CN102482976A - 重整乙醇发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开经改善的内部燃烧发动机动力***(例如用于在车辆应用中产生机械动力或电力的那些)，该***使用包括含氢气体混合物的重整乙醇燃料，更具体而言，本发明公开了此类发动机和动力***的有效操作。本发明提供了操作发动机动力***的方式，其中所述的***提供了更快速的启动以及较低的成本和排放。在多种优选的实施方案中，内部燃烧发动机动力***包括使用再流通的废气和/或过量的燃烧空气作为稀释剂对引入到发动机的燃烧室或汽缸中的进入流体混合物进行稀释，使用乙醇重整物和非重整的乙醇的共混物作为燃料，以及使用稀NOx收集器对汽缸排出的废气进行后处理。
Description
技术领域
本发明总体涉及使用了重整醇燃料(包括含氢气体的混合物)的内部燃烧发动机动力***(例如用于在车辆应用中生产机械或电力的那些)，更具体而言，本发明涉及所述发动机及动力***的有效操作。
背景技术
在美国公开No.US 2004/0137288A1及″Low Temperature Reformingof Ethanol over Copper-Plated Raney Nickel：A New Route to SustainableHydrogen for Transportation，″Energy and Fuels，Vol.19，No.4，pp.1708-1716(2005)，Morgenstern et al.中，公开了在低温(例如低于大约300℃)下，使用包括镀铜Raney合金的重整催化剂将乙醇气相重整及转换为甲醇、氢气和CO/CO2的方法。
Morgenstern的美国公开No.US 2008/0010993A1公开了用于重整乙醇从而生产出含氢气和甲烷的重整物气体混合物的方法，其中所述的气体混合物可以在内部燃烧发动机中燃烧，从而提供机械或电力、以及得自发动机的用于为重整反应提供热的废气。
Morgenstern et al的这些公开内容以引用方式并入本文。
发明概述
本发明的一个实施方案涉及由包括乙醇的燃料生产机械或电力的方法。该方法包括将包括乙醇燃料的原料气体混合物与包括铜的重整催化剂在重整反应区中接触，从而生产包括氢气、甲烷和氧化碳成分的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳以及它们的混合物。可燃气体混合物在内部燃烧发动机的燃烧室中燃烧，从而生产出废气混合物。可燃气体混合物包括空气、在产物重整物气体混合物中得到的氢气和甲烷、以及包括大约5％至大约40％的在之前的燃烧中生产的废气混合物的废气流。燃烧的能量可用于生产机械或电力，至少一部分废气混合物由燃烧室排出，并且至少一部分排放的废气混合物与重整反应区进行热接触，从而加热其中的重整催化剂并冷却排放的废气混合物。
根据本发明的另一个实施方案，用于由包括乙醇的燃料生产机械或电力的方法包括将包括乙醇燃料的原料气体混合物与包括铜的重整催化剂在重整反应区接触，从而生产包括氢气、甲烷和氧化碳的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳选自一氧化碳、二氧化碳以及它们的混合物。甲烷与氧化碳成分在产物重整物气体混合物的摩尔比值为大约0.9至大约1.25，并且在重整物气体混合物中生产出甲烷的比率为至少大约50摩尔％比率的乙醇被引入到重整反应区。包括空气以及在产物重整物气体混合物中得到的氢气和甲烷的可燃气体混合物在内部燃烧发动机的燃烧室中与再流通的大约5％至大约40％的废气燃烧，从而生产出废气混合物。燃烧的能量可用于生产机械或电力，并且至少一部分排放的废气混合物与重整反应区接触，从而加热其中的重整催化剂并冷却排放的废气混合物。
