專利名稱：一種重整氣制備、存儲裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及車載重整反應器在線制取重整氣、重整氣存儲、重整氣供給的裝置及 其使用方法。
背景技術：
近幾年來，隨著我國汽車保有量的不斷增加，汽車消耗的石油資源也越來越多，歐 洲“世界能源技術與氣候政策展望”預計2000-2030年，世界范圍內的主要能源需求每年會 以1.8%的幅度遞增。石油危機正在不斷威脅著世界各國。與此同時，汽車尾氣中的主要污 染排放物一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、二氧化硫、煙塵微粒等對環(huán)境造成了嚴重的 污染，開發(fā)新能源與替代能源的工作刻不容緩。對于內燃機來說，氫氣長期以來被認為是最 好的替代燃料，這是由于氫氣用于汽車內燃機燃燒具有以下優(yōu)勢如單位質量能量密度高； 火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓?。氫氣的加入不但會提高內燃機的熱效率，而且會改善發(fā)動機的排放。但 是由于氫氣不易存儲與運輸，而且加氫耗時長、存在安全隱患等問題，一直沒能得到大規(guī)模 的推廣及應用。以甲醇、乙醇及醚類等液態(tài)碳氫為燃料，利用內燃機尾氣余熱，在催化劑的作用下 進行水蒸氣催化重整制氫反應，可在線產生富含氫氣的重整氣。重整氣與汽油混合燃燒提 高了發(fā)動機的制動功、熱效率，并且使發(fā)動機處于稀燃狀態(tài)，降低了最高燃燒溫度，減少了 氮氧化物的排放，從而實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。重整制氫反應雖然解決了氫氣的存儲與運輸問題，但重整氣的制備、存儲、供給受 溫度、壓力、發(fā)動機負荷和轉速的影響很大。對重整氣的有效利用還需要進一步研究。保證了氫氣的供應，而且。同時氫氣的加入代替氫氣隨車攜帶開發(fā)電子控制單元 根據(jù)排氣溫度的不同對重整燃料的流量進行調節(jié)，最終重整燃料。重整氣通過供給流量控 制電磁閥進入重整氣存儲裝置，電子控制單元根據(jù)其內部壓力調節(jié)存儲流量控制電磁閥的 開度。之后電子控制單元根據(jù)發(fā)動機的不同工況(負荷、轉速)對重整氣供給流量控制電 磁閥進行調節(jié)。最終
發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種重整氣制備、存儲裝置及其控制方法來得到富含氫氣的重整氣， 以解決氫/汽油混合燃料發(fā)動機存在的氫氣不易存儲與運輸、加氫耗時長、存在安全隱患 等問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案設計一種使用在汽車發(fā)動機系統(tǒng)中的重整氣制備、存儲及控制裝置，該裝置由重 整氣制備系統(tǒng)，重整氣存儲系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)組成，具體包括有燃料存儲裝置、燃料泵、燃 料流量控制電磁閥、重整反應器、重整氣存儲流量控制電磁閥、重整氣存儲裝置、重整氣供 給流量控制電磁閥、發(fā)動機排氣溫度傳感器、重整氣存儲裝置壓力傳感器、發(fā)動機負荷信 號、發(fā)動機轉速信號、電子控制單元。其中，
