CN107514321B - 一种用于egr系统中的重整制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于EGR系统中的重整制氢装置，包括外部的热交换器和内部的反应器，反应器设于热交换器的腔体内，热交换器的入口连接发动机的废气排气管，废气排气管设有EGR系统废气分流管，反应器的入口连接该EGR系统废气分流管，EGR系统废气分流管连接重整制氢的燃料输送管路，反应器出口连接EGR管路至发动机进气系统。与现有技术相比，本发明整合EGR技术和废气重整制氢技术，将废气重整反应所得到的富氢气体重新引入缸内燃烧，既能充分进行废气余热回收再利用，同时也能促进缸内燃烧过程组织，提高发动机的综合热效率，有利于降低废气中的有害物质排放和改善汽车碳排放水平。

Description

一种用于EGR系统中的重整制氢装置
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，具体涉及一种用于EGR系统中的重整制氢装置。
背景技术
当今社会，汽车保有量逐年提升，汽车尾气对环境的负面作用越来越显著，汽车尾气中主要包括碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、一氧化碳(CO)以及颗粒物等，对环境造成很大影响，此外，汽车数量的剧增也带来了石油资源短缺的问题。
为降低汽车NOx的排放而开发出的废气再循环(EGR)技术是将部分废气重新导入进气侧，使其再度参与燃烧过程，以达到降低NOx排放和改善发动机性能的目的，但目前的EGR系统存在着效率低、工作条件要求高、对发动机性能改善有限等问题。为解决传统汽车内燃机效率低的问题，引入了燃料电池汽车上的燃料重整制氢技术，其效果明显，非常具有应用价值。
燃料重整制氢，是一种将燃料通过催化裂解等方式转变为小分子燃料(氢气)的过程。燃料重整制氢最初用来解决电动汽车储氢难的问题，方便车载携带燃料，将该技术应用到内燃机汽车上，可充分利用氢气以下的燃烧特性：(1)辛烷值高；(2)氢气的稀燃极限极低，燃料中混合氢气可拓展极限；(3)点火温度很低，可改善冷启动；(4)火焰传播速度快，促进燃料燃烧，减少循环波动；(5)扩散能力强，增强湍流，提高燃烧混合物均匀性；(6)淬熄距离短，火焰可到达气缸壁的缝隙，减少不完全燃烧产物，提高燃烧效率。燃料重整制氢的热量来自于废气中的热量，对废气中的能量进行了回收再利用，提高了发动机的热效率，有利于降低汽车碳排放水平。
中国专利201310668754.X公开了一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置，反应主体内外壳间加有绝热陶瓷棉，在反应主体下盖板上先层叠多层甲醇水蒸发层后，再交替层叠重整反应层和燃烧反应层，热电偶的一端插入中间层的重整反应层中，另一端用温度信号线与电控单元相连；电控单元分别与甲醇泵、甲醇水溶液泵、空气泵、甲醇空气流量控制电磁阀和甲醇水溶液流量控制电磁阀电路相连，甲醇水溶液泵的一端接入甲醇水储存箱，另一端经控制电磁阀接入甲醇水蒸发层，甲醇泵的一端接甲醇储存箱，另一端经控制电磁阀接甲醇水蒸发层，上、下盖板开有多个废气流通孔。将产生的氢气通入发动机与汽油混合燃烧，提高了能量利用效率，该装置利用汽车尾气余热进行重整制氢，但效率比较低，重整制氢装置不能够充分的进行反应。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种用于EGR系统中的重整制氢装置，催化反应效率高、可充分利用废气进行换热。