專利名稱：等離子體排氣重整汽油制氫裝置及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種從含氫混合氣中分離氫的裝置和系統，進一步涉及一種等離子體排氣重整汽油制氫裝置及系統。
背景技術：
提高車用發動機經濟性與降低排放是目前社會所面臨的兩個重要課題，以往研究表明，如果采用氫氣等輔助發動機燃燒，能夠進一步擴大發動機的稀燃極限，使發動機在超過汽油可燃極限的空燃比下仍然能夠穩定工作，發動機NOx排放水平非常低，然而這種技術的推廣卻受到車載氫源的限制。因此，急需一種車載的等離子體排氣重整汽油制氫裝置及系統。
發明內容
本發明提出一種利用發動機尾氣中的水蒸氣與汽油在等離子體作用下反應的制氫裝置和系統。
制氫方式也多種多樣，目前比較成熟的方法主要有以下3種蒸氣重整(SR，Steam Reforming)，部分氧化重整(POX，Partial Oxidation),自熱重整(ATR，Auto-Thermal Reforming)。部分氧化CnHm+0.5n02- — nC0+0. 5mH2放熱反應蒸氣重整CnHm+nH20-— nCO+ (n+0. 5m) H2 吸熱反應自熱重整CnHm+aH20+0. 5 (n_a) O2- — nCO+ (a+0. 5m) H2本發明提出了一種借助冷等離子體，利用稀薄燃燒發動機排氣中的氧氣和水蒸氣對燃油進行部分氧化和蒸汽重整的方法(為了敘述方便，在本文的研究中常簡稱以等離子體排氣重整PFEGR :Plasma Fuel Exhaust Gas Reforming，或者排氣重整)以提高重整系統的能量轉換效率；并利用重整產生的富氫氣體擴大汽油機稀薄燃燒的燃燒極限，以在提高發動機經濟性的基礎上達到較低水平的NOx排放。等離子體排氣重整汽油制氫裝置，其特征在于，包括圓筒形第一電極，與第一電極共軸、內徑相同且在軸向上存在間隙的圓筒形第二電極，位于第一電極內軸心處的汽油噴油器，包覆在第一電極與第二電極間隙處的電極包覆環，包覆環與電極之間通過磁環絕緣，包覆環上至少有一個氣孔，該氣孔與發動機排氣口相連，位于第二電極端面的第二端蓋，第二端蓋上包括一個與第二電極內腔連通的重整后氣體出口。作為優選方案，所述噴油器位于噴油器座內，噴油器座嵌套在進油支架座內，進油支架座套在第一電極內。所述包覆環上的氣孔的中心線垂直于第一電極、第二電極的軸線， 且與第一電極、第二電極的軸線不相交；所述包覆環上的氣孔的中心線偏離氣孔與第一電極、第二電極的軸線最短連線25度；所述包覆環上的氣孔數量至少為2，均勻分布。與第一電極和第二電極相連的電源，電源參數為輸出頻率5_25kHz，可調；輸出電壓0 20kV，可調；最大功率lkW。所述電源包括交流低壓調壓器、整流電路，220V交流電經過交流調壓器和整流電路后，轉化成為O 300V連續可變的直流電；半橋高頻逆變電路、經過半橋高頻逆變電路后逆變為高頻的交流；高頻高壓變壓器，變壓器初次級線圈比例為100 1 ；與控制電路。
