[发明专利]重整醇动力系统

说明书

发明背景

概括而言，本发明涉及采用醇重整的动力系统，更特别地，涉及醇的 有效重整以制造含氢的气体混合物，从而用作内燃机、例如车辆动力系统 中用于产生电力或机械动力的那些内燃机中的燃料。

在运输领域中，醇，特别是乙醇，作为内燃机矿物燃料的替代品获得 了更多关注。乙醇是可再生燃料，通常源自农业生物质的发酵。与矿物燃 料不同，乙醇燃烧过程中释放的二氧化碳不会造成温室气体增加，因为燃 烧过程中释放的碳原子是作为乙醇来源的植物所固定的大气二氧化碳。

但是，醇燃料在内燃机中的应用存在相关困难。如F.Black在“An Overview of the Technical Implications of Methanol and Ethanol as Highway Vehicle Fuels，”SAE Paper 912413，1991中所报道，甲醇(15.9 兆焦/升)和乙醇(21.3兆焦/升)的低热值明显低于传统汽油(32兆焦/升)。 因此，如果以相等效率使用，必需更大体积的醇燃料，这在体积基础上降 低了乙醇对用户的价值。

此外，冷启动是以醇为燃料的发动机的问题，因为在低温，该燃料缺 乏足以形成可燃混合物的蒸气压。无水乙醇发动机在低于大约15℃(59°F) 的环境温度下不能启动。因此，在美国，乙醇通常与汽油掺合(通常，在 E85掺合物中15％汽油)，以使汽油可以在冷温度运行环境中引燃。E85 发动机可以在低温下通过大量过量供油来实现冷启动，以便将足够的挥发 性燃料压入汽缸以实现点火。这造成高含量的烃和一氧化碳排放，这一问 题因催化转化器尚未在运行温度下而显著加剧。(参见J.Ku等人， “Conversion of a 1999 Silverado to Dedicated E85 With Emphasis on Cold Start and Cold Driveability”，SAE 2000-01-0590，2000)。此外，在 较低温度下，即使使用E85和类似混合燃料也可能存在冷启动问题。作为 冷启动问题的解决方案，G.W.Davis等人在Proc.Intersoc.Energy Conver.Eng.Con.，2000，35，第303-8页中建议用氢补充E85/空气混合物。

决定内燃机效率的两个最重要变量是膨胀比和空气∶燃料比。膨胀比 是排气阀打开时汽缸中的体积与最大压缩下的体积的比率。膨胀比通常但 不总是等于压缩比。发动机的压缩比是在压缩冲程之前和之后活塞与汽缸 盖之间体积的比率。空气∶燃料比有时表示为λ，有时表示为当量比，标 作。对于燃烧的燃料，λ通过将实际空气∶燃料比除以空气∶燃料化学 计量比来计算。对于燃烧的燃料，当量比通过将实际燃料∶空气比除以燃 料∶空气化学计量比来计算。

John B.Heywood所著Internal Combustion Engine Fundamentals (McGraw Hill，New York，1988)描述了膨胀比和当量比对内燃机效率的 影响。提高发动机膨胀比改进了效率，提高λ也是如此。将λ提高高于1.0 相当于使用“较稀薄的”燃料-空气混合物(即，含有与化学计算所需的量 相比过量的空气的混合物)。

可实现的最大压缩比由爆震极限设定。提高压缩引起气体在汽缸内提 高的温度和压力，这造成自发的过早点火，被称作“爆震”。燃料的抗爆 震能力通过其辛烷值量化。甲醇和乙醇都是具有较高辛烷值的燃料，但甲 烷、氢和一氧化碳更抗爆震，并因此可以高效用在以高压缩或膨胀比运行 的内燃机中。

稀薄燃烧部分地改进了燃料效率，因为其确保燃料完全燃烧，但主要 通过降低燃烧气体的温度来实现。较低温度降低了向汽缸壁的热损失，并 改进了气体对活塞作功的热力学效率。例如，J.Keller等人在SAE Special Publication 1574，2001，第117-22页中报道，使用氢作为燃料在稀薄条件 (当量比＝0.35-0.45，相当于λ＝2.2-2.9)和高压缩比(最多20)下运行 四冲程火花点火内燃机造成最多47％的热效率。低温燃烧的另一优点是氮 氧化物(NO_x)的形成被最小化。