专利名称：减少内燃机排放的系统和方法
技术领域：
一般来说，本发明总的涉及减小内燃机的排放的系统和方法，具体地说，涉及通过利用含氢的气体使燃烧的燃料富化，减少内燃机排放的系统和方法。
背景技术：
减少使用天然气作为燃料的往复式发动机的诸如NOx一类的有毒气体的排放的当前的技术依赖稀燃。稀燃降低在发动机气缸内的峰值温度，因此可减少NOx的产生。诸如NOx一类的气体是由在发动机燃烧使用的空气中的氮和氧之间的反应形成的。NOx的形成与燃烧的温度有很大关系。由于天然气的燃烧速度低，因此如不影响燃烧的稳定性，则稀燃有限制。减少NOx的其他方法包括使用后处理技术，这是昂贵的，并且当使用不是天然气的燃料时，还有可靠性的问题。使燃料富含氢是减小NOx的产生和排放的另一种方法。
在燃烧前用于使燃料富化的氢气可以用不同的方法生产，包括使用外部的部分氧化反应器，外部蒸气重整器，电解槽等。然而，存贮和输送使燃烧燃料富化所需要的氢气会增加燃烧系统的成本，还会引起安全问题。
因此，内燃机系统需要一种可以安全和有效地产生氢，以便利用氢使燃烧燃料富化的系统。
发明内容
在一个方面中，内燃机系统包括多个构造以燃烧混合燃料，产生废气的气缸，和至少一个构造以接收燃料的第一个部分和输送重整的含氢气体的一个重整气缸。将含氢的气体送入燃料的第二个部分中，以形成混合燃料，减少内燃机系统的排放。
在另一个方面中，往复式内燃机系统包括多个构造以燃烧混合燃料，产生废气的气缸，和至少一个构造以接收燃料的第一个部分和输送重整的含氢气体的一个重整气缸。将含氢的气体送入燃料的第二个部分中，以形成混合燃料，减少内燃机系统的排放。
在又一个方面中，减少内燃机排放的方法包括将第一部分燃料送入内燃机的至少一个重整气缸中，并在该重整气缸中重整该第一部分燃料，产生含氢的气体。该方法还包括使含氢的气体与第二部分燃料混合，以产生混合燃料，和在内燃机的多个气缸中燃烧混合燃料，产生废气。
参照示例性的附图，其中相同的零件以相类似的符号表示。
图1表示一个示例性内燃机系统的示意图；图2表示另一个示例性内燃机系统的示意图；图3表示再一个示例性内燃机系统的示意图；图4表示在内燃机系统中的气缸的示例性布置；图5表示一个示例性重整气缸的示意图；和图6表示另一个示例性重整气缸的示意图。
零件清单10-内燃机系统12-燃料源14-第二部分燃料 16-混合燃料18-冷却的含氢气体20-燃料源22-第一部分燃料 24-重整汽缸26-含氢的气体28-热交换器30-多个汽缸 32-功34-废气 36-空气38-空气 40-内燃机系统42-能量产生装置 44-内燃机系统46-分离部件 48-富含氢的气体50-汽缸配置 52-汽缸54-活塞 56-缸体58-轴59-曲柄62-输入口64-进气阀66-排气口68-排气阀
70-火花 74-输入气体流76-输入气体流80-催化剂82-外部阀84-气体流的外部口具体实施方式
内燃机系统包括多个构造以燃烧混合燃料，产生废气的气缸，和至少一个构造以接收第一部分燃料和输送重整的含氢气体的重整气缸。将该含氢气体送入第二部分燃料中，形成混合燃料，以减少内燃机系统的排放。
图1表示包括多个气缸30的一个示例性内燃机系统10。该多个气缸30构造以燃烧混合燃料16，产生废气34和功32。该内燃机系统10包括至少一个构造以从一个燃料源20接收第一部分燃料22和输送重整的含氢气体26的重整气缸24。含氢气体26从另一个燃料源12送入第二部分燃料14中，以形成混合燃料16。混合燃料16在多个气缸30中燃烧，以减少内燃机系统10的排放。
该重整气缸24优选地用于产生含氢的气体26，该气体包括大于或等于以气体成分的总重量计大约0.01重量百分比(％)的氢。
所公开的内燃机系统所用的燃料可以包括诸如脂肪族和/或芳香族碳氢化合物一类的碳氢化合物。可以用作燃料的碳氢化合物的适当的例子为烷烃、烯烃、炔等，或包括上述碳氢化合物的至少一种的综合。在一个实施例中，该燃料从由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷等或包括上述烯烃中的至少一种的综合组成的组中选择。在一个示例性实施例中，该内燃机系统所用的燃料一般包括天然气或诸如掩埋气体，沼气等一类的能量含量低的燃料。在燃烧过程中，需要氧化剂来燃烧燃料。在这里所述的实施例中，燃烧过程所用的氧化剂为空气。在一些实施例中，所用的燃料为甲烷或天然气。当在使用空气的燃烧过程中，诸如天然气一类的燃料燃烧时，通过在发动机燃烧所使用的空气中的氮和氧之间的反应，形成诸如NOx一类的气体。NOx的形成与燃烧的温度关系很大。由于一氧化碳(CO)和颗粒的排放少，天然气为“清洁燃烧”的燃料。但当在例如往复式发动机的发动机中使用时，从燃烧天然气产生的NOx排放高。通过天然气的稀燃，可以控制NOx的形成。在稀燃中，天然气与高百分比的空气混合，从而稀释天然气的浓度。但由于天然气的燃烧速度低，因此，为了进一步减少NOx，而不影响燃烧的稳定性，存在稀释限制。为了缓解这个问题，由于氢的燃烧速度高(大约为天然气燃烧速度的8倍)，因此使氢的含量丰富可便于提高对稀燃的限制。