包括上述等離子氣體重整汽油制氫裝置的等離子氣體重整汽油制氫系統，還包括發動機排氣穩壓腔，該穩壓腔有1個輸入口，1個輸出口，輸入口分別于發動機排氣管相連，輸出口與等離子體排氣重整汽油制氫裝置的包覆環上的氣孔連通。本發明相對于現有技術的優點在于(一)從圖3可以看出隨著發動機采用重整比例的增加，稀燃極限逐漸增大。當發動機處于傳統稀薄燃燒狀態時，發動機在該工況下的稀燃極限在24左右，而當有20%燃油參加重整后，稀燃極限達到了 28. 3。當最大重整比例< 30%時，稀燃極限增大的程度與重整比例成正比，重整比例每增加10%，稀燃極限增大約2個空燃比單位。(二)從圖4、5可以看出發動機的稀燃極限隨著燃料重整比例的增大而增大，但是稀燃極限增大的程度隨著隨著轉速的升高和負荷的增大而有所減小，發動機稀燃極限的總體趨勢變得平順，受轉速和負荷的影響程度逐漸減小。這是由于當發動機轉速較低和負荷較小時，同樣節氣門開度時缸內殘留廢氣比例較大。隨著重整比例的增大，發動機在較大的空燃比下工作時，為保證同樣的功率輸出需要開大節氣門開度，從而內部殘留廢氣的量也逐漸減少，同時加上重整氣體對汽油燃燒速度的影響，因而使得發動機在低轉速小負荷時的稀薄燃燒極限有較大的提高。而當發動機轉速較高時，當量比工作時殘留廢氣余量本身就比較少，燃油重整對稀燃極限的影響主要來自重整氣體對汽油燃燒的作用，因此稀薄燃燒極限增大的程度有所降低。以上因素也縮小了不同轉速和負荷稀燃極限之間的差距， 轉速和負荷對稀燃極限的影響程度也逐漸減小。(三)對照圖6，當發動機采用重整時，在較小的空燃比下，重整后的油耗數值往往要高于原發動機的數值，并且重整比例越高，油耗增加的越多。比較當量比工況燃燒時重整比例分別為0和20%的數據，BSFC分別為350g/kWh、364g/kWh，后者油耗增加了約4%。隨著空燃比的繼續增大，尤其當空燃比超過未采用重整時發動機最經濟空燃比數值后，重整后的BSFC逐漸接近甚至低于無重整的BSFC數值，發動機在3000轉、0. 3Mpa工況時重整比例為0 %、10 %、20 %、30 %時最低BSFC分別為300、293、294. 6、293g/kffh，與發動機當量比時的油耗350g/kWh相比，經濟性分別提高了 14. 3%U6. 3%、15. 8%、16. 3%，可見當對燃油重整后，雖然重整會損失一部分燃料的熱值，但是發動機燃燒熱效率仍有較大程度的提高，達到甚至超過了發動機燃料未經過重整時稀薄燃燒所能夠達到的經濟性水平。在達到稀燃極限附近時比油耗迅速增加，但是相比當量比燃燒時仍然有10-12%的降低。(三)從圖7-9中可以看出，燃料重整比例對發動機三種排放物與空燃比關系的趨勢影響不大，HC和CO都保持先降低再升高的趨勢，而NOx排放呈先高后低的趨勢。隨著重整比例的增大，發動機的稀燃極限也逐漸增大，對圖中標有☆的數據進行比較發現如果將發動機保持在相應的稀燃極限附近，則隨著重整比例的增大，HC排放和CO排放有所升高， NOx排放逐漸降低。比較稀燃極限處排放與當量比處排放數值，可以看出稀燃極限處HC排放要高于當量比時的排放值，以重整比例20%為例，當量比燃燒時HC排放為400ppm，稀燃極限處HC排放為500ppm，升高的幅度達25%。CO排放雖然在稀燃極限附近又有升高的趨勢，但是最多只增大到與當量比處數據相當的程度。在稀燃極限處NOx排放與發動機當量比工作時相比有相當程度的降低，重整比例為0、10%、20%、30%時，稀燃極限處所對應排放數值分別為382ppm、205ppm、97ppm、38ppm，與當量比處的2300ppm相比，降低的幅度分別為 83%,91%,95. 8%,98. 3%0