在本发明的另一个实施方案中，用于由包括乙醇的燃料生产机械或电力的方法包括将包括乙醇燃料的原料气体混合物在重整反应区与包括铜的重整催化剂接触，从而生产出包括氢气、甲烷和氧化碳成分的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳和它们的混合物。将进入的流体混合物引入到内部燃烧发动机的燃烧室中。进入的流体混合物包括空气以及在产物重整物气体混合物中得到的氢气和甲烷，并且进入的流体混合物的拉姆达(λ)大于1。进入的流体混合物在燃烧室中燃烧，从而生产包括氧化氮的废气混合物，并且燃烧的能量用于生产机械或电力。至少一部分废气混合物由燃烧室中排出，并与重整反应区进行热接触，从而加热其中的重整催化剂并冷却排放的废气混合物。至少一部分排放的废气混合物通过氧化氮收集器。
在本发明的另一个实施方案中，用于由包括乙醇的燃料生产机械或电力的方法包括将包括乙醇燃料的原料气体混合物在重整反应区与包括铜的重整催化剂接触，从而生产出包括氢气、甲烷和氧化碳成分的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳和它们的混合物。进入流体混合物(包括空气，选自在产物重整物气体混合物中得到的氢气和甲烷中的燃料、非重整的乙醇以及它们的混合物)被引入到内部燃烧发动机的燃烧室中。进入的流体混合物在燃烧室中燃烧，从而生产物废气混合物，并且燃烧的能量用于生产机械或电力。至少一部分废气混合物由燃烧室中排出，并与重整反应区进行热接触，从而加热其中的重整催化剂并冷却排放的废气混合物。当在低于大约7巴IMEP下操作内部燃烧发动机时，进入的流体混合物被稀释至少大约20％，并且在进入的流体混合物中的燃料包括质量比例为大约1∶3至大约3∶1的重整乙醇和非重整乙醇的混合物。
在下文中，其他目的和特征将部分是显而易见的，而部分被指出。
优选实施方案的描述
本发明的实施方案涉及使用重整醇(例如乙醇)燃料或重整物的内部燃烧发动机(ICE)动力***，并且提供的此类***表现出改善的效率和低排放。此外，还提供了操作ICE动力***的方式，其中所述的***提供了更快的启动以及更低的成本。
本发明的一个方面为提供了在使用废气(再流通的废气或EGR)和/或过量空气在ICE的燃烧室或汽缸中的稀释水平(例如至少大约20％)，这能够同时获得高的效率以及低的排放水平，同时将废气温度保持高达足以维持醇重整器的重整反应区中进行高转化。当将废气用作稀释剂时，大约5％至大约40％的EGR水平是优选的(即，优选的是大约5％至大约40％的废气被再流通)，更优选的是大约15％至大约40％，更优选的是至少大约20％，甚至更优选的是大约30％至大约40％，然而在由循环至循环的燃烧中，更高水平可能会产生不理想的变化。当使用过量的空气时，优选的是选择化学计量所需的进入流混合物中的空气与进入流混合物的比值(通常称为拉姆达(λ))，使得废气流的温度保持足够高，从而为重整反应区提供足量的热并保持重整催化剂的活性。空气∶燃料的实际比值除以燃烧燃料的空气∶燃料化学计量比值来计算拉姆达(λ)。当将过量的空气用作稀释剂时，至少大约20％的稀释水平是优选的(相当于拉姆达(λ)的值为大约1.2)。在一些实施方案中，当燃烧通常产生大约400℃的废气温度时，1.8至2.2的拉姆达(λ)值是特别优选的。再流通的废气和过量的空气可以结合使用，从而在引入到内部燃烧发动机的燃烧室中的进入流体混合物中得到所需的稀释水平。
在过量空气策略(即，其中进入流体混合物的拉姆达(λ)大于1)的一个实施方案中，在废气机车中具有“稀NOx收集器”以便将废气中的氧化氮(例如NO、NO2；统称为NOx)的浓度减少至低水平。所述的收集器可以通过(例如)使用乙醇重整物或者备选地通过间歇性地操作发动机使其达到化学计量(即，根据需要，将吸收的流体混合物的拉姆达(λ)减小至低于1)富集来有效地再生所述的收集器。到目前为止的试验表明后一种策略(间歇性地富集发动机的操作)可能是优选的，这是因为当再生稀NOx收集器时，乙醇重整物中的甲醇仅较小程度的反应。
