的汽油共混燃料，直到催化转化器达到起燃温度来实现清洁冷启动。较大的缓冲罐尺寸提供较大的储备，但这要与车辆的空间约束相平衡。本体60的截面可以足够大以将重整物R的表面速度减少到悬浮液体液滴所需的速度以下，虽然对于截面直径为10cm或更大的缓冲罐本体60来说，这可能不是问题。
再次参照图1，压力传感器80(例如，压力换能器)监测缓冲罐16中的重整物R的压力。可针对重整物压力改变，使用压力传感器80来校正重整物燃料喷射器脉冲宽度。在所示的实施方案中，压力传感器80紧邻缓冲罐16的下游并且测量重整物管线82(例如，管子、导管、管道)中的重整物R的压力。重整物管线82下游可导向用于将重整物R传送至内燃机E的重整物端口喷射器(未示出)。虽然使用醇重整物R的内燃机的详细操作模式在本发明范围之外，本发明是涉及为了将重整物引入内燃机，利用端口燃料喷射或烟熏将基本不含冷凝物液滴的重整物R流供应至内燃机，但这类操作模式是本领域技术人员所已知的。此外，本发明意图在低至中等内燃机负载下如重整物R那样，向内燃机E供应约10％至约75％、更典型地约20％至约75％的燃料F，并且在冷启动期间以及重整器预热后，更优选地供应约25％至约60％的燃料。在高负载(2000rpm，8.5巴NMEP)下，由重整物气体R提供的稀释耐受性可能不能部分地提高效率，因为可使用的稀释剂(EGR或过量空气)的量是有限的并且还归因于在高负载下液体乙醇的装料冷却的值。然而，本发明的确涵盖用于重整物利用的某些通用操作原理，如下文所述。
在一个实施方案中，为了使重整物喷射器准确地测量进入内燃机E的重整物R，必须准确地了解重整物轨道(未示出)中重整物R的压力和温度，以使得可通过内燃机控制单元(例如，控制单元或控制器52或另一种控制单元)用理想气体定律计算出重整物的容积浓度。压力传感器80将重整物管线82中的重整物R的压力和/或缓冲罐16中的重整物R的压力传达至控制器(例如，控制器52)。温度传感器86(例如，热电偶)可位于燃料轨道(或多个燃料轨道)中。燃料轨道可以充当散热器，从而将重整物R冷却到缓冲罐16中重整物的温度以下。因此，优选的是将温度传感器86置于燃料轨道而不是缓冲罐16中，虽然可将温度传感器置于缓冲罐中。
此外，为了准确地测量重整物R，重整物压力应高于阈值。阈值压力取决于使用的喷射器的类型，但是通常为至少约4巴。出于这个原因，优选地，当缓冲罐16中的压力低于阈值时，内燃机E将不会利用重整物R。另外，内燃机E优选地不在不有助于效率的高功率点下利用重整物。如果缓冲罐16在驱动循环开始时处于足够压力下，这些条件确保内燃机E将利用重整物R用于冷启动(或热启动)并且保持另外一段时间，直到缓冲罐16达到其压力下限，然后等待重整器12预热并且开始重整器操作，这使得缓冲罐压力升高。
参照图1，燃料再次引入系统20包括再次引入管线90(管子、导管、管道)，所述再次引入管线90将燃料再次引入系统的部件与缓冲罐16的冷凝物出口64流体连接。流量控制装置92在缓冲罐16的下游，并且阀94(例如，截止阀)在流量控制装置的下游以阻止冷凝燃料回流到缓冲罐。阀94可为电磁阀并且可被控制器(例如，控制器52)控制。出于以下说明的原因，通过压力传感器96(例如，压力换能器)测量再次引入管线90中的压力。如上所说明，再次引入管90与燃料管线26在再次引入位置FL处流体相连。
