CN112105811B - 汽车内燃发动机的车载燃料重整注水以提高制氢量 - Google Patents

汽车内燃发动机的车载燃料重整注水以提高制氢量 Download PDF

Info

Publication number
CN112105811B
CN112105811B CN201980027990.9A CN201980027990A CN112105811B CN 112105811 B CN112105811 B CN 112105811B CN 201980027990 A CN201980027990 A CN 201980027990A CN 112105811 B CN112105811 B CN 112105811B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
exhaust gas
water
stream
reformate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980027990.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112105811A (zh
Inventor
A·K·沃伊斯
V·S·科斯坦佐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saudi Arabian Oil Co
Original Assignee
Saudi Arabian Oil Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saudi Arabian Oil Co filed Critical Saudi Arabian Oil Co
Publication of CN112105811A publication Critical patent/CN112105811A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112105811B publication Critical patent/CN112105811B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/02—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by catalysts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • F02M25/12—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone the apparatus having means for generating such gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/02—Engines characterised by means for increasing operating efficiency
    • F02B43/04—Engines characterised by means for increasing operating efficiency for improving efficiency of combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/04—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only
    • F02B47/08—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only the substances including exhaust gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0626—Measuring or estimating parameters related to the fuel supply system
    • F02D19/0628—Determining the fuel pressure, temperature or flow, the fuel tank fill level or a valve position
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0639—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels
    • F02D19/0642—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels at least one fuel being gaseous, the other fuels being gaseous or liquid at standard conditions
    • F02D19/0644—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed characterised by the type of fuels at least one fuel being gaseous, the other fuels being gaseous or liquid at standard conditions the gaseous fuel being hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0663—Details on the fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02D19/0668—Treating or cleaning means; Fuel filters
    • F02D19/0671—Means to generate or modify a fuel, e.g. reformers, electrolytic cells or membranes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/08—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels
    • F02D19/081—Adjusting the fuel composition or mixing ratio; Transitioning from one fuel to the other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0027—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures the fuel being gaseous
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/005—Controlling exhaust gas recirculation [EGR] according to engine operating conditions
    • F02D41/0055—Special engine operating conditions, e.g. for regeneration of exhaust gas treatment apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0206—Non-hydrocarbon fuels, e.g. hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0215—Mixtures of gaseous fuels; Natural gas; Biogas; Mine gas; Landfill gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F02M25/028—Adding water into the charge intakes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/17—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the intake system
    • F02M26/19—Means for improving the mixing of air and recirculated exhaust gases, e.g. venturis or multiple openings to the intake system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/35—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for cleaning or treating the recirculated gases, e.g. catalysts, condensate traps, particle filters or heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/36—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for adding fluids other than exhaust gas to the recirculation passage; with reformers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/42—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories having two or more EGR passages; EGR systems specially adapted for engines having two or more cylinders
    • F02M26/43—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories having two or more EGR passages; EGR systems specially adapted for engines having two or more cylinders in which exhaust from only one cylinder or only a group of cylinders is directed to the intake of the engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M31/00—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture
    • F02M31/20—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1614—Controlling the temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)

Abstract

通过在注入水的存在下重整燃料以提高氢气的产率，提高了汽车汽油燃料的火花点火式内燃发动机(ICE)的性能，可选地，该火花点火式内燃发动机用专用废气再循环系统运行，其允许更高的压缩比并抑制了与燃料提前点火相关的发动机爆震。重整可发生在(a)气缸中，其中富含燃料的混合物与来自注入一个或多个专用废气再循环气缸的进气歧管的水的蒸汽发生反应；(b)在位于发动机上游的催化重整器中；(c)在位于发动机下游的催化重整器中，该催化重整器接收燃料和来自专用废气再循环气缸的废气流，并将冷却的重整产物送回进气歧管；以及(d)在催化重整器中，该催化重整器接收燃料和来自发动机废气歧管的废气流，并将重整产物输送到进气歧管。

