CN106438113B - 一种车载在线燃料改质装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载在线燃料改质装置，包括：内电极，其一端设置有氧气供给端口，所述内电极内部设置有氧气供给腔；外电极，其套合在所述内电极外侧；内电极催化剂，其贴合在所述内电极的外壁上，并且所述内电极催化剂设置有多段，沿内电极轴线方向间隔布置；外电极催化剂，其贴合在所述外电极的内壁上，沿外电极轴线方向连续布置；放电装置，其包括两个放电端口，所述两个放电端口分别与内电极和外电极电连接；其中，所述内电极的外壁上在没有贴合内电极催化剂处设置有毛细孔，所述毛细孔与氧气供给腔连通；所述内电极和外电极之间形成反应腔，所述反应腔的两端分别设置有可燃气体进气端口和可燃气体出气端口。

Description

一种车载在线燃料改质装置

技术领域

本发明属于燃机燃料改质领域，特别涉及一种车载在线燃料改质装置。

背景技术

燃料改质发动机已经成为汽车内燃机发展的重点方向，不但可以提高发动机的运行经济性，而且还可以最大程度的减少汽车尾气有害气体排放。燃料改质本质是在一定条件下使汽油或者醇类等物质发生反应，使其分解成以H2及CO为主要成份的可燃性气体。改质生成的可燃气体比稀薄汽油混合气更易点燃(主要源自混合气内的氢气成份)，因此在发动机气缸燃烧时通入适当改质后的可燃性气体可以使燃料燃烧更加充分，节约了能源消耗，同时还可以保证发动机在高空燃比状态下仍具有较高的点火稳定性。

目前燃料改质发动机一般是利用发动机尾气余热让燃料通过催化剂的催化作用获取富氢气体，但是简单通过催化作用存在一定的技术瓶颈。一方面催化剂的活性问题，在催化剂的使用过程中随着时间的推移，燃料中少量的硫化物和一氧化碳等气体会和催化剂发生反应，使催怀剂失去活性，也就是平时所称的催化剂中毒。第二个问题是反应率问题，一方面催化反应的反应率很低，即使在理想条件下氢气的生成率也只有百分之六左右，另外催化反应和温度紧密相关，氢气生成量从400摄氏度开始增加，在600-800摄氏度生成率达到顶峰，而在400摄氏度以下基本上不生成氢气，可见，传统方式简单利用发动机尾气余热提供热量很难保证各工况条件下催化反应的持续高效进行。

重整反应也是一种比较理想的制备氢气方式，通过等离子体促使可燃混合气体发生重整反应，产生富氢气体，具有反应产量高、无需催化剂等优点。重整反应的机理是在一定条件促使可燃混合气体产生等离子体，利用等离子体中高能电子冲击等离子体中的中性粒子，使中性粒子发生裂解产生活性基(团)，这些活性基(团)在一定条件下，电子与新的原子核或正离子重新组合，形成新的分子或原子结构。常规化学反应很难实现或者需要昂贵重金属作为催化剂才能实现的反应，可以通过等离子体重整反应轻易实现。等离子重整反应可以使汽油、乙醇等燃料转化为富氢可燃气体，可以用来改善内燃机的燃烧、制备用于燃料电池的富氢气体等，具有很广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是克服现有燃料改质装置催化剂活性差、重整反应和催化反应效率低的缺陷，提供了一种车载在线燃料改质装置，结合使用高频高压放电装置和催化剂，提高了氢气产量，及装置的运行经济性。

本发明提供的技术方案为：

一种车载在线燃料改质装置，包括：

内电极，其一端设置有氧气供给端口，所述内电极内部设置有氧气供给腔；

外电极，其套合在所述内电极外侧；

内电极催化剂，其贴合在所述内电极的外壁上，并且所述内电极催化剂设置有多段，沿内电极轴线方向间隔布置；

外电极催化剂，其贴合在所述外电极的内壁上，沿外电极轴线方向连续布置；

放电装置，其包括两个放电端口，所述两个放电端口分别与内电极和外电极电连接；

其中，所述内电极的外壁上在没有贴合内电极催化剂处设置有毛细孔，所述毛细孔与氧气供给腔连通；所述内电极和外电极之间形成反应腔，所述反应腔的两端分别设置有可燃气体进气端口和可燃气体出气端口。