可以理解，燃料系统14中冷凝燃料F的再次引入会影响通到液体燃料喷射器46的燃料F的组成。这是因为冷凝燃料F主要由汽油组成，所以当冷凝燃料与来自燃料罐22的新进入的燃料F(例如，在乙醇情况下的E20至E85)合并(例如，混合)时，燃料管线26中的燃料的醇的含量因稀释而减少。两种操作并发症因稀释产生。首先，如果内燃机E在高扭矩下操作，减少的乙醇浓度使得液体燃料F更容易爆震。冷凝物共混回新燃料中的速率的波动引起乙醇含量的变化或“辛烷噪声”。在不利情况下—在驱动循环中在高扭矩点下，低乙醇含量—内燃机爆震的风险增加。此外，液体燃料系统14中醇浓度的变化影响化学计量空燃比。在现代汽车中，使用排气中的氧传感器将空燃比控制为其化学计量值。在数秒的时间量程内，燃料组成中的波动可使氧传感器控制回路动摇，潜在地损害处理后排气的功效并且降低燃料经济性。
为了防止供应至液体燃料喷射器46的燃料F中醇(例如，乙醇)含量有过多变化，优选地维持冷凝燃料F以接近在缓冲罐累积率的速度从缓冲罐16中稳定排出。这相当于在缓冲罐16中维持恒定的冷凝水平。一般来说，目的是维持冷凝物以稳定的细流回到燃料系统14中并且避免冷凝流突然涌流。如图1所示，在第二泵42上游引入冷凝燃料F是优选的，因为第二泵下游的压力通常会超过缓冲罐16中的压力。在内燃机E利用直接燃料喷射(DI)的情况下尤其如此，但是由于重整器12，反压也可能是显著的。
实现对冷凝物水平和流量的控制的一个方法是对缓冲罐16中的冷凝物水平提供持续监测，同时使用电磁阀控制水平。可通过浮子或者电导或电容探针(未示出)监测水平，并且可将流量控制装置或限流器92安装在缓冲罐16与电磁截止阀94之间以将峰值冷凝物排出流率降到最低。无论何时，当由压力传感器96监测的燃料管线26中的压力超过缓冲罐16中的压力时，电磁阀94可被关闭。如下所述，当内燃机E在高BMEP下操作时，也可使用电磁阀94来切断冷凝物流。
可设定限流器92的尺寸以将缓冲罐压力下的冷凝物流量限制为冷凝物流平均速率的约4至约10倍。如果已知重整物与液体燃料的设计比率，可估算平均冷凝物流量。例如，在重整器100％转化乙醇的情况下，对于在内燃机(含有70％液体燃料)中使用30％重整物的E50车辆而言，冷凝物流量平均为平均总燃料流量的30％。假设重整器中醇有一定程度的损耗是明智的。因此，对于E50车辆，优选地将限流器的尺寸设定为总燃料流量的约40％。在其它实施方案中，浮阀可以是有效的。浮阀不依赖水平传感器，所述水平传感器易受因移动车辆中液体晃动所产生的水平噪声的影响，但是限流器的使用缓和了流噪声。
参照图4至图6，在一个实施例中，限流器92可包括浮阀或“针”阀。在这个实施例中，电磁阀94对于冷凝物水平控制而言不是必须的，但它被保留用于其它目的，并且水平传感器可被省略。浮阀是众所周知、便宜且可靠的维持容器(例如，小型发动机化油器碗)中的水平的装置。如图4所示，阀92包括具有入口端口100A和出口端口100B的阀体100，所述入口端口100A与出口64或管线90流体相连，并且所述出口端口100B与管线90流体相连。杆，总体以102指示，包括浮子104和圆锥形盘106，所述盘106配合在本体100中的座108(图5和图6)中。参照图5，当燃料冷凝物水平低时，盘106沉入圆锥形座(图5和图6)，并且抑制冷凝物从出口100B中流出。参照图5，随着燃料冷凝物F的累积，杆104从座108浮起，使得冷凝物从缓冲罐16流过管线90。为了正确操作，优选地将缓冲罐16和浮阀92下游的压力维持在缓冲罐中的压力，以便在浮阀打开时驱动冷凝物从罐中流出并且阻止液体回流到缓冲罐中。在所示的实施方案中，浮阀92包括附接到杆102的永久磁铁110。邻近浮阀92的簧片开关112或其它装置监测本体100中浮杆102的位置，并且将位置传达至控制器(例如，控制器52)以提供车载诊断，从而确保浮阀正确操作。