Description

汽车内燃发动机的车载燃料重整注水以提高制氢量
技术领域
本发明涉及具有集成的车载燃料重整系统的汽车火花点火式内燃发动机(ICE)的运行，向该集成的燃料重整系统注水以提高所产生的重整气体混合物中的氢含量。
背景技术
车载重整是指将燃料转化为富氢重整气的过程。与H2O和CO2产生相比，优选方法更倾向于产生H2和CO；然而，产量受整体燃料转化率、各种重整反应之间的竞争以及燃料中氢和碳含量的限制。向燃烧混合物中添加水可提高蒸汽重整反应的速度，从而有效地将水中的某些氢转化为H2，从而增加了产生的重整气中H2的总量。
本领域已知各种利用水煤气变换反应和蒸汽-甲烷重整化学过程来增加工业制氢站输出量的方法，包括工艺温度和压力的管理、催化剂选择和蒸汽注入。当前的车载重整方法包括废气重整，其中在一个或多个气缸下游的催化剂存在下，将燃料注入到热废气流中，以及燃料在进入发动机之前或在发动机中部分氧化。尽管可以通过促进部分氧化(在下表中以反应(1)举例说明)而不是完全氧化(例如反应(2))来提高氢气的产生。例如，通过在富油条件下燃烧发动机中的燃料，最大理论收率受到燃料中氢含量的限制。发动机后废气重整过程将废气中的一些水再循环以产生氢气。但是，这些过程中可用的水仅限于燃烧过程中产生的水。另外，随着时间的流逝，由于结垢和失活，催化剂的性能可能会下降。
例如，使用异辛烷C8H18作为典型的汽油成分，下表A提供了所示反应场景的反应热，其中正值表示吸热反应和净焓增加，负值表示值表示放热反应和净焓降低。
表A
方程 反应类型 反应 ΔHr°
1 部分氧化 C8H18+4O2→8CO+9H<sub>2</sub> -660kJ/mol
2 完全氧化 C8H18+12.5O<sub>2</sub>→8CO<sub>2</sub>+9H<sub>2</sub>O -5100kJ/mol
3 蒸汽重整1 C8H18+8H<sub>2</sub>O→8CO+17H<sub>2</sub> 1274kJ/mol
4 蒸汽重整2 C8H18+16H<sub>2</sub>O→8CO<sub>2</sub>+25H<sub>2</sub> 945kJ/mol
然而，这些技术还没有应用于汽油的车载汽车重整应用，其中氢气和一氧化碳都是燃烧循环中的有益成分。
已经出于各种目的提出了将水或蒸汽注入汽车ICE系统，包括增压冷却、降低爆震、去除燃烧室沉积物以及减少柴油发动机中的排放物，例如NOx和煤烟。
存在增加不依赖于合成气产生的火花点火式发动机的稀释容差(tolerance)的各种方法。然而，这些系统是昂贵的、未经证实的，并且最终受到所提供的稀释容差的限制。此外，它们没有像车载重整一样具有也提高爆震容差的综合优势。
具有汽油燃料的四冲程内燃发动机的量产车辆采用多种工程设计策略来减轻爆震并减少节流损失，同时通过增加发动机的压缩比来改善燃料经济性。这些努力包括：在爆震限制条件下的米勒循环运行、使用直接注入以提供额外的增压冷却、优化阀定时以清除残留物、内部和内部废气再循环或EGR，在高负载下延迟火花正时以及氢气增压(hydrogenboosting)。
目前处于验证阶段而尚未用于商业生产的车载重整概念为进一步提高效率添加了另一种工具，该工具可作为缓解爆震的许多其他策略的补充或替代。例如，专用的废气再循环系统将再循环废气的益处与重整燃料的燃烧益处结合在一起。燃油重整过程发生在以过量燃油驱动的动力缸的内部。富油燃烧导致在废气流中形成氢气(H2)和一氧化碳(CO)，然后其冷却并再循环至发动机。由于燃料重整发生在动力供应气缸中，并且所有燃烧产物都被再循环，因此其作用是部分克服了发动机限制，这些限制降低了火花点火式发动机的效率，例如热损失、泵送功损耗和发动机爆震。在低EGR水平下，提高EGR率可提高效率。然而，最终，发动机达到了极限，在这种极限下，额外的EGR不再能提高效率。效率限制机制与燃烧效率和火焰速度相关。尽管高水平的再循环废气减慢了燃烧反应速度，从而降低了发动机爆震，但它也降低了火焰速度，这导致了不稳定的燃烧，特别是在低功率条件下。
本公开解决的问题是在各种车载重整系统的运行中获得额外的改进以增加制氢。
如本公开中所使用的，术语“增压”(boosted)或“增压”(boosting)是指使用涡轮增压器或机械增压器来压缩进入发动机的进气。
术语“热交换器”还包括汽车中冷器。
发明内容
本发明涉及注水用于增加车载汽车重整系统中氢气产率的用途，通过将汽油燃料转化为氢气和一氧化碳的混合物或合成气，然后使该混合物或合成气进行水煤气变换反应，产生额外的氢气和二氧化碳。合成气可以通过在氧气不足的富燃料条件下燃烧燃料来部分氧化来产生，也可以通过含有二氧化碳、水蒸气或其他氧化剂的气体混合物的反应来产生。在水煤气变换反应中，一氧化碳与存在的水反应，产生额外的氢气和二氧化碳。水也直接与燃料反应形成氢、一氧化碳和二氧化碳。
本发明包括其中燃料的重整在往复式发动机的气缸中发生的系统和方法，以及利用发动机外部的附加装置和过程的系统和方法。缸内重整在本领域中是已知的，并且本发明通过将水注入气缸(主要是以一氧化碳为代价提高了氢气的产生)以及通过燃料的直接蒸汽重整进一步改善重整过程。由于以下更详细描述的原因，水与燃料、一氧化碳或其他部分燃烧产物的反应提高了氢产率，从而提高了车辆的整体性能。
如本公开中所使用的，术语“外部重整”是指重整反应在气缸外发生(区别于缸内重整)的方法、系统或设备。
在车载重整系统中添加水的另一个好处是，通过减少煤烟的产生，可改善重整系统的可操作性和耐用性，从而扩展了缸内重整系统的富油极限或外部重整系统的最大的燃料负载量、催化剂效率、产量和使用寿命。
测试结果表明，通过水煤气变换反应和Le Chatlier原理可以提高氢气产量，而提高氢气产量可以显著改善发动机性能。将水添加到ICE的进气系统中可以有效地增加废气的湿度，通常约为12％，因此，当将燃料添加到催化重整器上游的热废气流中或直接引入到催化重整器中时，氢的产率会提高。
还发现，在较高的催化剂温度下，水的注入大大提高了氢气的产率，并如正能量平衡所示改善了废气焓的热化学回热(recuperation)。已发现以下对最大程度地提高氢气产量和燃料能量平衡有效：重整器进口成分约为0–7.5mol％的氧气、10–30mol％的蒸汽和1-3mol％的燃料。重整器进口蒸汽中蒸汽/碳(S/C)摩尔比应为1.5-3，最佳S/C比为1.5，氧/碳比为0.5-1.0，最佳为0.9，以及蒸汽浓度大于15mol％。
此外，已经证明可以通过使用水富集来改善缸内重整。加湿进入在富油条件下运行的火花点火式发动机的进气的会增加氢气的产生。显示以下是有效的：摩尔水浓度小于36％，缸内相对空燃当量比大于0.65。
如在此所使用的，空燃当量比(λ)被定义为实际空燃比对化学计量空燃比的比率，燃空当量比(φ)被定义为实际燃空比对化学计量燃空比的比率。
本公开的方法和系统通过实现更高的压缩比、改善燃烧定相(combustionphasing)、减少节流损失以及通过将部分废气焓回收转化为可用的燃料能量，从而提高了火花点火式汽油发动机的效率。重要的是，该系统可适用于现有的汽车ICE配置，而只需进行最少的工程和设计更改及其相关费用。
在没有补充水注入的情况下采用燃料重整或水煤气变换催化剂的方法的效力受到燃烧产生的废气中可用水的限制。使用在气缸上游注水的水煤气变换催化剂或燃料重整催化剂会显著提高气缸进气口的氢气产量。
注水还可以通过蒸汽清洁催化剂、气缸和其他发动机部件来改进现有技术的车载重整系统，在该催化剂、气缸和其他发动机部件上焦炭和其他碳质材料可能会形成沉积物。重整气缸中积碳的积累一直是专用EGR发动机技术商业化的障碍之一，本发明解决了这个问题。
以增加任何发动机中的氢气产量为目的的注水是新颖的，尤其是当与车载重整系统结合使用时。
比较研究表明，由重整燃料生产的合成气中的氢气比一氧化碳具有更大的优势，并且构成了一种改进的方法，用于提高专用废气再循环发动机和其他使用车载重整系统的车辆中的氢气产量。
与车载注水系统相关的一些额外资本成本和维护需求被如下益处所抵消：进气冷却降低了爆震趋势并提高了功率密度，降低了峰值温度，还降低了爆震并降低了NOx形成，减少废气颗粒质量/颗粒数(PM/PN)并清除燃烧室沉积物。