图2表示另一个示例性的内燃机系统，其中，多个气缸30在工作中与诸如发电厂的发电机一类的电能产生系统42连通。在另一个实施例中，利用在多个气缸30中燃烧混合燃料16产生的功32驱动一个压缩机或任何其他的机械装置(没有示出)。
图3表示再一个示例性的内燃机系统44，其中，在一个分离的部件46中，进一步处理从热交换器28排出的出口蒸汽18。该分离部件46可以包括一个可被氢气分子穿透，但不能被甲烷(CH4)，一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)或水(H2O)分子穿透的一个膜片，或是压力摆动吸收装置(PSA)，以便将氢气分子与其他上述的分子分开，从而生产出富含氢的气体流48。该富含氢的气体流48与第二部分燃料14混合，产生混合燃料16。在一些实施例中，该分离部件46可以包括一个水和气体偏移反应器，在使富含氢的气流48分离之前，将含氢的气体26中的一氧化碳转换为二氧化碳。
在这里所述的内燃机系统中，含氢的气体26通过使用该发动机的至少一个气缸作为重整气缸24，就地(即在内燃机系统内)产生。因为不需要存贮含氢的气体，因此在内燃机系统内，为了使燃烧燃料富化，而产生含氢的气体26的成本低廉和是安全的。虽然所述的实施例说明了在内燃机中的一个往复运动的活塞和气缸，但也可以使用诸如回转发动机一类的其他的循环发动机。
该重整气缸24可以包括一个使该重整气缸24循环的驱动系统。图4表示一个三缸内燃机50的气缸的一个示例性配置。该内燃机50包括多个气缸30，该气缸30包括二个内部燃烧的气缸(ICC)52和一个重整气缸24。在一个实施例中，每一个ICC52包括一个活塞54和一个缸体56。该ICC52接收燃料混合物，和进行定时点火，产生机械的驱动力。该重整气缸24也包括一个活塞57和一个缸体55。带有曲柄59的驱动轴58将该重整气缸24和每一个ICC52机械地连接起来，用于以循环方式在缸体55内驱动该活塞57。虽然说明了一个三缸系统50，但是根据需要可以使用内部燃烧气缸和重整气缸的任何配置，从而形成一个可大可小的系统50。
该重整气缸24可以使用几种重整技术，将燃料转换为含氢的气体。这些重整方法例如包括部分氧化，催化部分氧化和蒸汽甲烷重整。在一个实施例中，利用部分氧化或催化部分氧化，将该燃料转换为含氢的气体。将气体流送入该重整气缸24中可包括空气或氧和燃料的混合物，其中氧与燃料的克分子比为大约0.05对大约2.0。在一个实施例中，送入的气体流可包括空气或氧和燃料的混合物，其中氧与燃料的克分子比大约为0.1～1.9。在另一个实施例中，送入气体流可以包括空气或氢和燃料的混合物，其中，氧与燃料的克分子比为大约0.5对大约1.75。
图5表示一个示例性的重整气缸24，它具有带有接收送入气体流76的一个进气阀64的进气口62，和用于输送含氢气体26的带有一个排气阀68的排气口66。该送入气体流74可以包括燃料和空气的混合物；或者如图1～2所示，该燃料和空气可以单独地送入该重整气缸24中。重整气缸24还带有诸如火花塞一类的一个点火源70，以便使该送入气体流76的燃烧开始。在一个实施例中，在通过进气口62进入该重整气缸24之前，可以预热该送入气体流74。
该重整气缸24的容积大于或等于大约5毫升(ml)。在一个实施例中，该重整气缸24的容积大于或等于大约10ml。在另一个实施例中，该重整气缸24的容积大于或等于大约100ml。在再一个实施例中，该重整气缸24的容积大于或等于大约500ml。在又一个实施例中，该重整气缸24的容积大于或等于大约1000ml。
部分氧化的过程包括诸如天然气或煤一类的碳氢化合物燃料与蒸汽和氧，在高温和高压下进行的不催化的反应，以产生氢和二氧化碳。在部分氧化过程中的主要反应如下
