集成式汽车重整器和催化器以及燃料重整方法与流程

文档序号:33713601发布日期:2023-04-01 02:19阅读:98来源:国知局
集成式汽车重整器和催化器以及燃料重整方法与流程

1.本发明涉及汽车重整器和催化器或催化转化器,该汽车重整器和催化器或催化转化器集成至系统,以在最大限度利用内燃机(mci)的发动机排气中的热量的设备中对一部分燃料进行热重整或合成,从而使该燃料能量增加。本发明还涉及燃料的催化重整的方法。内燃机的常规燃料(乙醇、甲醇、汽油、天然气或柴油)是本发明范围的一部分。
2.更具体地,本发明旨在促进一部分燃料的能量增加,该燃料与环境空气和/或可替代地与一部分废气一起在浸有催化剂成分(例如:pt、pd、rh等)的设备内部流动,并且该设备在一定温度下促进产生与原始燃料相比具有更高热值的化合物。通过此种方式,经过该处理并且为蒸气形式的该部分燃料将具有较高能量含量,该部分燃料将与进入mci的空气/燃料混合物混合。因此,由于较高的能量含量,优选利用乙醇(或任何其它燃料)操作的mci的燃烧处理将得到改善,从而导致更高的能量效率并且降低温室气体排放和污染物的水平。


背景技术:

3.众所周知的是,汽油具有的能量含量或热值高于乙醇约30%。因此,当利用汽油操作内燃机时,消耗的燃料更少,即,与利用乙醇操作内燃机相比,汽油操作内燃机具有更大的续航能力。此差异与两个燃料之间的能量差异成比例。
4.为了使该问题最小化,本领域已知的替代方案提出所谓的乙醇“重整”。科学和专利文献示出了与乙醇热重整以主要获得氢(h2)相关的一些系统或方法,该系统或方法总是采用利用mci排气中耗散的热量的重整系统或设备。该技术可以参考atsushi shimada和takao ishikawa于2013年8月9日出版的“improved thermal efficiency using hydrous ethanol reforming in si engines”,sae technical paper 2013-24-0118。文献wo 2012/130407教导了一种利用适用于内燃机的重整燃料的紧凑型催化设备来催化转化液相醇的处理。
5.在这些已知的解决方案中,在mci排气系统中设置有两个单独设备,一个设备为常规催化转化器以降低排放水平,另一个设备为重整器以主要促进获得h2。在此方案中,重整器的加热和随后启动取决于加热废气在该重整器的内部部分中的通过,使得重整器达到理想温度,以用于从供给至重整器中的乙醇中获得h2。即,由重整器促进的催化反应仅在由mci废气产生的一定温度后开始。
6.然而,乙醇重整系统的此种构造涉及一些不期望影响,诸如增加了排气系统的复杂性,这是因为在该系统中除了所有支撑部(管道和阀)外,还将重整器添加至该系统中以将一部分废气传导至重整器内部。
7.另外,完全依赖废气来加热重整器并且为热重整反应供应气体,这允许惰性气体(例如co2)的混合物与空气/燃料混合物一起出现,并且如果h2的产生不足以补偿惰性气体的存在,则此种气体混合物可能损害燃烧。在这些系统中,尽管存在废气通过,但因为发动机操作条件的变化不能保证重整器内部温度的稳定,所以不能以期望的方式来维持乙醇热
重整反应的理想温度以连续生产h2,从而限制了系统性能。


技术实现要素:

8.因此,本发明的第一目的是设计一种设备,该设备促进燃料的能量增加,以使内燃机能够提高能量效率并且降低污染物排放。
9.本发明的补充目的包括集成至单个装置的重整器和催化器设备。
10.通过集成式汽车重整器和催化器设备来实现和满足这些和其它目的,该集成式汽车重整器和催化器设备包括壳体,该壳体围绕并且限定至少两个单独且相邻的腔,第一腔用于mci的废气的催化转化,并且至少一个第二腔用于重整燃料,并且第一腔中产生的热量通过热传导传递至第二腔。