发动机效率
本公开的系统和过程解决了提高火花点火式汽油发动机效率的两个基本障碍：低压缩比和节流损失。在本领域中众所周知，节流损失是由于节流阀的关闭减少了歧管压力而导致的，导致与歧管压力和环境压力之差成比例的负泵功。结果是发动机效率的损失。这些效果如图5A和5B图示。与图5B中的Otto循环发动机的理想或理论代表相比，众所周知的压力-体积图显示了图5A中阴影区域中的代表性损耗。
汽油发动机的热力学循环可以使用理想的Otto循环来表示，其效率可以由以下公式表示：
η＝1-(1/r^(γ-1)) (5)
其中，η是循环效率，r是压缩比，γ是工作流体的恒定压力和恒定体积热容之比。因为对于实际的工作流体，γ总是大于1，所以压缩比r的值越高，其中指数(γ-1)的值越大，方程(5)中的分母就增加，从而导致发动机循环效率的值也越大。
实际上，r受被称为发动机爆震的异常燃烧现象的限制。当尾气(end-gas)(定义为传播火焰之前未燃烧的气体)的高温和高压导致尾气自燃并产生高压波(其可导致发动机噪音)时，会产生爆震，如果持续存在，可能会损坏轴承和发动机的其他组件。较高的压缩比会增加尾气的温度和压力，从而增加自燃和发动机爆震的可能性。耐自燃的燃料组合物使发动机可以以更高的压缩比运行。
将合成气与燃料混合可改善尾气的抗自燃性，从而可以使用更高的压缩比，同时避免爆震。氢对抗自燃性的影响比一氧化碳大得多，这是因为氢自由基的反应速度更快。这允许增加压缩比，并改善火花正时，从而直接提高理想的Otto循环效率。这些结果如下表1所示，其中列出了方程(6)和(7)在三种温度下的反应速率常数(k)，以及用氢气比一氧化碳能得到的相对更高的压缩比。
CO+OH*→CO2+H* (6)
H2+OH*→H2O+H* (7)
表1：H2和CO与羟基自由基反应的速率常数(k)
<u>温度</u> <u>k(方程6)</u> <u>k(方程7)</u> <u>比率</u>
600 1.12E+11 1.79E+11 1.6
700 1.31E+11 3.40E+11 2.6
800 1.52E+11 5.65E+11 3.7
以较高的压缩比运行而产生的较高的制动平均有效压力(BMEP)可以进一步减小发动机的尺寸，从而减少相同功率输出的热量传递和摩擦效率低下。
氢气混合还可以显著改善燃烧稳定性，促进更高水平的废气再循环(EGR)或稀释稀薄运行(dilute lean operation)。这允许节流阀在部分负荷下进一步打开，从而减少了泵送损失和负功，如上面结合图5A和5B所述，以及改善上述方程(5)中的γ值。
如表2所示，氢气的最大层流火焰速度远远超过一氧化碳和异辛烷，并且还具有比其他任何一种燃料组分都低得多的稀薄燃烧限(lean flammability limit)。
表2：指定燃料的燃烧特性
Figure BDA0002739810220000051
用燃空比表示的具有更低稀薄极限的燃料可用于减少由其他动力管理系统引起的损失，例如节流损失。
燃料配方的影响
还发现，通过产生更多的氢气、最大限度地提高重整混合物的抗爆震性和稀释容差益处，并在发动机气缸外完成重整所需停留时间更短，常规燃料配方的修改可与车载重整系统协同进行。以下讨论并在权利要求中使用的百分比是摩尔浓度百分比，并且基于燃烧混合物的总量。为了方便起见，下面可将摩尔百分比简单地表示为百分比，即“％”。
已发现，与标准汽油配方中的典型25-35％相比，含有约1mol％或更少的芳烃的燃料可以几种不同的方式改善车载重整系统。
这些较低芳烃含量的燃料混合物改善性能的一种方式是这些燃料的较高氢含量导致产生更多的含氢化合物，例如H2和H2O。如上所述，与CO相比，氢在降低自燃和稀释容差方面具有更大的优势。
在重整过程中燃料的低芳烃含量的另一个好处是提高了氢气的选择性，即H2相对H2O。较大比例的H2改善了稀释容差并降低了自燃，而H2O则没有改善稀释容差。并且，当与富氢气体混合时，低芳烃含量的燃料的抗自燃性比高芳烃含量的燃料高。
此外，在富油条件下燃烧时，芳烃含量较低(其有助于提高H/C比)的燃料更少产生煤烟，因而更少引起催化剂结焦和失活。
使用这些燃料的另一个好处是它们可以与易于重整的充氧剂结合使用，从而产生协同作用，例如恢复辛烷值，而辛烷值可通过降低芳烃含量，保持高能量密度，进一步增加H/C比，和在外部重整系统中的停留时间更短而降低。
此外，芳烃含量比常规燃料混合物低的燃料在重整过程中比芳烃含量高的燃料具有更有利的能量平衡。这意味着可以从热废气中提取更多的能量，并将其转化为对低级芳烃混合燃料有用的燃料能量。
基于该分析，包含约1mol％以下的芳族化合物的燃料将改善车载重整系统的性能和转化率，因此是优选的。然而，芳族化合物含量为1至10mol％时，可以实现对常规燃料混合物的显著改进。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，燃料混合组分的可用性和经济性必将在配制燃料混合物中发挥作用。
合适的重整催化剂包括：包含选自周期表的VI、VII和VIIIB族(即IUPAC 6-10族)的至少一种活性金属的催化剂。已经发现含铑的催化剂是合适的。制备的催化剂在堇青石基材上的氧化铝修补基面涂层中含有略低于2重量％的Rh。
附图说明
以下将参考附图进一步描述本发明，在附图中，相同或相似的元件用相同的数字标识，并且：
图1是带有注水的进气催化剂重整系统的工艺流程图。
图2是带有注水的缸内重整系统的工艺流程图。
图3是带有注水的废气催化剂重整系统的工艺流程图。
图4是带有注水并利用燃烧后注入事件为重整器提供燃料的废气催化剂重整系统的工艺流程图。
图5A和5B是代表性的现有技术功率曲线，其代表理想的Otto循环，以图形方式示出了节流损失的影响；
图6A、6B和6C是在两种不同温度下，在有和没有向重整器注入水的情况下，来自三种不同燃料混合物的废气的催化重整制氢的比较图。
图7是示出了汽油燃料和乙醇燃料的水富集对氢产率影响的比较图。
图8包括补充有H2的汽油混合物和补充有CO的相同混合物的预测研究法辛烷值的图。
图9提供了点火延迟模型的比较图，在700℃至900℃的温度下，(a)常规燃料混合物，(b)含H2的相同燃料，以及(c)含CO的相同燃料；
图10是基于发动机气缸中存在的H2和CO的体积百分比预测的爆震极限压缩比(CR)增加的图。
图11A、11B和11C是一系列比较曲线，示出了在三个温度下氢气的产率与氧碳比(摩尔)的关系。
图12A至图12F是一系列图表，其描绘了具有图14A的关键插图中所示的混合成分的燃料组合物的能量比，未注水(上排)和注水(下排)，并且O/C摩尔比从左到右增加；
图13是示出在所示的三个温度下添加和不添加水的燃料1的能量平衡的图表；
图14是在具有富燃料混合物的注水速率增加的情况下制氢的曲线图。
图15是表示在无水、有15％和24％的水的情况下，氢浓度与空燃当量比(λ)的函数图。
图16是具有和不具有水的汽油和乙醇的氢气产生量(摩尔％)与空燃当量比(λ)的函数图。
图17是具有和不具有水注入的汽油和乙醇燃料的NOx排放量(百万分之一(ppm))与空燃当量比的函数图。
具体实施方式
将参考示例性实施方案描述本公开的方法和系统，所述示例性实施方案针对用于火花点火式汽油燃料的ICE汽车应用的外部重整和缸内重整示意图。
如本领域普通技术人员将理解的，为了方便并且便于理解和解释本公开的各个实施方案的主要特征和运行特性，在这些简化的示意图中未示出常规元件，例如燃料和水泵、涡轮增压器和/或机械增压器(也统称为“增压器”)、阀门、注入器、传感器、控制装置、电线和发动机管理控制系统(EMS)。
参照图1，将描述用于通过向重整产物(reformate)注入水来进行进气催化剂重整的简化工艺流程图。为了方便起见，如图所示的带有四缸ICE的集成系统包括一个燃料箱104和一个水源，例如一个储水箱或储水容器106。
水通过管线107a，燃料通过105a到达汽化器170，在汽化器170中，水被加热到使水汽化的温度。汽化的燃料和蒸汽混合物172以及空气101被引入车载重整器130中，在其中进行催化重整以首先生成包含氢气和一氧化碳(即合成气)的热重整产物，然后合成气在水煤气变换反应中被转化而增加氢气和二氧化碳的量。可选地，氢气提高的(hydrogen-enhanced)重整产物132在热交换器160中冷却至25℃至70℃的温度，产生冷却的H2提高的重整产物流162。