在涉及减少启动排放的本发明的另一个实施方案中，可以使用储存在具有延迟的点火正时的车辆上的重整物对发动机进行冷启动，以便快速地将废气的温度升高至“起燃”温度，在该温度点下，所述的催化剂转换器开始发货作用。在废气温度达到大约100℃时，可以通过将重整物燃料流供给催化剂转化器而进一步加速催化剂的起燃。
本发明的另一个方面涉及仅将用于为发动机提供燃料的一部分乙醇重整的益处(即，引入燃烧室中的进入流体混合物包括空气以及燃料混合物，该燃料混合物包括在产物重整物气体混合物得到的氢气和甲烷以及非重整的乙醇)。已经发现重整一部分乙醇并引入作为流体乙醇的平衡燃料(优选通过燃料喷射器入口)会改善大部分的操作点上的效率。此外，仅重整一部分燃料能够使醇重整器的尺寸和成分降低。通常，重整大约25％至大约75％(以质量计)的乙醇燃料是优选的(即，进入的流体混合物中的燃料包括质量比为大约1∶3至大约3∶1的重整乙醇和非重整乙醇的混合物)，而在较低的动力和较高的速度下重整大部分的燃料是有利的。
Morgenstern et al的上述公开描述这样的方法，该方法为根据等式(1)和(2)，可以在低温(例如300℃)下重整乙醇从而生产出气体的混合物(即，重整物)。所述的气体产物具有高于流体乙醇大约7％的燃烧值(或较低的发热值)。
不具有水煤气变换：
CH3CH2OH(l)→CH4+CO+H2；ΔHf＝+21.89kcal/摩尔(1)
在可任选的水煤气变换后的净反应：
CH3CH2OH+H2O→CH4+CO2+2H2 (2)
在其中将原料气体混合物引入到包括乙醇的重整器的重整反应区的实施方案中，优选的是重整过程根据反应等式(1)和(2)中所述的低温反应途径来进行(如果在乙醇原料中存在水的话，则在可任选的水煤气变化后进行)。换言之，通过将重整温度保持在优选的范围内(例如低于大约400℃，更优选的是低于350℃)，乙醇的高温分解(其主要在高温蒸汽-重整***中发生)不会显著发生。因此，优选的是所产生的产物重整物气体混合物包括氢气、甲烷和氧化碳成分，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳以及它们的混合物。优选的是，甲烷和氧化碳成分以大约等摩尔量存在于产物重整物气体混合物中。甲烷与氧化碳成分的摩尔比值为大约0.9至大约1.25，其大致是相等的。此外，优选的是不理想的甲烷化作用最小。在镍海绵负载结构的表面上包括含铜活性相的优选重整催化剂的一个重要益处在于在至多大约400℃的温度、更优选的是在至多大约350℃的重整温度下在重整器的优选操作条件下甲烷化作用是可以忽略的。
此外，当被引入到重整反应区的原料气体混合物中的醇燃料包括乙醇时，优选的是在产物重整物气体混合物中生产的甲烷的比率为乙醇原料比率的至少大约50摩尔％(即，至少大约50％的乙醇转化为甲烷)。更优选的是，至少大约60摩尔％的乙醇转化为甲烷，更优选的是，原料气体混合物中至少大约70摩尔％、至少大约80摩尔％、至少大约90摩尔％、还要更优选为至少大约95摩尔％的乙醇转化为重整物气体中的甲烷。产物重整物气体混合物优选包括不超过大约10摩尔％的乙醛以及不超过大约20摩尔％的乙醇，更优选的是，不超过大约5摩尔％的乙醛以及不抽过大约15摩尔％的乙醇。对于在金属负载结构的表面上包括含铜活性相的催化剂而言，Morgenstern et al在″Low Temperature Reforming of Ethanol overCopper-Plated Raney Nickel：A New Route to Sustainable Hydrogen forTransportation，″Energy and Fuels，Vol.19，No.4，pp.1708-1716(2005)中将动力学作为乙醇原料的比率、催化剂承载以及温度的函数来描述，使得可以容易地确定重整器的条件并根据生产具有所需组成的产物重整物气体混合物的动力***需要来进行选择。
