专利名称：等离子体排气重整汽油制氢装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从含氢混合气中分离氢的装置和系统，进一步涉及一种等离子体排气重整汽油制氢装置及系统。
背景技术：
提高车用发动机经济性与降低排放是目前社会所面临的两个重要课题，以往研究表明，如果采用氢气等辅助发动机燃烧，能够进一步扩大发动机的稀燃极限，使发动机在超过汽油可燃极限的空燃比下仍然能够稳定工作，发动机NOx排放水平非常低，然而这种技术的推广却受到车载氢源的限制。因此，急需一种车载的等离子体排气重整汽油制氢装置及系统。
发明内容
本发明提出一种利用发动机尾气中的水蒸气与汽油在等离子体作用下反应的制氢装置和系统。
制氢方式也多种多样，目前比较成熟的方法主要有以下3种蒸气重整(SR，Steam Reforming)，部分氧化重整(POX，Partial Oxidation),自热重整(ATR，Auto-Thermal Reforming)。部分氧化CnHm+0.5n02- — nC0+0. 5mH2放热反应蒸气重整CnHm+nH20-— nCO+ (n+0. 5m) H2 吸热反应自热重整CnHm+aH20+0. 5 (n_a) O2- — nCO+ (a+0. 5m) H2本发明提出了一种借助冷等离子体，利用稀薄燃烧发动机排气中的氧气和水蒸气对燃油进行部分氧化和蒸汽重整的方法(为了叙述方便，在本文的研究中常简称以等离子体排气重整PFEGR :Plasma Fuel Exhaust Gas Reforming，或者排气重整)以提高重整系统的能量转换效率；并利用重整产生的富氢气体扩大汽油机稀薄燃烧的燃烧极限，以在提高发动机经济性的基础上达到较低水平的NOx排放。等离子体排气重整汽油制氢装置，其特征在于，包括圆筒形第一电极，与第一电极共轴、内径相同且在轴向上存在间隙的圆筒形第二电极，位于第一电极内轴心处的汽油喷油器，包覆在第一电极与第二电极间隙处的电极包覆环，包覆环与电极之间通过磁环绝缘，包覆环上至少有一个气孔，该气孔与发动机排气口相连，位于第二电极端面的第二端盖，第二端盖上包括一个与第二电极内腔连通的重整后气体出口。作为优选方案，所述喷油器位于喷油器座内，喷油器座嵌套在进油支架座内，进油支架座套在第一电极内。所述包覆环上的气孔的中心线垂直于第一电极、第二电极的轴线， 且与第一电极、第二电极的轴线不相交；所述包覆环上的气孔的中心线偏离气孔与第一电极、第二电极的轴线最短连线25度；所述包覆环上的气孔数量至少为2，均勻分布。与第一电极和第二电极相连的电源，电源参数为输出频率5_25kHz，可调；输出电压0 20kV，可调；最大功率lkW。所述电源包括交流低压调压器、整流电路，220V交流电经过交流调压器和整流电路后，转化成为O 300V连续可变的直流电；半桥高频逆变电路、经过半桥高频逆变电路后逆变为高频的交流；高频高压变压器，变压器初次级线圈比例为100 1 ；与控制电路。
