CN116201666A - 带乙醇重整器单元的燃烧发动机组件 - Google Patents

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Abstract

一种内燃发动机组件(1)，其设有包含乙醇的燃料的燃料箱(4)和用于乙醇的蒸汽重整的重整器(14b)，重整器利用出口(37、40)连接到缓冲箱(42)。第一重整器供应管道(24、22、36)从燃料箱(4)经由与废气热交换接触的燃料蒸发器(19a)延伸至重整器(14b)，用于将乙醇蒸汽供应到重整器(14b)。第二重整器供应管道(30、33、36)从储水器(25)经由与废气热交换接触的水蒸发器(17)延伸至重整器(14b)。重整器(14b)与催化转化器(14a)处于热交换接触，并且适于将乙醇和水重整成包含一氧化碳和氢气的合成气，并且适于将合成气经由出口(37、40)供应到缓冲罐(42)。重整器(14b)和催化转化器(14a)可以形成集成单元(14)。

Description

带乙醇重整器单元的燃烧发动机组件
技术领域
本发明涉及一种内燃发动机(ICE)组件，其具有用于容纳包含乙醇的燃料的燃料箱，该燃料箱经由燃料供应管线连接到多个气缸中的至少一个气缸的燃料入口，所述气缸具有连接到包括催化转化器的排气系统的出口。
本发明还涉及一种包括这样的内燃发动机组件的车辆，以及催化转化器和蒸汽重整单元的组件。
背景技术
用于内燃发动机的燃料可以含有不同量的乙醇。生物乙醇可以构成生物燃料混合物的10％(E10)至85％(E85)。欧洲14个国家使用E10型燃料，增加生物乙醇的使用是降低化石燃料(fossil fuels)依赖性的目标的一部分。
由于目前可用的生物燃料只能占二氧化碳排放减少量的一部分，因此提高ICE的效率很重要。一种提高ICE热效率的方法包括结合燃料重整技术(Fuel Reformingtechnology)的废热回收。燃料重整利用废气中可获得的热量将低碳燃料升级为燃烧的更高能量水平的氢燃料，结果ICE的热效率更高。
乙醇的蒸汽重整需要相当大量的能量，并且乙醇完全转化所要求的温度是大约700K。已知向被高温废气加热的重整器提供乙醇水溶液。在重整器中，形成由CO和H2构成的合成气，该合成气被送到分离器，该分离器冷却混合气体，冷凝水蒸汽并分离成气体和液体。回收罐收集由分离器分离的回收溶液，并且氢气被送入ICE的气缸。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种使用乙醇的蒸汽重整、至少部分地由生物乙醇提供动力的具有提高的效率的燃烧发动机组件。
根据本公开的内燃发动机组件包括：
燃料箱，其用于容纳包含乙醇的燃料，所述燃料箱经由燃料供应管道连接到多个气缸中的至少一个气缸的燃料入口，所述气缸利用出口连接到包括催化转化器的排气系统，
用于乙醇的蒸汽重整的重整器，其利用出口连接到缓冲罐，所述缓冲罐连接到所述气缸的燃料入口，
第一重整器供应管道，其从所述燃料箱经由与废气热交换接触的燃料蒸发器延伸至所述重整器，用于将乙醇蒸汽供应至所述重整器；以及第二重整器供应管，其从储水器经由与废气热交换接触的水蒸发器延伸至所述重整器，用于向所述重整器供应水蒸汽，
所述重整器与所述催化转化器热交换接触，并且适于将乙醇和水重整成包含一氧化碳和氢气的合成气，并且适于将所述合成气经由所述出口供应到所述缓冲罐。
通过将所述燃料重整器放置成与所述催化转化器热交换接触，乙醇的蒸汽转化所需的250℃–500℃范围内的高温能够经由所述转化器通过来自废气的热传递有效地达到。
所述重整单元中蒸汽重整的吸热过程对所述催化转化器具有冷却作用，并防止其过热。
所述储水器可以由箱/罐形成，或者可包括连接到废气出口的冷凝单元。
所述燃料重整器和所述催化转化器可以是分离的，或者所述重整器和所述催化转化器可以形成集成单元。所述集成单元能够容纳在紧凑的壳体中。在该单元中，废气被引导通过具有相对大面积横截面的废气催化剂的通道，而乙醇和蒸汽通过具有相对小面积横截面的通道经过重整器催化剂。将催化转化器和蒸汽重整器集成到一个单元中使有效的热传递成为可能。
所述内燃发动机组件能够包括废气水冷凝器(exhaust water condenser)，其在入口处接收废气，并利用出口连接到所述储水器。
通过从废气冷凝水，能够连续供应水以产生蒸汽。储水器能够储存水，当从废气不能获得冷凝水时，作为在发动机启动期间重整过程的备用水。储水器可以是水冷凝器的一部分，并且可以由冷凝器的下部部分形成。
