KR20210003150A - 자동차 내연기관을 위한 온-보드 연료 개질을 통한 수소 생산을 증대시키는 물 분사 - Google Patents

자동차 내연기관을 위한 온-보드 연료 개질을 통한 수소 생산을 증대시키는 물 분사 Download PDF

Info

Publication number
KR20210003150A
KR20210003150A KR1020207032477A KR20207032477A KR20210003150A KR 20210003150 A KR20210003150 A KR 20210003150A KR 1020207032477 A KR1020207032477 A KR 1020207032477A KR 20207032477 A KR20207032477 A KR 20207032477A KR 20210003150 A KR20210003150 A KR 20210003150A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
exhaust gas
stream
water
reforming
Prior art date
Application number
KR1020207032477A
Other languages
English (en)
Inventor
알렉산더 칼 보이스
빈센트 스탠리 코스탄조
Original Assignee
사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 filed Critical 사우디 아라비안 오일 컴퍼니
Publication of KR20210003150A publication Critical patent/KR20210003150A/ko

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
    • 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
    • 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
    • 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

전용 배기 가스 재순환 시스템으로 선택적으로 작동하는 자동차 가솔린 연료 스파크 점화 내연 기관(ICE)의 성능은 분사된 물이 있는 상태에서 연료를 개질하여 더 높은 압축비를 허용하고 연료의 사전 점화와 관련된 엔진 노킹을 억제하는 수소의 수율을 증가시킴으로써 향상된다. 개질은 (a) 연료 농후 혼합물과 하나 이상의 전용 배기 가스 재순환 실린더 중 하나의 흡입 매니폴드로 분사된 물로부터의 증기의 반응으로 실린더 내에서; (b) 엔진의 상류에 위치된 촉매 개질기 내에서; (c) 전용 배기 가스 재순환 실린더(들)로부터 연료 및 배기 가스 스트림을 수용하고 냉각된 개질유를 흡입 매니폴드 내로 되돌리는 엔진의 하류에 위치된 촉매 개질기 내에서; 및 (d) 엔진 배기 가스 매니폴드로부터 연료 및 배기 가스 스트림을 수용하고 개질유를 흡입 매니폴드로 전달하는 촉매 개질기 내에서 일어날 수 있다.