圖1是實施例中等離子體排氣重整汽油制氫裝置示意圖，1代表第一電極，2代表第二電極，3代表汽油噴油器，4代表包覆環，5代表磁環，6代表進油支架座，7代表第一端蓋，8 代表第二端蓋，9代表噴油器座，10代表汽油入口，11代表重整后氣體出口，12代表連接發動機排氣的管道。圖2是沿圖1中A-A方向剖面圖，13代表包覆環上的氣孔。圖3給所示為發動機在轉速3000r/min、平均有效壓力0. 3Mpa工況下不同重整比例對于燃燒循環變動的影響；橫坐標代表空燃比，縱坐標代表燃油循環變動；■代表傳統稀薄燃燒狀態， 代表10%燃油參加重整，▲代表20%燃油參加重整，▼代表30%燃油參加重整。圖4是稀燃極限隨負荷的變化，發動機轉速3000r/min ；橫坐標代表平均有效壓力，單位為兆帕，縱坐標代表稀燃極限；■代表傳統稀薄燃燒狀態， 代表10%燃油參加重整，▲代表20%燃油參加重整，▼代表30%燃油參加重整。圖5是稀燃極限隨轉速的變化，平均有效壓力0. 3Mpa ；橫坐標代表轉速，單位轉 /分鐘，縱坐標代表稀燃極限；■代表傳統稀薄燃燒狀態， 代表10%燃油參加重整，▲代表20%燃油參加重整，▼代表30%燃油參加重整。圖6是發動機在轉速3000r/min、平均有效壓力0. 3Mpa工況下整體燃油比消耗隨空燃比的變化曲線；橫坐標代表空燃比，縱坐標代表比油耗，單位克/千瓦時；圖中標☆的數據點為各種重整比例稀燃極限處所對應的油耗數據，〇所標注位置為不同重整比例情況下發動機所對應的最低油耗點；■代表傳統稀薄燃燒狀態， 代表10%燃油參加重整，▲ 代表20%燃油參加重整，▼代表30%燃油參加重整。圖7是發動機在轉速3000r/min、平均有效壓力0. 3Mpa工況下，在不同重整比例下的碳氫排放隨空燃比的變化關系；橫坐標代表空燃比，縱坐標代表碳氫排放弄度，單位 PPm ；每個工況的數據都在最佳點火提前角下得到；圖中標☆處為稀燃極限所對應數據，標 〇處為燃油經濟性最高點；■代表傳統稀薄燃燒狀態， 代表10%燃油參加重整，▲代表 20%燃油參加重整，▼代表30%燃油參加重整。圖8是發動機在轉速3000r/min、平均有效壓力0. 3Mpa工況下，不同重整比例下的氮氧化物排放隨空燃比的變化關系；橫坐標代表空燃比，縱坐標代表氮氧化物排放濃度， 單位ppm ；每個工況的數據都在最佳點火提前角下得到，圖中標☆處為稀燃極限所對應數據，標〇處為燃油經濟性最高點；■代表傳統稀薄燃燒狀態， 代表10%燃油參加重整，▲ 代表20%燃油參加重整，▼代表30%燃油參加重整。圖9是發動機在轉速3000r/min、平均有效壓力0. 3Mpa工況下，發動機在不同重整比例下的一氧化碳排放隨空燃比的變化關系；橫坐標代表空燃比，縱坐標代表一氧化碳排放濃度，單位ppm;每個工況的數據都在最佳點火提前角下得到，圖中標☆處為稀燃極限所對應數據，標〇處為燃油經濟性最高點；■代表傳統稀薄燃燒狀態，眷代表10%燃油參加重整，▲代表20%燃油參加重整，▼代表30%燃油參加重整。圖10實施例裝置在發動機上實現的系統示意圖；101代表發動機，102代表汽油箱，103代表穩壓腔，104代表等離子體排氣重整汽油制氫裝置，105代表排氣管。
具體實施例方式
實施例等離子體排氣重整汽油制氫裝置，包括圓筒形第一電極1，與第一電極共軸、內徑相同且在軸向上存在間隙的圓筒形第二電極2，位于第一電極內軸心處的汽油噴油器3， 包覆在第一電極與第二電極間隙處的電極包覆環4，包覆環與電極之間通過磁環5絕緣，包覆環上至少有一個氣孔，該氣孔與發動機排氣口相連，位于第二電極端面的第二端蓋8，第二端蓋上包括一個與第二電極內腔連通的重整后氣體出口 11。所述噴油器位于噴油器座內，噴油器座嵌套在進油支架座6內，第一端蓋7壓在噴油器座之上；進油支架座套在第一電極內。