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于EGR系统中的重整制氢装置，安装在EGR回路系统中，包括外部的热交换器和内部用于重整制氢反应的反应器，所述的热交换器由外部的壳体和内部的腔体构成，所述的反应器设于热交换器的腔体内，所述的热交换器的入口连接发动机的废气排气管，所述的废气排气管设有EGR系统废气分流管，所述的反应器的入口连接该EGR系统废气分流管，所述的EGR系统废气分流管连接重整制氢的燃料输送管路，所述的反应器出口连接EGR管路至进气系统，工作时，发动机排气中一部分废气经所述的废气排气管通入热交换器用于换热，换热后的低温废气经热交换器出口排出系统；另一部分废气经所述的EGR系统废气分流管与燃料输送管路通入的燃料进行混合，通入反应器完成重整制氢反应，重整后的富氢气体经EGR管路通入发动机进气系统进入气缸燃烧。
进一步地，所述的反应器为分流管束式反应器，包括两端呈空腔状的锥形端罩、分流圆盘以及沿反应器轴向平行布置的多个分流管束，所述的分流圆盘设有多个与分流管束安装配合的孔，所述的分流圆盘将锥形端罩和分流管束连接。
进一步地，所述的锥形端罩表面设有多个平直翅片，所述的平直翅片沿锥形端罩表面的轴向均匀布置，进一步优选地，锥形端罩的锥度为60～90°，平直翅片的高度为15～20mm，平直翅片分布间隔为8～15mm。
进一步地，所述的分流管束以反应器中心轴线对称分布，包括外层管径较大的外层粗管和内层管径较小的内层细管，所述的外层粗管设有6-8根，所述的内层细管设有7-9根。
进一步地，所述的外层粗管内装有蜂窝状结构的催化剂载体，所述的催化剂载体采用钛合金材料制得，催化剂载体上装填重整催化剂，所述的内层细管内壁上涂抹重整催化剂，内层细管的外表面布置有螺旋翅片，进一步优选地，粗管直径为25-35mm，细管直径为10-20mm，管长为250-350mm，螺旋翅片高度约为2-4mm。
进一步地，所述的热交换器为圆筒状，两端为锥形封头，所述的热交换器与反应器通过轴向设置在反应器分流圆盘上的固定肋板连接，通过焊接固定连接。
进一步地，所述的EGR系统废气分流管设有用于调节废气进气量的EGR阀。
进一步地，所述的燃料输送管路与EGR系统废气分流管在连接处安装有重整燃料喷射器，重整燃料喷射器安装位置与反应器入口距离为300～500mm。
进一步地，所述的热交换器的壳体由外壳、中空夹层和保温涂层构成，所述的外壳由发泡金属制成。
本发明整合EGR技术和废气重整制氢技术，将废气重整反应所得到的富氢气体重新引入缸内燃烧，既能充分利用废气余热，降低废气中有害物质的排放，同时也使EGR系统的效率得到了提高，降低EGR条件下的燃烧循环变动，并提升发动机性能。同时，重整制氢的热量来自于废气中的热量，对废气中的能量进行了回收再利用，提高发动机的热效率，有利于降低汽车碳排放水平，具体有益效果为：
1、将EGR与重整制氢相结合，充分吸收废气热量进行重整制氢反应，同时改善EGR工作条件和效果。
2、热交换器内置重整反应器可更充分的利用废气余热，增强与反应器的换热效果，壳体的保温结构能有效降低内部热量的流失。
3、重整反应器的锥形空腔能减小废气的流动阻力，同时锥形空腔可储存部分气体起到稳压作用，防止反应器内的不稳定流动影响重整制氢效果。
4、反应器设计成分流管束形式，采用两种管径规格对称分布的方式，既能提高催化反应效率，又能充分利用换热空间，增强换热效果。
5、反应器外层管束内采用蜂窝状结构的催化剂载体能充分利用管道内部空间，增大反应气体与催化剂的接触面积，提高催化反应效率。
6、反应器锥形端罩表面布置平直翅片和内层管束表面布置螺旋翅片能增强换热效果，同时也尽量减小流动阻力。
附图说明
图1是EGR重整制氢系统的整体结构示意图；
图2是本发明重整制氢装置的结构示意图；