既然已描述了醇重整系统10的各部件，现在本发明将描述重整系统10的示例性操作。
对液体燃料(F)流向重整器的流率的控制
如已经讨论的，第二泵42，其可为直接喷射燃料泵，提供驱动燃料通过重整器12所需的压力。直接喷射燃料泵可为电动的或安装在凸轮轴上的。此泵42将燃料供应至燃料喷射器46(经过燃料轨道)并且经过控制阀50供应至重整器12。
在低至中等内燃机负载下，优选地基于缓冲罐16中的压力，控制流向重整器12的燃料F的流量，其中目的为维持稳定的缓冲罐压力。在此情况下，“低至中等内燃机负载”意指驱动循环中，尽管因重整器12消耗乙醇而导致辛烷损失，但内燃机E仍可“无爆震”地操作的点。可使用基于内燃机E实际所消耗的重整物R的量的“前向供料”控制，但向重整器12供给的燃料F的组成的变化可能使这种方法变得复杂。在一个实施例中，使用修改版本的比例-积分-微分(PID)控制，其中只利用了比例“P”和积分“I”。在这个实施例中，可根据以下描述利用用于操作重整系统10的指令来预编程控制器52或其它控制器。
完整PID控制方案可能不是优选的，因为高度瞬态内燃机负载使得时间导数(“D”)嘈杂并且对控制无用。因此使用只基于缓冲罐中设定点压力与瞬时压力之间的差“P”和积分项“I”的“PI”方案。以下仅就乙醇流率(kg/hr)而言给出控制等式。与乙醇一同行进的汽油未被重整，并且不影响缓冲罐压力。
在这个等式中，Kp和Ki是与tint一起支配PI控制的参数，所述tint将误差函数的积分向后延伸多远的时间参数化。
除了控制缓冲罐压力的PI控制方案，可固定流向重整器12的最大流率，它表示在不产生不安全反压的情况下，重整器可接收的最大流量。最大流量的值取决于重整器12的设计和使用的催化剂。此外，当缓冲罐压力达到极限时，最大压力，其基于具有适合的安全系数的缓冲罐16的压力等级，应被包括在控制算法中，从而切断流向重整器12的燃料流。控制算法的这个部分可包括滞后。
优选地，不大量地(例如，大于约0.1kg/h)供应燃料F至重整器，除非重整器的温度足够高使得催化剂能重整燃料，通常在至少约275℃。因此，可在重整器上配备一个或多个热电偶120。在预热期间，可将流率非常低(例如，小于或等于约0.1kg/h)的燃料F供应至重整器12，因为这使对重整器温度的测量能更加准确，同时在缓冲罐16中产生可忽略的量的冷凝物。
在内燃机E关闭后，向重整器12短时期地供应燃料F，直到缓冲罐压力16达到最大压力或者重整器降低到最低操作温度以下。这利用了在重整器12中的余热(否则它将损失到环境中)，以便用重整物R完全填充缓冲罐16。在内燃机停止后的这段时间内，优选地将冷凝燃料截止阀94关闭并且在下一次驱动循环冷启动时打开。因此，在冷启动期间，在汽油中液体燃料变浓，这减少了碳氢化合物的排放。
内燃机在高功率下时的燃料管理
驱动循环中有间隔，其中内燃机E在相对高的扭矩(BMEP)下操作。为了避免爆震，在这期间维持液体燃料F中较高的乙醇含量是优选的。为了将容积效率最大化并且因为在高BMEP时效率改进因重整物而降低，所以只使用不含重整物R的液体燃料F是优选的。