燃料蒸发器和废气水冷凝器可以形成集成单元。
在燃料蒸发器中从废气提取热量用于从燃料中蒸发乙醇并形成乙醇蒸汽，能够有效地用于从废气中冷凝水。
含有通过乙醇的蒸汽转化形成的合成气的缓冲罐可以利用出口连接到与催化转化器导热接触的燃烧装置。
在冷启动条件下，合成气可用于加热催化剂，以使其迅速达到其有效的温度范围并起燃。
储水器可以利用冷却出口连接到气缸以进行冷却。经由与将合成气注入到气缸内的相同管道可以实现水的注入，无论是以水蒸汽的形式还是液体的形式(如果水已经冷凝)。
在最大负载条件下，能够利用来自储水器的多余水例如通过向气缸注水来冷却气缸。
附图说明
将参考附图以非限制性示例的方式详细地描述多个实施例。在附图中：
图1显示了包括乙醇蒸汽重整单元的燃烧发动机组件的示意图，
图2显示了具有集成催化转化器/燃料重整器单元的ICE，以及
图3a和3b显示了集成催化转化器/燃料重整器单元的转化器部分和燃料重整器部分的细节。
具体实施方式
图1显示了内燃发动机组件1，其包含具有四个气缸3的内燃发动机2。含有生物乙醇(例如E10型燃料的形式)的燃料箱4经由燃料泵5和燃料供应管道6连接到气缸3。
涡轮增压器8压缩从进气口9供应的空气，并通过空气管道10将进气传输到进气歧管11，以供应到气缸3。在气缸3中已经燃烧过的燃料的废气经由废气歧管12离开发动机2，并流过废气管道46以驱动涡轮增压器8。废气经过涡轮增压器8后，经由管道13进入集成催化转化器/燃料重整器单元14。经由废气管道16，废气运动到水蒸发器17，然后从水蒸发器17处经由废气管道18运动到包括燃料蒸发器19a和水冷凝器19b的燃料蒸发器/水冷凝器单元19。在离开燃料蒸发器/水冷凝器单元19时，废气运动到尾管20以便被排出到环境中。
第二燃料泵23从燃料箱4向燃料蒸发器/水冷凝器单元19供应生物燃料，在燃料蒸发器/水冷凝器单元19处，处于环境温度的燃料与废气进行热交换接触。从燃料中蒸发的乙醇经由管道21供应到预加热器/冷却器单元35的入口34。以液态穿过蒸发器/水冷凝器单元19的燃料经由管道22传输到燃料供应管道6。在燃料蒸发器/水冷却器单元19中，水从废气中冷凝并经由水出口管道28、水泵27和管道29储存在水箱25中。
在单元19中已经冷凝和/或由泵27从水箱25供应的水在水蒸发器17中蒸发，并作为蒸汽运动到出口32。水蒸汽通过水蒸汽供应管道33进入预加热器/冷却器单元35。
在燃料蒸发器/水冷凝器单元19中从燃料蒸发的乙醇也经由管道21供应到入口34。乙醇和水蒸汽两者在预加热器/冷却单元35中混合，质量比由泵质量流量(pump massflow)控制。预热水蒸汽和乙醇蒸汽混合物通过管道36从单元35输送到集成催化转化器/燃料重整器单元14，在该处，水和蒸汽转变成合成气。
在集成催化转化器/燃料重整器单元14中形成的合成气经由合成气出口管道37传输，通过预加热器/冷却器单元35，并通过使水和乙醇与在入口34处供应的水/乙醇蒸汽进行热交换接触来预热水和乙醇。
经由出口管道40和泵41，合成气被供应到缓冲罐42，合成气以压缩形式储存在缓冲罐42中。合成气从缓冲罐42经由气体供应管道43和减压阀44传输到与气缸3相连接的进气歧管45。
通过合成气管道47和催化剂加热阀48，合成气可以被供应到催化转化器/燃料重整器单元14，并被电热塞50点燃，以在废气温度不足够高的情况下加热单元14。
冷却管道49可以从储水器25延伸至发动机2，用于以最大功率将冷却水注入气缸3，从而将空燃比的λ值保持在1，并在最大负载点冷却发动机。
图2示意性地显示了具有催化转化器/燃料重整器单元14的ICE 2，其中催化转化器/燃料重整器单元14包括被容纳在单个壳体60中的蒸汽重整器14b和催化转化器14a。壳体60在入口经由管道13连接到废气管道46。水/乙醇蒸汽混合物经由管道36供应到壳体14。单元14的合成气出口管道37和废气出口管道16分别连接到在图中未显示的单元35和蒸发器17。
单元14的转化器部分14a可以由三元催化剂(TWC)形成并在图3a中示出。重整气体通过管道36供应，穿过流动通道52、53，并通过出口管道37排出。废气流过垂直于图面的管道13，并穿过具有较大横截面积的催化剂51到达废气管道16。
图3b显示了单元14的乙醇重整器部分14b。乙醇蒸汽和水蒸汽以垂直于图面的流动方向进入重整器流动通道52、53。流动通道52、53中的重整器催化剂被填充在具有相对小横截面积的床中。废气流过管道13并经过通道55、56中的催化剂51，到达废气管道16。