优选的是，所述内电极和外电极采用金属银或金属铜制成。

优选的是，所述内电极催化剂和外电极催化剂采用铜基或铑基金属催化剂。

优选的是，所述内电极催化剂的外表面上设置有多个向内凹陷的圆弧状凹槽，所述外电极催化剂的内表面处设置有多个突出的圆弧形突起，所述突起与凹槽的位置相对应。

优选的是，所述内电极催化剂的外表面各处距外电极催化剂的内表面的距离均相等。

优选的是，所述放电装置包括：

电源；

升压器，其用于将电源电压进行升压；

电容，其与所述升压器连接，通过升压器输出端为所述电容充电；

第一电感，其两端分别与电容连接，以形成LC震荡电路；

第二电感，其与所述形成互感，所述第二电感的两端形成两个放电端口。

优选的是，所述电容与第一电感之间串联有电子开关。

本发明的有益效果体现在以下方面：

1、本发明所述车载在线燃料改质装置可以让燃料同时发生等离子体重整反应和催化反应，氢气转化率更高、富氢气体产量更大，可以最大限度的提高发动机的经济性。

2、催化反应所需的金属催化剂直接和高频高压放电装置放电电极连接，利用放电过程的高能电子维持金属催化剂活性，有效的解决了传统方式催化制氢催化剂使用寿命短，失活问题。

3、本发明所述车载在线燃料改质装置充分利用了同轴线状反应管内芯，当环境温度过低时，通过空心圆柱体状内芯向反应腔均匀的输送氧气，让可燃气体部分自燃维持催化反应腔最佳温度，提高了装置的适用性和经济性。

4、本发明所述车载在线燃料改质装置体积小、重量轻、布置方便，很适合车载使用。

附图说明

图1为本发明所述车载在线燃料改质装置总体结构示意图。

图2为本发明所述车载在线燃料改质装置重整部分截面图。

图3为本发明所述车载在线燃料改质装置催化部分截面图。

图4为本发明所述高频高压放电装置电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的一种车载在线燃料改质装置，包括：同轴线状反应管110和高频高压放电装置120两部分。

同轴线状反应管110，如图1、2、3所示，同轴线状反应管主要由内电极111、内电极催化剂112、外电极113和外电极催化剂114组成。其中高频高压放电装置120产生的高频电压电场可以通过放电电极121、122分别传递到同轴线状反应管110的外电极113和内电极111上。内外电极催化剂112、114是由铜基、铑基等金属催化剂构成和内外电极111、113紧密电连接，因此高频高压放电装置120产生的高频高压电场通过两个放电端口121、122可以均匀的传递到内外电极催化剂112和114上，促使可燃气体在内外电极催化剂112、114间隙最小处放电形成等离子体，从而发生重整反应产生富氢气体。外电极113和外电极催化剂114共同构成了同轴线状反应管110的外芯，内电极111和内电极催化剂112共同组构成了同轴线状反应管110内芯。内芯和外芯构成可燃气体反应腔115，可燃气体可以从反应腔的一侧的进气端口115A流入，发生重整和催化反应后，从另一侧的排气端口115B流出。内电极111是一段空心圆柱体，圆柱体的一侧和氧气供给端口118连接，一侧封死，构成氧气供给腔116。在空心圆柱体内电极111上对应没有内电极催化剂112段开有若干毛细小孔117，当氧气供给腔116气体压强大于可燃气体反应腔115内气体压强时，氧气分子可以均匀而缓慢的进入可燃气体反应腔115，促使部分可燃气体自燃，为催化反应提供能量。空心圆柱体内电极111上对应有内电极催化剂112段，会在高频高压电场的作用下发生放电形成等离子体，等离子体本身具有很高的温度，为了防止可燃气体部分自燃导致重整反应段温度过高，不应该开有若干毛细孔。为了保证内外电极可以把高频高压放电装置产生的高频高压电场均匀的传输到内外电极催化剂上，内外电极应该由铜、银等电导率较大的金属够成。