11.通过燃料重整方法来实现和满足这些和其它目的,该燃料重整方法包括以下步骤:利用由mci(1)废气的催化转化产生的热量以及通常在排气中排出的热量,经由催化剂对燃料进行重整。
12.关于本发明设备的结构方面,生产增加燃料能量的化合物的重整系统具有车辆的催化转化器与重整器的集成,因此允许最大化使用所产生的热量。通过催化转化器的操作(由于有害废气的催化转化而导致的放热化学反应)来产生该催化转化器的热量。通过此种方式,在本发明的设备中,除了通常由内燃机通过排气管排出的热量之外,还使用了由催化转化器活动产生的热量。应当记住的是,燃料的热重整需要足够的温度,并且在重整器与催化转化器集成的情况下,通过便利的方式来实现热量的使用以及因此温度的足够恒定。
13.通常,本发明的目的是有助于使“灵活燃料”发动机的使用更具可行性,使得由于乙醇燃料的性能和续航能力提高而使乙醇的增加使用更具吸引力。除了提供二氧化碳(co2)排放水平的降低,因此减少燃料消耗,还使诸如一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)、氮氧化物(no
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)和醛类等其它污染气体排放降低。具体地,在乙醇燃烧产生co2的情况下,通过光合作用发生自然更新,使温室效应的问题最小化。然而,还使诸如甲烷(ch4)和一氧化二氮(n2o)等促进温室效应的一部分其它气体减少。
附图说明
14.根据优选实施例的详细描述将更好理解本发明,该优选实施例得到附图的支持和并由附图示出,该附图仅出于说明和指导的目的,而不限制本发明的范围,其中:
15.图1是内燃机的示意图,示出了与本发明的系统直接相关的元件;
16.图2是根据本发明的催化重整器系统的实施例的示意图;
17.图3是根据本发明的催化重整器系统的第二实施例的示意图,在该实施例中设置有两个燃料重整器,在催化器的每侧各有一个该燃料重整器;并且
18.图4是根据本发明的催化重整器系统的第三实施例的示意图,在该实施例中重整器定位在汽车催化器的中央部分中,并且重整器完全径向包含在汽车催化器内。
具体实施方式
19.根据附图,利用(10)来表示根据本发明的重整器催化器系统或设备,该重整器催化器系统或设备旨在与机动车辆的内燃发动机(mci)(1)联接。特别参照图1,mci(1)包括内
部限定有气缸(3)的缸体(block)(2)。所述气缸(3)供给有按化学计量关系混合的空气/燃料混合物,该空气/燃料混合物可以在间接喷射系统中形成在进气歧管(4)的上游处,或者在直接喷射系统中形成在每个气缸(3)的内部。出于此种目的,ecu(5)或电子中央控制单元负责根据驾驶员的要求和正进入系统中的新鲜空气流(新鲜空气流的进入取决于节气门(6)入口的负压和位置),通过喷射器(9)提供一定量的燃料进入。
20.在通过此种方式进入的空气/燃料混合物燃烧后,废气从排气歧管(7)排出,在排气歧管的下游设置λ探针(lambda probe)(未示出)以确定废气中残余o2的量,从而确定燃烧质量,该信息被发送至ecu(5)并且用于调节待进入空气/燃料混合物。
21.在常规系统中,废气先通过催化器或催化转化器,然后被引导通过车辆的排气管(8),该催化器或催化转化器负责处理废气,以便消除最有害的化学形式,诸如一氧化碳(其被氧化成co2)和碳氢化合物(其也被氧化成co2以及h2o)。在催化器上常规进行的另一反应是对以n2和o2形式排放的no
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进行催化还原。还已知的是,尽管发生这种催化反应需要最低初始温度,但这些反应是放热的。
22.因此,本发明包括催化系统或催化重整器设备(10),该催化系统或催化重整器设备将催化器集成到燃料重整器,特别是集成到燃料乙醇重整器或包含乙醇的燃料混合物重整器,以便通过燃料重整器最大化利用由汽车催化器或催化转化器产生的热量。尽管本说明书具体涉及乙醇作为燃料,但本领域技术人员应当清楚的是,本发明的催化重整器的相同构思和结构也可以用于诸如甲醇、天然气或压缩天然气(cng)、汽油和柴油等其它燃料。