重整氣制備系統(tǒng)燃料存儲裝置依次經燃料泵和燃料流量控制電磁閥接至重整反 應器入口 ；重整氣存儲系統(tǒng)重整反應器出口經重整氣存儲流量控制電磁閥接至重整氣存儲 裝置入口，重整氣存儲裝置出口經重整氣供給流量控制電磁閥接至汽車發(fā)動機汽缸；電子控制系統(tǒng)所述發(fā)動機排氣溫度傳感器安裝在汽車的排氣管道中，所述重整 氣存儲裝置壓力傳感器安裝在重整氣存儲裝置中；發(fā)動機排氣溫度傳感器和重整氣存儲裝 置壓力傳感器的輸出信號，以及所述發(fā)動機負荷信號和發(fā)動機轉速信號接至電子控制單元 的輸入；電子控制單元的輸出的控制信號分別接至燃料泵、燃料流量控制電磁閥、重整氣存 儲流量控制電磁閥、重整氣供給流量控制電磁閥。上述重整氣制備、存儲及控制裝置在使用時，根據(jù)使用的燃料，在重整氣制備過程 中、在重整氣存儲過程中、在重整氣供給過程中都有相應的控制方法。當使用甲醇、乙醇及醚類這些液態(tài)碳氫燃料時，在重整氣制備過程中，發(fā)動機起動 后，對于不同發(fā)動機排氣溫度采用不同的燃料流量控制方法I)當電子控制單元通過發(fā)動機排氣溫度傳感器檢測到排氣溫度低于400°C時，電 子控制單元切斷燃料泵供電，同時閉合燃料流量控制電磁閥，禁止燃料進入重整反應器；II)當電子控制單元通過發(fā)動機排氣溫度傳感器檢測到排氣溫度處于400-550°C 時，電子控制單元給燃料泵供電，同時打開燃料流量控制電磁閥，并調節(jié)燃料流量控制電磁 閥至滿量程的1/2開度；III)當電子控制單元通過發(fā)動機排氣溫度傳感器檢測到排氣溫度高于550°C時， 電子控制單元調節(jié)燃料流量控制電磁閥至滿量程的開度。當使用甲醇、乙醇及醚類這些液態(tài)碳氫燃料時，在重整氣存儲過程中，對于不同的 重整氣存儲裝置壓力，采用不同的重整氣存儲流量控制方法I)電子控制單元通過重整氣存儲裝置壓力傳感器采集壓力信號。當重整氣存儲裝 置的壓力低于2. 5bar時，電子控制單元調節(jié)重整氣存儲流量控制電磁閥至滿量程開度；II)當重整氣存儲裝置的壓力處于2. 5-3. Obar時，電子控制單元調節(jié)重整氣存儲 流量控制電磁閥至滿量程的1/2開度；III)當重整氣存儲裝置的壓力高于3. Obar時，電子控制單元閉合重整氣存儲流 量控制電磁閥，禁止重整氣進入重整氣存儲裝置6。當使用甲醇、乙醇及醚類這些液態(tài)碳氫燃料時，在重整氣供給過程中，對于不同的 發(fā)動機工況，采用不同的重整氣供給流量控制方法I)當發(fā)動機的負荷低于10%、轉速低于IOOOrpm時，電子控制單元閉合重整氣供 給流量控制電磁閥，發(fā)動機處于汽油燃燒工作狀態(tài)；II)當發(fā)動機的負荷在11-30%、轉速處于1000-2000rpm時，電子控制單元調節(jié)重
整氣供給流量控制電磁閥至滿量程的1/2開度；III)當發(fā)動機的負荷在31-70%、轉速處于2001-3000rpm時，電子控制單元調節(jié) 重整氣供給流量控制電磁閥至滿量程開度；此時發(fā)動機處于重整氣/汽油混合燃燒工作狀 態(tài)；IV)當發(fā)動機的負荷高于70%、轉速高于3000rpm時，電子控制單元閉合重整氣供 給流量控制電磁閥。
本發(fā)明的有益效果是用甲醇、乙醇及醚類等液態(tài)碳氫為燃料，利用尾氣余熱生產 富含氫氣的重整氣，解決了氫/汽油混合燃料發(fā)動機存在的氫氣不易存儲與運輸、加氫耗 時長、存在安全隱患等問題。當汽車發(fā)動機處于中低負荷、轉速時，通過電子控制單元調節(jié) 重整氣的供給量，將重整氣引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)與汽油在缸內混合燃燒，提高發(fā)動機的熱 效率，降低排放。當汽車發(fā)動機處于冷起動或者高負荷、轉速時，通過電子控制單元保持重 整氣供給流量控制電磁閥處于閉合位置，從而實現(xiàn)純汽油工作模式，以保證發(fā)動機可以輸 出足夠的有效功。