由于这个原因，在高扭矩间隔期间，可关闭缓冲罐16下游的电磁阀94，从而切断燃料冷凝物F的循环。冷凝物基本为纯汽油。因此冷凝物循环减少液体燃料F的乙醇含量。此外，优选地，将重整器燃料供料速率增加至约其最大值，维持几秒。这个的作用是用燃料管线22中的新燃料冲洗混合容积。可选择流向重整器12的高流量间隔以便使大约由贮存器40限定的一个容积通过所述重整器。
中等水平乙醇共混物(20-40％)的利用
为了提高效率，在使用20％或更高的乙醇共混物的车辆中，优选利用大于约10:1的压缩比。对于相对低等的中等水平共混物(通常为E20-E40(按容积计))而言，为了在液体燃料中维持充分的乙醇以避免爆震，可管理重整系统10。所需的乙醇的量取决于压缩比和高功率阈值，高于所述阈值时只使用液体燃料(不含重整物)。相同的考虑适用于在20％-40％(按容积计)甲醇范围内的甲醇/汽油共混物。
在一个实施例中，对于在E20-E40范围内的燃料，流向重整器12的燃料流量与来自第二泵42的总燃料流量(流向重整器和燃料喷射器46的组合流量)的比率保持在固定值以下。这防止重整器12从燃料中剥离过多的乙醇。可基于新燃料F的乙醇含量和预期重整器12的乙醇转化率来计算最佳分流比。例如，对于80％重整器转化率、E30燃料(30％乙醇)而言，可通过数值求解以下等式或通过二次公式从分流比(“SR”)中计算出流向燃料喷射器46的液体燃料F中的乙醇浓度(“EPFI”)。
0＝-80％·(SR)·EPFI 2+[1+80％·(SR)]·EPFI-30％
通过将等式中的80％和30％改成合适的值，相同等式可适用于其它重整器转换率或乙醇含量。
图7示出了80％重整器转化率、E30％的情况下液体乙醇含量EPFI相对分流比SR的函数。为了在液体燃料中维持20％的乙醇，不应允许分流比SR超过0.8。这对12:1的压缩比而言足够了。
低醇共混物(E5-E15)的重整
本重整系统10也可与包含5％-15％甲醇或乙醇(按容积计)的燃料一起使用，其中主要的值由启动排放减少量组成。优选地，在意图只依靠具有按容积计15％或以下的醇水平的燃料来操作的车辆中对在以上描述并且在图1中示意示出的构造稍作修改。这两种变化降低了重整系统的成本和复杂性，同时确保实现充足的重整物供应和燃料-空气混合能力以用于清洁冷启动。
首先，缓冲罐16中的所有冷凝物都可回到燃料罐22中。再次引入系统20只意图在驱动循环上提供足够的重整物以使缓冲罐16增压并且在冷启动时实现低排放。这需要最小量的燃料F。醇耗尽的重整物回到燃料罐22中将不会明显地改变燃料的辛烷值或其它特征。其次，对重整物R而言，不需要单独的燃料轨道。重整物R可被烟熏到气源中。美国公布号US2012/0097117 A1，其以引用的方式整体并入本文，描述了使用增压器的重整物的烟熏。也可使用气体化油器。
从以上公开中可以看出，通常设定重整器12的尺寸以提供足够进行内燃机E中等负载操作的重整物并且在高内燃机负载下不提供重整物。缓冲罐使得在高-中等负载操作(通常为2400rpm，6巴BMEP)的间隔期间使用重整物成为可能。
在一个实施例中，醇重整系统被构造来执行以下操作，其中每一个都已在上文中予以描述：
1.维持充足的缓冲罐压力以使燃料喷射器能稳当操作，所述燃料喷射器在一个驱动循环尽可能多的时间内向内燃机供应重整物(例如，H2、CO和CH4)；