在一个实施方案中，传感器将与离开重整器的重整产物的温度相对应的信号传输至车载发动机管理系统或EMS，以与来自环境空气温度传感器的信号进行比较。如果重整产物的温度超过预定的期望范围，则将其传送至车载环境空气热交换器以将重整产物的温度受控降低到该范围内。
冷却的重整产物162从管线107b被注入额外的水，并与燃料105b、空气103和水107一起被传送到发动机120进行燃烧并产生热废气流122。一些或全部的热废气可以通过124排放到大气中。
在可选的EGR实施方案中，其也在图1中示出并由虚线工艺流线表示，一些或全部热废气流122可以作为ERG流126被传送到热交换器140以降低其温度。一些或全部的冷却废气142可经由管线144和109直接再循环至发动机120。可选地，一些或全部的冷却废气142可经由控制阀142和管线146传送至冷凝器150，以去除和捕获一些或全部水蒸气，其通过管线152再循环到储水箱106。在一个实施方案中，可以将通过管线154的冷凝水注入重整产物流162中。可以将一些或全部ERG通过管线154通过环路109再循环到发动机120。
现参照图2，该流程图示出了用于通过注水进行缸内催化重整的系统的实施方案。集成系统包括带有燃油管线205的燃油箱204和带有水管线207的水箱206。
图2的EGR实施方案利用废气再循环环路209来运行。如出于本描述的目的而示出的，ICE 220的单个气缸222a可以用作EGR的专用源。或者，可以根据本领域已知的方法从超过一个的气缸中收集EGR。尽管图2示出了四缸发动机，但是本领域普通技术人员将理解，该发动机可以具有任何数量的气缸。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，发动机可以利用辅助增压装置，例如涡轮增压器或机械增压器，以压缩进气或空气混合物，并且空气与EGR的混合可以在通过这些增压设备之前或之后发生。
冷却废气再循环流209(其来源在下文描述)和大气202在EGR混合器208中混合，并作为混合的空气/EGR流211引入进气歧管218。来自水箱206的水被注入歧管218，或通过管线207a-207d在每个气缸进气口218a-218d。混合的空气/EGR流211和水流207a-207d被吸入发动机220的气缸222a-222d。
在进气冲程之前或期间，将来自管线205a的预定量的燃料注入发动机气缸222a中，以根据EMS程序在专用EGR气缸中提供富燃料的混合物。在该实施方案中，气缸222a中的富燃料混合物同时导致仅一部分燃料的燃烧和过量未燃烧燃料的重整。在注入水的存在下，在气缸222a中的燃烧和重整产生热废气流226a，其中由于水煤气变换反应，重整产物包含氢气和二氧化碳。
以例如由发动机管理系统(未示出)预定的化学计量的量将燃料注入到每个其他气缸222b-222d中，以使这些气缸中的空气完全燃烧。气缸222b-222d中的燃烧产生常规组成的热废气流226b-226d，该热废气流通过常规废气歧管228排放到大气中。
热废气和重整产物流226a被传送到热交换器240以通过与环境空气热交换而将温度降低到预定范围。一些或全部的冷却废气经由管线244和209直接再循环至与进气歧管218流体连通的EGR混合器208。可选地，一些或全部的冷却废气246可被传送至冷凝器250以回收一些或全部水，其经252循环至储水箱206。热交换器240和可选的冷凝器的运行可以如上结合图1所述地进行控制。
参照图3，示出了用于ICE 320的通过注水进行废气催化重整的实施方案的工艺流程图。该集成系统包括具有燃料管线305的燃料箱304以及水箱306和相关联的水管线207。虽然所示的发动机320具有4个气缸，但是本领域普通技术人员将理解，发动机320可以有任意数量的气缸。
进气302和冷却的重整产物EGR流309(其来源如下所述)在EGR混合器308中混合，产生混合的空气/重整产物EGR流311，其被吸入进气歧管318。混合的空气/重整产物EGR流311和水流307a-307d以类似于以上结合图2描述的方式被引入发动机320的气缸322a-322d。
可选地，燃料经由管线305a-305d被注入到发动机气缸322a-322d中，在稀燃(fuel-lean)/富氧条件下燃烧。
气缸322b-322d中的燃烧产生包含残留氧气的热废气流326b-326d，其通过废气系统327排放到大气中。本领域普通技术人员将理解，在不修改预编程的流向气缸222b-222d的燃料流量的情况下，必须对EMS进行编程以接受由废气传感器检测到的氧气的存在。气缸322a中的燃烧产生了也包含残留氧气的热废气流326a，其被混合，即通过与经由燃料管线305e引入的燃料的注入而混合，然后进入催化重整器330。在排气冲程之前或期间，在气缸322a中的燃烧后燃料注入事件可以用于代替单独的燃料注入器来输送燃料，以与来自气缸322a的废气中的氧气进行重整，从而最初产生氢气和一氧化碳，其通过水煤气变换(WGS)反应被转化以增加H2提高的重整产物中的氢气量。
包括废气、来自WGS反应的氢气和二氧化碳的提高的重整产物流332从重整器330进入热交换器340，以将其温度降低到期望的范围内。一些或全部的冷却废气可通过管线344和309直接再循环至EGR混合器308。可选地，一些或全部的冷却废气可通过管线346被送至冷凝器350以回收一些或全部所含的水蒸汽，其通过管线351再循环到储水容器306。热交换器和冷凝器的功能和控制如以上结合图2所述。尽管所示的发动机420具有4个气缸，但是本领域的普通技术人员将理解，发动机可以具有任何数量的气缸。
现参照图4，示出了用于ICE 420的具有水注入和燃烧后燃料注入的废气催化重整系统的实施方案的工艺流程图。如图所示的集成系统包括燃料箱404和储水容器或储水箱406。
冷却的重整产物EGR流409(其来源如下所述)和大气402在EGR混合器408中混合，产生混合的空气/重整产物EGR流411，其被吸入ICE的进气歧管418。混合的空气/重整产物EGR流418a-418d和水流407a-407d以类似于以上结合图2描述的方式被引入到发动机420的气缸422a-422d中。可选地，来自燃料箱404的燃料通过管线405a-405d被注入到发动机气缸422a-422d中，在稀燃/富氧条件下燃烧。
气缸422a-422d中的燃烧产生了包含残留氧气的热废气流424a-424d，该热废气流424a-424d通过废气歧管并被合并以形成包含残留氧气的合并的热废气流426。一些合并的热废气流426作为流428通过，并与从管线405e注入的燃料合并以形成合并的热废气/燃料混合物429，其被引入催化重整器430中以产生包含来自WGS反应的增加量的氢气的重整产物流432。如以上结合图3所述。
合并的热废气流426的其余部分通过管线425排放到大气中。
包含废气、来自WGS反应的增强量的氢气和二氧化碳的重整产物流432被送至热交换器440以将其温度降低至预定范围内。一些或全部的冷却重整产物气流作为流444通过管线409直接再循环到EGR混合器408。可选地，一些或全部的冷却重整产物气流可以通过管线446通过EGR阀442并且通过管线448传送到冷凝器450进行冷凝并回收部分或全部水，其通过管线452到达水箱406，或者可选地，直接引入管线407和进气歧管418a-418d。或者，冷凝水可以通过管线454排放到大气中。
从所描述的方法和系统将显而易见的是，注水需要存储在车辆上的供应水。储水系统可以配备一个或多个与EMS关联的传感器和视觉/听觉设备，以指示水量并控制任何冷凝水的路径，包括将其直接排放到大气中、转移到储水容器或直接通入引擎组件。尽管可以从废气流中回收冷凝水，但视其消耗速率，驾车者将被要求定期向车辆添加水，就像他们添加燃料、清洗液、机油或尿素/柴油废气一样。补充水的间隔将取决于用于制氢的水量。可以根据车辆将在其中运行的区域来预定注水，以使填充之间的间隔最大化。