Description

자동차 내연기관을 위한 온-보드 연료 개질을 통한 수소 생산을 증대시키는 물 분사
본 발명은 생성된 개질유(reformate) 가스 혼합물에서 수소 함량을 증가시키기 위해 물 분사 기능이 있는 통합된 온-보드(on-board) 연료 개질 시스템을 갖는 자동차 스파크 점화 내연 기관(ICE)의 작동에 관한 것이다.
온-보드 개질은 연료를 수소가 풍부한 개질유 가스로 변환시키는 과정을 말한다. 바람직한 공정은 H2O 및 CO2 생산보다 H2 및 CO 생산을 선호하지만; 수율은 전체 연료 변환, 다양한 개질 반응 간의 경쟁 및 연료의 수소와 탄소 함량에 의해 제한된다. 연소 혼합물에 물을 첨가하면 수증기 개질 반응 속도가 증가하여 물 중의 일부 수소가 H2로 효과적으로 변환됨으로써 생성된 개질유 가스 내의 전체 H2의 양이 증가된다.
공정 온도 및 압력, 촉매 선택 및 증기 주입의 관리를 포함하여 물-가스 변환 반응 및 증기-메탄 개질 화학을 이용하여 산업 수소 플랜트 출력을 증가시키는 다양한 방법이 당업계에 공지되어 있다. 현재의 온-보드 개질 방법은 하나 이상의 실린더의 하류에 촉매가 존재한 상태에서 고온 배기 가스 스트림에 연료를 주입하는 것을 통한 배기 가스 개질 및 엔진으로 유입 전에 또는 엔진 내에서의 연료의 부분 산화를 포함한다. 수소 생산은 부분 산화를 선호함으로써 개선될 수 있지만, 아래의 표에서는 완전 산화, 예를 들어 반응 (2)에 비해 반응 (1)로 예시된다. 예를 들어, 다량의 조건에서 엔진 내의 연료를 연소함으로써 이론상 최대 수율은 연료의 수소 함량에 의해 제한된다. 엔진 배기 후 개질 공정은 배기 가스 중의 일부 물을 재활용하여 수소를 생성한다. 그러나, 이러한 공정에서 사용 가능한 물은 연소 공정 중에 생성되는 물로 제한된다. 또한, 촉매는 오염 및 비활성화로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하될 수 있다.
예컨대, 이소옥탄인 C8H18을 전형적인 가솔린 성분으로 사용하여, 아래의 표 A는 표시된 반응 시나리오에 대한 반응열을 제공하며, 여기서 양수값은 흡열 반응 및 순 엔탈피 증가를 나타내고, 음수값은 발열 반응과 순 엔탈피 감소를 나타낸다.
[표 A]
Figure pct00001
그러나, 이러한 기술은 수소와 일산화탄소가 모두 연소 사이클에서 유익한 성분인 가솔린의 온보드 자동차 개질 응용에 적용되지 않았다.
자동차 ICE 시스템에서 물 또는 증기의 주입은 디젤 엔진에서 장입물 냉각, 노킹 감소, 연소실 침전물 제거 및 배기 가스 감소(예, NOx 및 그을음)를 포함한 다양한 목적으로 제안되고 있다.
합성 가스 생성에 의존하지 않는 스파크 점화 엔진의 희석 공차를 증가시키는 다양한 방법이 존재한다. 그러나, 이러한 시스템은 비용이 많이 들며, 입증되지 않았고, 궁극적으로는 제공되는 희석 공차값이 제한된다. 또한, 이들 방법은 온-보드 개질이 수행하는 방식으로 노킹 공차를 개선하는 결합된 이점을 갖지 않는다.
가솔린 연료 4-사이클 내연 엔진이 장착된 생산 차량은 엔진의 압축비를 증가시켜 연비를 개선하면서 노킹을 완화하고 스로틀링 손실을 줄이기 위해 다양한 엔지니어링 전략을 채용한다. 이러한 노력은 노킹 제한 조건에서 밀러 사이클 작동, 추가적인 장입물 냉각을 제공하기 위한 직접 분사의 적용, 잔류물 제거를 위한 최적화된 밸브 타이밍, 외부 및 내부 배기 가스 재순환 또는 EGR, 고부하에서 스파크 타이밍 지연 및 수소 부스팅을 포함한다.
현재 상업적 생산이 아닌 시연 단계에 있는 온-보드 개질 개념은 노킹 완화를 위한 많은 다른 전략에 추가로 또는 그 대신에 사용될 수 있는, 효율성을 더욱 향상시키는 다른 도구를 추가한다. 예를 들어, 전용 배기 가스 재활용 시스템은 재순환 배기 가스의 이점과 개질 연료의 연소 이점을 결합한다. 연료 개질 과정은 과잉 연료로 작동되는 동력 실린더 내부에서 발생한다. 풍부한 연소는 배기 가스 스트림에서 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 형성을 유도하며, 이들 생성물은 이후 냉각되고 엔진으로 재순환된다. 연료 개질이 동력 생성 실린더에서 발생하고 모든 연소 생성물이 재순환되기 때문에 그 효과는 열 손실, 펌핑 작업 손실 및 엔진 노킹과 같은 스파크 점화 엔진 효율을 감소시키는 엔진 한계를 부분적으로 극복하는 것이다. 낮은 EGR 수준에서, EGR 비율을 높이면 효율성이 증가된다. 그러나, 결국 엔진은 효율이 추가 EGR로 더 이상 향상되지 않는 한계에 도달한다. 효율 제한 메커니즘은 연소 효율 및 화염 속도와 연관된다. 높은 수준의 재순환된 배기 가스는 연소 반응 속도를 늦춰 엔진 노킹을 줄이지만, 화염 속도도 감소시킴으로써 특히 저전력 조건에서 불안정한 연소를 유도한다.
본 개시 내용에 의해 처리되는 문제는 수소 생산을 증가시키기 위해 다양한 온-보드 개질 시스템의 작동에서 추가적인 개선을 얻는 것이다.
본 명세서에서 사용되는 "부스팅된" 또는 "부스팅"이란 용어는 엔진으로 흡입된 공기를 압축하기 위해 터보차저 또는 수퍼차저를 사용하는 것을 의미한다.
"열교환기"라는 용어는 자동차 인터쿨러를 역시 포함한다.
본 발명은 가솔린 연료를 수소와 일산화탄소의 혼합물 또는 합성 가스로 변환한 후 물-가스 변환 반응을 거쳐 추가의 수소 및 이산화탄소를 생성하는 것에 의해 온-보드 자동차 개질 시스템에서 수소 수율을 높이기 위한 물 분사의 사용에 관한 것이다. 합성 가스는 산소-결핍 연료-농후 조건에서 연료를 연소하는 것에 의한 부분 산화를 통해 생성되거나, 이산화탄소, 수증기 또는 기타 산화제를 포함하는 가스 혼합물의 반응에 의해 생성된다. 일산화탄소는 존재하는 물과 반응하여 물-가스 변환 반응에서 추가의 수소 및 이산화탄소를 생성한다. 물은 또한 연료와 직접 반응하여 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 형성한다.
본 발명은 왕복 엔진의 실린더에서 연료 개질이 발생하는 시스템 및 방법뿐만 아니라 엔진 외부의 추가 장치 및 프로세스를 이용하는 시스템 및 방법을 포함한다. 실린더 내 개질은 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명은 일산화탄소를 희생시키는 것과 연료의 직접적인 증기 개질을 통해 주로 수소 생산을 개선하도록 실린더에 물을 분사함으로써 개질 공정을 더욱 개선한다. 연료, 일산화탄소 또는 다른 부분 연소 생성물과 반응하는 물은 수소 수율을 개선하고 이에 따라 아래에 상세히 설명된 이유로 차량의 전반적인 성능을 향상시킨다.
본 명세서에서 사용되는 "외부 개질"이란 용어는 실린더 내 개질과는 달리 개질 반응이 실린더의 외부에서 일어나는 방법, 시스템 또는 장치를 지칭한다.
온-보드 개질 시스템에 물을 첨가하는 다른 이점은 그을음 형성을 줄임으로써 개질 시스템의 작동성과 내구성 모두를 향상시켜 실린더 내 개질 시스템에 대한 고함량 한계(rich limit) 또는 외부 개질 시스템에 대한 최대 연료 로딩, 촉매 효율, 처리량 및 수명을 연장한다는 것이다.
테스트 결과는 물-가스 변환 반응과 르 샤틀리에의 원리를 통해 수소 수율이 증가될 수 있고, 이 증가된 수소 수율이 엔진 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었다. ICE의 흡기 시스템에 물을 추가하면 통상 약 12%인 배기 가스의 습도를 효과적으로 증가시킴으로써, 연료가 촉매 개질기 상류의 고온의 배기 가스 스트림에 첨가되거나 촉매 개질기에 직접 도입될 때, 수소 수율을 증가시킨다.
또한, 물 분사는 더 높은 촉매 온도에서 수소 수율을 실질적으로 증가시키고 양의 에너지 균형으로 나타낸 바와 같이 배기 엔탈피의 열화학적 회복을 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 다음의 경우는 수소 수율과 연료 에너지 균형을 극대화하는 데 효과적인 것으로 밝혀졌다: 약 0-7.5 mol%의 산소, 10-30 mol%의 증기 및 1-3 mol%의 연료인 개질기 유입 조성. 개질기 유입 스트림은 또한 1.5-3의 증기/탄소(S/C) 몰 비율(최적 비율은 1.5), 0.5-1.0의 산소/탄소 비율(최적 비율은 0.9) 및 15 mol%보다 큰 증기 농도를 가져야 한다.
더욱이, 물 농축의 사용을 통해 실린더 내 개질이 개선될 수 있다는 것이 입증되었다. 농후 조건에서 작동하는 스파크 점화 엔진으로 유입되는 흡입 공기의 가습은 수소 생산을 증가시킨다. 다음의 경우가 효과적인 것으로 보여진다: 36% 미만의 물의 몰 농도 및 0.65보다 큰 실린더 내 상대 공기-연료 당량 비율(air-fuel equivalence ratio).
여기서 사용된 바와 같이 공기-연료 당량 비율(λ)은 실제 공기-연료 비율 대 화학양론 공기-연료 비율의 비율로서 정의되고, 연료-공기 당량비(φ)는 실제 연료-공기 비율과 화학양론적 연료-공기 비율의 비율로서 정의된다.