部分氧化反应为放热反应，并可以在没有任何催化剂的情况下进行。然而，使用催化剂可以大大提高每摩尔甲烷输入的氢产量和系统效率。大的系统一般包括一个纯氧源。因为利用纯氧而不是空气工作可以减小反应器的尺寸和成本。送入气体流76受到压缩，以及在该重整气缸24中的燃烧。在压缩过程中，在该重整气缸24内的体积压缩比大于或等于大约3∶1，较好是大于或等于大约5∶1，更好是大于或等于大约10∶1。在燃烧过程中，在该重整气缸中的压力大约为1～100kg/cm2。在一个实施例中，燃烧过程中的压力大约为1～25kg/cm2。在燃烧过程中，在该重整气缸24中的温度大约为800～1500℃。在一个实施例中，燃烧过程中的温度大约为1000℃。部分氧化反应的产品包括氢，二氧化碳，一氧化碳，没有燃烧的燃料，蒸汽和诸如氮一类的在送入气体流中的空气的惰性成分。使重整过程快速进行所需的温度为通过图4所示的驱动系统，或通过燃烧和压缩在内部产生的，这时，由多个气缸30所作的功的一部分用于产生达到在该重整气缸24中的重整反应所需温度的压力。
图6表示另一个示例性的重整气缸24，其中燃料通过蒸汽甲烷重整过程被重整。送入气体流76包括燃料，空气或氧；而蒸汽则单独或以混合物形式送入该重整气缸24中。该送入气体流76中的氧与燃料的克分子比一般为大约0.1对大约2。如上所述，该送入气体流76可以在送入该重整气缸24中之前预热。该送入气体流76还可以在送入该重整气缸24中之前预压缩。在一个实施例中，在送入该重整气缸24中之前燃料的温度和压力可以与空气或氧的温度和压力不同。在另一个实施例中，在送入循环压缩腔之前，燃料的温度和压力可以与空气或氧的温度和压力相同。当燃料和空气或氧单独送入该重整气缸24中时，在一个实施例中，空气或氧在送入燃料之前送入。另一种方式是，在另一个实施例中，燃料在送入空气或氧之前送入。
在一个实施例中，在送入该重整气缸24中以前，可以在大于或等于大约周围温度(可以为大约18～28℃)，小于或等于大约800℃的温度下供给该送入气体流76。如果燃料是与空气或氧分开地送入该重整气缸24中，则在送入之前，可将燃料预热至大约100～400℃的温度。优选的预热温度大约为350℃。空气或氧可在送入之前，预热至大约100～800℃的温度。空气或氧的优选的预热温度约为500℃。
在另一个实施例中，送入气体流76可以在送入该重整气缸24中之前，预压缩至大约1～5kg/cm2的压力。优选的预压缩压力大约为2kg/cm2。
在蒸汽甲烷重整反应中，天然气中的甲烷与蒸汽反应，按照下面给出的反应，产生氢
一般，以上给出的反应称为蒸汽重整(SMR)反应。在蒸汽甲烷重整过程中，还可产生水和气体转移反应，这时，水和气体转移反应将CO转换成CO2。
再回到图6，该重整气缸24具有带有接收送入气体流76的进气阀64的进气口62，和带有输送重整的含氢气体26的排气阀68的排气口66。该重整气缸24具有一个不燃烧产生内部压力和温度的工作循环，该循环在有蒸汽存在的条件下，重整该送入气体流76是有效的。该重整气缸24还可包括将含氢的气体加热至不燃烧的温度的装置，例如，在气缸55内通过催化剂80从内部加热或通过可以加在该送入气体流76上的蒸汽从外部加热。在另一个实施例中，可以使用不同的蒸汽进气口(进气口84)。在再一个实施例中，在通过进气口62进入该重整气缸24中之前，可以使用蒸汽预热该送入气体流76。
轴58的连续的曲柄运动可减小重整气缸24的内部容积，这种减小可以增加燃料的压力和温度。
可以在该进行重整反应的重整部分中使用的催化剂为蒸汽重整催化剂。该蒸汽重整催化剂的适当的例子为金属，合金和诸如转移金属氧化物，碱土金属氧化物或主族元素氧化物一类的氧化物。该催化剂可以为同质的或异类的催化剂。一般，希望该催化剂为单一的催化剂。金属的适当的例子为镍，铁，锌，铜，诸如钯，铂，铑等一类的贵金属或包括上述金属中的至少一种的综合。这种氧化物的适当的例子为氧化镍，氧化镁，氧化铝，氧化锰，氧化锌，氧化铜，氧化铁等，或包括上述氧化物中至少一种的综合。
在一个实施例中，该金属催化剂可放置在具有一个大的表面积的支承上。适当的支承为薰蒸的二氧化硅，薰蒸的氧化铝，α-氧化铝，γ-氧化铝，δ-氧化铝，二氧化钛，二氧化铈等，或包括上述支承中的至少一种的综合。一般，希望多孔的支承的表面积大于或等于大约10m2/g，较好是大于或等于大约20m2/g，更好是大于或等于100m2/g。催化剂可以通过离子注入，化学蒸汽沉积，飞溅，从诸如乙醇，丙酮，水等一类适当的溶剂中沉积在该多孔的支承上。当该重整部分为一个流体化床时，一般使用支承的催化剂。