在上述四个实施方案的每一个中，提供了中冷器或热交换器以直接或在重整器的下游冷却废气再循环流，以将其引入ICE。应当理解，在重整产物通过热交换器/中冷器的通道中，还会由于流体摩擦力和湍流而引起一些能量损失。因此，如果仅当重整产物的温度超过预定值时才将其传送到热交换器/中冷器，可以获得一些效率和整体性能的益处，该预定值还考虑了例如由于季节和/或地理变化而引起的环境空气温度。
在一个替代实施方案中，连接到适当编程的发动机控制单元或发动机管理系统的适当的温度传感器、流量计和阀门将可选地绕过热交换器/中冷器并将重整产物直接传送至ERG环路，或可选地将重整产物流送入冷凝器以回收水蒸气。在后一个实施方案中，将理解，重整产物流的温度降低至一些或全部水冷凝的点。
如果与进气混合的重整产物的体积相对较低，例如在较低的发动机转速下，和/或如果环境空气处于相对较低的温度，则使重整产物冷却的总体性能优势可能是最小的。例如，如果要在持续凉爽或寒冷的环境中运行ICE，则可以通过消除热交换器或中冷器来降低整个系统的成本。
将通过以下数据来说明图1-4的实施方案的特定优点和益处，所述数据被描述、分析和呈现在以下基于实验观察和计算机模拟的图形图和图表中。
参照图6A、6B和6C，这一系列图描述了通过废气重整方法产生的H2摩尔数，其中使用三种不同燃料、注入和不注入水、氧碳比(O/C)从0.1：1到1：1变化。使废气与如上所述制备的含铑的催化剂接触。如图6B中的图例所示，每个图中的虚线表示600℃的常规汽油，该汽油用作比较其他三种燃料的参考。在每种情况下，注水曲线均由三角形和正方形标记。在注入和不注入水的情况下，三种燃料中的每一种的废气都在600℃和800℃下进行催化重整。
在800℃的较高温度下，对于相同的O/C比，燃料1的废气产生大约相同量的H2；在600℃下，当注入水时，燃料1的废气产生更少的H2。在较高的温度下始终产生更多的H2。
参考图6B的曲线图，可以看出燃料2的废气分别在600℃和800℃产生大约相同mol％的H2。尽管较高的工作温度(800℃vs.600℃)在O/C比率约为0.5时产生了更多的H2，但是当比率接近1时，所有的H2产生曲线均减小并开始合并。
对于燃料3的图6C的曲线类似于燃料2的曲线，如通过相对于两个温度的H2产生所测量的，并且还与水的添加相比较，对于相同的O/C比，与未添加水的重整产品相比，水的添加导致在两个温度下产生的氢气更高。
通常在氧碳比(O/C)小于1且大于等于0.5时观察到最大的氢气量。在更低的氧碳比下，部分氧化反应无法提供足够的热量来启动重整过程，而在更高的氧碳比下，完全氧化开始发生，从而降低了氢的选择性。
用图6A、6B和6C中报告的结果测试的燃料的选定物理性能示于下表3中。应当注意，常规汽油混合物包括25％的芳族化合物，燃料1、2和3中芳族化合物的量减少，而在燃料3中不存在芳族化合物。由于在混合物中存在乙醇，燃料3的O/C比为0.25。燃料2具有最高净热值(MJ/kg)和最低的密度。
表3：燃料性质
Figure BDA0002739810220000121
水富集对氢产率的影响示于图7中。如以上在燃料3的物理特性的数据和图6C中所示的测试结果中所指出的，O/C比为0.25，反映出乙醇的存在。对于仅汽油和仅乙醇(在燃料3中不是混合物的一部分)，在800℃时，在20mol％的水的条件下，水富集对氢气产率的影响产生了约6mol％，或约38％的增加。
参考图8的曲线图，作为温度倒数为函数，在0.0143K-1至0.111K-1范围内比较了20atm下的常规汽油混合物模型的恒定体积点火延迟，以秒(S)为单位。x轴下方显示了700℃至900℃范围内的当量温度(单位为K)。相同的燃料具有二(2)体积％的H2(上部曲线)和二(2)体积％的CO(中间曲线)。如模型所示，与CO相比，数据显示添加H2在增加点火延迟方面具有显著的优势，尤其是在725°F至850°F的温度范围内。
现参照图9，添加了增加量(以mol％表示)的H2和CO的相同汽油混合物的预测研究法辛烷值(RON)的图线表明，通过添加大约三分之一的H2摩尔量即可获得RON的相同增加，即，要达到相同的RON预测增加量，所需的CO是H2的三倍。
图10的曲线图描绘了基于气缸中存在的H2和CO的体积百分比，火花点火式汽油发动机爆震限制的压缩比的预测增加的相对差异。如此处所示，对于给定体积的H2，压缩比的增量增加率要比CO大得多。这些图的结果与图8相似，图8显示了基于H2和CO的mol％的RON增加。
准备了两个三元图(未示出)以预测(1)氢产率和(2)氢的选择性与异辛烷、正庚烷和甲苯的混合物的燃料组成的关系。根据第一曲线，随着混合物中芳族甲苯的减少，H2的预测收率增加。如上所述，可以通过将芳族混合组分减少到经济上的实际考虑和精炼厂操作者可得到的非芳族组分的允许程度，来使燃料混合物增加氢产率的效果最大化。
对于异辛烷、正庚烷和甲苯的混合物，以H2/H2O(mol)表示的预测的氢选择性的三元图也表明，随着混合物中芳族甲苯的量的减少，氢的选择性增加。
图11A、11B和11C的比较图显示了在以下三个温度下的氢气产量(作为氧气/碳和H2O(蒸汽)/碳比率的函数)：对于图6A中的燃料1，400℃、600℃和800℃。图11A-11C的图表显示，最佳的氢气产生(如最浅的阴影所示)在最高温度800℃和0.8至1.0的O/C比。
现参照图12A-12F的一系列比较图，该图描述了在阴影关键插图中标识的组合物的能量比(输出/输入)，图12A-12C不包含水，图12D-12F的运行具有注水。图12A-12F示出了三种不同燃料供给情况的能量平衡(作为O/C比的函数)。图12A示出了在800℃下的低燃料供给(即S/C比为0.50)。图12B示出了在800℃下的中等燃料供给(即S/C比为0.67)。图12C示出了在800℃下的高燃料供给(即S/C比为1.00)。图14C示出了在800℃下的低燃料供给(即S/C比为1.50)。图12D示出了在800℃下的中等燃料供给(即S/C比为2.00)。图12E示出了在800℃下的高燃料供给(即S/C比为3.00)。重整产品的每个产品成分的贡献以不同的阴影显示，占总输入(燃料)能量的一部分。六个图中的每一个都显示出相同的总体趋势，能量平衡(其定义为能量输出除以能量输入)最初随着氧碳比的增加而增加，并达到或接近1.0的最大值。但是，注水的曲线比没有注水的曲线具有更高的能量平衡。这归因于水与燃料的吸热蒸汽重整反应，该反应通过热化学回热将气体焓转化为化学势能。
现参照图13的燃料1的能量平衡图，描绘了自热、仅蒸汽重整(SR)和仅部分氧化(POX)的三个理论条件。在400℃和600℃下运行的数据点没有注水，在800℃下的数据点既有水(星型)也有无水(三角形)。在这些不同温度情况下，注水(星号)的800℃数据点显示出最高的能量平衡，在某些情况下甚至超过1.0。这表明通过注水进行燃料重整增加了燃料的化学势能，从而进一步提高了能效。
图14的曲线示出了对于富燃料混合物，即λ＝0.7，增加水注入速率(g/min)对氢产生(mol％)的影响。在所示条件下，注水会在整个范围内立即稳定地增加气缸中的氢气浓度。
作为相对于缸内空燃当量比(λ)的函数的对氢气产生的影响示于图15中。如从图表中可以看出，其中下线是没有水注入时的曲线。注水时，在所有当量比下，注水量分别为15％和24％时，氢气产量会增加。
参照图16可以看出，对于汽油(T3)和乙醇，作为空燃当量比(λ)的函数，氢气的产生均随着水的注入而增加。应当指出的是，从不含水的乙醇中制氢比从含水或不含水的汽油中制氢的产量要大得多。
现参照图17的图表，清楚地表明了注水在减少NOx排放(以ppm为单位)方面的有益效果，NOx排放为空燃当量比(λ)的函数。当相对空燃比增加到超过约0.7的值时，对于汽油和乙醇，水的注入均可显著减少NOx排放。
以上在表以及图的图形和图表中呈现的数据反映了通过用水注入进行车载重整以改善汽油燃料的火花点火式内燃发动机的运行而实现的优点。
已经在上面和附图中详细描述了本发明的方法和系统；然而，对该描述的修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的，并且本发明的保护范围将由所附权利要求确定。