包括上述等离子气体重整汽油制氢装置的等离子气体重整汽油制氢系统，还包括发动机排气稳压腔，该稳压腔有1个输入口，1个输出口，输入口分别于发动机排气管相连，输出口与等离子体排气重整汽油制氢装置的包覆环上的气孔连通。本发明相对于现有技术的优点在于(一)从图3可以看出随着发动机采用重整比例的增加，稀燃极限逐渐增大。当发动机处于传统稀薄燃烧状态时，发动机在该工况下的稀燃极限在24左右，而当有20%燃油参加重整后，稀燃极限达到了 28. 3。当最大重整比例< 30%时，稀燃极限增大的程度与重整比例成正比，重整比例每增加10%，稀燃极限增大约2个空燃比单位。(二)从图4、5可以看出发动机的稀燃极限随着燃料重整比例的增大而增大，但是稀燃极限增大的程度随着随着转速的升高和负荷的增大而有所减小，发动机稀燃极限的总体趋势变得平顺，受转速和负荷的影响程度逐渐减小。这是由于当发动机转速较低和负荷较小时，同样节气门开度时缸内残留废气比例较大。随着重整比例的增大，发动机在较大的空燃比下工作时，为保证同样的功率输出需要开大节气门开度，从而内部残留废气的量也逐渐减少，同时加上重整气体对汽油燃烧速度的影响，因而使得发动机在低转速小负荷时的稀薄燃烧极限有较大的提高。而当发动机转速较高时，当量比工作时残留废气余量本身就比较少，燃油重整对稀燃极限的影响主要来自重整气体对汽油燃烧的作用，因此稀薄燃烧极限增大的程度有所降低。以上因素也缩小了不同转速和负荷稀燃极限之间的差距， 转速和负荷对稀燃极限的影响程度也逐渐减小。(三)对照图6，当发动机采用重整时，在较小的空燃比下，重整后的油耗数值往往要高于原发动机的数值，并且重整比例越高，油耗增加的越多。比较当量比工况燃烧时重整比例分别为0和20%的数据，BSFC分别为350g/kWh、364g/kWh，后者油耗增加了约4%。随着空燃比的继续增大，尤其当空燃比超过未采用重整时发动机最经济空燃比数值后，重整后的BSFC逐渐接近甚至低于无重整的BSFC数值，发动机在3000转、0. 3Mpa工况时重整比例为0 %、10 %、20 %、30 %时最低BSFC分别为300、293、294. 6、293g/kffh，与发动机当量比时的油耗350g/kWh相比，经济性分别提高了 14. 3%U6. 3%、15. 8%、16. 3%，可见当对燃油重整后，虽然重整会损失一部分燃料的热值，但是发动机燃烧热效率仍有较大程度的提高，达到甚至超过了发动机燃料未经过重整时稀薄燃烧所能够达到的经济性水平。在达到稀燃极限附近时比油耗迅速增加，但是相比当量比燃烧时仍然有10-12%的降低。(三)从图7-9中可以看出，燃料重整比例对发动机三种排放物与空燃比关系的趋势影响不大，HC和CO都保持先降低再升高的趋势，而NOx排放呈先高后低的趋势。随着重整比例的增大，发动机的稀燃极限也逐渐增大，对图中标有☆的数据进行比较发现如果将发动机保持在相应的稀燃极限附近，则随着重整比例的增大，HC排放和CO排放有所升高， NOx排放逐渐降低。比较稀燃极限处排放与当量比处排放数值，可以看出稀燃极限处HC排放要高于当量比时的排放值，以重整比例20%为例，当量比燃烧时HC排放为400ppm，稀燃极限处HC排放为500ppm，升高的幅度达25%。CO排放虽然在稀燃极限附近又有升高的趋势，但是最多只增大到与当量比处数据相当的程度。在稀燃极限处NOx排放与发动机当量比工作时相比有相当程度的降低，重整比例为0、10%、20%、30%时，稀燃极限处所对应排放数值分别为382ppm、205ppm、97ppm、38ppm，与当量比处的2300ppm相比，降低的幅度分别为 83%,91%,95. 8%,98. 3%0