2.将可冷凝的液体，主要是汽油与重整物脱离(即分离)；如果在重整物流中出现冷凝物(例如，汽油)液滴，一些燃料喷射事件可能会提供过多的燃料，导致循环至循环和气缸至气缸的空燃比方面的变化以及增加的排气管碳氢化合物和CO排放；以及
3.将缓冲罐12中的液体冷凝物再次引入到燃料系统中。
在相比含按容积计20％-50％醇的燃料(对于乙醇，“E20”至“E50”)更低的共混物水平下，后两种操作明显地更有挑战性。首先，关于脱离可冷凝的液体，由汽油含量导致的更高的冷凝物水平增加了液体脱离负载，但如上所述，这可通过根据一个实施例的适合的系统设计和操作来解决。
本公开的重整系统10的一个实施方案使得冷凝物以最小的辛烷噪声稳定向燃料系统回流，同时在能使气体燃料喷射器操作的充足的压力下，提供基本不含冷凝物液滴的重整物的可靠供应。这些目标可通过包括一种或多种以下操作的策略，以可靠的、成本有效的方式来实现，所述操作中的每一个都已在上文进行更详细的说明：
1.在引入缓冲罐16之前，使用基本上所有新的、含醇的燃料F来冷却重整物混合物RM；
2.以流向下将重整物混合物RM引入缓冲罐16中；
3.在缓冲罐16的顶部包括除雾器70以完成除雾；
4.对缓冲罐压力至少每秒监测一次，以便实现对气体燃料喷射器(未示出)所喷射的重整物R的量的严格控制；
5.邻近缓冲罐16底部的流量控制装置92(如，限流器或浮阀)，其抑制流体冷凝物段塞从缓冲罐16突然排出；
6.截止阀94(如，电磁阀)，其定位在流量控制装置92与冷凝物被再次引入燃料系统14的再次引入位置FL之间；以及
7.对于使用按容积计醇含量在20％和40％之间的燃料F的操作，限制流向重整器12的燃料流量。
在详细描述了本发明的实施方案后，显而易见的是在不脱离所附如权利要求书限定的本发明范围的情况下，修改和变化是可能的。
实施例
提供以下非限制性实施例来进一步说明本发明。
实施例1
总体具有图1中所示的示意性布局的重整系统使用装载119g铜钯碳丸和105g镀铜镍海绵催化剂的21管、3级立式管阵列的重整器来组装。重整系统的整体视图在图8中示出，其中图1中所示的相似部件由相应的参考数字指示。系统被设计成与V6内燃机联接。离开重整器12的排气管线150(例如，管子)和排气旁通管线152通过成比例的分流阀154来平衡。分流阀154利用两个独立致动的气动操作的圆盘阀。排气分流阀154由如控制器52控制，以便将离开重整器12的重整物混合物的温度维持在325℃-350℃。排气管线由20量具钢制成以减少热质量并且改进升温时间。
使用具有2ft2的热交换器面积的平板型铜焊热交换器作为第一热交换器32和第二热交换器54(McMaster Carr零件号35115K61)。缓冲罐16为直径6英寸，高12英寸，容积5.5升的圆柱形容器。重整物入口(未示出)位于底部以上6英寸，但是未使用图2中所示的“淋浴型”构造。燃料冷凝物F的水平使用联接至缓冲罐16的出口64的“已知容积的管子”158，通过手动截止阀160来控制。缓冲罐16在图9中示出。管158中的液体水平通过插入通过1/2英寸NPT开口的两个光学流体传感器162、164来感测。当冷凝物水平到达上部传感器162时，通过打开具有特氟龙(Teflon)密封和防爆设计的电动电磁阀94(图8)将它排掉。
实施例2
将实施例1中的重整系统联接至具有双独立可变凸轮正时器(TiVCT)的3.5升V6内燃机。内燃机采用液体燃料直接喷射。第二组燃料轨道使重整物端口燃料喷射成为可能。经过维持燃料轨道中稳定的重整物压力的控制阀，从缓冲罐16向第二组燃料轨道供料。根据图1中的方案，用于直接喷射燃料轨道的内燃机中的高压泵也向重整器供应高压燃料。使用E85燃料时，压缩比为12:1，但是在压缩比为10:1时，获得汽油的基线数据。