Claims (8)

1.内燃发动机组件(1)，包括：
用于容纳包含乙醇的燃料的燃料箱(4)，所述燃料箱(4)经由燃料供应管道(6)连接到多个气缸(3)中的至少一个气缸的燃料入口，所述气缸(3)利用出口连接到排气系统(12)，所述排气系统包括催化转化器(14a)，
用于乙醇的蒸汽重整的重整器(14b)，其利用出口(37、40)连接到缓冲罐(42)，所述缓冲罐连接到所述气缸(3)的燃料入口(45)，
第一重整器供应管道(24、22、36)，其从所述燃料箱(4)经由与废气热交换接触的燃料蒸发器(19a)延伸至所述重整器(14b)，用于将乙醇蒸汽供应到所述重整器(14b)，以及第二重整器供应管道(30、33、36)，其从储水器(25)经由与废气热交换接触的水蒸发器(17)延伸至所述重整器(14b)，用于将水蒸汽供应到所述重整器(14b)，
所述重整器(14b)与所述催化转化器(14a)处于热交换接触，并且适于将乙醇和水重整成包含一氧化碳和氢气的合成气，并且适于将所述合成气经由所述出口(37、40)供应到所述缓冲罐(42)。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机组件(1)，所述重整器(14b)和所述催化转化器(14a)形成集成单元(14)。
3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机组件(1)，包括废气水冷凝器(19b)，其在入口(18)处接收废气并且利用出口(28)连接到所述储水器(25)。
4.根据权利要求3所述的内燃发动机组件(1)，所述燃料蒸发器(19a)和所述废气水冷凝器(19b)形成集成单元(19)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的内燃发动机组件(1)，其中，所述缓冲罐(42)利用出口(47)连接到与所述催化转化器(14a)导热接触的燃烧装置(50)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机组件(1)，所述储水器(25)利用冷却出口(49)连接到所述气缸(3)，用于冷却所述气缸。
7.包括根据权利要求1-6中任一项所述的内燃发动机组件(1)的车辆。
8.催化转化器(14a)和乙醇蒸汽重整器(14b)的组件(14)，所述组件具有容纳所述转化器(14a)和所述重整器(14b)的壳体(60)，所述转化器(14a)和所述重整器(14b)每个都具有单独的流体流，并包含用于在所述重整器(14b)与所述转化器(14a)之间进行热交换的热交换装置(51、54)。
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