如图1所示，内电极催化剂112是由多段长度相等的管状催化剂均匀的分布在内电极111上构成，内电极催化剂112在内电极111上的分布并不是连续的。跟据内电极111上是否有内电极催化剂112可以把同轴线装反应管分为催化反应段和重整反应段，其中含有内电极催化剂112的是重整反应段，不含有内电极催化剂112的是催化反应段。如图2所示，在重整反应段，外电极催化剂突出圆柱体114A和内电极催化剂圆弧状凹槽112A相匹配，所有对应的内电极催化剂圆弧状凹槽112A到外电极催化剂突出圆柱体114A距离均相等，在高频高压电场作用下可以发生均匀放电。突出圆柱体和凹槽的组合可以保证在高频高压电场作用下，在两者之间间隙内均匀放电，同时还增加了发生放电电极的表面积，提高了富氢气体产量。如图3所示，在催化反应段，由于内电极111上没有催化剂，外电极催化剂114和内电极111的距离大于重整反应段的放电间隙距离，因此不会发生放电形成等离子体，在催化反应段只产生催化反应。但是，催化反应段的金属催化剂和重整反应段的金属催化剂或者电极紧密电连接，利用重整反应段放电产生的高能电子可以保持催化反应段金属催化剂的活性。为了提高催化剂和可燃气体的接触面积，内电极催化剂112和外电极催化剂114在现有形状基础上，表面具有一定的表面粗糙度，以提高可燃混合气体和催化剂的接触面积，从而提高催化反应富氢气体产量。

高频高压放电装置120的主要作用是产生足够高的高频电压，以击穿可燃气体产生等离子体，促使可燃气体发生重整反应产生富氢气体。高频高压放电装置120本质上是一种改进后的特斯拉线圈，其电路原理图如图4所示。改进后的特斯拉线圈可以看成是一种分布参数高频串联谐振变压器，通过初级线圈对次级线圈的共振激励，可以在次级线圈上获得百万伏以上的高频电压。为了实现对特斯拉线圈放电状态的精确控制，改进后的特斯拉线圈采用电子开关而非打火器控制初级线圈的通断，这样通过控制电子开关的通断可以对主电容的放电阀值和初级线圈的谐振状态进行精确控制，使得整个装置效率达到最佳。改进后的特斯拉线圈工作过程大致如下，将电源123通过升压器124对直流电升压或者如果采用交流电，使用变压器对交流电升压后再利用全波整流电路对交流电进行整流，得到高压直流电后，给初级LC谐振回路主电容C1充电，初级谐振回路LC由初级线圈L1和主电容C1组成。当主电容C1电压达到预定大小后控制电子开关125导通，初级LC谐振回路发生串联谐振，给次级线圈提供足够高的励磁功率。次级谐振回路由次级线圈L2和等效电容C2组成，等效电容C2由内外电极催化剂及其中间的可燃气体构成。次级线圈可以在初级LC谐振回路的激励下发生串联谐振，当初级线圈和次级线圈固有谐振频率相同时，次级线圈在初级LC谐振回路的不断激励下，放电终端电压不断升高，直至达到可燃气体的击穿电压。在特斯拉线圈设计过程中最重要的是让初级线圈和次级线圈固有谐振频率相同产生共振，通过放电尖端的距离可以估算对地等效电容C2的大小，然后通过公式：

合理的选择L1、C1、L2既可以保证初级线圈和此次线圈发生共振使得次级线圈放电电压达到最大。在初级线圈主电容C1的选择过程中，可以选择多个耐高压超级电容串联，相比于选取传统电容器不光可以提高初级线圈的储电量，产生更多的高能粒子，另一方面还可以减少装置体积。