圖1本發(fā)明的結構和工作原理圖。圖中1.燃料存儲裝置；2.燃料泵；3.燃料流量控制電磁閥；4.重整反應器；5.重 整氣存儲流量控制電磁閥；6.重整氣存儲裝置；7.重整氣供給流量控制電磁閥；8.發(fā)動機 排氣溫度傳感器；9.重整氣存儲裝置壓力傳感器；10.發(fā)動機負荷信號；11.發(fā)動機轉速信 號；12.電子控制單元。
具體實施例方式下面結合圖1進一步說明本發(fā)明的結構和實施方式。本裝置主要包括三部分(1)重整氣制備系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包括有燃料存儲裝置 1、燃料泵2、燃料流量控制電磁閥3、重整反應器4，其中燃料泵2將燃料存儲裝置1中的液 態(tài)燃料(醇、醚類溶液)泵入重整反應器4，燃料流量控制電磁閥3控制進入重整反應器4 的燃料的流量；(2)重整氣存儲系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包括有重整氣存儲流量控制電磁閥5、重 整氣存儲裝置6、重整氣供給流量控制電磁閥7，其中重整氣存儲流量控制電磁閥5控制進 入重整氣存儲裝置6的重整氣的流量，重整氣供給流量控制電磁閥7控制重整氣的供給流 量；(3)電子控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要包括有發(fā)動機排氣溫度傳感器8、重整氣存儲裝置壓力 傳感器9、發(fā)動機負荷信號10、發(fā)動機轉速信號11、電子控制單元12，其中電子控制單元12 通過發(fā)動機排氣溫度傳感器8采集汽車發(fā)動機排氣溫度信號，分別控制燃料泵2、燃料流量 控制電磁閥3，電子控制單元12通過重整氣存儲裝置壓力傳感器9采集壓力信號，控制重整 氣存儲流量控制電磁閥5，電子控制單元12采集發(fā)動機負荷信號10、發(fā)動機轉速信號11控 制重整氣供給流量控制電磁閥7。對于重整氣制備、存儲及控制裝置的使用過程，采取了如下的控制方法1、重整氣制備過程本系統(tǒng)采用的燃料重整制氫方法為水蒸氣重整，這是由于水 蒸氣重整反應的產氫量高。該反應是吸熱反應，因此汽車排氣余熱利用不但回收了廢熱，而 且為重整反應提供了熱源。當用于重整制氫的催化劑達到起燃溫度后，燃料重整制氫的反 應才能發(fā)生。然而不同的溫度條件，催化劑所對應的轉化能力也有所不同。溫度較低時，催 化劑的活性低，重整燃料的供給量不宜過高；當溫度較高時，催化劑的活性高，重整燃料的 供給量可以逐漸加大，從而獲得較高的重整氣存儲量。因此發(fā)動機起動后，對于不同發(fā)動機 排氣溫度采用不同的燃料流量控制方法I)當電子控制單元12通過發(fā)動機排氣溫度傳感器8檢測到排氣溫度低于400°C 時，催化劑的活性較低，電子控制單元12切斷燃料泵2供電，阻止其工作，同時閉合燃料流
6量控制電磁閥3，禁止重整燃料進入重整反應器4。此時如果繼續(xù)保持燃料供應，讓重整燃 料進入重整反應器4，燃料重整制氫的反應并不充分，甚至出現(xiàn)未經反應直接進入重整氣存 儲裝置6的情況；II)當電子控制單元12通過發(fā)動機排氣溫度傳感器8檢測到排氣溫度處于 400-550°C時，電子控制單元12給燃料泵2供電，同時打開燃料流量控制電磁閥3，并調節(jié)燃 料流量控制電磁閥3至滿量程的1/2開度；III)當電子控制單元12通過發(fā)動機排氣溫度傳感器8檢測到排氣溫度高于 550°C時，電子控制單元12調節(jié)燃料流量控制電磁閥3至滿量程的開度。此時重整溫度高， 催化劑活性強，可以滿足較高流量的燃料在重整反應器4中進行重整反應。