图1是实施例中等离子体排气重整汽油制氢装置示意图，1代表第一电极，2代表第二电极，3代表汽油喷油器，4代表包覆环，5代表磁环，6代表进油支架座，7代表第一端盖，8 代表第二端盖，9代表喷油器座，10代表汽油入口，11代表重整后气体出口，12代表连接发动机排气的管道。图2是沿图1中A-A方向剖面图，13代表包覆环上的气孔。图3给所示为发动机在转速3000r/min、平均有效压力0. 3Mpa工况下不同重整比例对于燃烧循环变动的影响；横坐标代表空燃比，纵坐标代表燃油循环变动；■代表传统稀薄燃烧状态， 代表10%燃油参加重整，▲代表20%燃油参加重整，▼代表30%燃油参加重整。图4是稀燃极限随负荷的变化，发动机转速3000r/min ；横坐标代表平均有效压力，单位为兆帕，纵坐标代表稀燃极限；■代表传统稀薄燃烧状态， 代表10%燃油参加重整，▲代表20%燃油参加重整，▼代表30%燃油参加重整。图5是稀燃极限随转速的变化，平均有效压力0. 3Mpa ；横坐标代表转速，单位转 /分钟，纵坐标代表稀燃极限；■代表传统稀薄燃烧状态， 代表10%燃油参加重整，▲代表20%燃油参加重整，▼代表30%燃油参加重整。图6是发动机在转速3000r/min、平均有效压力0. 3Mpa工况下整体燃油比消耗随空燃比的变化曲线；横坐标代表空燃比，纵坐标代表比油耗，单位克/千瓦时；图中标☆的数据点为各种重整比例稀燃极限处所对应的油耗数据，〇所标注位置为不同重整比例情况下发动机所对应的最低油耗点；■代表传统稀薄燃烧状态， 代表10%燃油参加重整，▲ 代表20%燃油参加重整，▼代表30%燃油参加重整。图7是发动机在转速3000r/min、平均有效压力0. 3Mpa工况下，在不同重整比例下的碳氢排放随空燃比的变化关系；横坐标代表空燃比，纵坐标代表碳氢排放弄度，单位 PPm ；每个工况的数据都在最佳点火提前角下得到；图中标☆处为稀燃极限所对应数据，标 〇处为燃油经济性最高点；■代表传统稀薄燃烧状态， 代表10%燃油参加重整，▲代表 20%燃油参加重整，▼代表30%燃油参加重整。图8是发动机在转速3000r/min、平均有效压力0. 3Mpa工况下，不同重整比例下的氮氧化物排放随空燃比的变化关系；横坐标代表空燃比，纵坐标代表氮氧化物排放浓度， 单位ppm ；每个工况的数据都在最佳点火提前角下得到，图中标☆处为稀燃极限所对应数据，标〇处为燃油经济性最高点；■代表传统稀薄燃烧状态， 代表10%燃油参加重整，▲ 代表20%燃油参加重整，▼代表30%燃油参加重整。图9是发动机在转速3000r/min、平均有效压力0. 3Mpa工况下，发动机在不同重整比例下的一氧化碳排放随空燃比的变化关系；横坐标代表空燃比，纵坐标代表一氧化碳排放浓度，单位ppm;每个工况的数据都在最佳点火提前角下得到，图中标☆处为稀燃极限所对应数据，标〇处为燃油经济性最高点；■代表传统稀薄燃烧状态，眷代表10%燃油参加重整，▲代表20%燃油参加重整，▼代表30%燃油参加重整。图10实施例装置在发动机上实现的系统示意图；101代表发动机，102代表汽油箱，103代表稳压腔，104代表等离子体排气重整汽油制氢装置，105代表排气管。
具体实施例方式
实施例等离子体排气重整汽油制氢装置，包括圆筒形第一电极1，与第一电极共轴、内径相同且在轴向上存在间隙的圆筒形第二电极2，位于第一电极内轴心处的汽油喷油器3， 包覆在第一电极与第二电极间隙处的电极包覆环4，包覆环与电极之间通过磁环5绝缘，包覆环上至少有一个气孔，该气孔与发动机排气口相连，位于第二电极端面的第二端盖8，第二端盖上包括一个与第二电极内腔连通的重整后气体出口 11。所述喷油器位于喷油器座内，喷油器座嵌套在进油支架座6内，第一端盖7压在喷油器座之上；进油支架座套在第一电极内。