除了燃烧值增加以外，由于在产物重整物气体混合物中存在的氢气大幅地增高了火焰的速度，从而使得即使在引入到汽缸中的进入流体混合物被过量的空气或废气稀释时仍以可接受的比率进行燃烧，所以重整乙醇有益于发动机的效率。使用稀释的进入混合物来使得效率得到改善是发动机领域公知的。稀释剂降低了汽缸中的温度，其相应地减少了通过汽缸壁到达冷却剂的热损失。此外，在部分承载下，稀释剂会减少节流损失。使用过量的空气通过降低汽缸中所述混合物的比热或伽马(γ)的比率而进一步提供改善的效率。
使用过量空气或冷却的外部废气再流通(EGR)会降低废气的温度，如果用于加热重整器的废气不能将催化剂加热至其操作温度(例如在重整器的出口处为至少大约300℃)，这所述温度的降低会不利地影响重整器的性能。另一方面，使用内部EGR可能产生比使用过量的空气或冷却的外部EGR所产生的废气的温度更高的废气，这是因为当内部EGR返回至汽缸时，其具有比冷却的外部EGR更高的温度。更具体而言，例如通过使用内部EGR升高废气的温度是有价值的，这是因为醇重整器在废气流(其提供热)和催化剂、以及所接受的进入的乙醇燃料之间起到热交换器的作用。在给定位点处每单位面积上热交换的比例与热侧和冷侧之间的温度差成正比。在不同的形式中，这种关系通过等式(3)表示，该等式得自Handbook of Heat Transfer(Rohsenow，Warren M.，Hartnett，James P.，and Cho，Young I.eds，McGraw Hill New York，1998pg 17.28)，其中dq为由热流体穿过表面积dA到达冷流体的热传递速率，并且(Th-Tc)loc为在所述位点出的温度差。
q＝(Th-Tc)locdA (3)
在这种情况下，Th-Tc相当于废气流的温度与催化剂的温度之间的差异。在重整器的出口处，催化剂的温度通常为大约300℃。因此，通过保持较热的废气温度，可以使用热交换表面积较小的醇重整器，因此降低重整器的成本和重量。此外，较小的重整器具有较低的热质，因此可以通过废热更快地达到一定的温度。优选的是在大部分的循环工况的整个过程中，将废气的温度保持为至少大约400℃，更优选的是，在一部分的循环工况过程中所述的温度保持为至少大约450℃，其中所述的循环工况需要更高比率的燃料流动通过重整器，并由此生产更高比率的热传递(例如在较低的动力和较高的速度下)。
鉴于此，在较高的发动机承载下，使用废气再流通(EGR)优于使用过量的空气。优于燃料的整体流动较高，因此在这种条件下优选的是设法确保重整器的活性得到保持。使用EGR保持较高的废气温度，并降低重整器的燃料流动的比例。此外，优选的是一部分或所有EGR为“内部EGR”而非冷却的外部EGR。废气通过冷却器并返回至进入歧管的再流通为改善发动机的排放的普通方法，但是这种方法具有降低废气温度的作用。此外，在生产车辆的过程中，取得这种高的EGR比率(即，优选为大约30％至大约40％)是具有挑战性的。而且，内部再流通的废气的较高的温度会降低节流损失。可以通过在随后的进入冲程的部分过程中保持废气气门开放(这会导致一部分排放的废气混合物返回到燃烧室或汽缸中)或者通过采用其他方式将一部分废气混合物保留在燃烧室中来完成内部EGR。在这一过程中，发生了极少的废气冷却，这使得废气的温度高于通过使用空气或冷却的废气进行相当的稀释而取得的温度。此外，废气气门的延迟开放还会通过增加废气的突然***而增加膨胀功。在具有气门的发动机上，内部EGR具有可快速调节的其他益处，其中所述的气门通过可变凸轮正时或电子控制采用可变正时来控制。这种发动机对于使用重整乙醇燃料的操作而言是优选的。