본 개시 내용의 방법 및 시스템은 더 높은 압축비를 가능하게 하고, 연소 과정을 개선하며, 스로틀링 손실을 감소시키고, 배기 엔탈피의 일부를 사용 가능한 연료 에너지로 재활용함으로써 스파크 점화 가솔린 엔진 효율을 향상시킨다. 중요한 것은 이 시스템을 최소의 엔지니어링 및 설계 변경과 최소의 관련 비용으로 기존의 자동차 ICE 구성에 사용하도록 조정할 수 있다는 것이다.
물 분사의 보충 없이 연료 개질 또는 물-가스 변환 촉매를 사용하는 방법의 유효성은 연소에 의해 생성되는 배기 가스에서 이용 가능한 물에 의해 제한된다. 실린더 상류에 물을 분사하는 물-가스 변환 또는 연료 개질 촉매를 사용하면 실린더 흡입구에 대한 수소 수율이 크게 증가할 것이다.
물 분사는 또한 촉매, 실린더 및 코크스 및 기타 탄소질 물질이 침전물을 형성할 수 있는 기타 엔진 부품을 스팀 세정함으로써 종래 기술의 온-보드 개질 시스템을 개선할 수 있다. 개질 실린더 내의 탄소 침전물 축적은 전용 EGR 엔진 기술을 상용화하는 데 있어 장애물 중 하나였고, 이 문제는 본 발명에 의해 해결된다.
어떤 엔진에서든 수소 수율을 높이기 위한 물 분사는 새로운 것으로, 특히 온-보드 개질 시스템과 함께 사용시 그러하다.
비교 연구에 따르면 개질된 연료에서 생성된 합성 가스 내의 수소는 일산화탄소보다 더 큰 이점을 제공하며, 전용 배기 가스 재순환 엔진 및 온-보드 개질 시스템을 사용하는 기타 차량에서 수소 수율을 높이는 개선된 방법을 구성한다.
온-보드 물 분사 시스템과 관련된 추가적인 자본 비용 및 유지 관리 요건 중 일부는 노킹 경향을 줄이고 전력 밀도를 개선함으로써 피크 온도를 낮춰 노킹을 감소시키며 NOx 형성을 줄이는 흡기 냉각, 감소된 배출 입자 질량/입자수(PM/PN) 및 연소실 침전물의 제거 등과 같은 이익에 의해 상쇄된다.
본 개시 내용의 시스템 및 프로세스는 스파크 점화 가솔린 엔진 효율을 개선하기 위한 2가지 근본적인 장벽: 즉 낮은 압축비 및 스로틀링 손실을 해결한다. 스로틀링 손실은 스로틀링 밸브의 폐쇄에 의해 매니폴드 압력이 감소되는 것에 의해 발생되어 매니폴드와 주변 압력의 차이에 비례하는 음의 펌핑 작업을 초래한다는 것이 당업계에 잘 알려져 있다. 그 효과는 엔진 효율의 손실이다. 이러한 효과는 도 5a 및 도 5b에 그래픽으로 예시되어 있다. 잘 알려진 압력 대 체적 도식은 도 5b의 오토(Otto) 사이클 엔진의 이상적 또는 이론적 표현에 비해 도 5a의 음영 영역에서 대표적인 손실을 보여준다.
가솔린 엔진의 열역학적 사이클은 이상적인 오토 사이클을 사용하여 표현될 수 있고, 그 효율은 다음 식으로 표현될 수 있다:
η = 1- (1/r^(γ-1)) (5)
여기서, η는 사이클 효율, r은 압축비, γ는 작동 유체의 일정 압력과 일정 체적 열용량의 비율이다. 실제 작동 유체의 경우 γ는 항상 1보다 크므로, (γ-1)의 지수값이 클수록 더 높은 값의 압축비(r)는 방정식 (5)의 분모를 증가시켜 엔진 사이클 효율값이 커진다.
실제로, r은 엔진 노킹으로 알려진 비정상적인 연소 현상에 의해 제한된다. 노킹은 전파되는 화염 전방의 미연소된 가스로 정의되는 말단 가스(end-gas)의 고온 고압에 의해 말단 가스가 자동 점화될 때 발생하여 엔진 소음을 유발할 수 있는 고압파를 생성하고, 지속될 경우, 엔진의 베어링 및 기타 부품에 손상을 야기할 수 있다. 압축비가 높을수록 말단 가스 온도 및 압력을 증가시켜 자동 점화 및 엔진 노킹의 가능성이 높아진다. 자동 점화에 강한 연료 조성은 엔진이 더 높은 압축비로 작동할 수 있게 한다.
합성 가스를 연료와 혼합하면 말단 가스의 자동 점화 저항이 향상되어 노킹을 방지하면서 더 높은 압축비를 사용할 수 있다. 수소는 수소 라디칼의 반응 속도가 더 빠르기 때문에 일산화탄소보다 자동 점화 저항에 훨씬 더 큰 영향을 미친다. 이는 압축비를 증가시키고 스파크 타이밍을 개선함으로써 이상적인 오토 사이클 효율을 직접적으로 향상시킬 수 있다. 이러한 결과는 3가지 온도 각각과 수소 대 일산화탄소로 얻을 수 있는 비교적 높은 압축비에서 식 (6) 및 (7)의 반응 속도 상수(k)를 식별하는 아래의 표 1에 보여진다.
CO + OH* -> CO2 + H* (6)
H2 + OH* -> H2O + H* (7)
Figure pct00002
더 높은 압축비에서 작동함으로써 얻어지는 더 높은 제동 평균 유효 압력(BMEP)은 엔진의 크기를 더욱 줄일 수 있게 하여 동일한 동력 출력에 대한 열전달 및 마찰 비효율을 감소시킨다.
수소 혼합은 또한 연소 안정성을 크게 향상시켜 배기 가스 재순환(EGR) 또는 희석된 희박 작동(lean operation)의 레벨을 가능케 한다. 이것은 부분 부하에서 스로틀이 더 열리게 하여 도 5a 및 도 5b와 관련하여 전술한 바와 같이 그리고 상기 수학식 (5)에서 γ의 값을 향상시키는 것에 의해 펌핑 손실과 음의 일(negative work)을 감소시킨다.
표 2에 제시된 바와 같이, 수소는 일산화탄소와 이소옥탄을 훨씬 능가하는 최대 층류 화염 속도를 나타내며, 또한 다른 연료 성분보다 훨씬 낮은 희박 가연성 한계를 가진다.
Figure pct00003
연료-공기 비율로 표현되는 낮은 희박 한계(lean limit)의 연료는 스로틀링 손실과 같은 다른 동력 관리 시스템으로 인한 손실을 줄이는 데 사용될 수 있다.
연료 배합의 효과
기존 연료 배합의 수정은 또한 더 많은 양의 수소를 생성하고, 개질유 혼합의 노킹 및 희석 공차 이점을 최대화하고, 엔진 실린더 외부에서 개질을 완료하는 데 더 짧은 체류 시간을 요구함으로써 온-보드 개질 시스템과 시너지 효과를 발휘하는 것으로 밝혀졌다. 이하에서 논의되고 청구범위에 사용된 백분율은 몰 농도와 관련된 것으로 연소 혼합물의 총량을 기준으로 한다. 편의상, 몰 백분율은 단순히 백분율, 즉 "%"로 아래에 언급될 수 있다.
표준 가솔린 제형에 제시되는 전형적인 25-35%에 비해 약 1 몰% 미만의 방향족을 함유하는 연료는 여러 가지 뚜렷한 방식으로 온-보드 개질 시스템을 개선하는 것으로 밝혀졌다.
이러한 낮은 방향족 함량의 연료 혼합물이 성능을 향상시키는 한 가지 방법은 이러한 연료의 수소 함량이 높을수록 H2 및 H2O와 같은 더 많은 수소 함유 화합물이 생성된다는 것이다. 위에서 논의한 바와 같이, 수소는 CO보다 자동 점화 및 희석 공차를 줄이는 데 더 큰 이점을 제공한다.
개질 공정에서 연료 중의 낮은 방향족 함량의 다른 이점은 개선된 수소 선택성, 즉 H2 대 H2O이다. H2의 비율이 높으면 희석 공차가 향상되고 자동 점화가 감소되는 반면, H2O는 희석 공차를 향상시키지 않는다. 또한, 방향족 함량이 낮은 연료는 수소-농후 가스와 혼합될 때의 방향족 함량이 높은 연료보다 자동 점화에 대한 저항성이 더 크다.
또한, 더 높은 H/C 비율에 기여하는 더 낮은 방향족 함량의 연료는 농후 조건에서 연소될 때 그을음을 생성할 가능성이 적기 때문에 촉매 코킹 및 비활성화를 유발할 가능성이 적다.
이러한 연료를 사용하는 다른 이점은 이들 연료가 쉽게 개질할 수 있는 산화제와 결합될 수 있다는 것이고, 이는 방향족 함량을 낮춰서 높은 에너지 밀도를 유지하고 추가로 H/C 비율을 증가시키고 외부 개질 시스템에서 더 짧은 체류 시간을 가지도록 함으로써 감소될 수 있는 옥탄가를 회복하는 것과 같은 시너지 효과를 생성한다.
또한, 기존의 연료 혼합물보다 방향족 함량이 낮은 연료는 방향족 함량이 높은 연료보다 개질 과정에서 더 유리한 에너지 균형을 제공한다. 이는 고온 배기 가스로부터 더 많은 에너지가 추출되어 저함량 방향족의 연료 혼합물에 유용한 연료 에너지로 변환될 수 있음을 의미한다.
이 분석에 따르면, 약 1 몰% 또는 그 미만의 방향족 화합물을 함유한 연료는 온-보드 개질 시스템의 성능과 변환율을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. 그러나, 1-10 몰% 범위의 방향족 함량으로 기존의 연료 혼합물에 비해 상당한 개선을 달성할 수 있다. 당업자에게 분명한 바와 같이, 연료 혼합 성분의 가용성 및 경제성은 연료 혼합물을 제조하는 데 필수적으로 중요한 역할을 할 것이다.
적절한 개질 촉매는 주기율표의 Ⅵ, Ⅶ 및 ⅧB족, 즉 IUPAC 6-10족에서 선택된 적어도 일종의 활성 금속을 포함하는 촉매를 포함한다. 로듐을 함유하는 촉매가 적절한 것으로 밝혀진 바 있다. 촉매는 코오디어라이트(cordierite) 기판 상의 알루미나 워시 코트 내에 2 중량% 미만의 Rh로 제조되었다.
본 발명은 동일하거나 유사한 요소가 동일한 번호로 식별되는 첨부된 도면을 참조로 아래에서 더 설명될 것이다. 도면에서:
도 1은 물 분사에 따른 흡기 촉매 개질 시스템에 대한 공정 흐름도이고;
도 2는 물 분사에 따른 실린더 내 개질 시스템에 대한 공정 흐름도이며;
도 3은 물 제거에 따른 배기 가스 촉매 개질 시스템에 대한 공정 흐름도이고;