23.如图2的实施例特别示出的,本发明的设备(10)的外部由壳体(11)限定,该壳体围绕并且限定两个单独且相邻的腔,第一腔(12)用于对来自mci的废气进行催化转化,并且第二腔(13)用于重整燃料乙醇。
24.更具体地,第一腔(12)从入口喷嘴(14)向上游连接至mci的所述排气歧管(7)。第一腔(12)的增压室填充有催化网,使得当来自mci的废气流过该催化网时,分散在该网中的催化剂催化废气成分的氧化或还原反应以将废气成分催化成如上所述的较小危害形式,然后,从在下游与出口喷嘴(15)连接的排气管(8)将这种已处理的危害最小化的气体从该设备排出。
25.由于这些反应放热,所以第一腔(12)的整个内部环境被加热,并且第二腔(13)通过热传递也被加热。
26.关于所述第二腔(13),具体地,该第二腔包括增压室,该增压室填充有与第一腔的催化网相似的催化网,即,该催化网可以是钯、铂、铑、银和/或其它适当催化剂。第二腔(13)的进气喷嘴(16)设计成接收环境空气(可替代地,废气的一部分)和待重整的乙醇。优选地,环境空气在进入进气喷嘴(16)之前经由过滤器(20)过滤。所述进气喷嘴(16)可以被连接以便接收新鲜环境空气流,新鲜环境空气流与通过专用的燃料喷射器(17)汽化的燃料乙醇流局部结合。在本实施例中,所述燃料喷射器(17)与燃料泵出口(未示出)连接,或与燃料通道的特定出口(未示出)直接连接,在该燃料通道上安装有为气缸(3)提供燃料的燃料喷射器(9)。可替代地,所述入口喷嘴(16)还可以接收部分废气流,该部分废气流包括在催化网中执行的催化反应所关注的化学物质。
27.在第二腔(13)的增压室中,对乙醇和环境空气之间的混合物流以及最终废气流进行催化。这种反应是可能的,这是由于从所述第一腔(12)朝向与该第一腔(12)相邻的第二
腔(13)发生的热传递使该第二腔(13)的增压室被适当加热。作为第二腔(13)中催化的反应的结果,形成新的化学物质(本领域已知),这取决于所述第二腔(13)的操作温度,并且由此取决于从第一腔(12)散发至第二腔(13)的热流。
28.下表1示出了本领域信息并且进行了汇编,以便将所关注的化合物与生产这些关注化合物所必需的催化剂以及催化体系能够合成所述关注化合物所必需的操作温度相关联。
29.表1
30.[0031][0032]
本领域技术人员易于理解的是,从在第二腔(13)的增压室中促进的催化反应中获得的化学物质导致化合物的合成,与燃料乙醇相比,该化合物具有更高的能量效率。众所周知的是,化合物的能量产出与该化合物的分子中存在的化学键的量直接相关。
[0033]
因此,这种合成化合物从第二腔(13)的排气喷嘴(18)流出,然后被引导至进气歧管(4)或该进气歧管(4)的上游,随后被分配至mci(1)的气缸(3)中。更具体地,所述排气喷嘴(18)连接在供给系统中位于进气歧管(4)上游并且在蝶形阀(6)下游的位置处,并且特别地位于低压区域中;通过此种方式,重整燃料实际被车辆的燃料系统吸入。
[0034]
与本发明的系统相关的其它考虑包括需要将乙醇燃料以雾化形式(pulverized form)(更优选为雾化形式和预热形式)引入第二腔(13)的增压室中,以便主要在启动发动机(1)后的初始阶段,有助于蒸发和提高重整速率。为此,由所述燃料喷射器(17)喷射的醇类燃料可以包括燃料电预热系统(冷启动系统),该燃料电预热系统与在向气缸(3)供应燃料的一个或多个燃料喷射器(9)中使用的系统相似,和/或可以使用通过在各自管道之间对流传递的mci废气热量来加热。类似地,引入重整器的环境空气或可替代地环境空气与废气的一部分的混合物可以被电预热,和/或可以使用通过各自管道之间的接触来传递的mci废气热量来加热。应当注意的是,预热是当燃料(特别为乙醇)喷射至同样被加热的重整器腔中时提高燃料蒸发的必要保证。在mci的冷操作开始而mci排气尚未热到足以将热量传递至乙醇和环境空气时,该乙醇和环境空气的电预热系统可以保持启动状态。