实施例3
实施例1和实施例2中的内燃机-重整器系统在“世界范围内映射点”(2.62巴BMEP，1500rpm)下以稳定状态操作。这种操作点代表典型的驱动循环。内燃机在化学计量空燃比(λ＝1)和高水平内部EGR的情况下操作，这通过延迟关闭排气阀得以实现。此外，还利用延迟关闭进气阀来进一步减少节流损失并且改进稀释。
向系统供应E85燃料。向内燃机加以下燃料：由立式管道重整器产生的通过端口燃料喷射器供应的20％重整物(按质量计)以及通过直接喷射器供应的80％E85。在此研究中，为了使效率的测量更加准确，未将冷凝物与向内燃机供料的液体燃料合并。
在此操作点上，对阀和点火正时器进行优化。气缸1、气缸2、气缸4和气缸5中的最佳阀正时(和EGR水平)导致气缸3和气缸6中EGR水平过高，这是由于压力脉冲在排气歧管中传播并且传播到最后的气缸中。
在这些优化的条件下，与100％液体E85的26.4％相比，使用按质量计80％液体E84和20％重整物，在世界范围内映射点(2.62巴BMEP，1500rpm)下的制动热效率提高至28.8％。两个值皆使用12:1的压缩比获得。使用重整物的效率是指整个内燃机/重整器系统的效率。
在这些试验期间，缓冲罐/已知容积的管系统去除所有的液体冷凝物。未观察到液体液滴突破到重整物燃料轨道中(这可引起燃烧不稳定性)的迹象。
实施例4
实施例1和实施例2中的内燃机-重整器系统使用E30燃料在“世界范围内映射点”下以稳定状态操作。重整器依靠这种燃料有效地操作并且缓冲罐/已知容积的管系统成功地脱离液体冷凝物。
当介绍本发明的要素或其优选实施方案时，冠词“一个(种)”、“所述”意在意味存在所述要素中的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”意在是包括性的且意味可能存在除所列要素以外的其它要素。
由于可以在不脱离本发明的范围的情况下对以上构造、产品和方法作出各种改变，因此，意在以上描述中包含的并在附图中示出的所有内容都应该被解释为说明性的而不具有限制意义。

Claims (12)

1.一种用于内燃机的醇重整系统，其包括：
燃料系统，其被构造成将包含醇-汽油混合物的液体燃料传送至内燃机，所述燃料系统包括将所述液体燃料传送至所述内燃机所通过的燃料管线；
重整器，其经过用于从所述燃料管线接收液体燃料的重整器入口管线与所述燃料管线选择性流体连通，所述重整器被构造成将所述液体燃料的所述醇-汽油混合物中的醇重整成包含氢气和汽油的重整物混合物，使得所述重整物混合物中的所述汽油的至少一部分在其进入所述重整物出口管线时被汽化；
缓冲罐，其经过用于接收所述重整物混合物的重整器出口管线与所述重整器流体连通，所述缓冲罐被构造成将所述重整物混合物中的所述氢气与所述汽油脱离，其中所述缓冲罐包括液体燃料出口和重整物气体出口，所述液体燃料出口与所述燃料管线流体连通以用于将呈液体的所述汽油再次引入所述燃料管线，所述重整物气体出口用于将所述重整物气体传送至重整物管线，所述重整物气体通过所述重整物管线被传送至所述内燃机；
