CN1189653C - 一种降低汽油发动机尾气排放的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种降低汽油发动机尾排的方法是由发动机的蓄电池通过二次电源转换提供给等离子体发生装置能量，通入空气，等离子发生装置产生电弧，产生高温裂解区，将空气和汽油按一定比例通入等离子发生装置裂解区，使汽油重整变成富含氢气的气体，再将汽油与富含氢气的气体按一定比例混合后通入发动机，即可达到降低发动机尾排。本发明具有显著降低尾气排放，对NOx的降低效果尤为显著(NOx含量从2000ppm降至20ppm)，可使尾气排放达到国家排放标准；体积小，转化率高，响应时间短，可节约能源的优点。

Description

一种降低汽油发动机尾气排放的方法及其装置
所属领域：
本发明属于一种降低汽油发动机尾气排放的方法，具体地说涉及一种能使部分通入汽车发动机的大分子燃油裂解成为富氢气体(H2和CO)从而降低汽油发动机车辆尾气中有害物质排放的方法及其专用等离子体汽油裂解装置。
背景技术：
随着社会的日益进步，各国城市空气污染问题的日益突出，空气污染对人类健康和地球生态环境已造成了很大的威胁，从而导致了公众和各国政府对空气污染的认识和重视。80年代在欧洲的许多大城市，交通源的排放已成为城市空气污染的主要来源。在美国，这一问题暴露的远比欧洲突出，近年来我国机动车保有量呈每7～8年翻一番的趋势，由于城市交通和人口集中度高，机动车污染物排放密度和造成的污染浓度则比发达国家高出几倍，在城市空气污染中的分担率正在逐步增加；另外，由于机动车尾气排放高度低，在行人、自行车与汽车混行的交通方式中，这些废气排放直接危害的人口众多，造成局部地区的机动车污染问题非常严重。汽车尾气作为一种重要的大气污染源，已经成为环境治理的重大课题之一。
客车和轻型货车大多数都使用点燃式汽油发动机。在中国、墨西哥、俄罗斯联邦和其他前苏联共和国以及美国，汽油发动机还用于重型货车和公共汽车。点燃式汽油发动机的主要排放物HC、CO和NOx不仅对大气造成污染，对人类的健康也构成了威胁。
机动车的排放控制技术水平，是决定机动车污染物排放量的重要因素，除此以外，车辆的使用、保养、燃油质量以及环境条件等许多因素，都会影响汽车的排放状况。治理汽车尾气的方法有机内净化和机外净化两大类，机内净化是通过改善混合气品质、改善燃烧状况和使用低污染燃料来实现的。采用汽油喷射系统是改善混合气品质的最好方法，虽然它能准确控制进入发动机的燃油量，提高发动机的经济性和动力性，但成本高、结构复杂，且降低尾排不显著，主要是由于电控系统设置的空燃比始终在理论空燃比附近，从而使得不同烃类组成的汽油不能完全燃烧，HC化合物、CO降低不显著，并且不能降低发动机燃烧温度，NOx得不到很好的治理；改善燃烧状况是从配气相位、点火时刻、燃烧方式、和燃烧室形状等方面考虑的一种机内净化方法，这种方法仅根据各种有害物生成机理，调整发动机本身的参数使其排放尽可能最小，但并不能使其排放达到国家排放标准；目前使用低污染燃料(液化石油气和氢气)作为代用燃料是降低油耗、减少污染的最好方法，而液化石油气、氢气所需的气瓶重量大，气瓶更换频繁并具有爆炸的危险性，所以仍没有得到推广；废气再循环也是一种被广泛应用的排放控制措施，仅对降低NOx有效，由于排气氧含量很低，主要由惰性气体N2和CO2构成，一部分排气经EGR阀还流回进气系统，与新鲜混合气混合后，稀释了新鲜混和气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高，这两个原因都造成了燃烧温度的降低，因而可以抑制NOx的生成，但是氧浓度的降低使得HC和CO不能完全燃烧，造成了HC和CO排放的增加；而汽油发动机机械补气装置(专利号CN2436668)，气量大小很难随发动机工况的变化迅速变化，HC、NOx和CO不能同时控制到最佳排放，而且太稀的混合气使燃油的稳定性变差，耗油率上升。
作为一种无污染洁净燃料的氢气，是未来可持续利用的能源，因此氢气的制备和利用近年来一直是各国研究的重点，同时对氢燃料的关注也会一直持续到使该能源的利用渗透到降低人类社会废气污染排放的每一环节。氢作为代用燃料，其燃烧产物既无其他炭氢燃料燃烧所产生的HC、CO和炭烟等，也无近来被认为是造成地球环境恶化(温室效应)主要成分之一的CO2，其唯一有害排放物是NOx。但氢燃烧后水的生成使发动机内燃烧温度降低，NOx的排放也相应减少。目前氢燃料的使用有三方面的技术问题尚未解决好：1)氢的储存，因为相同发热量的氢与汽油重量比为0.37，而气态氢在室温下的体积却是液态汽油的3000倍；2)氢的密度低，用进气道通入氢的方法容易引起进气道回火；3)氢生产的成本高。
本发明的目的是提供一种成本低，操作简单的降低汽油发动机尾气排放的方法及专用的使汽油重整产生富氢气体的车载等离子体裂解制氢装置。
本发明降低汽油发动机尾气排放的方法包括如下步骤：
1)由发动机的蓄电池通过二次电源转换提供给等离子体发生装置15～120mA电流，300W～600W的功率的能量；