如上文所述，已经发现与使用100％重整物进行操作或者仅使用未重整的液体乙醇燃料(0％重整物)相比，仅重整一部分乙醇会提供改善的效率。重整优选份数的乙醇不仅在改善发动机效率方面是有利的，而且会减少重整器的热需求，这是由于不需要同样地蒸发和重整乙醇。下文描述重整的乙醇和液体乙醇之间的优选的***(split)。
对过量空气或EGR的使用的其他限制会导致燃烧变得不稳定，其中所述的过量的空气或EGR是由于被引入到发动机的气缸中的进入流体混合物的过量稀释的事实所导致。通常测量燃烧的稳定性作为指示平均有效压力(IMEP)的变异系数(COV)。除了在空转时，通常认为COV大于大约2％对于客车运行是不能接受的。这限制了在使用过量的化学计量或EGR水平时的空气-燃料比。
鉴于这些不同的考虑，当将废气用作稀释剂时，在本发明的一些实施方案中，大约30％至大约40％的EGR水平是特别优选的，而更高的水平在循环至循环的燃烧中往往会产生不理想的变化。如实施例中所示，将废气的温度保持在大约450℃，甚至在使用这些水平下的冷却的外部EGR时也是如此。使用过量的空气而非EGR来进行稀释，能够在较低的承载下使得效率得到更高的改善。如上文所述，在本发明的一些实施方案中，大约1.8至大约2.2的拉姆达(λ)值是优选的，而这会产生大约400℃的废气温度，以及低于大约2％的COV。更高的λ值会升高COV，并减少在优选范围之外的废气温度。Wong et al描述了大约为2的最佳λ值。
另一个方面的考虑涉及管理发动机的排放水平，以便得到或优于法律标准。对于活化点火式发动机而言，3种主要的污染物为氧化氮(NOx)、氧化碳(CO)和烃。特别是在美国，烃的标准是根据非甲烷的烃定义的。优于甲烷为燃料中唯一的烃，因此对于满足现有的烃排放需求而言，乙醇重整物为有利的燃料。而且，得自非重整的液体乙醇和机油的一些排放的烃是可预计的。
由于甲烷是有效的温室气体，所以在未来由车辆排放的甲烷是可以调节的。但是，已经发现通过燃烧乙醇重整物与E85的50-50混合物的发动机得到的发动机排放的甲醇与在相同的发动机上在相同的操作位点处由汽油得到的甲醇相当。当使用过了的空气进行操作时(拉姆达大于1)，由于废气中存在的氧气会改善催化转化器的烃氧化效率，所以排气管的排放较低。
当使用乙醇重整物时，由于快速传播的火焰，已经发现与非重整的液体乙醇和汽油燃料相比，CO和烃(不完全燃烧的两种产物)得到抑制。此外，甚至在高拉姆达(λ)下，可以通过常规的三效废气催化剂来高效地管理CO和烃的排放，只要废气的温度保持足够高从而得以维持三效催化剂的活性即可。通常，这需要废气的温度为至少大约400℃。但是，在过量的空气下(即，拉姆达(λ)值大于1)，三效催化剂在减少NOx中是无效的。
如实施例中所示，使用EGR或过量的空气进行稀释在大幅地减少NOx的排放中是有效的。当在不具有过量的空气下使用EGR进行操作时，当三效催化剂处于足够的操作温度时，通过传统的三效催化剂进一步降低NOx的水平能够得到极低的NOx水平。当使用优选范围内的过量空气进行操作时(例如拉姆达(λ)值大约为2)，发动机排放的NOx水平较低，但是它们是不可忽略的。
当使用可得到可接受的NOx水平的乙醇重整物时，具有3种优选的操作策略。
1.在整个循环工况中，使用EGR和非过量的空气(拉姆达(λ)值不大于1)进行操作。
2.对于小部分的循环工况(优选在较低的动力)而言，使用拉姆达(λ)值为大约2下进行操作，并且在整个循环工况的平衡过程中使用EGR进行操作。
3.使用大于1的拉姆达(λ)(对于大部分的循环工况而言)以及改进的后处理***(对于减少NOx，优选的选择性催化还原(SCR)或者使用稀NOx收集器)进行操作。