车载在线燃料装置具体工作过程如下：

可燃气体通过进气端口115A进入可燃气体反应腔115，流经重整反应段，在高频高压放电装置120产生高频高压电场作用下放电形成等离子体发生重整反应，产生大量富氢气体。同时，还有少量没有反应的可燃气体流经催化反应段，在催化剂的作用下继续反应产生富氢气体，最终产生的富氢气体流动到同轴线状反应管110末尾段，从出气端口115B流出。催化反应的最佳环境温度是600-800摄氏度，当环境温度低于400摄氏度时很难发生催化反应，在车载使用时可以通过等离子体放电热量和发动机尾气余热为反应提供能量，而当在某些工况条件下装置所能提供的热量不足以维持最佳温度时，不足部分可以通过氧气供给腔116为可燃气体反应腔提供少量氧气，让可燃气体部分自燃，为反应提供热量。通过调节氧气供给腔116和可燃气体反应腔115的压强差可以调整进入可燃气体反应腔内的氧气分子量，从而控制可燃气体部分自燃产生的热量，保证不同工况条件下催化效率都能达到最佳，从而提高了装置的适用性。

本发明所述车载在线燃料改质装置，允许在一个小小反应管内同时发生等离子体重整反应和催化反应，结构小巧灵活而且极大的提高了富氢气体的产量，很适合车载使用。结合使用高频高压放电装置和金属催化剂，利用高频高压放电维持金属催化剂的活性，提高催化剂的使用寿命。同时，当发动机尾气余热不足以维持催化反应所需的最佳环境温度时，还可以通过允许燃料部分自燃，为催化反应提供能量，提高了装置在汽车不同行使工况的适用性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种车载在线燃料改质装置，其特征在于，包括：

内电极，其一端设置有氧气供给端口，所述内电极内部设置有氧气供给腔；

外电极，其套合在所述内电极外侧；

内电极催化剂，其贴合在所述内电极的外壁上，并且所述内电极催化剂设置有多段，沿内电极轴线方向间隔布置；

外电极催化剂，其贴合在所述外电极的内壁上，沿外电极轴线方向连续布置；

放电装置，其包括两个放电端口，所述两个放电端口分别与内电极和外电极电连接；

其中，所述内电极的外壁上在没有贴合内电极催化剂处设置有毛细孔，所述毛细孔与氧气供给腔连通；所述内电极和外电极之间形成反应腔，所述反应腔的两端分别设置有可燃气体进气端口和可燃气体出气端口；

当氧气供给腔气体压强大于可燃气体反应腔内气体压强时，氧气分子能够均匀而缓慢的进入可燃气体反应腔，促使部分可燃气体自燃，为催化反应提供能量。

2.根据权利要求1所述的车载在线燃料改质装置，其特征在于，所述内电极和外电极采用金属银或金属铜制成。

3.根据权利要求1所述的车载在线燃料改质装置，其特征在于，所述内电极催化剂和外电极催化剂采用铜基或铑基金属催化剂。

4.根据权利要求1所述的车载在线燃料改质装置，其特征在于，所述内电极催化剂的外表面上设置有多个向内凹陷的圆弧状凹槽，所述外电极催化剂的内表面处设置有多个突出的圆弧形突起，所述突起与凹槽的位置相对应。

5.根据权利要求4所述的车载在线燃料改质装置，其特征在于，所述内电极催化剂的外表面各处距外电极催化剂的内表面的距离均相等。

6.根据权利要求1所述的车载在线燃料改质装置，其特征在于，所述放电装置包括：

电源；

升压器，其用于将电源电压进行升压；

电容，其与所述升压器连接，通过升压器输出端为所述电容充电；

第一电感，其两端分别与电容连接，以形成LC震荡电路；

第二电感，其与所述形成互感，所述第二电感的两端形成两个放电端口。

7.根据权利要求6所述的车载在线燃料改质装置，其特征在于，所述电容与第一电感之间串联有电子开关。