图3是本发明反应器的立体结构示意图；
图4是反应器的断面示意图；
图5是反应器平直翅片在锥形端罩上的分布示意图；
图中：1-重整燃料喷射器；2-EGR系统废气分流管；3-锥形端罩；4-平直翅片；5-外壳；6-中空夹层；7-保温涂层；8-固定肋板；9-EGR管路；10-热交换器出口；11-废气排气管；12-分流圆盘；13-内层细管；14-重整催化剂；15-外层粗管；16-催化剂载体；17-螺旋翅片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2-5，一种用于EGR系统中的重整制氢装置，如图1，安装在EGR回路系统中，包括外部的热交换器和内部用于重整制氢反应的反应器，热交换器由外部的壳体和内部的腔体构成，热交换器的壳体由外壳5、中空夹层6和保温涂层7构成，外壳5由发泡金属制成，反应器设于热交换器的腔体内，热交换器的入口连接发动机的废气排气管，废气排气管设有EGR系统废气分流管2，反应器的入口连接该EGR系统废气分流管2，EGR系统废气分流管2连接重整制氢的燃料输送管路，反应器出口连接EGR管路9至进气系统，反应器为分流管束式反应器，包括两端呈空腔状的锥形端罩3、分流圆盘12以及沿反应器轴向平行布置的多个分流管束，锥形端罩3表面设有多个平直翅片4，平直翅片4沿锥形端罩3表面的轴向均匀布置，锥形端罩3的锥度在60～90°，平直翅片4的高度在15～20mm，分布间隔在8～15mm，分流圆盘12设有多个与分流管束安装配合的孔，分流圆盘12将锥形端罩3和分流管束连接，分流管束以反应器中心轴线对称分布，包括外层管径较大的外层粗管15和内层管径较小的内层细管13，外层粗管15设有8根，内层细管13设有7根，外层粗管15内装有蜂窝状结构的催化剂载体16，催化剂载体16采用钛合金材料制得，催化剂载体16上装填重整催化剂14，内层细管13内壁上涂抹重整催化剂14，内层细管13的外表面布置有螺旋翅片17，粗管直径为30mm，细管直径为15mm，管长为300mm，螺旋翅片高度为3mm，热交换器为圆筒状，两端为锥形封头，热交换器与反应器通过轴向设置在反应器分流圆盘12上的四根固定肋板8连接，通过焊接固定连接，EGR系统废气分流管2设有用于调节废气进气量的EGR阀，燃料输送管路与EGR系统废气分流管2在连接处安装有重整燃料喷射器1，重整燃料喷射器1安装位置与反应器入口距离在300～500mm。
具体工作过程为：发动机的废气大部分进入废气排气管11，另一部分被引入安装有EGR阀和重整燃料喷射器1的EGR系统废气分流管2，EGR阀可调节废气引入量，重整燃料经喷射器1安装位置与反应器入口保持一定距离，这样可以利用废气余热改善燃油雾化效果，使燃料与废气在EGR系统废气分流管2中形成均匀混合气再被引入反应器中。随后混合气经锥形端罩3再分别进入到涂有重整催化剂14的分流管束13和15中进行催化制氢反应，所制取的富氢气体从分流管束流出并聚集到后端锥形空腔中，然后经由重整气EGR管路9引回到发动机的进气系统中，用以改善发动机的燃烧和排放性能。之所以将锥形端罩3设计成锥形空腔，目的是减小废气的流动阻力，同时可以储存部分气体起到稳压作用，而端罩表面的平直翅片4则可以增强换热。分流管束采用两种类型是出于提高催化和换热效率的考虑，因为外层粗管15与流动废气接触更充分，采用直径较大的粗管可以增大换热表面积，同时管道内置蜂窝状结构的催化剂载体16，可以充分利用管道内部空间，增大催化剂与混合气接触面积，提升反应效率。内层细管13由于内部空间有限，与流动废气接触较少导致换热效果较差，因而采用直径较小的细管，并在管外布置螺旋翅片17，既能增强换热又不会造成较大流动阻力，催化剂直接涂抹在管道内壁上。此外，将整个重整反应器安装在热交换器的内部空腔中，可以使反应器被废气所包围，充分利用废气热量，并且为了减少废气热量损失，壳体还进行了保温设计，中空夹层6和内壁的保温涂层7可有效阻隔废气热量的传递，外壳5采用发泡金属制成，它内部大量的微细的闭孔空气球能有效阻隔对流传热和辐射作用，具有良好的保温性能，同时由于是金属材质，又便于固定肋板8的焊接安装。本装置用于传统的汽油机的燃料重整，也可用来重整甲醇、乙醇之类的醇类燃料。