2)给等离子发生装置通入流量为0.1m3/h～0.5m3/h的空气，使等离子发生装置产生电弧，等离子发生装置裂解区温度为1100K～1500K；
3)空气和汽油按重量比为3-8∶1的比例，汽油流速为0.3～0.5g/s进入等离子发生装置裂解区，使汽油重整变成富含氢气的气体；
4)将汽油与富含氢气的气体按重量比4-20∶1的比例混合后通入发动机，即可达到降低发动机尾气排放的目的。
为了完成本发明设计了专用等离子体汽油裂解装置。
本发明的等离子体柴油裂解装置是由阴极、阳极、空气进口、汽油和空气混合物进口和裂解出的富氢气体出口组成，其特征在于阴极与绝缘密封盖以螺纹连接，绝缘密封盖用螺栓固定于阳极之上，空气进口位于阳极之上部，汽油和空气混合物进口位于阳极中部，并且一端位于高温裂解区域，阳极另一端接反应器延长管和反应热交换器，反应延长管由不锈钢和耐高温的陶瓷组成；反应热交换器有进水口和出水口；汽油和空气混合物由进口进入等离子体区域，在高温电弧的作用下裂解，裂解气由富氢气体出口通入发动机。
工作时，汽油和空气由进样口进入等离子重整装置，在裂解区域阴阳两极高温条件下，发生全部或部分电离成为密度相等的离子和电子，由于化学性质不稳定，这部分等离子态的物质会在随后的反应器延长管进一步发生复合反应，从而形成富含H2和CO的气体。
本发明具有如下优点：
1)由于大量的CO和H2的存在可使发动机在较低温度下充分燃烧，不产生有害煤烟，降低了尾气排放，对NOx的降低效果尤为显著(NOx含量从2000ppm降至20ppm)，可使尾气排放达到国家排放标准；
2)等离子体裂解装置体积小，可以沿用原发动机，不像液化气、储氢燃料车辆，除需加带笨重钢瓶外，还需对发动机做大的改造；
3)转化率高，响应时间短(小于1秒)，从而克服了采用催化剂的许多弊端，比如操作温度范围狭窄，容易中毒，以及响应时间长等；
4)在具有原发动机的安全性和动力的情况下，可节约能源，如果有水参与反应，可节油10-20％以上，很高的压缩比以及常开的节气门使发动机效率提高15％；
5)可适用于各种碳氢化合物燃料，比如甲醇、柴油、重油(原油)以及天然气等；
具体实施方式：
本发明结合附图通过实施例进一步说明如下。
图1是本发明的等离子体汽油裂解装置结构示意图。
对比例：实验所用发动机是HH465Q型化油器发动机，没有废气涡轮增压和废气再循环装置，发动机运转时不加负荷。发动机在不加任何裂解装置及控制系统时不同转速下的排放，用一台FLUX4005型号的尾气测试仪进行测量分析，原车排放结果载入表一：
                          表一
    转速(r/min)                      组成
CO(％) CO2(％)     HC(ppm)   NOx(ppm)
    900     1.75     11.5     218   112
    1200     2.83     11.0     154   146
    1500     2.36     11.3     146   223
    1800     1.23     12.6     135   348
    2100     0.84     12.1     127   440
    2500     0.45     11.9     110   708
实施例1：如图所示在直流电条件下操作时，火花塞(火花塞的地极被去掉)外部为绝缘体13，内部为用作阴极1的金属钨，等离子体汽油裂解装置阳极10为其炉体本身的管状部分(材料可采用不锈钢或铜)，本实验所用为钢制的阳极，绝缘密封盖12连接阳极10和火花塞绝缘体13，密封盖12与火花塞绝缘体13以螺纹连接，与阳极10以螺栓连接。接通电源，由空气进口11进入的空气可使两极之间产生电弧放电，形成高温裂解区域。等离子体汽油裂解装置主体的另一端接反应器延长管3和反应热交换器5，用于冷却裂解产物并预热空气和汽油。反应延长管由不锈钢9和耐高温的陶瓷8组成，陶瓷8阻止了热量耗散；反应热交换器焊有钢制的进水口4和出水口7；汽油和空气的混合物由旁路进样口2进入等离子体区域，在高温电弧的作用下裂解，裂解气由管6通入发动机。因为水冷和电极的旋转，电极的腐蚀很小。
在发动机空载的状态下进行试验，调整电流为20mA，功率为350W，进入发生装置的纯空气流量为0.1m3/h，空气和汽油混和物比例为3∶1，汽油的流速为0.3g/s，通入发动机的汽油与裂解气比例为5∶1，用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表二：
                          表二
    转速(r/min)                       组成
CO(％) CO2(％)   HC(ppm)   NOx(ppm)
    900     0.07     9.6   89   70
    1400     0.13     8.5   74   36