도 4는 물 분사 및 개질기에 연료를 제공하기 위해 연소 후 분사 이벤트를 사용하는 배기 가스 촉매 개질 시스템에 대한 공정 흐름도이며;
도 5a 및 도 5b는 스로틀링 손실의 효과를 그래픽으로 보여주는 이상적인 오토 사이클을 나타내는 대표적인 종래 기술의 동력 곡선이고;
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 개질기에 물을 분사하거나 분사하지 않은 2가지 다른 온도에서 3가지 다른 연료 혼합물로부터의 배기 가스의 촉매 개질로부터 수소를 생산하는 경우의 비교 도식이고;
도 7은 가솔린 및 에탄올 연료의 물 농축으로 인한 수소 수율에 대한 효과를 보여주는 비교 그래프이며;
도 8은 H2가 보충된 가솔린 혼합물과 CO가 보충된 동일한 혼합물에 대한 예측된 연구 옥탄가의 도식을 나타내고;
도 9는 (a) 통상적인 연료 혼합물, (b) H2를 함유하는 동일한 연료 및 (c) CO를 함유하는 동일한 연료에 대해 700℃ 내지 900℃ 범위의 온도에 걸쳐 모델링된 점화 지연의 비교 도식을 제공하며;
도 10은 엔진 실린더에 존재하는 H2 및 CO의 부피 비율에 기초한 노킹 제한된 압축비(CR)의 예측된 증가의 도식이고;
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 산소 대 탄소 비(몰)의 함수로서 3개의 온도에서 수소의 수율을 보여주는 일련의 비교 도식이며;
도 12a-도 12f는 물 분사가 없는 경우(상부 열)와 분 분사가 있는 경우(하부 열)에 그리고 좌측에서 우측으로 O/C 몰비가 증가하는, 도 12의 주요 인서트에 예시된 혼합 성분을 갖는 연료 조성물에 대한 에너지 비율을 나타낸 일련의 차트이고;
도 13은 표시된 3개의 온도에 대해 물을 첨가하거나 첨가하지 않은 경우의 연료 1에 대한 에너지 균형을 나타낸 차트이며;
도 14는 농후 연료 혼합물에서 물 분사 속도를 증가시킬 때의 수소 생산의 도식이고;
도 15는 물이 없는 경우, 15%의 물 및 24%의 물인 경우의 공기-연료 당량 비율(λ)의 함수로서 수소 농도를 보여주는 도식이며;
도 16은 물이 있는 경우 및 물이 없는 경우의 가솔린과 에탄올에 대한 공기-연료 당량 비율(λ)의 함수로서의 수소 생산량(몰%)의 도식이고;
도 17은 물 분사가 있는 경우와 없는 경우에 가솔린 및 에탄올 연료 공급에 대한 공기-연료 당량 비율의 함수로서 ppm 단위의 NOx 배출량의 도식이다.
본 개시 내용의 공정 및 시스템은 스파크 점화 가솔린 연료 ICE 자동차 적용을 위한 외부 개질 및 실린더 내 개질 계통도에 관한 예시적인 실시예를 참조로 설명될 것이다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 연료 및 워터 펌프, 터보차저 및/또는 수퍼차저(총칭하여 "부스터"라고도 함), 밸브, 인젝터, 센서, 제어 장치, 전기 배선 및 엔진 관리 제어 시스템(EMS)과 같은 통상적인 요소는 편의를 위해 그리고 본 개시 내용의 각 실시예의 주요 특징 및 작동 특성의 이해 및 설명을 용이하게 하기 위해 이들 단순화된 개략적인 도면에 도시되지 않았다.
도 6을 참조하면, 개질유에 물을 분사하는 것에 따른 흡입 촉매 개질을위한 단순화된 공정 흐름도를 설명한다. 편의상, 4-기통 ICE로 예시된 통합 시스템은 연료 탱크(104)와 물 공급원, 예컨대 물 저장 탱크 또는 용기(106)를 포함한다.
물은 라인(107a)을 통과하고 연료는 105a를 통해 증발기(170)로 전달되며, 여기서 이들은 물을 증발시킬 온도로 가열된다. 기화된 연료 및 증기 혼합물(172) 및 공기(101)는 온-보드 개질기(130)로 도입되어 촉매 방식으로 개질되어 수소와 일산화탄소를 포함하는 고온 개질물, 즉 합성 가스를 초기에 생성하며, 이후 합성 가스는 물-가스 변환 반응으로 증가된 양의 수소와 이산화탄소로 변환된다. 수소 증강 개질유 스트림(132)은 선택적으로 열교환기(160)에서 25℃ 내지 70℃ 범위의 온도로 냉각되어 냉각된 H2-증강 개질유 스트림(162)을 생성한다.
일 실시예에서, 센서는 주변 공기 온도 센서로부터의 신호와 비교하기 위해 개질기를 빠져나가는 개질유의 온도에 대응하는 신호를 온-보드 엔진 관리 시스템 또는 EMS로 전송한다. 개질유 온도가 소정의 원하는 범위를 초과하는 경우, 개질유 온도를 범위 내로 제어하기 위해 온-보드 주변 공기 열교환기로 전달된다.
냉각된 개질유(162)에는 라인(107b)으로부터 추가로 물이 분사되어 엔진(120)으로 보내져서, 연료(105b), 공기(103) 및 물(107)이 연소되는 것을 통해 고온 배기 가스 스트림(122)이 생성된다. 고온 배기 가스 중 일부 또는 전부는 124를 통해 대기로 배출될 수 있다.
역시 도 1에 예시되고 점선의 공정 흐름 라인으로 지시된 선택적인 EGR 실시예에서, 고온 배기 가스(122)의 일부 또는 전부는 ERG 스트림(126)으로서 열교환기(140)로 보내져 온도를 낮출 수 있다. 냉각된 배기 가스(142)의 일부 또는 전부는 라인(144 및 109)을 통해 직접 엔진(120)으로 재순환될 수 있다. 선택적으로, 냉각된 배기 가스(142)의 일부 또는 전부는 제어 밸브(142) 및 라인(146)을 통해 응축기(150)로 통과되어 라인(152)을 통해 물 저장 탱크(106)로 재순환되도록 수증기의 일부 또는 전부를 제거하고 포집할 수 있다. 일 실시예에서, 라인(154)을 통해 응축된 물은 개질유 스트림(162)으로 분사될 수 있다. ERG의 일부 또는 전부는 라인(154)을 통하고 루프(109)를 통해 엔진(120)으로 재순환될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 물 분사를 이용한 실린더 내 촉매 개질을 위한 시스템의 실시예의 공정 흐름도를 예시한다. 통합 시스템은 연료 라인(205)을 갖는 연료 탱크(204) 및 물 라인(207)을 갖는 물 탱크(206)를 포함한다.
도 2의 EGR 실시예는 배기 가스 재순환 루프(209)에 의해 작동한다. 이를 설명하기 위해 예시된 바와 같이, ICE(220)의 단일 실린더(222a)는 EGR을 위한 전용 공급원으로서 작용할 수 있다. 대안적으로, EGR은 당업계에 공지된 방법에 따라 2개 이상의 실린더로부터 수집될 수 있다. 도 2는 4-기통 엔진을 예시하고 있지만, 당업자는 해당 엔진이 임의의 수의 실린더를 가질 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 엔진은 흡입 공기 또는 공기 혼합물을 압축하도록 보조 부스트 장치, 예컨대 터보차저 또는 슈퍼차저를 사용할 수 있고, 공기와 EGR의 혼합은 이들 부스트 장치를 통과하기 이전 또는 이후에 일어날 수 있다는 것이 당업자에게 분명할 것이다.
그 공급원이 아래에 설명되는 냉각된 배기 가스 재순환 스트림(209) 및 주변 공기(202)가 EGR 혼합기(208)에서 혼합되고 혼합 공기/EGR 스트림(211)으로서 흡입 매니폴드(218) 내에 도입된다. 탱크(206)로부터의 물이 매니폴드(218) 내로, 또는 라인(207a-207d)을 통해 실린더 흡입구(218a-218d) 각각에서 분사된다. 혼합된 공기/EGR 스트림(211) 및 물 스트림(207a-207d)은 엔진(220)의 실린더(222a-222d) 내로 흡인된다.
EMS 프로그램에 따라 전용 EGR 실린더에 연료 농후 혼합물을 제공하도록 흡기 행정 이전 또는 도중에 라인(205a)으로부터 소정량의 연료가 엔진 실린더(222a) 내로 분사된다. 이 실시예에서, 실린더(222a) 내의 연료 농후 혼합물은 동시에 연료의 일부만이 연소되고 과량의 미연소 연료가 개질된다. 분사된 물의 존재하에서 실린더(222a)에서의 연소 및 개질은 고온 배기 가스 스트림(226a)을 생성하며, 여기서 개질유는 물-가스 변환 반응의 결과로서 수소와 이산화탄소를 포함한다.
연료는 예컨대 엔진 관리 시스템(미도시)에 의해 소정의 화학량론적 양으로 다른 실린더(222b-222d) 각각에 분사되어 이들 실린더 내의 공기와 함께 완전 연소된다. 실린더(222b-222d)에서의 연소는 통상적인 배기 매니폴드(228)를 통해 대기로 배출되는 통상적인 조성의 고온 배기 가스 스트림(226b-226d)을 생성한다.
고온의 배기 가스와 개질유(226a)는 열교환기(240)로 전달되어 대기와의 열교환에 의해 온도가 일정 범위로 낮아진다. 냉각된 배기 가스의 일부 또는 전부는 라인(244 및 209)을 통해 흡입 매니폴드(218)와 유체 연통하는 EGR 혼합기(208)로 직접 재순환된다. 선택적으로, 냉각된 배기 가스(246)의 일부 또는 전부는 비아(252)를 통해 물 저장 탱크(206)로 재순환을 위한 물의 일부 또는 전부를 회수하도록 응축기(250)로 전달될 수 있다. 열교환기(240) 및 선택적인 응축기의 작동은 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이 제어될 수 있다.