所述包覆环上的气孔13a、13b、13C、13d、13e、 13f的中心线垂直于第一电极、第二电极的轴线，且与第一电极、第二电极的轴线不相交； 所述包覆环上的气孔的中心线偏离气孔与第一电极、第二电极的轴线最短连线25度；所述包覆环上的气孔数量为6，均勻分布。与第一电极和第二电极相连的电源，电源参数为输出频率5_25kHz，可调；输出电压0 20kV，可调；最大功率lkW。所述电源包括交流低压调压器、整流电路，220V交流电经过交流调压器和整流电路后，转化成为0 300V连续可变的直流电；半桥高频逆变电路、经过半桥高频逆变电路后逆变为高频的交流；高频高压变压器，变压器初次级线圈比例为100 1 ；与控制电路。包括上述等离子气体重整汽油制氢装置的等离子气体重整汽油制氢系统，还包括发动机排气稳压腔103，该稳压腔有1个输入口和1个输出口，输入口与发动机排气管 105相连，输出口与等离子体排气重整汽油制氢装置104的包覆环上的气孔13a、13b、13c、 13d、13e、13f连通；重整后的气体通过重整后气体出口 11输送到发动机的进气口 ；对尾气进入等离子体排气重整汽油制氢装置前的温控装置，将尾气温度控制在100-464摄氏温度之间；位于等离子体排气重整汽油制氢装置重整气体排出口附近的后反应区，在后反应区中填充了一些镍棒或者瓷粒，避免高速气流直接与反应出口直通，同时可以起到一定的催化作用，后反应区外包覆保温层。发动机稀薄燃烧时，排气中含有大量的氧气，而且发动机排气具有较高的温度，如果将燃油直接喷入富氧的发动机排气中，当排气温度超过汽油的自燃温度时，则势必会引发汽油在气体管路中的直接燃烧反应，影响重整系统的效率。同时利用发动机排气进行重整，是需要使用排气中的水蒸气成分进行蒸汽重整反应，如果温度过低又会引起水蒸气的凝结而导致重整反应，影响重整反应的效果。因此，在油气混合之前，气体的温度不能超过汽油的自燃温度，而在进入等离子体区域之前温度不能低于水蒸气的凝结温度(iocrc )。 汽油在常压下的最低自燃温度为464°C (燃油自燃温度随着给定反应物的配比及其所处的环境条件而改变，当可燃混合气压力升高时自燃温度降低)，因此要将油气混合处温度控制在464°C以下。因此在设计过程中将稳压腔103不是直接放于排气管(指原机所带的铸铁排气歧管)后，而是距离排气管Im左右的距离，利用该段管道进行散热，并且在外部设计了一个换热器装置以进一步对排气进行加热、冷却。通过实际试验得知，当发动机稳定工作一段时间后，即使不用稳压腔外部换热器情况下，稳压腔103处温度就能基本控制在170 400°C范围内，气体管道中没有发生燃烧反应，也没有冷凝态的水出现。
排气与燃油进入等离子体排气重整汽油制氢装置104后，在高压电源作用下，生成等离子体，产生大量的活性粒子，促进了燃油与排气中氧气以及水蒸气发生重整反应。重整反应中伴随着燃油中能量的转移，部分氧化重整释放一定的热量，蒸汽重整则会吸收一定的热量。重整在温度较高时能够达到化学平衡状态，并且温度较高时重整不会有固态炭析出，而气体在进入等离子体区域之前温度< 400°C，为了保证重整反应进行的彻底，应该使系统处于放热状态，依靠部分氧化重整放出的热量提高自身的温度。由于气体流速很快 (0 30m/s)，反应物在等离子体区域时间很短，重整反应所放出的大量热量被带到等离子体区下游，因此在等离子体区域后侧设计了一段后反应区，并在后反应区中填充了一些镍棒或者瓷粒，一是避免高速气流直接与反应出口直通，二是可以起到一定的催化作用。后反应区外侧用陶瓷布等材料进行隔热处理，以减少系统对外的散热，保证重整反应的充分进行。