    1800     0.20     7.5   80   42
    2200     0.21     7.3   98   53
    2600     0.25     7.5   74   72
实施例2：在发动机空载的状态下进行试验，调整电流为50mA，功率为420W，进入发生装置的纯空气流量为0.24m3/h，空气和汽油混和物比例为5∶1，汽油的流速为0.4g/s，通入发动机的汽油与裂解气比例为9∶1，其余同实施例1。用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表三：
                         表三
    转速(r/min)                     组成
CO(％) CO2(％)   HC(ppm)   NOx(ppm)
    900     0.21     10.4   74   70
    1200     0.13     10.1   37   65
    1500     0.07     10.0   25   64
    2000     0.10     7.8   44   52
    2500     0.13     7.6   35   43
    3000     0.10     5.3   20   38
实施例3：在发动机空载的状态下进行试验，调整电流为85mA，功率为490W，进入发生装置的纯空气流量为0.36m3/h，空气和汽油混和物比例为7∶1，汽油的流速为0.4g/s，通入发动机的汽油与裂解气比例为14∶1，其余同实施例1。用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表四：
                           表四
    转速(r/min)                     组成
CO(％) CO2(％)   HC(ppm)   NOx(ppm)
    900     0.14   7.5   62   52
    1200     0.07   8.7   59   34
    1700     0.14   7.9   76   44
    2000     0.15   7.6   42   21
    2500     0.14   7.5   18   19
实施例4：在发动机空载的状态下进行试验，调整电流为120mA，功率为550W，进入发生装置的纯空气流量为0.5m3/h，空气和汽油混和物比例为8∶1，汽油的流速为0.5g/s，通入发动机的汽油与裂解气比例为20∶1，其余同实施例1。用FLUX4005型号的尾气分析仪对发动机排放气体进行测试，测试结果载入表五：
                          表五
    转速(r/min)                      组成
CO(％) CO2(％)   HC(ppm)   NOx(ppm)
    900     0.08     10.9   44   53
    1200     0.03     10.8   30   42
    1600     0.05     8.5   23   35
    2200     0.11     8.6   19   26
    2700     0.18     8.2   12   13

Claims (2)

1、一种降低汽油发动机尾气排放的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)发动机的蓄电池通过二次电源转换提供给等离子体发生装置15～120mA电流，300W～600W的功率的能量；
2)给等离子发生装置通入流量为0.1m3/h～0.5m3/h的空气，使等离子发生装置产生电弧，等离子发生装置裂解区温度为1100K～1500K；
3)将空气和汽油按重量比为3-8∶1的比例，汽油流速为0.3～0.5g/s进入等离子发生装置裂解区，使汽油重整变成富含氢气的气体；
4)将汽油与富含氢气的气体按重量比4-20∶1混合后通入发动机，即可达到降低发动机尾气排放。
2、一种如权利要求1所述的降低汽油发动机尾气排放的方法的专用等离子体汽油裂解装置，它是由阴极(1)、阳极(10)、空气进口(11)、汽油和空气混合物进口(2)和裂解出的富氢气体出口(6)组成，其特征在于阴极(1)与绝缘密封盖(12)以螺纹连接，绝缘密封盖(12)用螺栓固定于阳极(10)之上，空气进口(11)位于阳极之上部，汽油和空气混合物进口(2)位于阳极(10)中部，并且一端位于高温裂解区域，阳极(10)另一端接反应器延长管(3)和反应热交换器(5)，反应延长管(3)由不锈钢(9)和耐高温的陶瓷(8)组成；反应热交换器(5)有进水口(4)和出水口(7)，裂解气由富氢气体出口(6)通入发动机。
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