所述包覆環上的氣孔13a、13b、13C、13d、13e、 13f的中心線垂直于第一電極、第二電極的軸線，且與第一電極、第二電極的軸線不相交； 所述包覆環上的氣孔的中心線偏離氣孔與第一電極、第二電極的軸線最短連線25度；所述包覆環上的氣孔數量為6，均勻分布。與第一電極和第二電極相連的電源，電源參數為輸出頻率5_25kHz，可調；輸出電壓0 20kV，可調；最大功率lkW。所述電源包括交流低壓調壓器、整流電路，220V交流電經過交流調壓器和整流電路后，轉化成為0 300V連續可變的直流電；半橋高頻逆變電路、經過半橋高頻逆變電路后逆變為高頻的交流；高頻高壓變壓器，變壓器初次級線圈比例為100 1 ；與控制電路。包括上述等離子氣體重整汽油制氫裝置的等離子氣體重整汽油制氫系統，還包括發動機排氣穩壓腔103，該穩壓腔有1個輸入口和1個輸出口，輸入口與發動機排氣管 105相連，輸出口與等離子體排氣重整汽油制氫裝置104的包覆環上的氣孔13a、13b、13c、 13d、13e、13f連通；重整后的氣體通過重整后氣體出口 11輸送到發動機的進氣口 ；對尾氣進入等離子體排氣重整汽油制氫裝置前的溫控裝置，將尾氣溫度控制在100-464攝氏溫度之間；位于等離子體排氣重整汽油制氫裝置重整氣體排出口附近的后反應區，在后反應區中填充了一些鎳棒或者瓷粒，避免高速氣流直接與反應出口直通，同時可以起到一定的催化作用，后反應區外包覆保溫層。發動機稀薄燃燒時，排氣中含有大量的氧氣，而且發動機排氣具有較高的溫度，如果將燃油直接噴入富氧的發動機排氣中，當排氣溫度超過汽油的自燃溫度時，則勢必會引發汽油在氣體管路中的直接燃燒反應，影響重整系統的效率。同時利用發動機排氣進行重整，是需要使用排氣中的水蒸氣成分進行蒸汽重整反應，如果溫度過低又會引起水蒸氣的凝結而導致重整反應，影響重整反應的效果。因此，在油氣混合之前，氣體的溫度不能超過汽油的自燃溫度，而在進入等離子體區域之前溫度不能低于水蒸氣的凝結溫度(iocrc )。 汽油在常壓下的最低自燃溫度為464°C (燃油自燃溫度隨著給定反應物的配比及其所處的環境條件而改變，當可燃混合氣壓力升高時自燃溫度降低)，因此要將油氣混合處溫度控制在464°C以下。因此在設計過程中將穩壓腔103不是直接放于排氣管(指原機所帶的鑄鐵排氣歧管)后，而是距離排氣管Im左右的距離，利用該段管道進行散熱，并且在外部設計了一個換熱器裝置以進一步對排氣進行加熱、冷卻。通過實際試驗得知，當發動機穩定工作一段時間后，即使不用穩壓腔外部換熱器情況下，穩壓腔103處溫度就能基本控制在170 400°C范圍內，氣體管道中沒有發生燃燒反應，也沒有冷凝態的水出現。
排氣與燃油進入等離子體排氣重整汽油制氫裝置104后，在高壓電源作用下，生成等離子體，產生大量的活性粒子，促進了燃油與排氣中氧氣以及水蒸氣發生重整反應。重整反應中伴隨著燃油中能量的轉移，部分氧化重整釋放一定的熱量，蒸汽重整則會吸收一定的熱量。重整在溫度較高時能夠達到化學平衡狀態，并且溫度較高時重整不會有固態炭析出，而氣體在進入等離子體區域之前溫度< 400°C，為了保證重整反應進行的徹底，應該使系統處于放熱狀態，依靠部分氧化重整放出的熱量提高自身的溫度。由于氣體流速很快 (0 30m/s)，反應物在等離子體區域時間很短，重整反應所放出的大量熱量被帶到等離子體區下游，因此在等離子體區域后側設計了一段后反應區，并在后反應區中填充了一些鎳棒或者瓷粒，一是避免高速氣流直接與反應出口直通，二是可以起到一定的催化作用。后反應區外側用陶瓷布等材料進行隔熱處理，以減少系統對外的散熱，保證重整反應的充分進行。