本发明不局限于上文描述的实施方式，以上对具体实施方式的描述旨在说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式和附图说明仅是示意性的，并不是限制性的。

Claims (5)

1.一种用于EGR系统中的重整制氢装置，安装在EGR回路系统中，其特征在于，包括外部的热交换器和内部用于重整制氢反应的反应器，所述的热交换器由外部的壳体和内部的腔体构成，所述的反应器设于热交换器的腔体内，所述的热交换器的入口连接发动机的废气排气管，所述的废气排气管设有EGR系统废气分流管(2)，所述的反应器的入口连接该EGR系统废气分流管(2)，所述的EGR系统废气分流管(2)连接重整制氢的燃料输送管路，所述的反应器出口连接EGR管路(9)至发动机进气系统，
所述的反应器为分流管束式反应器，包括两端呈空腔状的锥形端罩(3)、分流圆盘(12)以及沿反应器轴向平行布置的多个分流管束，所述的分流圆盘(12)设有多个与分流管束安装配合的孔，所述的分流圆盘(12)将锥形端罩(3)和分流管束连接，所述的分流管束以反应器中心轴线对称分布，包括外层管径较大的外层粗管(15)和内层管径较小的内层细管(13)，所述的外层粗管(15)设有6-8根，所述的内层细管(13)设有7-9根，所述的锥形端罩(3)表面设有多个平直翅片(4)，所述的平直翅片(4)沿锥形端罩(3)表面的轴向均匀布置，所述的热交换器为圆筒状，两端为锥形封头，所述的热交换器与反应器通过轴向设置在反应器分流圆盘(12)上的固定肋板(8)连接，通过焊接固定连接，
工作时，发动机排气中一部分废气经所述的废气排气管通入热交换器用于换热，换热后的低温废气经热交换器出口(10)排出系统；另一部分废气经所述的EGR系统废气分流管(2)与燃料输送管路通入的燃料进行混合，通入反应器完成重整制氢反应，重整后的富氢气体经EGR管路(9)通入发动机进气系统进入气缸燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种用于EGR系统中的重整制氢装置，其特征在于，所述的外层粗管(15)内装有蜂窝状结构的催化剂载体(16)，所述的催化剂载体(16)采用钛合金材料制得，催化剂载体(16)上装填重整催化剂(14)，所述的内层细管(13)内壁上涂抹重整催化剂(14)，内层细管(13)的外表面布置有螺旋翅片(17)。
3.根据权利要求1所述的一种用于EGR系统中的重整制氢装置，其特征在于，所述的EGR系统废气分流管(2)设有用于调节废气进气量的EGR阀。
4.根据权利要求3所述的一种用于EGR系统中的重整制氢装置，其特征在于，所述的燃料输送管路与EGR系统废气分流管(2)在连接处安装有重整燃料喷射器(1)，所述的重整燃料喷射器(1)安装位置与反应器入口距离为300～500mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于EGR系统中的重整制氢装置，其特征在于，所述的热交换器的壳体由外壳(5)、中空夹层(6)和保温涂层(7)构成，所述的外壳(5)由发泡金属制成。
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