[0035]
由于重整的化合物可以具有较高温度,这种能量增加的部分可以在引入mci进气系统之前穿过热交换器(19)。同样,在重整的化合物进入mci进气系统之前,包括杂质过滤器(22)是较为方便的。
[0036]
在替代例中,本发明的催化重整系统可以相对于mci的启动而选择开始时机,以便仅在达到燃料重整的最小操作条件(mci的估计加热时间)后才开始燃料重整。
[0037]
在替代例中,本发明的催化重整系统可以调节成识别诸如冷却剂温度和/或环境空气温度等mci功能参数(冷发动机识别)。
[0038]
在另一替代例中,设置有两个第二腔(13),该第二腔(13)中的每一个相对于第一腔(12)横向布置。第二腔(13)中的每一个包括:增压室,其填充有催化网;进气喷嘴(16),其旨在接收环境空气和待重整燃料;排气喷嘴(18),其连接在进气歧管(4)的上游;以及燃料喷射器(17),其布置在进气喷嘴(16)的上游,以将待重整燃料喷射至相应的第二腔(13)中。
如图3所示,在该解决方案中的两个重整器(即,两个第二腔(13))相对于催化器或第一腔(12)布置在相对两侧。在此种情况下,重整器的每个第二腔(13)具有各自的进气喷嘴(16)和各自的喷射器(17)。在该解决方案中,从第一腔(12)到第二腔(13)的热交换增加。
[0039]
另外,可替代地,第一腔(12)围绕第二腔(13);或者第二腔(13)围绕第一腔(12)。在图4所示的此种结构替代例中,第二腔(13)为筒状并且完全围绕第一腔(12),使得由第一腔(12)产生的相当大部分热量被专门引导至第二腔(13)。在该解决方案的变型中(未示出),可以预见图4的所述腔之间存在倒置,即,第二筒状腔(13)由同样为筒状的第一腔(12)完全围绕。在此种情况下,能够获得与从第一腔发出并且引导至第二腔(13)的热量的百分比相关的更精确控制。另外,第一腔(12)可以围绕第二腔(13),这同样导致第二腔(13)更好利用由第一腔(12)释放的热量。
[0040]
在另一实施例中,本发明的催化重整器设备(10)的外部涂覆有隔热覆盖层(23),以便同样允许对第一腔(12)中产生的热量和传递至第二腔(13)的热量之间进行更精确控制。此外,所述隔热覆盖层(23)可以完全或部分围绕第一腔(12)和第二腔(13)。
[0041]
在另一个未示出实施例中,当本发明的催化重整器设备(10)预计安装在涡轮动力mci(1)中或设置有增压器型(supercharger-type)超供给系统时,排气喷嘴(18)连接在供给系统中涡轮增压器或增压器(supercharger)的上游位置处。
[0042]
在替代例中(参见图1),设置有空气过滤器(20)以便防止环境空气引入外来元素,从而损害第二腔(13)的增压室环境以及在此实施的反应催化剂。
[0043]
在另一个替代实施方式中,在重整产物的出口处设置集成有过滤器的热交换器,以便防止新燃料在过高温度下进入供给系统并且伴随固体杂质。
[0044]
在最后的替代例中,为了增加重整器中h2的产量,还设置有储水器(21),以便将水蒸气注入第二腔(13)内部。在此种情况下,所述储水器(21)旨在增加乙醇燃料中可能不足的最初预计水量,以保证重整器中充分生产h2。另外,如果对除燃料乙醇之外的其它燃料进行重整,这种额外的水供应将保证生产气态氢的必要原料。
[0045]
最后,本发明的方法包括利用mci废气的催化转化产生的热量以及通常在该相同排气系统(1)中排出的热量,经由催化剂对燃料进行重整的步骤。
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