在将含氢的气体26与第二部分燃料14混合，形成混合燃料16前，可选地在一个热交换器28(如图1～2所示)中冷却该重整的含氢的气体26。如图1～2所示，混合燃料16在多个气缸30中，与空气36一起燃烧，以产生废气34和功32。可以改变第一部分燃料22和空气38至该重整气缸24的流动，以达到氢的所希望的富化水平。在一个实施例中，含氢的气体26可以包括至少5体积％的氢。
这里所述的内燃机系统可以在发电厂，车辆，飞机，船舶，居住和办公建筑等中使用以产生能量。
这里还说明了一种减少内燃机排放的方法。该方法包括将第一部分燃料通入该内燃机系统的至少一个重整气缸中，和在该重整气缸中重整该第一部分燃料，以产生含氢的气体。该方法包括将该含氢的气体与第二部分燃料混合，以产生混合燃料；并且还包括在该内燃机的多个气缸中燃烧该混合燃料，以产生废气。
这里所述的内燃机系统有几个优点。在燃烧前，利用氢使燃料富化可减少诸如NOx一类气体的排放，从而对环境有正面影响。在该内燃机系统内产生氢可不需要对重整过程进行其所要求的外部加热和压缩。另外，因为不需要存贮氢气，因此所公开的内燃机系统安全和成本低。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但业内人士知道，在不偏离本发明的范围的条件下，可作各种改变，和可用等价零件代替其零件。另外，在不偏离本发明的基本范围的条件下，可作许多改进，以适应本发明所述的具体情况或材料而不背离本发明的基本范畴。因此，本发明不是仅限于所述的作为实现本发明的最佳或唯一模式的具体实施例。本发明包括在所附权利要求书的范围内的所有实施例。另外，使用术语“第一”“第二”等不表示任何顺序或重要性，而是利用术语“第一”“第二”等将一个零件与另一个零件区别开来。另外，使用术语“一个”不表示数量的限制，而是表示存在所述项目的至少一个。
权利要求
1.一种内燃机系统(10)，包括多个构造以燃烧混合燃料(16)，产生废气(34)的气缸(30)；和至少一个构造以接收第一部分燃料(22)和输送重整的含氢气体(26)的重整气缸(24)；其特征为，将所述的含氢气体(26)送入所述燃料的第二部分(14)中，形成所述混合燃料(16)，以减少所述内燃机系统(10)的排放。
2.如权利要求1所述的系统，其特征为，它还包括使所述至少一个重整气缸(24)循环的一个驱动系统。
3.如权利要求2所述的系统，其特征为，所述驱动系统包括工作时与所述多个气缸(30)连通的一根驱动轴(58)，和至少一个重整气缸(24)。
4.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述内燃机为往复式发动机。
5.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述多个气缸(30)与一个电能产生系统工作连通。
6.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述燃料包括天然气，沼气和它们的综合。
7.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述混合燃料包含至少5体积％的氢。
8.如权利要求1所述的系统，其特征为，在送入所述燃料的所述第二部分(14)中之前，在一个热交换器(28)中冷却所述的含氢气体。
9.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述重整气缸在大约1～100kg/cm2的压力和大约300～1500℃的温度下工作。
10.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述重整气缸(24)包括一个部分氧化的反应器，一个催化的部分氧化反应器，或包括上述反应器中的至少一个的综合。
全文摘要
一种内燃机系统(10)，它包括多个构造以燃烧混合燃料(16)，产生废气(34)的气缸(30)；和至少一个用于接收第一部分燃料(22)和输送重整的含氢气体(26)的重整气缸(24)；将所述的含氢气体(26)送入所述燃料的第二部分(14)中，形成所述混合燃料(16)，以减少所述内燃机系统(10)的排放。
文档编号F02M25/12GK1755089SQ20051009915
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月9日 优先权日2004年10月1日
发明者谢利什·S·贝索拉, 迈克尔·J·鲍曼, 索里·古德拉瓦莱蒂 申请人:通用电气公司