热交换器，其通过重整器出口管线与所述重整器流体连通，所述重整器出口管线用于接收并且冷却所述重整物混合物，以使所述重整物混合物中的汽化的汽油的至少一部分在其进入所述缓冲罐之前被冷凝成液体汽油，其中所述热交换器与所述燃料管线流体连通，其中所述热交换器被构造成将热量从所述重整器出口管线中的所述重整物混合物传递至所述燃料管线中的所述液体燃料；
第二热交换器，其与所述重整器入口管线和所述重整器出口管线流体连通，其中所述第二热交换器被构造成将热量从所述重整器出口管线中的所述重整物混合物传递至所述重整器入口管线中的所述液体燃料。
2.如权利要求1所述的醇重整系统，其进一步包括与所述重整器上游的所述燃料管线流体连通的控制阀，以及与所述控制阀连通的控制器，所述控制阀是用于控制通过所述控制阀流向所述重整器的液体燃料的流量，其中所述控制器被构造成控制所述控制阀并且至少部分地基于所述缓冲罐中的所述重整物气体的压力控制流向所述重整器的流量。
3.如权利要求2所述的醇重整系统，其进一步包括与所述缓冲罐连通以用于测量所述缓冲罐中的所述重整物气体的压力的压力传感器，其中所述压力传感器与所述控制器连通以传达指示所述缓冲罐中的所述重整物气体的压力的压力信号。
4.如权利要求3所述的醇重整系统，其中所述控制器被构造成在低至中等内燃机负载下，维持所述缓冲罐中的所述重整物气体的稳态压力。
5.如权利要求4所述的醇重整系统，其中所述控制器被构造成使用根据以下等式的基于所述缓冲罐中设定点压力与瞬时压力之间的差“P”和积分项“I”的“PI”方案，至少部分地基于所述液体燃料中醇的流率来控制流入所述重整器的液体燃料的流量：
其中Kp和Ki是与tint一起支配PI控制的参数，所述tint将误差函数的积分向后延伸多远的时间参数化。
6.如权利要求1所述的醇重整系统，其中所述缓冲罐包括本体，所述本体具有上部部分和下部部分并且限定用于接收所述重整物混合物的内部容积，其中所述液体燃料出口位于所述本体的下部部分并且所述重整物气体出口位于所述本体的上部部分。
7.如权利要求6所述的醇重整系统，其中所述缓冲罐包括除雾器，所述除雾器在所述本体的上部部分在所述内部容积和所述重整物气体出口中间，其中所述除雾器被构造成允许重整物气体流过所述除雾器并流入所述重整物气体出口，并且抑制液体冷凝物进入所述重整物气体出口。
8.如权利要求1所述的醇重整系统，其进一步包括液体燃料再次引入系统，所述再次引入系统被构造成将所述液体燃料从所述缓冲罐的所述液体出口，在所述燃料管线的燃料再次引入位置处，引入所述燃料管线中，所述燃料再次引入系统包括用于控制从所述缓冲罐的所述液体出口流入所述燃料管线的液体燃料流量的流量控制装置。
9.如权利要求8所述的醇重整系统，其中所述流量控制装置被构造成维持液体燃料F以基于所述缓冲罐中液体燃料累积速率的速率从所述缓冲罐流入所述燃料管线的稳定流量。
10.如权利要求9所述的醇重整系统，其中所述流量控制装置包括针阀。
11.如权利要求8所述的醇重整系统，其进一步包括与所述燃料管线流体连通的液体燃料泵，所述液体燃料泵位于所述燃料再次引入位置的下游和沿着所述燃料管线，所述重整器与所述燃料管线流体连接的位置的上游。
12.如权利要求11所述的醇重整系统，其进一步包括贮存室，所述贮存室在所述燃料再次引入位置的下游和沿着所述燃料管线，所述重整器与所述燃料管线流体连接的位置的上游，所述贮存室限定基本等于在中等负载下，在约1秒内所述内燃机所使用的液体燃料的容积的容积。
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