2、重整氣存儲過程重整氣制備過程中產生的重整氣不斷進入存儲裝置，本系統(tǒng) 中的重整氣存儲裝置壓力設計在3. Obar。當存儲裝置內壓力值超過設計壓力時，應閉合重 整氣存儲流量控制電磁閥5，為了迅速降低存儲裝置內的壓力，可以同時開啟重整氣供給流 量控制電磁閥7。因此對于不同的重整氣存儲裝置壓力采用不同的重整氣存儲流量控制方 法I)電子控制單元12通過重整氣存儲裝置壓力傳感器9采集壓力信號，當重整氣存 儲裝置6的壓力低于2. 5bar時，表明重整氣存儲裝置6依然具有很大的存儲空間，電子控 制單元12調節(jié)重整氣存儲流量控制電磁閥5至滿量程開度，以保證大量重整氣進入重整氣 存儲裝置6 ；II)當重整氣存儲裝置6的壓力處于2. 5-3. Obar時，表明重整氣存儲裝置6的存 儲空間接近最大值，電子控制單元12調節(jié)重整氣存儲流量控制電磁閥5至滿量程的1/2開 度，減少重整氣的收集量；III)當重整氣存儲裝置6的壓力高于3. Obar時，表明重整氣存儲裝置6的存儲空 間已經超出其極限值，電子控制單元12閉合重整氣存儲流量控制電磁閥5，禁止重整氣進 入重整氣存儲裝置6，為了迅速降低存儲裝置內的壓力，可以同時開啟重整氣供給流量控制 電磁閥7，避免壓力過高帶來的安全隱患。3、重整氣供給過程發(fā)動機正常運行過程中，負荷、轉速隨著實際工況的不同而不 斷改變，重整氣混入發(fā)動機進氣系統(tǒng)實現(xiàn)混合燃燒僅適用于中低負荷、轉速。當發(fā)動機冷起 動或者負荷、轉速過高時，應避免重整氣進入進氣系統(tǒng)，參與內燃機燃燒；當發(fā)動機處于中 低負荷、轉速時，應適度調節(jié)重整氣的供給流量，實現(xiàn)重整氣/汽油混合燃燒，因此對于不 同的發(fā)動機工況采用不同的重整氣供給流量控制方法I)當發(fā)動機冷起動時，電子控制單元12閉合重整氣供給流量控制電磁閥7。由于 負荷、轉速過低，發(fā)動機排氣溫度不高，重整反應器4中的催化劑活性較低，導致重整氣中 氫氣分數(shù)較低。此時重整氣大部分是未反應的重整燃料，進入發(fā)動機不會起到改善燃燒的 作用。因此保持重整氣供給流量控制電磁閥7處于閉合位置，使發(fā)動機處于汽油燃燒工作 狀態(tài)；II)當發(fā)動機的負荷在10-30%、轉速處于1000-2000rpm時，電子控制單元12調
節(jié)重整氣供給流量控制電磁閥7至滿量程的1/2開度。隨著負荷、轉速的提高，汽車排氣溫 度有所提高，但并不能達到催化劑的最佳工作溫度，因此引入部分重整氣進入發(fā)動機則會 適度改善燃燒；
III)當發(fā)動機的負荷在31-70%、轉速處于2001-3000rpm時，電子控制單元12調
節(jié)重整氣供給流量控制電磁閥7至滿量程開度。此時汽車排氣溫度較高，催化劑在高溫條 件下可以將更多燃料轉化成含氫分數(shù)較高的重整氣。大量重整氣進入發(fā)動機使其處于重整 氣/汽油混合燃燒的工作狀態(tài)，較高氫氣分數(shù)的重整氣參與燃燒實現(xiàn)稀薄燃燒，可以提高 發(fā)動機的熱效率，達到節(jié)能減排的目的。IV)當發(fā)動機的負荷高于70%、轉速高于3000rpm時，電子控制單元12閉合重整 氣供給流量控制電磁閥7。由于負荷、轉速過高，發(fā)動機的燃燒屬于濃燃，需要大量消耗汽油 來提供足夠的輸出功，此時如果在發(fā)動機進氣系統(tǒng)中混入重整氣會稀釋濃然混合氣，會擠 占汽油的部分缸內空間，致使燃料燃燒釋放的能量減少，發(fā)動機的有效輸出功隨之降低，因 此保持重整氣供給流量控制電磁閥7處于閉合位置，避免重整氣的引入對發(fā)動機燃燒的影 響。