Claims (57)

1.一种运行火花点火式汽油燃料内燃发动机ICE的方法，所述内燃发动机具有相关的车载催化重整器，其中：
a.在汽化器中预热包含预定量的水和燃料的混合物，产生汽化的蒸汽和燃料的混合物；
b.将汽化的蒸汽和燃料的混合物以及预定量的空气引入车载催化重整器，产生包含氢气和一氧化碳的重整产物，所述一氧化碳进行水煤气变换反应，产生额外的氢气和二氧化碳，形成氢气提高的重整产物；
c.向氢气提高的重整产物中注入水；
d.将具有注入的水的氢气提高的重整产物、新鲜燃料和环境空气引入ICE的进气歧管；以及
e.在ICE中注入的水的存在下，燃烧氢气提高的重整产物、空气和燃料，产生热废气流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：降低氢气提高的重整产物的温度，产生冷却的重整产物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法包括：提供用于感测所述氢气提高的重整产物的温度的传感器，以及将所述氢气提高的重整产物传送至车载热交换器，以与环境空气的受控热交换关系将所述氢气提高的重整产物冷却至预定范围内的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述传感器将信号传输至车载发动机管理系统EMS，所述车载发动机管理系统响应于环境空气状况来控制所述车载热交换器的运行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将步骤(e)的至少一部分废气流传送到废气再循环EGR环路，并引入ICE的进气歧管中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，首先将至少一部分热废气流传送到车载热交换器或汽车中冷器，提供冷却的废气流，并且将所述冷却的废气流传送到废气再循环ERG环路并引入ICE的进气歧管中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将至少一部分冷却的废气流从所述车载热交换器或汽车中冷器传送至冷凝器进行冷凝，并从所述废气流中回收水。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将来自冷凝器的水传送至车载储水容器以用于过程中或者传送至车载储水容器后与燃料一起直接引入汽化器中。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述ICE与涡轮增压器或机械增压器结合运行。
10.一种运行火花点火式汽油燃料内燃发动机ICE的方法，所述内燃发动机具有至少一个专用废气再循环重整气缸，所述专用废气再循环重整气缸作为再循环废气源的重整气缸而运行，其中：
a.在EGR混合器中混合发动机进气和冷却的废气再循环EGR流，产生混合的空气/EGR流；
b.将混合的空气/EGR流引入ICE的进气歧管中以通过ICE的气缸；
c.将水蒸气注入进气歧管中的空气/EGR混合物中，产生空气、EGR和水蒸气的混合流；
d.在进气冲程之前或期间以及燃烧循环之前，将一定量的燃料注入到至少一个含有空气、EGR和水蒸气的混合物的专用废气再循环重整气缸中，提供富燃料混合物；
e.在至少一个专用废气再循环重整气缸中燃烧和重整空气、EGR、蒸汽和富燃料的混合物，产生包含氢气和一氧化碳的混合物，所述一氧化碳进行水煤气变换反应，产生额外的氢气和二氧化碳，其在专用废气再循环重整气缸中燃烧产生热废气流；
f.冷却包含氢气和一氧化碳的热废气流，产生步骤(a)的冷却的废气再循环EGR流，并将冷却的废气再循环EGR流传送到ERG混合器；以及
g.向其余的ICE气缸中注入预定量的燃料，所述燃料与这些气缸中存在的空气、ERG和水蒸气完全燃烧，并将废气流排放到大气中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述热废气流传送至车载热交换器或汽车中冷器，使所述热废气流冷却至预定范围内的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述车载热交换器或汽车中冷器通过环境空气来冷却。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，将至少一部分冷却的废气流从所述车载热交换器或汽车中冷器传送至冷凝器进行冷凝，并从所述废气流中回收水。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，将来自所述冷凝器的水传送至车载储水容器以用于过程中或者传送至车载储水容器后与燃料一起直接引入汽化器中。
15.一种运行火花点火式汽油燃料内燃发动机ICE的方法，所述内燃发动机具有至少一个作为再循环废气源的专用废气再循环气缸和相关的车载催化重整器，其中：
a.将水蒸气注入到预定量的燃料、空气和冷却的重整产物的混合物中，进入ICE的进气歧管，在稀燃/富氧条件下燃烧，所述重整产物由车载催化重整器产生；
b.在ICE的各个气缸中燃烧燃料、空气和冷却的重整产物，产生含有残留氧气的热废气流；
c.将燃料(i)注入到至少一个含有燃烧产物的专用废气再循环气缸中，或(ii)注入到专用废气再循环气缸废气口处的热废气流中，或(iii)注入到来自车载催化重整器上游的至少一个专用废气再循环气缸的热废气流中；
d.将包含燃料和残留氧气的热废气流从至少一个专用废气再循环气缸传送到车载催化重整器；
e.在车载催化重整器中催化重整包含燃料和残留氧气的热废气流，产生包含氢气和一氧化碳的重整产物；
f.冷却重整产物，产生步骤(a)和步骤(b)的冷却的重整产物；
g.将发动机进气流和冷却的重整产物混合，产生混合的空气/重整产物进气流；以及
h.将混合的空气/重整产物的混合物引入ICE的进气歧管，使空气/重整产物的混合物通向ICE的气缸并与注入的燃料一起燃烧。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述热废气流传送至车载热交换器，使所述热废气流冷却至预定范围内的温度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述车载热交换器通过环境空气来冷却。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，将至少一部分冷却的废气流从所述车载热交换器传送至冷凝器进行冷凝，并从所述废气流中回收水。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将来自所述冷凝器的水传送至车载储水容器以用于过程中或者传送至车载储水容器后与所述燃料一起直接引入汽化器中。
20.一种运行火花点火式汽油燃料内燃发动机ICE的方法，所述内燃发动机具有车载催化重整器，其中：
a.在稀燃/富氧条件下运行ICE，产生含有残留氧气的热废气流；
b.将预定部分的热废气流排放到大气中；
c.将燃料注入到车载催化重整器上游的含有残留氧气的热废气流的剩余部分中，产生混合的燃料和热废气再循环EGR流；
d.在车载催化重整器中催化重整燃料和热废气的混合物，产生包含氢气和一氧化碳的重整产物；
e.冷却重整产物，产生冷却的重整产物；
f.在ERG混合器中混合发动机进气流和冷却的重整产物，产生混合的冷却的重整产物和空气流；
g.将冷却的重整产物和空气的混合物引入ICE的进气歧管；
h.将水注入到进气歧管中含有冷却的重整产物氢气/一氧化碳和空气混合物的可燃燃料混合物中；
i.将燃料注入ICE的进气歧管或发动机气缸中；以及
j.点燃可燃混合物，产生步骤(a)的含有过量氧气的热废气流。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，将所述热废气流传送至车载热交换器，使所述热废气流冷却至预定范围内的温度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述车载热交换器通过环境空气来冷却。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，将至少一部分冷却的废气流从所述车载热交换器传送至冷凝器进行冷凝，并从所述废气流中回收水。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，将来自所述冷凝器的水传送至车载储水容器以用于过程或者传送至车载储水容器后与燃料一起直接引入汽化器中。
25.根据权利要求15所述的方法，其中，在步骤(f)的燃烧之前，将额外的进气引入到ICE中，为重整步骤提供补充的氧气。
26.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料的存在量为所述混合物总量的1mol％至2.5mol％。
27.根据权利要求1所述的方法，其中，在重整期间，氧与碳的摩尔比在0.5：1至1：1的范围内。
28.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是汽油，并且在重整期间，氧与碳的摩尔比在0.8：1至1：1的范围内。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是汽油，并且在重整期间，氧与碳的摩尔比为约0.9：1。
30.根据权利要求1所述的方法，其中，在重整期间，氧与碳的摩尔比为约0.6：1。
31.根据权利要求1所述的方法，其中，在重整期间，H2O与O2的摩尔比大于1：1。
32.根据权利要求1所述的方法，其中，H2O的摩尔浓度大于15％，并且在重整期间，H2O与O2的摩尔比大于3：1。
33.根据权利要求1所述的方法，其中，H2O的摩尔浓度大于15％，并且在重整期间，H2O与O2的摩尔比小于6：1。
34.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是汽油，燃料的摩尔浓度为约2％，H2O的摩尔浓度为约20％，氧的摩尔浓度为约6％。
35.根据权利要求15所述的方法，其中，在重整期间，H2O与CO2的摩尔比大于1.2：1。
36.根据权利要求15所述的方法，其中，在重整期间，H2O与CO2的摩尔比大于3：1。
37.根据权利要求10所述的方法，其中，在重整期间，H2O的摩尔浓度为10-30％。
38.根据权利要求10所述的方法，其中，空燃当量摩尔比为0.4-0.9。
39.根据权利要求10所述的方法，其中，空燃当量摩尔比为0.5-0.8。
40.根据权利要求1所述的方法，其中，催化剂包含选自周期表的VI、VII和VIIIB族的至少一种活性金属。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述催化剂包括铑。
42.根据权利要求1所述的方法，其中，催化重整以10,000hr-1至100,000hr-1的空速进行。
43.根据权利要求1所述的方法，其中，催化重整以20,000hr-1至50,000hr-1的空速进行。
44.根据权利要求1所述的方法，其中，催化重整以约36,000hr-1的空速进行。
45.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料包含按体积计在0％-20％范围内的芳香烃。
46.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料包括按体积计在0％-10％范围内的芳香烃。
47.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料包括按体积计在0％-1％范围内的芳香烃。
48.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料包括按体积计在0％-5％范围内的烯烃。
49.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料包括按体积计在0％-1％范围内的烯烃。
50.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料包括含氧烃化合物。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，按体积计，含氧燃料占燃料混合物的0％-50％。
52.根据权利要求50所述的方法，其中，含氧燃料包含C1-C12烷基醇或C1-C12烷基醚。
53.根据权利要求50所述的方法，其中，含氧燃料包含C1-C4烷基醇。
54.根据权利要求50所述的方法，其中，含氧燃料选自：甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、丙酮、二甲醚、叔戊基甲基醚、叔己基甲基醚、叔戊基乙基醚和二异丙基醚。
55.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是2-丁醇，并且在重整期间，氧与碳的摩尔比为约0.5：1。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，2-丁醇燃料的摩尔浓度为约3％，H2O的摩尔浓度为约20％，氧的摩尔浓度为约3％。
57.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料的初沸点为约40℃，终沸点为约100℃，并且芳香族化合物的含量为0-5重量％。
CN201980027990.9A 2018-04-24 2019-04-11 汽车内燃发动机的车载燃料重整注水以提高制氢量 Active CN112105811B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/961,386 US10612497B2 (en) 2018-04-24 2018-04-24 Water injection to increase hydrogen production by on-board reforming of fuel for automotive internal combustion engines
US15/961,386 2018-04-24
PCT/US2019/026872 WO2019209542A1 (en) 2018-04-24 2019-04-11 Water injection to increase hydrogen production by on-board reforming of fuel for automotive internal combustion engines