权利要求
1.等离子体排气重整汽油制氢装置，其特征在于，包括圆筒形第一电极，与第一电极共轴、内径相同且在轴向上存在间隙的圆筒形第二电极，位于第一电极内轴心处的汽油喷油器，包覆在第一电极与第二电极间隙处的电极包覆环，包覆环与电极之间通过磁环绝缘， 包覆环上至少有一个气孔，该气孔与发动机排气口相连，位于第二电极端面的第二端盖，第二端盖上包括一个与第二电极内腔连通的重整后气体出口。
2.根据权利要求1所述等离子气体重整汽油制氢装置，其特征在于，所述喷油器的喷油频率为700Hz。
3.根据权利要求1所述等离子气体重整汽油制氢装置，其特征在于，所述喷油器位于喷油器座内，喷油器座嵌套在进油支架座内，进油支架座套在第一电极内。
4.根据权利要求1所述等离子气体重整汽油制氢装置，其特征在于，所述包覆环上的气孔的中心线垂直于第一电极、第二电极的轴线，且与第一电极、第二电极的轴线不相交。
5.根据权利要求4所述等离子气体重整汽油制氢装置，其特征在于，所述包覆环上的气孔的中心线偏离气孔与第一电极、第二电极的轴线最短连线25度。
6.根据权利要求5所述等离子气体重整汽油制氢装置，其特征在于，所述包覆环上的气孔数量至少为2，均勻分布。
7.根据权利要求1至6任何一项所述等离子气体重整汽油制氢装置，其特征在于，还包括与第一电极和第二电极相连的电源，电源参数为输出频率5-25kHz，可调；输出电压 0 20kV，可调；最大功率lkW。
8.根据权利要求7所述等离子气体重整汽油制氢装置，其特征在于，所述电源包括交流低压调压器、整流电路，220V交流电经过交流调压器和整流电路后，转化成为0 300V连续可变的直流电；半桥高频逆变电路、经过半桥高频逆变电路后逆变为高频的交流；高频高压变压器，变压器初次级线圈比例为100 1;与控制电路。
9.包括权利要求1的等离子气体重整汽油制氢系统，其特征在于，还包括发动机排气稳压腔，该稳压腔有1个输入口和1个输出口，输入口与发动机排气管相连，输出口与等离子体排气重整汽油制氢装置的包覆环上的气孔连通；重整后的气体通过等出口输送到发动机的进气口。
10.根据权利要求9所述等离子气体重整汽油制氢系统，其特征在于，还包括对尾气进入等离子体排气重整汽油制氢装置前的温控装置，将尾气温度控制在100-464摄氏温度之间；位于等离子体排气重整汽油制氢装置重整气体排出口附近的后反应区，在后反应区中填充了一些镍棒或者瓷粒，避免高速气流直接与反应出口直通，同时可以起到一定的催化作用，后反应区外包覆保温层。
全文摘要
本发明涉及一种等离子体排气重整汽油制氢装置及系统。包括圆筒形第一电极，与第一电极共轴、内径相同且在轴向上存在间隙的圆筒形第二电极，位于第一电极内轴心处的汽油喷油器，包覆在第一电极与第二电极间隙处的电极包覆环，包覆环与电极之间通过磁环绝缘，包覆环上至少有1个气孔，该气孔与发动机排气口相连，位于第二电极端面的第二端盖，第二端盖上包括一个与第二电极内腔连通的重整后气体出口。本发明相对于现有技术的优点在于可以增大稀燃极限，发动机稀燃极限的总体趋势变得平顺。
文档编号F02M27/04GK102352802SQ20111034357
公开日2012年2月15日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者于吉超, 张伟玉, 李万众, 王莉, 裴毅强 申请人:天津农学院