도 3을 참조하면, ICE(320)를 위한 물 분사에 의한 배기 가스 촉매 개질을 위한 실시예의 공정 흐름도가 예시되어 있다. 통합 시스템은 연료 라인(305)을 갖는 연료 탱크(304) 및 관련 물 라인(207)을 갖는 물 탱크(306)를 포함한다. 예시된 바와 같은 엔진(320)은 4개의 실린더를 가지고 있지만, 엔진(320)은 임의의 개수의 실린더를 가질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
흡입 공기(302)와 하기에 그 공급원이 설명되는 냉각된 개질유 EGR 스트림(309)은 EGR 혼합기(308)에서 혼합되어 흡입 매니폴드(318) 내로 흡인되는 혼합 공기/개질유 EGR 스트림(311)을 생성한다. 혼합된 공기/개질유 EGR 스트림(311) 및 물 스트림(307a-307d)은 도 2와 관련하여 전술한 바와 유사한 방식으로 엔진(320)의 실린더(322a-322d) 내로 도입된다.
라인(305a-305d)을 통한 연료는 연료 희박/산소 농후 조건에서 연소를 위해 선택적으로 엔진 실린더(322a-322d) 내로 분사된다.
실린더(322b-322d)에서의 연소는 배기 시스템(327)을 통해 대기로 배출되는 잔류 산소를 포함하는 고온 배기 가스 스트림(326b-326d)을 생성한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, EMS는 실린더(222b-222d)로의 사전 프로그래밍된 연료 흐름을 수정하지 않고 배기 가스 센서에 의해 감지된 산소의 존재를 수용하도록 프로그래밍되어야 한다. 실린더(322a)에서의 연소는 촉매 개질기(330)로 들어가기 전에 연료 라인(305e)을 통해 도입된 연료와의 분사에 의해 혼합된 잔류 산소를 역시 포함하는 고온 배기 가스 스트림(326a)을 생성한다. 배기 행정 도중 또는 이전에 별도의 연료 인젝터 대신에 실린더(322a) 내에 후연소 분사 이벤트가 적용되어 실린더(322a)로부터의 배기 가스 내의 산소로 개질하기 위한 연료를 전달하여 물-가스 변환(WGS) 반응을 통해 변환되는 수소와 일산화탄소를 초기에 생성하여 H2-증강 개질유에서 수소의 양을 증가시킨다.
WGS 반응으로부터 나오는 배기 가스, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 증강 개질유 스트림(332)은 개질기(330)로부터 열교환기(340)로 전달되어 온도를 원하는 범위 내로 감소시킨다. 냉각된 배기 가스의 일부 또는 전부는 라인(344 및 309)을 통해 EGR 혼합기(308)로 직접 재순환될 수 있다. 선택적으로, 냉각된 배기 가스의 일부 또는 전부는 라인(351)을 통해 물 저장 용기(306)로의 재활용을 위해 포함된 수증기의 일부 또는 전부를 회수하기 위해 라인(346)을 통해 응축기(350)로 전달될 수 있다. 열교환기 및 응축기의 기능 및 제어는 도 2와 관련하여 전술한 바와 같다. 예시된 바와 같은 엔진(420)은 4개의 실린더를 가지고 있지만, 당업자는 엔진이 임의의 수의 실린더를 가질 수 있음을 이해할 것이다.
이제 도 4를 참조하면, ICE(420)를 위한 물 분사 및 연소후 연료 분사에 따른 배기 가스 촉매 개질 시스템의 실시예의 공정 흐름도가 예시되어 있다. 예시된 바와 같은 통합 시스템은 연료 탱크(404) 및 물 저장 용기 또는 탱크(406)를 포함한다.
하기에 그 공급원이 설명되는 냉각된 개질유 EGR 스트림(409) 및 주변 공기(402)는 EGR 혼합기(408)에서 혼합되어 ICE의 흡입 매니폴드(418)로 흡인되는 혼합 공기/개질유 EGR 스트림(411)을 생성한다. 혼합된 공기/개질유 EGR 스트림(418a-418d) 및 물 스트림(407a-407d)은 도 2와 관련하여 전술한 바와 유사한 방식으로 엔진(420)의 실린더(422a-422d) 내로 도입된다. 라인(405a-405d)을 통해 통과된 연료 탱크(404)로부터의 연료는 연료 희박/산소 농후 조건 하에서 연소를 위해 선택적으로 엔진 실린더(422a-422d) 내로 분사된다.
실린더(422a-422d)에서의 연소는 배기 매니폴드를 통과하고 결합되어 잔류 산소를 함유하는 결합된 고온 배기 가스 스트림(426)을 형성하는, 잔류 산소를 함유하는 고온 배기 가스 스트림(424a-424d)을 생성한다. 결합된 고온 배기 가스 스트림(426)의 일부는 스트림(428)으로서 통과되고, 라인(405e)으로부터 분사된 연료와 결합되어 촉매 개질기(430)로 도입되는 결합된 고온 배기 가스/연료 혼합물(429)을 형성하여 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이 WGS 반응으로부터 증가된 양의 수소를 함유하는 개질유 스트림(432)을 생성한다.
결합된 고온 배기 가스 스트림(426)의 나머지는 라인(425)을 통해 대기로 배출된다.
배기 가스, 증가된 양의 수소 및 WGS 반응으로부터의 이산화탄소를 포함하는 개질유 스트림(432)은 열교환기(440)로 전달되어 온도가 소정 범위 내로 감소된다. 냉각된 개질유 가스 스트림의 일부 또는 전부는 라인(409)을 통해 EGR 혼합기(408)로 직접 재순환을 위한 스트림(444)으로서 전달된다. 선택적으로, 냉각된 개질유의 일부 또는 전부는 EGR 밸브(442)를 통한 라인(446) 및 라인(448)을 통해 응축기(450)로 전달되어 라인(452)을 통해 물 탱크(406)로 또는 선택적으로 라인(407) 및 흡입 매니폴드 라인(418a-418d)으로 직접 통과되도록 물의 일부 또는 전부를 응축 및 회수한다. 대안적으로, 응축수는 라인(454)을 통해 대기로 배출될 수 있다.
설명된 방법 및 시스템으로부터 분명한 바와 같이, 물 분사는 차량에 저장될 물의 공급을 필요로 한다. 물 저장 시스템에는 EMS 및 시각/청각 장치와 관련된 하나 이상의 센서가 제공되어 물의 양을 표시하고 대기로의 직접 배출, 저장 용기로의 전달 또는 엔진 부품으로의 직접적인 통과를 포함하는 임의의 응축수의 경로를 제어할 수 있다. 응축수는 소비 속도에 따라 배기 가스 스트림으로부터 회수될 수 있지만, 운전자는 연료, 워셔액, 오일 또는 요소/디젤 배출액을 추가하는 것처럼 주기적으로 차량에 물을 추가해야 한다. 물 보충 간격은 수소 생산에 사용되는 물의 양에 따라 다를 것이다. 충전 간격을 최대화하기 위해 차량이 운행될 지역에 따라 물 분사를 미리 결정할 수 있다.
전술한 4개의 실시예 각각에서, ICE 로의 도입을 위해 개질기에서 직접 또는 그 하류에서 배기 가스 재순환 스트림을 냉각시키기 위해 인터쿨러 또는 열교환기가 제공된다. 유체 마찰력 및 난류로 인한 일부 에너지 손실은 열교환기/인터쿨러를 통한 개질유의 통과시에도 발생함을 이해할 것이다. 따라서, 온도가 예를 들어 계절 및/또는 지리적 변화로 인한 주변 공기 온도를 역시 고려한 소정 값을 초과할 때만 개질유가 열교환기/인터쿨러로 전달되는 경우 일부 효율성 및 전반적인 성능 이점을 얻을 수 있다.
대안적인 실시예에서, 적절하게 프로그래밍된 엔진 제어 유닛 또는 엔진 관리 시스템에 연결된 적절한 온도 센서, 유량계 및 밸브는 선택적으로 열교환기/인터쿨러를 우회하고 개질유를 ERG 루프로 직접 통과시키거나, 선택적으로 수증기 회수를 위해 개질유 스트림을 응축기로 통과시킬 것이다. 후자의 실시예에서, 개질유 스트림의 온도는 물의 일부 또는 전부가 응축되는 지점까지 감소된다는 것을 이해할 것이다.
흡입 공기와 혼합되는 개질유의 체적이 비교적 작은 경우, 예를 들어 낮은 엔진 rpm에서 및/또는 주변 공기가 비교적 낮은 온도에 있는 경우, 개질유 냉각의 전반적인 성능 이점은 최소일 수 있다. 예를 들어, ICE가 지속적으로 저온이거나 저온인 환경에서 작동되는 경우, 열교환기 또는 인터쿨러를 제거하는 것으로 전체 시스템 비용을 줄일 수 있다.
도 1-도 4의 실시예의 특정 장점 및 이점은 실험적 관찰과 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 한 그래프 도식과 차트에 기재, 분석 및 제시된 데이터로 예시된다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조하면, 일련의 도식은 물이 분사되는 경우와 분사되지 않는 경우에 대해 그리고 산소 대 탄소(O/C)의 비율은 약 0.1:1 내지 1:1인 경우에 3가지 다른 연료를 사용하는 배기 가스 개질 방법에 의해 생성된 H2의 몰수를 나타낸다. 상기와 같이 제조된 로듐을 함유하는 촉매와 접촉되게 배기 가스를 통과시켰다. 도 6a에 첨부된 범례에 나타낸 바와 같이, 각 도면의 점선은 다른 3종의 연료를 비교하는 기준으로 사용되는 600℃의 기존 가솔린을 나타낸다. 각각의 경우에 물 분사에 대한 도식은 삼각형과 사각형으로 표시된다. 3종의 연료 각각의 배기 가스는 물이 분사되고 되지 않은 경우 모두에 있어서 600℃ 및 800℃에서 촉매 개질을 수행하였다.