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112105811A CN112105811A (zh) 2020-12-18
CN112105811B true CN112105811B (zh) 2022-03-15

Family

ID=66542511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980027990.9A Active CN112105811B (zh) 2018-04-24 2019-04-11 汽车内燃发动机的车载燃料重整注水以提高制氢量

Country Status (6)

Country Link
US (2) US10612497B2 (zh)
EP (1) EP3784896A1 (zh)
JP (1) JP7389753B2 (zh)
KR (1) KR20210003150A (zh)
CN (1) CN112105811B (zh)
WO (1) WO2019209542A1 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10612497B2 (en) * 2018-04-24 2020-04-07 Saudi Arabian Oil Company Water injection to increase hydrogen production by on-board reforming of fuel for automotive internal combustion engines
US11215148B2 (en) * 2018-07-12 2022-01-04 Exxonmobil Research And Engineering Company Vehicle powertrain with on-board catalytic reformer
CN113286937B (zh) * 2019-02-01 2023-04-18 株式会社Ihi 内燃机系统以及内燃机系统的控制方法
CN113027627B (zh) * 2021-03-22 2022-08-16 天津大学 一种发动机缸内燃料可控重整的控制方法
US11754023B2 (en) * 2021-08-31 2023-09-12 Saudi Arabian Oil Company Process for improving engine efficiency using a fuel reforming system
EP4187077A1 (en) 2021-11-30 2023-05-31 Volvo Car Corporation Combustion engine assembly with an ethanol reformer unit
US11598276B1 (en) * 2021-12-08 2023-03-07 Transportation Ip Holdings, Llc Methods and systems for multi-fuel engine
CN114483334B (zh) * 2022-01-25 2022-10-11 北京工业大学 一种废气再循环结合水直喷的副产氢内燃机及方法
EP4257820A1 (en) * 2022-04-04 2023-10-11 Volvo Car Corporation Internal combustion engine with a fuel reformer and exhaust gas recirculation

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004091758A1 (en) * 2003-04-16 2004-10-28 Orbital Engine Company (Australia) Pty Ltd An improved fuel reformer and mixing chamber therefor
JP2007332891A (ja) * 2006-06-16 2007-12-27 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 内燃機関
CN103999277A (zh) * 2011-11-21 2014-08-20 沙特阿拉伯石油公司 利用石油燃料联合生产氢气和电的方法和系统
JP2014148946A (ja) * 2013-02-01 2014-08-21 Honda Motor Co Ltd 排気還流装置
CN104321520A (zh) * 2012-03-30 2015-01-28 孟山都技术公司 用于内燃机的醇重整系统
CN106687679A (zh) * 2014-09-05 2017-05-17 洋马株式会社 发动机
CN107514321A (zh) * 2017-07-12 2017-12-26 同济大学 一种用于egr系统中的重整制氢装置
CN206816385U (zh) * 2017-06-01 2017-12-29 武汉理工大学 废气—燃料重整再循环天然气发动机系统