權利要求
1.等離子體排氣重整汽油制氫裝置，其特征在于，包括圓筒形第一電極，與第一電極共軸、內徑相同且在軸向上存在間隙的圓筒形第二電極，位于第一電極內軸心處的汽油噴油器，包覆在第一電極與第二電極間隙處的電極包覆環，包覆環與電極之間通過磁環絕緣， 包覆環上至少有一個氣孔，該氣孔與發動機排氣口相連，位于第二電極端面的第二端蓋，第二端蓋上包括一個與第二電極內腔連通的重整后氣體出口。
2.根據權利要求1所述等離子氣體重整汽油制氫裝置，其特征在于，所述噴油器的噴油頻率為700Hz。
3.根據權利要求1所述等離子氣體重整汽油制氫裝置，其特征在于，所述噴油器位于噴油器座內，噴油器座嵌套在進油支架座內，進油支架座套在第一電極內。
4.根據權利要求1所述等離子氣體重整汽油制氫裝置，其特征在于，所述包覆環上的氣孔的中心線垂直于第一電極、第二電極的軸線，且與第一電極、第二電極的軸線不相交。
5.根據權利要求4所述等離子氣體重整汽油制氫裝置，其特征在于，所述包覆環上的氣孔的中心線偏離氣孔與第一電極、第二電極的軸線最短連線25度。
6.根據權利要求5所述等離子氣體重整汽油制氫裝置，其特征在于，所述包覆環上的氣孔數量至少為2，均勻分布。
7.根據權利要求1至6任何一項所述等離子氣體重整汽油制氫裝置，其特征在于，還包括與第一電極和第二電極相連的電源，電源參數為輸出頻率5-25kHz，可調；輸出電壓 0 20kV，可調；最大功率lkW。
8.根據權利要求7所述等離子氣體重整汽油制氫裝置，其特征在于，所述電源包括交流低壓調壓器、整流電路，220V交流電經過交流調壓器和整流電路后，轉化成為0 300V連續可變的直流電；半橋高頻逆變電路、經過半橋高頻逆變電路后逆變為高頻的交流；高頻高壓變壓器，變壓器初次級線圈比例為100 1;與控制電路。
9.包括權利要求1的等離子氣體重整汽油制氫系統，其特征在于，還包括發動機排氣穩壓腔，該穩壓腔有1個輸入口和1個輸出口，輸入口與發動機排氣管相連，輸出口與等離子體排氣重整汽油制氫裝置的包覆環上的氣孔連通；重整后的氣體通過等出口輸送到發動機的進氣口。
10.根據權利要求9所述等離子氣體重整汽油制氫系統，其特征在于，還包括對尾氣進入等離子體排氣重整汽油制氫裝置前的溫控裝置，將尾氣溫度控制在100-464攝氏溫度之間；位于等離子體排氣重整汽油制氫裝置重整氣體排出口附近的后反應區，在后反應區中填充了一些鎳棒或者瓷粒，避免高速氣流直接與反應出口直通，同時可以起到一定的催化作用，后反應區外包覆保溫層。
全文摘要
本發明涉及一種等離子體排氣重整汽油制氫裝置及系統。包括圓筒形第一電極，與第一電極共軸、內徑相同且在軸向上存在間隙的圓筒形第二電極，位于第一電極內軸心處的汽油噴油器，包覆在第一電極與第二電極間隙處的電極包覆環，包覆環與電極之間通過磁環絕緣，包覆環上至少有1個氣孔，該氣孔與發動機排氣口相連，位于第二電極端面的第二端蓋，第二端蓋上包括一個與第二電極內腔連通的重整后氣體出口。本發明相對于現有技術的優點在于可以增大稀燃極限，發動機稀燃極限的總體趨勢變得平順。
文檔編號F02M27/04GK102352802SQ20111034357
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者于吉超, 張偉玉, 李萬眾, 王莉, 裴毅強 申請人:天津農學院