800℃의 고온에서, 연료 1의 배기는 동일한 O/C 비율에 대해 거의 동일한 양의 H2를 생성하였고, 600℃에서의 연료 1의 배기는 물 분사시 약간 더 적은 H2를 생성하였다. 더 높은 온도에서 더 많은 H2가 지속적으로 생성되었다.
도 6b의 도식을 참조하면, 연료 2의 배기 가스는 600℃ 및 800℃에서 각각 대략 동일한 몰%의 H2를 생성함을 알 수 있다. 800℃ 대 600℃의 높은 작동 온도는 약 0.5의 O/C 비율까지 더 많은 H2를 생성했지만, 비율이 1에 가까워짐에 따라 모든 H2 생산 곡선이 감소하여 병합되기 시작했다.
연료 3에 대한 도 6c의 도식은 2개의 온도에 대한 H2 생산에 의해 측정된 연료 2의 것과 유사하며, 동일한 O/C 비율에 대해 물의 첨가가 없는 상태에서 개질유에서 얻은 것보다 양자의 온도에서 다소 더 많이 수소 생산을 야기하는 물의 첨가와도 유사하다.
수소의 최대량은 통상적으로 산소-탄소(O/C) 비율이 1 미만 내지 0.5 이상일 때 관찰되었다. 산소-탄소 비율이 낮으면 부분 산화 반응에서 불충분한 열이 적용되어 개질 공정을 시작하고, 산소-탄소 비율이 높을수록 완전한 산화가 발생하기 시작하여 수소 선택성이 감소된다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c에 보고된 결과로 테스트된 연료의 선택된 물리적 특성이 하기 표 3에 제시되어 있다. 기존의 가솔린 혼합물은 25% 방향족을 포함하고, 연료 1, 2 및 3은 방향족 함량을 감소시켰으며, 연료 3에는 존재하지 않음을 알 수 있다. 연료 3의 O/C 비율은 혼합물에 알코올이 함유되어 있기 때문에 0.25 이었다. 연료 2는 순 발열량(MJ/kg)이 가장 높았고 밀도가 가장 낮았다.
Figure pct00004
수소 수율에 대한 물 농축 효과는 도 7의 그래프로 예시되어 있다. 연료 3의 물리적 특성에 대한 데이터와 도 6c에 나타낸 테스트 결과에서 전술한 바와 같이, O/C 비율은 에탄올의 존재를 반영하여 0.25 이었다. 20 몰%의 물에서 휘발유와 에탄올만의 경우(연료 3에서와 같은 혼합물의 일부가 아님) 800℃에서의 수소 수율에 대한 물 농축 효과는 약 6 몰% 또는 약 38%의 증가를 나타낸다.
도 8의 도식을 참조하면, 0.0143 K-1 내지 0.111 K-1 범위에 걸쳐 역 온도의 함수로서 20 기압에서 통상적인 가솔린 혼합물에 대해 초 단위의 일정한 부피 점화 지연(S)의 비교가 모델링된다. 700℃ 내지 900℃ 범위에 걸친 K에 이르기까지 동등한 온도가 아래의 x-축에 표시된다. 2 부피%의 H2(상단 곡선) 및 2 부피%의 CO(중간 곡선)의 연료가 제시된다. 모델링된 바와 같이, 데이터는 특히 약 725℉ 내지 850℉의 온도 범위에서 CO와 비교할 때 H2 첨가에 의해 점화 지연 증가의 측면에서 상당한 장점을 보여준다.
이제 도 9를 참조하면, 몰%로 표현된 증가하는 양의 H2 및 CO가 보충된 동일한 가솔린 혼합물에 대한 예측된 연구 옥탄가(RON)의 도식은 약 1/3의 몰량의 H2의 첨가로 동일한 RON 증가가 얻어져서, 즉 RON의 동일한 예측 증가를 달성하려면 H2보다 약 3배 더 많은 CO가 필요함을 나타낸다.
도 10의 도식은 실린더에 존재하는 H2 및 CO의 부피%에 기초한 스파크 점화된 가솔린 엔진의 노킹-제한된 압축비의 예측된 증가의 상대적 차이를 나타낸다. 여기에 예시된 바와 같이, 압축비의 증분 증가율은 CO보다 주어진 부피의 H2에 대해 훨씬 더 크다. 이러한 도식의 결과는 H2와 CO의 몰%를 기준으로 한 RON의 증가를 보여주었던 도 8의 결과와 유사하다.
이소옥탄, n-헵탄 및 톨루엔의 혼합물에 대한 연료 조성의 함수로서 (1) 수소 수율 및 (2) 수소 선택성을 예측하기 위해 2개의 삼원 도식(미도시)을 제공하였다. 제1 도식에 따르면, 혼합물에서 방향족 톨루엔의 양이 감소함에 따라 H2의 예상 수율이 증가한다. 전술한 바와 같이, 수소 수율을 증가시키기 위한 연료 혼합의 이러한 효과는 석유정제업자에 대한 경제성 및 비방향족 성분의 이용 가능성 등의 실질적인 고려 사항에 의해 허용되는 범위까지 방향족 혼합 성분을 줄임으로써 극대화될 수 있다.
이소옥탄, n-헵탄 및 톨루엔의 혼합물에 대해 H2/H2O(mol)로 선택적으로 표현된 예측된 수소의 3원 도식은 또한 혼합물에서 방향족 톨루엔의 양이 감소함에 따라 수소 선택성이 증가함을 나타내고 있다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c의 비교 차트는 3개의 온도(도 6a의 연료 1에 대한 400℃, 600℃ 및 800℃)에서 산소-탄소 및 H2O(증기)-탄소 비율의 함수로서 수소 수율을 보여준다. 도 11a-도 11c의 차트는 최적의 수소 생산(가장 밝은 음영으로 표시됨)이 최고 온도인 800℃에서 그리고 0.8 내지 1.0 범위의 O/C 비율에서 얻어짐을 보여준다.
음영의 주요 인서트에서 식별되는 조성물에 대한 에너지 비율(out/in)을 표현하는 도 12a-도 12f의 일련의 비교 차트를 참조하면, 도 12a-도 12c는 물을 포함하지 않으며 도 12d-도 12f는 물 분사 상태에서 운용된다. 도 12a-도 12f는 O/C 비율의 함수로서 3가지 다른 연료 공급 사례에 대한 에너지 균형을 보여준다. 도 12a는 800℃, 즉 0.50의 S/C 비율에서 낮은 연료 공급을 나타낸다. 도 12b는 800℃, 즉 0.67의 S/C 비율에서 중간 연료 공급을 나타낸다. 도 12c는 800℃, 즉 1.00의 S/C 비율에서 높은 연료 공급을 나타낸다. 도 14c는 800℃, 즉 1.50의 S/C 비율에서 낮은 연료 공급을 나타낸다. 도 12d는 800℃, 즉 2.00의 S/C 비율에서 중간 연료 공급을 나타낸다. 도 12e는 800℃, 즉 3.00의 S/C 비율에서 높은 연료 공급을 나타낸다. 개질유의 각 제품 성분의 기여도는 총 투입(연료) 에너지의 분율로서 다른 음영으로 표시된다. 6개의 도식 각각은 동일한 일반적인 추세를 보여주는 데, 에너지 입력으로 나눈 에너지 출력으로 정의되는 에너지 균형은 초기에는 산소-탄소 비율이 증가함에 따라 증가하고 1.0 또는 그 근처에서 최대에 도달한다. 그러나, 물 분사가 있는 도식은 물 분사가 없는 해당 도식보다 더 높은 에너지 균형을 나타낸다. 이는 열화학적 회복을 통해 가스 엔탈피를 화학적 위치 에너지로 변환시키는 물과 연료의 흡열 증기 개질 반응으로 인한 것이다.
이제 연료 1에 대한 도 13의 에너지 균형 다이어그램을 참조하면, 자열 증기 개질 전용(SR) 및 부분 산화 전용(POX)의 3가지 이론적 조건이 표시된다. 400℃ 및 600℃에서 작동하는 데이터 포인트는 물 분사가 없는 경우이고, 800℃에서 데이터 포인트는 물이 있는 경우(별 표시)와 물이 없는 경우(삼각형 표시) 모두에서의 동작에 대한 것이다. 이러한 다양한 온도 사례 중에서 물 분사(별 표시)를 사용한 800℃ 데이터 포인트가 가장 높은 에너지 균형을 보였으며 일부 경우에는 1.0을 초과했다. 이는 물 분사를 통한 연료 개질의 사용이 연료의 화학적 위치 에너지에 추가되어 에너지 효율을 더욱 향상시켰음을 나타낸다.
도 14의 도식은 연료 농후 혼합물(즉, λ=0.7)의 경우에 생성된 수소에 대한 g/min의 물 분사 속도를 증가시키는 효과를 보여준다. 묘사된 조건에서 물 분사를 통해 전체 범위에서 실린더 내의 수소 농도가 즉각적이고 꾸준하게 증가한다.
상대적인 실린더 내 공기-연료 당량 비율(λ)의 함수로서 수소 생산에 미치는 영향이 도 15에 예시되어 있다. 하부 라인이 물 분사가 없는 도식인 차트에서 볼 수 있는 바와 같이, 물 분사를 사용하는 모든 당량 비율에서 각각 15% 및 24% 수준에서 수소 생산이 증가한다.
도 16을 참조하면, 가솔린(T3)과 에탄올에 대한 공기-연료 당량 비율(λ)의 함수로서 수소 생산이 모두 물 분사로써 증가함을 알 수 있다. 물이 없는 에탄올로부터의 수소 생산은 물이 있거나 없는 휘발유의 생산량보다 상대적으로 크다는 점을 알아야 한다.
이제 도 17의 차트를 참조하면, 공기-연료 당량 비율(λ)의 함수로서 ppm 단위로 측정된 NOx 배출물의 감소에 대한 물 분사의 유익한 효과가 분명하게 입증된다. 상대적 공기-연료 당량 비율이 약 0.7의 값 이상으로 증가함에 따라, 가솔린과 에탄올 모두에 물에 분사하면 NOx 배출량이 현저하게 감소한다.
위의 표와 그래프 및 차트에 제시된 데이터는 가솔린 연료 스파크 점화식 내연 기관의 작동을 개선하기 위해 물 분사를 통한 온-보드 개질에 의해 달성되는 이점을 반영한다.
본 발명의 방법 및 시스템은 상기 및 첨부된 도면에서 상세하게 설명되었지만, 본 설명으로부터 당업자에게는 변형례가 분명할 것이며, 본 발명에 대한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정될 것이다.