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6793899B2 (en) 1998-10-29 2004-09-21 Massachusetts Institute Of Technology Plasmatron-catalyst system
JP2002039018A (ja) * 2000-07-28 2002-02-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質ガスエンジンの改質ガス供給装置
US20050022450A1 (en) 2003-02-12 2005-02-03 Cher-Dip Tan Reformer system, a method of producing hydrogen in the reformer system, and a method of using the reformer system
US7090043B2 (en) 2003-11-19 2006-08-15 Shell Oil Company Generating syngas for NOx regeneration combined with fuel cell auxiliary power generation
US7210467B2 (en) * 2004-06-22 2007-05-01 Gas Technology Institute Advanced high efficiency, ultra-low emission, thermochemically recuperated reciprocating internal combustion engine
US20080022680A1 (en) 2006-07-26 2008-01-31 Gingrich Jess W Apparatus and method for increasing the hydrogen content of recirculated exhaust gas in fuel injected engines
US8061120B2 (en) 2007-07-30 2011-11-22 Herng Shinn Hwang Catalytic EGR oxidizer for IC engines and gas turbines
FR2928698B1 (fr) 2008-03-12 2010-04-02 Peugeot Citroen Automobiles Sa Systeme de controle de la production d'hydrogene par un reformeur de carburant d'un circuit de recirculation des gaz d'echappement pour un moteur a combustion interne et moteur a combustion interne comprenant un tel systeme
JP2010025031A (ja) * 2008-07-22 2010-02-04 Toyota Motor Corp 燃料改質装置
US7937948B2 (en) * 2009-09-23 2011-05-10 Pioneer Energy, Inc. Systems and methods for generating electricity from carbonaceous material with substantially no carbon dioxide emissions
JP5567850B2 (ja) 2010-02-05 2014-08-06 本田技研工業株式会社 水素製造システム
US8230826B2 (en) * 2010-04-08 2012-07-31 Ford Global Technologies, Llc Selectively storing reformate
JP2012225324A (ja) 2011-04-22 2012-11-15 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関
JP2013130179A (ja) 2011-12-22 2013-07-04 Honda Motor Co Ltd 内燃機関の制御装置
US9440851B2 (en) 2012-05-23 2016-09-13 Herng Shinn Hwang Flex-fuel hydrogen generator for IC engines and gas turbines
FR2993933A1 (fr) 2012-07-26 2014-01-31 Peugeot Citroen Automobiles Sa Moteur a combustion interne muni d'un systeme de recirculation des gaz d'echappement a production d'hydrogene augmentee
JP6298612B2 (ja) * 2013-10-17 2018-03-20 株式会社日立製作所 メタン改質エンジンシステム
JP6402412B2 (ja) 2014-09-26 2018-10-10 ヤンマー株式会社 エンジン
US9797349B2 (en) * 2015-05-21 2017-10-24 Southwest Research Institute Combined steam reformation reactions and water gas shift reactions for on-board hydrogen production in an internal combustion engine
US10612497B2 (en) * 2018-04-24 2020-04-07 Saudi Arabian Oil Company Water injection to increase hydrogen production by on-board reforming of fuel for automotive internal combustion engines

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004091758A1 (en) * 2003-04-16 2004-10-28 Orbital Engine Company (Australia) Pty Ltd An improved fuel reformer and mixing chamber therefor
JP2007332891A (ja) * 2006-06-16 2007-12-27 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 内燃機関
CN103999277A (zh) * 2011-11-21 2014-08-20 沙特阿拉伯石油公司 利用石油燃料联合生产氢气和电的方法和系统
CN104321520A (zh) * 2012-03-30 2015-01-28 孟山都技术公司 用于内燃机的醇重整系统
JP2014148946A (ja) * 2013-02-01 2014-08-21 Honda Motor Co Ltd 排気還流装置
CN106687679A (zh) * 2014-09-05 2017-05-17 洋马株式会社 发动机
CN206816385U (zh) * 2017-06-01 2017-12-29 武汉理工大学 废气—燃料重整再循环天然气发动机系统
CN107514321A (zh) * 2017-07-12 2017-12-26 同济大学 一种用于egr系统中的重整制氢装置

Also Published As

Publication number Publication date
US11118543B2 (en) 2021-09-14
EP3784896A1 (en) 2021-03-03
CN112105811A (zh) 2020-12-18
US20190323458A1 (en) 2019-10-24
WO2019209542A1 (en) 2019-10-31
KR20210003150A (ko) 2021-01-11
US20200325861A1 (en) 2020-10-15
JP7389753B2 (ja) 2023-11-30
US10612497B2 (en) 2020-04-07
JP2021522440A (ja) 2021-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112105811B (zh) 汽车内燃发动机的车载燃料重整注水以提高制氢量
US8677949B2 (en) Fuel management system for very high efficiency flex fuel engines powered by methanol and gasoline
US6405720B1 (en) Natural gas powered engine
Farkade et al. Experimental investigation of methanol, ethanol and butanol blends with gasoline on SI engine
US9453465B2 (en) Direct injection of diluents or secondary fuels in gaseous fuel engines
US20140331970A1 (en) Direct injection of diluents or secondary fuels in gaseous fuel engines
EP2449220B1 (en) Reformed ethanol engines
EP1745201A1 (en) System and method for operating an internal combustion engine with hydrogen blended with conventional fossil fuels
Brusstar et al. High efficiency with future alcohol fuels in a stoichiometric medium duty spark ignition engine
Bromberg et al. Alcohol fueled heavy duty vehicles using clean, high efficiency engines
Eyal et al. Reforming-Controlled Compression Ignition-A Method Combining Benefits of Reactivity-Controlled Compression Ignition and High-Pressure Thermochemical Recuperation
Hoffmann et al. A new approach to ethanol utilization: High efficiency and low NOX in an engine operating on simulated reformed ethanol
Bromberg et al. Effective octane and efficiency advantages of direct injection alcohol engines
CN108590842B (zh) 一种乙醇在线重整辅助燃烧的天然气发动机
Shivaprasad et al. Performance, emission and fuel induction system of hydrogen fuel operated spark ignition engine—A review
Szybist et al. High load expansion of catalytic egr-loop reforming under stoichiometric conditions for increased efficiency in spark ignition engines
US10001090B1 (en) Single-fuel reactivity controlled compression ignition combustion enabled by onboard fuel reformation
Ammar Energy efficiency and environmental analysis of the green-hydrogen fueled slow speed marine diesel engine
Stenlåås et al. Reformed methanol gas as homogeneous charge compression ignition engine fuel
Shimada et al. Improvement of Thermal Efficiency Using Fuel Reforming in SI Engine
Nguyen Diluted combustion of methanol in spark-ignition engines with on-board fuel reforming
Yu et al. A comparative study on the thermodynamic analysis and performance characteristics of a dedicated EGR gasoline engine under various D-lambda
Kumar et al. The Complications and Advancements in the Exhaust Gas Recirculation Systems Used in Automobiles
Verhelst et al. Recent progress in hydrogen-fueled internal combustion engines
Ramachandra et al. THE EFFECT OF METHANOL-GASOLINE, ETHANOL-GASOLINE AND N-BUTANOL-GASOLINE BLENDS ON THE PERFORMANCE OF 2-STROKE PETROL ENGINE

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant