CN106870216B - 发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置 - Google Patents

发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置，包括发动机气缸和外置低温加水重整器；外置低温燃料重整器的进口连接有空气进气管和燃料进样管；燃料进样管连接有燃料注射泵和汽化罐；汽化罐的进口还连接有水进样管，外置低温燃料重整器通过重整气气管与发动机进气管相连；初始燃料和水分别以匀速进入到汽化罐中汽化，汽化后的燃料导入所述外置低温加水重整器中；在所述外置低温加水重整器中，新鲜空气与汽化后的燃料和水的混合气进行低温重整；重整产物经过重整气气管进入到发动机进气管中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到发动机气缸中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层。

Description

发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置
技术领域
本发明涉及一种发动机燃料低温加水重整的新型燃烧模式与装置，具体设计一种利用一个外置燃料低温(T<1000K)加水重整器重整燃料，通过控制该外置重整器的边界条件(温度、压力、当量比等)以及加入重整器中水的比例将燃料重整成不同活性的低温氧化产物(醛类、酮类、过氧化物等)，而后根据实际工况条件将重整后不同活性的混合气导入到发动机中参与燃烧的装置系统。
背景技术
随着社会的发展，能源与环境的矛盾日益凸显，其中汽车对这二者的影响又至关重要，因此优化燃料燃烧以及排放过程，就逐渐被国内外科学家重视起来，并且相继提出一些新型燃烧方式，如均质压燃(HCCI)、低温燃烧(LTC)和部分预混合燃烧(PPC)等[1-9]。与此同时近些年来燃料重整这一新型燃烧模式的研究较为火热，因为重整后的燃料用于发动机上燃烧在效率和排放方面都表现出一些优秀的性质。Fennell等人[10]在缸内直喷汽油机上，实验研究了在汽油燃料中添加通过废气重整制得的氢气对燃料的燃烧效率及排放的影响。研究结果表明，通过废气重整得到的氢气可以提高发动机的指示效率，并且降低颗粒物排放。伯明翰大学的Tsolakis等人[11]利用一台自制的外置重整装置催化加水重整燃料，研究结果发现在同样的实验边界条件下，加水重整较之无水重整可使发动机重整气中氢含量提高15％左右，并且排放也得到了一定改善。天津大学的尧命发等人[12]提出FCE(Flexible Cylinder Engine)发动机新型燃烧方式，该方式是将燃料不加催化剂低温重整成不同活性的低温重整产物来改善发动机的燃烧状态，FCE模式已经得到理论验证。而在低温重整过程中，水的加入可以使重整过程的过氧化氢含量提高，这在发动机燃烧过程中属于高活性物质，可以促进发动机燃烧，改善高辛烷值燃料或者小负荷时点火困难等问题。
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发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置，当发动机运行在不同工况条件下，通过控制外置重整器相应的重整反应边界条件与加水比例，可以排出不同氧化阶段不同活性的混合气，再结合发动机气缸内直喷的燃料，可以实现缸内混合气活性与浓度分层，改变燃油燃烧反应的反应路径，可以有效拓宽高效清洁燃烧范围。本发明只需要采用简单的氧化反应后处理器即可以满足欧VI排放法规的要求。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置，包括发动机气缸、一台外置低温加水重整器、空气进气管、燃料进样管和水进样管，所述发动机气缸连接有发动机进气管和发动机排气管；所述外置低温加水重整器缠绕有电加热丝，并设有第一温控表；所述空气进气管的一端和所述燃料进样管的一端均连接至所述外置低温加水重整器的进口；所述空气进气管的另一端连接至一空气瓶，所述空气进气管上设有气体流量计；所述燃料进样管的另一端连接至一燃料注射泵，所述燃料进样管上设有汽化罐，所述汽化罐设有第二温控表；所述水进样管的一端与所述汽化罐的进口相连，所述水进样管的另一端连接至一水注射泵；所述外置低温加水重整器的出口通过重整气气管与所述发动机进气管相连；所述重整气气管上、并位于临近外置低温加水重整器的出口处设有一热电偶；初始燃料由所述燃料注射泵以匀速经燃料进样管进入到汽化罐中，此刻，水由水注射泵同样以匀速经水进样管进入到汽化罐中，初始燃料与水在汽化罐进行汽化，汽化后的燃料导入所述外置低温加水重整器中，与此同时，由所述空气瓶提供的新鲜空气在气体流量计调控流量下经空气进气管进入到所述外置低温加水重整器中；在所述外置低温加水重整器中，新鲜空气与汽化后的燃料与水的混合气进行低温重整；重整后的低温产物经过重整气气管进入到发动机进气管中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到所述发动机气缸中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过控制燃油与空气反应的边界条件，以及燃油与水的混合重整比例，可以使该重整装置排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，使其与空气(或者EGR与空气的混合气)混合，导入到发动机气缸中，再结合缸内直喷的燃料，可以实现混合气活性及浓度分层协同控制的高效清洁燃烧。本发明将燃料经外置重整器低温加水重整，重整后的低温重整产物与新鲜空气均匀混合导入到发动机气缸内，而后与工作缸喷入的新鲜燃料混合燃烧，实现了燃油燃烧氧化反应反应路径可调控制，从而实现高效清洁燃烧的目标。
其中，加水重整的三个优点：一是，在重整过程中水的加入可以降低发动机缸内燃烧温度及排放。二是，初始燃料由于水的加入可以提高初始混合气的H/C比，有益于产生更多的氢。三是，由于水的分子式中含有氧有利于减少碳烟等污染物的排放，使燃烧更加清洁。
利用本发明，当发动机运行在不同转速、负荷等工况条件下，通过控制外置重整器相应的重整反应边界条件，以及燃油与水重整的混合比例可以改变燃油燃烧反应的反应路径，获得不同活性的重整混合气，可以有效拓宽高效清洁燃烧范围。本发明只需要采用简单的氧化反应后处理器即可以满足欧VI排放法规的要求。
附图说明
图1是本发明发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置的相同结构示意简图；
图2是重整不同混合比例的正庚烷及水数值模拟结果。
图中：
1-发动机气缸 2-发动机排气管 3-发动机进气管
4-重整气气管 5-热电偶 6-重整器
7-电加热丝 8-第一温控表 9-汽化罐
10-第二温控表 11-空气进气管 12-流量计
13-空气瓶 14-燃料进样管 15-燃料注射泵
16-水进样管 17-水注射泵
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明提出的一种发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置，由发动机主体和外置低温加水重整器两部分组成，主要是通过向外置低温加水重整器6中的低温重整气中加入一定比例的水，并与新鲜空气混合再导入到发动机气缸中参与燃烧。具体结构如下：
该低温加水燃料重整燃烧装置包括发动机气缸1，一台外置低温加水重整器6、空气进气管11、燃料进样管14和水进样管16，所述发动机气缸1连接有发动机进气管3和发动机排气管2。
所述空气进气管11的一端和所述燃料进样管14的一端均连接至所述外置低温加水重整器6的进口；所述空气进气管11的另一端连接至一空气瓶13，所述空气进气管11上设有气体流量计12，所述气体流量计12调控进入外置低温燃料重整器6的空气量。
所述燃料进样管14的另一端连接至一燃料注射泵15，所述燃料注射泵15按照规定重整当量比匀速地向汽化罐9进样燃料，所述燃料进样管14上设有汽化罐9，所述汽化罐9设有第二温控表10；所述水进样管16的一端与所述汽化罐9的进口相连，所述水进样管16的另一端连接至一水注射泵17，所述水注射泵17按照与燃料合适的配比匀速的向汽化罐9进样水。所述燃料汽化罐9，所述燃料汽化罐9上设有电加热丝和热电偶，用以汽化来自燃料进样管14和水进样管16的待重整的混合液体，使其在一定温度下变成汽态，所述燃料汽化罐9设有第二温控表10，所述燃料汽化罐9上的电加热丝由第二温控表10控制其加热温度，并与位于燃料汽化罐9上的热电偶进行闭环温度控制。
所述外置低温加水重整器6缠绕有电加热丝7，并设有第一温控表8；所述外置低温加水重整器6的出口通过重整气气管4与所述发动机进气管3相连；所述重整气气管4上、并位于临近外置低温加水重整器6的出口处设有一热电偶5，所述热电偶5用以检测重整后混合气的温度。所述第一温控表8控制所述电加热丝7的加热功率进而控制外置低温燃料重整器6的重整温度，所述电加热丝7、第一温控表8与位于外置低温燃料重整器6出口端的热电偶5形成闭环回路控制调控燃料的重整温度，用以燃料低温重整。
初始燃料由所述燃料注射泵15以匀速经燃料进样管14进入到汽化罐9中，此刻，水由水注射泵17同样以匀速经水进样管16进入到汽化罐9中，初始燃料与配以合适的比例的水在汽化罐9进行汽化，汽化后的燃料导入所述外置低温加水重整器6中，与此同时，由所述空气瓶13提供的新鲜空气在气体流量计12调控流量下经空气进气管11进入到所述外置低温加水重整器6中；在所述外置低温加水重整器6中，新鲜空气与汽化后的燃料与水的混合气进行低温重整。重整后的低温产物(混合气)经过重整气气管4进入到发动机进气管3中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到所述发动机气缸1中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层。
本发明是利用一套外置低温加水燃料重整系统根据发动机实际工况条件产生不同氧化阶段的低温重整产物，水的加入后可以明显提高重整混合气活性物质过氧化氢含量，从而促进发动机燃烧。本发明不但实现了燃料的低温重整，也实现了发动机气缸内混合气浓度分层和活性分层燃烧，并且不需要添加催化剂，从而使发动机更加高效节能的运行。
综上，本发明低温加水燃料重整燃烧装置根据发动机实际工况特点，对外置重整器中的燃料进行低温重整，通过控制燃油与空气反应的边界条件以及燃油与水的混合重整比例，可以使该重整装置排出不同氧化阶段的部分中间产物或完全氧化产物，即可以得到不同活性的低温氧化产物，例如重整PRF90(异辛烷与正庚烷体积比为9)燃料，除了可以得到高活性物质(过氧甲烷CH3O2H，羰基的过氧化物KETs等等)外，还可以得到含量较高的过氧化氢H2O2；从图2中可以看到重整不同混合比例的正庚烷及水数值模拟结果，发现当正庚烷与水的混合体积比是95：5时，重整混合气中高活性的过氧化氢含量提高较为明显，因此可以得知，在重整过程中水的加入可以促进混合气活性的升高，因此在后续导入发动机过程中可以改善发动机小负荷时点火困难问题，促进着火。重整器排出的重整后的低温重整产物与新鲜空气(或者EGR与空气的混合气)均匀混合导入到发动机气内，而后与工作缸喷入的新鲜燃料混合燃烧，可以实现燃油燃烧氧化反应，反应路径可调控制，从而实现混合气活性及浓度分层协同控制的高效清洁燃烧的目标。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种发动机联合外置重整器无催化剂低温加水燃料重整装置，包括发动机气缸(1)，所述发动机气缸(1)连接有发动机进气管(3)和发动机排气管(2)，其特征在于，
还包括一台外置低温加水重整器(6)、空气进气管(11)、燃料进样管(14)和水进样管(16)，所述外置低温加水重整器(6)缠绕有电加热丝(7)，并设有第一温控表(8)；所述空气进气管(11)的一端和所述燃料进样管(14)的一端均连接至所述外置低温加水重整器(6)的进口；所述空气进气管(11)的另一端连接至一空气瓶(13)，所述空气进气管(11)上设有气体流量计(12)；
所述燃料进样管(14)的另一端连接至一燃料注射泵(15)，所述燃料进样管(14)上设有汽化罐(9)，所述汽化罐(9)设有第二温控表(10)；
所述水进样管(16)的一端与所述汽化罐(9)的进口相连，所述水进样管(16)的另一端连接至一水注射泵(17)；
所述外置低温加水重整器(6)的出口通过重整气气管(4)与所述发动机进气管(3)相连；
所述重整气气管(4)上、并位于临近外置低温加水重整器(6)的出口处设有一热电偶(5)；
初始燃料由所述燃料注射泵(15)以匀速经燃料进样管(14)进入到汽化罐(9)中，此刻，水由水注射泵(17)同样以匀速经水进样管(16)进入到汽化罐(9)中，初始燃料与水在汽化罐(9)进行汽化，汽化后的燃料导入所述外置低温加水重整器(6)中，与此同时，由所述空气瓶(13)提供的新鲜空气在气体流量计(12)调控流量下经空气进气管(11)进入到所述外置低温加水重整器(6)中；在所述外置低温加水重整器(6)中，新鲜空气与汽化后的燃料与水的混合气进行低温重整；重整后的低温产物经过重整气气管(4)进入到发动机进气管(3)中，再次与新鲜空气混合形成均匀混合气导入到所述发动机气缸(1)中，并与缸内直喷的燃料混合燃烧实现混合气活性及浓度分层。
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