Claims (57)

  1. 관련된 온-보드 촉매 개질기를 갖는 스파크 점화 가솔린 연료 내연 기관(ICE)의 작동 방법으로서:
    a. 기화된 증기 및 연료 혼합물을 생성하도록 기화기 내에서 미리 정해놓은 양의 물과 연료를 포함하는 혼합물을 예열하는 단계;
    b. 수소와 일산화탄소를 포함하는 개질유 스트림을 생성하도록 상기 온-보드 촉매 개질기 내에 상기 기화된 증기 및 연료 혼합물과 미리 정해놓은 양의 공기를 도입하는 단계 - 추가적인 수소 및 이산화탄소를 생성하여 수소-증강 개질유 스트림을 형성하기 위해 상기 일산화탄소는 물-가스 변환 반응을 받게 됨 -;
    c. 상기 개질유 스트림에 물을 분사하는 단계;
    d. 분사된 물, 신선한 연료 및 주변 공기와 함께 상기 수소-증강 개질유 스트림을 상기 ICE의 흡입 매니폴드에 도입하는 단계; 및
    e. 고온 배기 가스 스트림을 생성하도록 상기 ICE 내에 분사된 물이 존재하는 상태에서 상기 증강 개질유, 공기 및 연료를 연소시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 냉각된 개질유 스트림을 생성하도록 상기 개질유 스트림의 온도를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 개질유 스트림의 온도를 감지하는 센서를 제공하는 단계와, 상기 개질유를 미리 정해놓은 범위 내의 온도로 냉각시키도록 주변 공기와 제어된 열교환 관계로 온-보드 열교환기에 상기 개질유를 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 온도 센서는 주변 공기 조건에 응답하여 상기 열교환기의 작동을 제어하는 온-보드 엔진 관리 시스템(EMS)에 신호를 전송하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계 e의 상기 배기 가스 스트림의 적어도 일부가 배기 가스 재순환(EGR) 루프로 전달되고 상기 ICE의 상기 흡입 매니폴드에 도입되는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 냉각된 배기 가스 스트림을 제공하도록 상기 고온 배기 가스 스트림의 적어도 일부가 먼저 열교환기 또는 자동차 인터쿨러로 전달되고, 상기 냉각된 배기 가스 스트림은 상기 배기 가스 재순환(EGR) 루프에 전달되며 상기 ICE의 상기 흡입 매니폴드에 도입되는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 배기 가스 스트림으로부터 물을 응축 및 회수하도록 상기 냉각된 배기 스트림의 적어도 일부가 상기 열교환기 또는 인터쿨러로부터 응축기로 전달되는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 응축기로부터의 물은, 프로세스에 사용되도록 온-보드 물 저장 용기로 전달되거나, 또는 연료와 함께 상기 기화기에 직접 도입되는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 ICE는 터보차저 또는 수퍼차저와 함께 작동되는 것인 방법.
  10. 재순환 배기 가스의 공급원인 개질 실린더로 작동하는 적어도 하나의 전용 엔진 실린더를 갖는 스파크 점화 가솔린 연료 내연 기관(ICE)의 작동 방법으로서:
    a. 혼합된 공기/EGR 스트림을 생성하도록 EGR 혼합기 내에서 엔진 흡입 공기 및 냉각된 배기 가스 재순환(EGR) 스트림을 혼합하는 단계;
    b. 상기 ICE의 실린더로 전달되도록 상기 혼합된 공기/EGR 스트림을 상기 ICE의 흡입 매니폴드에 도입하는 단계;
    c. 공기, EGR 및 수증기의 혼합 스트림을 생성하도록 상기 흡입 매니폴드 내의 공기/EGR 혼합물에 수증기를 분사하는 단계;
    d. 연료 농후 혼합물을 제공하도록 흡기 행정 이전 또는 도중에 그리고 연소 사이클 이전에 소정량의 연료를 상기 공기, EGR 및 수증기 혼합물과 함께 적어도 하나의 전용 배기 가스 재순환 개질 실린더에 분사하는 단계;
    e. 수소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합물을 생성하도록 상기 적어도 하나의 전용 배기 가스 재순환 개질 실린더에서 상기 공기, EGR, 증기 및 연료 농후 혼합물을 연소 및 개질하는 단계 - 고온 배기 가스 스트림을 생성하기 위해 상기 개질 실린더 내에서 연소되는 추가적인 수소 및 이산화탄소를 생성하도록 상기 일산화탄소는 물-가스 변환 반응을 받게 됨 -;
    f. 상기 단계 a의 냉각된 재순환 배기 가스 스트림을 생성하도록 수소 및 일산화탄소를 함유하는 고온 배기 가스 스트림을 냉각하고 상기 냉각된 배기 가스 스트림을 상기 ERG 혼합기로 전달하는 단계; 및
    g. 완전 연소를 위해 미리 정해놓은 양의 연료를 상기 실린더 내에 존재하는 상기 공기, ERG 및 수증기와 함께 나머지 ICE 실린더 내에 분사하고, 상기 배기 가스 스트림을 대기로 배출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고온 배기 가스 스트림은 미리 정해놓은 범위 내의 온도로 냉각하기 위해 온-보드 열교환기 또는 자동차 인터쿨러로 전달되는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 열교환기 또는 인터쿨러는 주변 공기에 의해 냉각되는 것인 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 가스 스트림으로부터 물을 응축 및 회수하도록 상기 냉각된 배기 스트림의 적어도 일부가 상기 열교환기 또는 인터쿨러로부터 응축기로 전달되는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 응축기로부터의 물은, 프로세스에 사용되도록 온-보드 물 저장 용기로 전달되거나, 또는 연료와 함께 기화기에 직접 도입되는 것인 방법.
  15. 재순환된 배기 가스의 공급원인 적어도 하나의 전용 배기 가스 재순환 실린더와 관련 온-보드 촉매 개질기를 구비하는 스파크 점화 가솔린 연료 내연 기관(ICE)의 작동 방법으로서:
    a. 연료 희박/산소 농후 조건 하에서의 연소를 위해 상기 온-보드 촉매 개질기에 의해 생성된 미리 정해놓은 양의 연료, 공기 및 냉각된 개질유의 혼합물에 수증기를 분사하여 상기 ICE의 흡입 매니폴드 내에 주입하는 단계;
    b. 잔류 산소를 포함하는 고온 배기 가스 스트림을 생성하도록 상기 ICE의 각 실린더에서 상기 연료, 공기 및 냉각된 개질유 스트림을 연소시키는 단계;
    c. 연료를 (ⅰ) 연소 생성물과 함께 적어도 하나의 전용 배기 가스 재순환 실린더 내에 분사하거나, (ⅱ) 상기 전용 배기 가스 재순환 실린더 배기 가스 포트에서 상기 고온 배기 가스 스트림 내에 분사하거나, 또는 (ⅲ) 상기 온-보드 개질기의 상류에 있는 상기 적어도 하나의 전용 배기 가스 재순환 실린더로부터 상기 고온 배기 가스 스트림 내에 분사하는 단계;
    d. 연료 및 잔류 산소를 포함하는 상기 고온 배기 가스 스트림을 상기 적어도 하나의 전용 배기 가스 재순환 실린더로부터 상기 온-보드 개질기로 전달하는 단계;
    e. 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질유 스트림을 생성하도록 상기 온-보드 개질기 내에서 연료 및 잔류 산소를 포함하는 상기 고온 배기 가스 스트림을 촉매 개질하는 단계;
    f. 상기 단계 b의 냉각된 개질유를 생성하도록 상기 개질유 스트림을 냉각시키는 단계;
    g. 혼합된 공기/개질유 흡입 스트림을 생성하도록 엔진 흡입 공기 스트림과 상기 냉각된 개질유 스트림을 혼합하는 단계; 및
    h. 상기 ICE의 실린더로의 전달 및 연소를 위해 상기 혼합된 공기/개질유 혼합물을 분사된 연료와 함께 상기 ICE의 흡입 매니폴드 내로 도입하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 고온 배기 가스 스트림은 미리 정해놓은 범위 내의 온도로 냉각되도록 온-보드 열교환기로 전달되는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 열교환기는 주변 공기에 의해 냉각되는 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 배기 가스 스트림으로부터 물을 응축 및 회수하도록 상기 냉각된 배기 스트림의 적어도 일부가 상기 열교환기로부터 응축기로 전달되는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 응축기로부터의 물은, 프로세스에 사용되도록 온-보드 물 저장 용기로 전달되거나, 연료와 함께 기화기에 직접 도입되는 것인 방법.
  20. 온-보드 촉매 개질기를 갖는 스파크 점화 가솔린 연료 내연 기관(ICE)의 작동 방법으로서:
    a. 잔류 산소를 포함하는 고온 배기 가스 스트림을 생성하도록 연료 희박/산소 농후 조건 하에서 상기 ICE를 작동시키는 단계;
    b. 상기 고온 배기 가스 스트림의 미리 정해놓은 부분을 대기로 배출하는 단계;
    c. 혼합된 연료 및 고온 배기 가스 재순환(EGR) 스트림을 생성하도록 상기 개질기 상류에 잔류 산소를 포함하는 고온 배기 가스 스트림의 나머지 부분에 연료를 분사하는 단계;
    d. 수소 및 일산화탄소를 포함하는 개질유 스트림을 생성하도록 상기 개질기 내에서 상기 연료 및 고온 배기 가스 혼합물을 촉매 개질하는 단계;
    e. 냉각된 개질유 스트림을 생성하도록 상기 개질유 스트림을 냉각시키는 단계;
    f. 혼합된 냉각된 개질유 및 공기 스트림을 생성하도록 ERG 혼합기 내에서 엔진 흡입 공기 스트림과 상기 냉각된 개질유 스트림을 혼합하는 단계;
    g. 상기 냉각된 개질유 및 공기 혼합물을 상기 ICE의 흡입 매니폴드에 도입하는 단계;
    h. 물을 상기 냉각된 개질유 수소/일산화탄소 및 공기 혼합물과 함께 상기 흡입 매니폴드 내의 가연성 연료 혼합물 내에 분사하는 단계;
    i. 연료를 상기 ICE의 흡입 매니폴드 또는 엔진 실린더 내에 분사하는 단계; 및
    j. 과잉의 산소를 포함하는 단계 a의 상기 고온 배기 가스 스트림을 생성하도록 상기 가연성 혼합물을 점화하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 고온 배기 가스 스트림은 미리 정해놓은 범위 내의 온도로 냉각시키기 위해 온-보드 열교환기에 전달되는 것인 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 열교환기는 주변 공기에 의해 더 냉각되는 것인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 배기 가스 스트림으로부터 물을 응축 및 회수하도록 상기 냉각된 배기 스트림의 적어도 일부가 상기 열교환기로부터 응축기로 전달되는 것인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 응축기로부터의 물은, 프로세스에 사용되도록 온-보드 물 저장 용기로 전달되거나, 연료와 함께 기화기에 직접 도입되는 것인 방법.
  25. 제15항에 있어서, 개질 단계를 위한 보충 산소를 제공하기 위해 단계 f의 연소 이전에 추가적인 흡입 공기가 상기 ICE에 도입되는 것인 방법.
  26. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 총 혼합물의 1 mol% 내지 2.5 mol% 범위의 양으로 존재하는 것인 방법.
  27. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 도중의 산소 대 탄소 비는 0.5:1 내지 1:1의 범위인 것인 방법.
  28. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 가솔린이고, 개질 도중의 산소 대 탄소 비는 0.8:1 내지 1:1의 범위인 것인 방법.
  29. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 가솔린이고, 개질 도중의 산소 대 탄소 비는 약 0.9:1인 것인 방법.
  30. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 도중의 산소 대 탄소 비는 약 0.6:1인 것인 방법.
  31. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 개질 도중의 H2O 대 O2의 몰비가 1:1보다 큰 것인 방법.
  32. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, H2O의 몰 농도는 15%보다 크고, 개질 도중의 H2O 대 O2의 비율은 3:1보다 큰 것인 방법.
  33. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, H2O의 몰 농도는 15%보다 크고, 개질 도중의 H2O 대 O2의 비는 6:1 미만인 것인 방법.
  34. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 가솔린이고, 상기 몰 연료 농도는 약 2%이며, 상기 몰 H2O 농도는 약 20%이고, 상기 몰 산소 농도는 약 6%인 것인 방법.
  35. 제15항 또는 제20항에 있어서, 개질 도중의 H2O 대 CO2의 몰비는 1.2:1보다 큰 것인 방법.
  36. 제15항 또는 제20항에 있어서, 개질 도중의 H2O 대 CO2의 몰비는 3:1보다 큰 것인 방법.
  37. 제10항에 있어서, 개질 도중의 상기 몰 H2O 농도는 10-30%인 것인 방법.
  38. 제10항에 있어서, 상기 몰 공기-연료 당량 비율은 0.4-0.9인 것인 방법.
  39. 제10항에 있어서, 상기 공기-연료 당량 몰비는 0.5-0.8인 것인 방법.
  40. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매는 주기율표의 Ⅵ, Ⅶ 및 ⅧB 족으로부터 선택된 적어도 일종의 활성 금속을 포함하는 것인 방법.
  41. 제40항에 있어서, 상기 촉매는 로듐을 포함하는 것인 방법.
  42. 제1항, 제15항 또는 제20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 개질은 10,000 hr-1 내지 100,000 hr-1 범위의 공간 속도에서 일어나는 것인 방법.
  43. 제1항 또는 제15항에 있어서, 상기 촉매 개질은 20,000 hr-1 내지 50,000 hr-1 범위의 공간 속도에서 일어나는 것인 방법.
  44. 제1항 또는 제15항에 있어서, 상기 촉매 개질은 약 36,000 hr-1의 공간 속도에서 일어나는 것인 방법.
  45. 제1항, 제10항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 0 내지 20 부피% 범위의 방향족 탄화수소를 포함하는 것인 방법.
  46. 제1항, 제10항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 0 내지 10 부피% 범위의 방향족 탄화수소를 포함하는 것인 방법.
  47. 제1항, 제10항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 0 내지 1 부피% 범위의 방향족 탄화수소를 포함하는 것인 방법.
  48. 제1항, 제10항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 0 내지 5 부피% 범위의 올레핀계 탄화수소를 포함하는 것인 방법.
  49. 제1항, 제10항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 0 내지 1 부피% 범위의 올레핀계 탄화수소를 포함하는 것인 방법.
  50. 제1항, 제10항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 산화된 탄화수소 화합물을 포함하는 것인 방법.
  51. 제50항에 있어서, 산화된 연료는 연료 혼합물의 0 부피% 내지 50 부피%를 포함하는 것인 방법.
  52. 제50항에 있어서, 산화된 연료는 C1 내지 C12 알킬 알코올 또는 C1 내지 C12 알킬 에테르를 포함하는 것인 방법.
  53. 제50항에 있어서, 산화된 연료는 C1 내지 C4 알킬 알코올을 포함하는 것인 방법.
  54. 제50항에 있어서, 산화된 연료는 메틸-터셔리-부틸-에테르, 에틸-터셔리-부틸-에테르, 아세톤, 디메틸 에테르, 터셔리-아밀 메틸-에테르, 터셔리-헥실 메틸 에테르, 터셔리-아밀 에틸 에테르 및 디이소프로필 에테르를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것인 방법.
  55. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 연료는 2-부탄올이고, 개질 도중의 산소 대 탄소의 비는 약 0.5:1인 것인 방법.
  56. 제55항에 있어서, 2-부탄올 연료의 몰 농도는 약 3%이고, H2O의 몰 농도는 약 20%이며, 산소의 몰 농도는 약 3%인 것인 방법.
  57. 제1항, 제15항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 연료는 약 40℃의 초기 끓는점과, 약 100℃의 최종 끓는점, 그리고 0 질량%-5 질량%의 방향족 함량을 갖는 것인 방법.
KR1020207032477A 2018-04-24 2019-04-11 자동차 내연기관을 위한 온-보드 연료 개질을 통한 수소 생산을 증대시키는 물 분사 KR20210003150A (ko)