本發(fā)明的有益效果是，當汽車排氣溫度較低時，通過電子控制單元閉合燃料流量 控制電磁閥，避免燃料未經重整反應直接進入重整氣存儲裝置；當汽車排氣溫度較高時，通 過電子控制單元調節(jié)燃料流量控制電磁閥至不同開度，使氫氣分數(shù)較高的重整氣不斷進入 重整氣存儲裝置，為重整氣/汽油混合燃燒做準備。當重整氣存儲裝置內壓力在設計壓力以內時，保證重整氣存儲電磁閥處于不同開 度，保證重整不斷進入重整氣存儲裝置，為重整氣/汽油混合燃燒做準備；當重整氣存儲裝 置內壓力超過設計壓力時，閉合重整氣存儲流量控制電磁閥，為迅速降低重整氣存儲裝置 的壓力，可以同時開啟重整氣供給流量控制電磁閥，避免因壓力過高帶來的安全隱患。當汽車發(fā)動機處于中低負荷、轉速時，通過電子控制單元調節(jié)重整氣供給流量控 制電磁閥至不同開度，以實現(xiàn)不同的供給量，將重整氣引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)與汽油在缸內 混合燃燒，提高發(fā)動機的熱效率，降低排放。當汽車發(fā)動機處于冷起動或者高負荷、轉速時， 通過電子控制單元保持重整氣供給流量控制電磁閥處于閉合位置。當汽車發(fā)動機處于冷起 動或者高負荷、轉速的工況下，需要濃然混合氣的缸內燃燒才能保證正常運轉。因此應處于 純汽油工作模式，才能保證發(fā)動機可以輸出足夠的有效功。
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權利要求
一種使用在汽車發(fā)動機系統(tǒng)中的重整氣制備、存儲及控制裝置，由重整氣制備系統(tǒng)，重整氣存儲系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)組成，包括燃料存儲裝置(1)、燃料泵(2)、燃料流量控制電磁閥(3)、重整反應器(4)、重整氣存儲流量控制電磁閥(5)、重整氣存儲裝置(6)、重整氣供給流量控制電磁閥(7)、發(fā)動機排氣溫度傳感器(8)、重整氣存儲裝置壓力傳感器(9)、發(fā)動機負荷信號(10)、發(fā)動機轉速信號(11)、電子控制單元(12)；其特征在于，重整氣制備系統(tǒng)燃料存儲裝置(1)依次經燃料泵(2)和燃料流量控制電磁閥(3)接至重整反應器(4)入口；重整氣存儲系統(tǒng)重整反應器(4)出口經重整氣存儲流量控制電磁閥(5)接至重整氣存儲裝置(6)入口，重整氣存儲裝置(6)出口經重整氣供給流量控制電磁閥(7)接至汽車發(fā)動機汽缸；電子控制系統(tǒng)所述發(fā)動機排氣溫度傳感器(8)安裝在汽車的排氣管道中，所述重整氣存儲裝置壓力傳感器(9)安裝在重整氣存儲裝置(6)中；發(fā)動機排氣溫度傳感器(8)和重整氣存儲裝置壓力傳感器(9)的輸出信號，以及所述發(fā)動機負荷信號(10)和發(fā)動機轉速信號(11)接至電子控制單元(12)的輸入；電子控制單元(12)的輸出的控制信號分別接至燃料泵(2)、燃料流量控制電磁閥(3)、重整氣存儲流量控制電磁閥(5)、重整氣供給流量控制電磁閥(7)。
2.一種使用在汽車發(fā)動機系統(tǒng)中的重整氣制備、存儲及控制裝置的使用方法，對于使 用甲醇、乙醇及醚類這些液態(tài)碳氫燃料的情況，在重整氣制備過程中，發(fā)動機起動后，對于 不同發(fā)動機排氣溫度采用不同的燃料流量控制方法，其特征在于I)當電子控制單元(12)通過發(fā)動機排氣溫度傳感器(8)檢測到排氣溫度低于400°C 時，電子控制單元(12)切斷燃料泵(2)供電，同時閉合燃料流量控制電磁閥(3)，禁止燃料 進入重整反應器(4)；II)當電子控制單元(12)通過發(fā)動機排氣溫度傳感器⑶檢測到排氣溫度處于 400-550°C時，電子控制單元(12)給燃料泵(2)供電，同時打開燃料流量控制電磁閥(3)，并 調節(jié)燃料流量控制電磁閥(3)至滿量程的1/2開度；III)當電子控制單元(12)通過發(fā)動機排氣溫度傳感器(8)檢測到排氣溫度高于 550°C時，電子控制單元(12)調節(jié)燃料流量控制電磁閥(3)至滿量程的開度。
3.一種使用在汽車發(fā)動機系統(tǒng)中的重整氣制備、存儲及控制裝置的使用方法，對于使 用甲醇、乙醇及醚類這些液態(tài)碳氫燃料的情況，在重整氣存儲過程中，對于不同的重整氣存 儲裝置壓力，采用不同的重整氣存儲流量控制方法，其特征在于I)電子控制單元(12)通過重整氣存儲裝置壓力傳感器(9)采集壓力信號。當重整氣 存儲裝置(6)的壓力低于2. 5bar時，電子控制單元(12)調節(jié)重整氣存儲流量控制電磁閥 (5)至滿量程開度；II)當重整氣存儲裝置(6)的壓力處于2.5-3. Obar時，電子控制單元(12)調節(jié)重整氣 存儲流量控制電磁閥(5)至滿量程的1/2開度；III)當重整氣存儲裝置(6)的壓力高于3.Obar時，電子控制單元(12)閉合重整氣存 儲流量控制電磁閥(5)，禁止重整氣進入重整氣存儲裝置(6)。
4.一種使用在汽車發(fā)動機系統(tǒng)中的重整氣制備、存儲及控制裝置的使用方法，對于使 用甲醇、乙醇及醚類這些液態(tài)碳氫燃料的情況，在重整氣供給過程中，對于不同的發(fā)動機工況，采用不同的重整氣供給流量控制方法，其特征在于I)當發(fā)動機的負荷低于10%、轉速低于IOOOrpm時，電子控制單元(12)閉合重整氣供 給流量控制電磁閥(7)，發(fā)動機處于汽油燃燒工作狀態(tài)；II)當發(fā)動機的負荷在11-30%、轉速處于1000-2000rpm時，電子控制單元(12)調節(jié) 重整氣供給流量控制電磁閥(7)至滿量程的1/2開度；III)當發(fā)動機的負荷在31-70%、轉速處于2001-3000rpm時，電子控制單元(12)調節(jié) 重整氣供給流量控制電磁閥(7)至滿量程開度；此時發(fā)動機處于重整氣/汽油混合燃燒工 作狀態(tài)；IV)當發(fā)動機的負荷高于70%、轉速高于3000rpm時，電子控制單元(12)閉合重整氣 供給流量控制電磁閥(7)。
全文摘要
一種重整氣制備、存儲裝置及其控制方法，涉及使用在汽車發(fā)動機系統(tǒng)中的產生、利用重整氣的裝置，由重整氣制備系統(tǒng)，重整氣存儲系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)組成，包括燃料存儲裝置(1)、燃料泵(2)、燃料流量控制電磁閥(3)、重整反應器(4)、重整氣存儲流量控制電磁閥(5)、重整氣存儲裝置(6)、重整氣供給流量控制電磁閥(7)、發(fā)動機排氣溫度傳感器(8)、重整氣存儲裝置壓力傳感器(9)、發(fā)動機負荷信號(10)、發(fā)動機轉速信號(11)、電子控制單元(12)。本發(fā)明解決了氫/汽油混合燃料發(fā)動機存在的氫氣不易存儲與運輸、加氫耗時長、存在安全隱患等問題，且及其利用電子控制單元，將重整氣引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)與汽油在缸內混合燃燒，提高發(fā)動機的熱效率，降低排放。
文檔編號F02D19/06GK101982653SQ20101052243
公開日2011年3月2日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權日2010年10月22日
發(fā)明者戴曉旭, 梁晨, 紀常偉 申請人:北京工業(yè)大學