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 (1)

Publication Number Publication Date
KR20210003150A true KR20210003150A (ko) 2021-01-11

Family

ID=66542511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207032477A KR20210003150A (ko) 2018-04-24 2019-04-11 자동차 내연기관을 위한 온-보드 연료 개질을 통한 수소 생산을 증대시키는 물 분사

Country Status (6)

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

Families Citing this family (8)

* 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
WO2020014060A1 (en) * 2018-07-12 2020-01-16 Exxonmobil Research And Engineering Company Vehicle powertrain with on-board catalytic reformer
WO2020158273A1 (ja) * 2019-02-01 2020-08-06 株式会社Ihi 内燃機関システム及び内燃機関システムの制御方法
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

Family Cites Families (28)

* 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
AU2003901841A0 (en) 2003-04-16 2003-05-01 Orbital Australia Pty Ltd An improved fuel reformer and mixing chamber therefor
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
JP2007332891A (ja) 2006-06-16 2007-12-27 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 内燃機関
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
EP2783413B1 (en) * 2011-11-21 2018-10-17 Saudi Arabian Oil Company Method and a system for combined hydrogen and electricity production using petroleum fuels
JP2013130179A (ja) 2011-12-22 2013-07-04 Honda Motor Co Ltd 内燃機関の制御装置
CN104321520B (zh) * 2012-03-30 2017-05-24 孟山都技术公司 用于内燃机的醇重整系统
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
JP2014148946A (ja) 2013-02-01 2014-08-21 Honda Motor Co Ltd 排気還流装置
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
EP3190287B1 (en) * 2014-09-05 2019-05-08 Yanmar Co., Ltd. Engine
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
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
CN107514321B (zh) * 2017-07-12 2019-10-01 同济大学 一种用于egr系统中的重整制氢装置
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

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021522440A (ja) 2021-08-30
JP7389753B2 (ja) 2023-11-30
CN112105811A (zh) 2020-12-18
US20200325861A1 (en) 2020-10-15
US10612497B2 (en) 2020-04-07
US11118543B2 (en) 2021-09-14
US20190323458A1 (en) 2019-10-24
CN112105811B (zh) 2022-03-15
WO2019209542A1 (en) 2019-10-31
EP3784896A1 (en) 2021-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20210003150A (ko) 자동차 내연기관을 위한 온-보드 연료 개질을 통한 수소 생산을 증대시키는 물 분사
US6405720B1 (en) Natural gas powered engine
Jamal et al. On-board generation of hydrogen-rich gaseous fuels—a review
US10815441B2 (en) Fuel and process for powering a compression ignition engine
US6508209B1 (en) Reformed natural gas for powering an internal combustion engine
Karim Dual-fuel diesel engines
US8677949B2 (en) Fuel management system for very high efficiency flex fuel engines powered by methanol and gasoline
CA1083443A (en) Apparatus and process for the operation of combustion engines
CN101495735B (zh) 内燃机
US20080087017A1 (en) Van Nimwegen efficient pollution free internal combustion engine
EP2449220B1 (en) Reformed ethanol engines
JPS6210464A (ja) 内燃機関を運転する方法
Brusstar et al. High efficiency with future alcohol fuels in a stoichiometric medium duty spark ignition engine
Eyal et al. Reforming-Controlled Compression Ignition-A Method Combining Benefits of Reactivity-Controlled Compression Ignition and High-Pressure Thermochemical Recuperation
Rosha et al. Performance and emission characteristics of Diesel+ LPG dual fuel engine with exhaust gas recirculation
Shivaprasad et al. Performance, emission and fuel induction system of hydrogen fuel operated spark ignition engine—A review
US10001090B1 (en) Single-fuel reactivity controlled compression ignition combustion enabled by onboard fuel reformation
Alharbi et al. Reducing NOx emissions by adding hydrogen-rich synthesis gas generated by a plasma-assisted fuel reformer using Saudi Arabian market gasoline and ethanol for different air/fuel mixtures
Al-Kaabi et al. Effect of a new design electronic control system on the emissions improve for diesel engine operation by (diesel+ LPG)
Pettersson et al. An experimental and theoretical evaluation of the onboard decomposed methanol spark-ignition engine
Kryshtopa et al. Improvement of Diesel Engine Parameters by Using of Alcohol Conversion
Manimaran REDUCTION OF HYDROGEN-DIESEL ENGINE EMISSIONS BY WATER INJECTION/EGR AND A NOVEL VORTEX TUBE INTAKE SYSTEM
Al-kaabi et al. Effect of a New Design Electronic Control System on the Emissions Improve for Diesel‎‏ Engine Operation by (Diesel+‎ LPG)‎ Effect of a New Design Electronic Control System on the Emissions Improve for Diesel‎‏ Engine Operation by (Diesel+‎ LPG)‎
Motohashi et al. Development of an Ultra Compact CPOX Reactor for Diesel Fuel
Sharma PERFORMANCE AND EMISSION ANALYSIS OF UNMODIFIED CI ENGINE DRIVE FROM COTTON SEED BIODIESEL AND ITS BLENDS