当策略3与内部EGR结合使用时，是特别优选的。如实施例中进一步描述的那样，可以选择用于各个操作点的拉姆达和EGR水平，以便满足上文所讨论的标准：足够的废气温度、BMEP的可接受的COV、低NOx以及高的效率。此外，由于在进入歧管处必须保持一些水平的真空以便操作PCV和其他***，所以许多发动机设置了额外的操作限制。对歧管绝对压力的限定(“MAP限定”)为发动机特异性的。对于在实施例中所述的多汽缸发动机而言，MAP限定为90kPa绝对压力。
这些限定的精确值取决于车辆和重整器的性能。例如，更高效的重整器可以耐受较低的废气温度并且较重的车辆需要对NOx进行更严格的限定。此外，由于汽缸的温度升高，所以在较高的动力操作点下预计具有较高的NOx。典型的目标为425℃的废气温度、2％的燃烧COV以及2-4g制动比NOx/千万时。
稀NOx收集器作为用于减少由贫运行发动机(即，拉姆达(λ)大于1)排放的NOx的方法是本领域公知的。如W.S.Epling et al.in Catal.Rev.，vol.46(2004)，pp 163-245所述，在贫操作的过程中，废气流中的NO通常通过铂被氧化成NO2。NO2随后被进一步氧化，并以硝酸盐的形式被吸附。在还原条件下的再生过程中，硝酸盐被还原成N2。由于由汽油中的硫所衍生的氧化硫的毒害，稀NOx收集器往往会失活，但是乙醇(以及乙醇重整物)的硫较低。稀NOx收集器的硫毒害在Matsumoto et al.(Appl.Cat.B.，vol.25(2000)，115-24)中有所描述。
根据本发明，优选的是，稀NOx收集器在醇重整器的下游被毒害。在大约300至大约400℃下未氧化是优选的，因此，在重整器中发生的废气的冷却将改善NOx收集器的性能。
在拉姆达(λ)值为大约2或者与内部或外部EGR结合下拉姆达(λ)值在1.2至2之间进行操作的过程中，NOx的水平远低于通常使用液体燃料得到的水平，从而大幅地减少了稀NOx收集器再生的频率并由此改善了燃料经济。
当三效催化剂为冷却的且失活时，在启动时的排放为造成通过循环工况的总车辆排放的主要因素。由于乙醇的汽化热高于汽油的汽化热(840kJ/kg，对于汽油而言为大约350kJ/kg)，这会导致在冷启动的过程中排放的烃和CO不完全燃烧并且水平很高，所以上述情况对于未重整的乙醇车辆而言是特别真实的。结果，在富含乙醇的燃料(例如E85)上操作发动机难以满足严格的排放标准，例如SULEV。该问题在J.A.Lupescu et al的SAE paper 2009-01-1080，“Treatment of Vehicle Emissions from theCombustion of E85 and Gasoline with Catalyzed Hydrocarbon Traps，”中更详细地描述。
在Morgenstern的美国公开No.US 2008/0010993A1中，描述了用于冷启动发动机的储存乙醇重整物的用途。此外，重整物罐在发动机变化上的承载所需的重整物中还起到缓冲瞬变现象的作用。本发明的另一个方面测定待储存的重整物的优选的量以及用于在启动时使用重整物以便得到较低的排气管排放的经改善的策略。
如实施例8中进一步描述的那样，0.575升排量的单缸发动机的启动是在使用氢气、甲烷和一氧化碳的1∶1∶1混合物(其模拟了储存的乙醇重整物)在环境温度(25℃)下实施的。在1000rpm、1.0巴净指示平均有效压力(NIMEP)下，与使用未重整的液体乙醇相比，使用重整的乙醇可以更流畅地启动发动机，并且烃排放更低。当在乙醇重整物上启动时，发现延迟大约20度点火能够使废气的温度在13秒内超过大约300℃，并且在21秒内超过大约400℃。此外，延迟点火还会在突然***过程(其会促进氧化)中通过升高温度而进一步减少烃和CO的排放。此外，在较低的压力下，使用未燃烧的混合物来承载间之体积，从而进一步减少指示烃排放率(ISHC)。
传统的三效催化剂的工作温度(或者“起燃温度”)为大约300℃及300℃以上(参见M.Shelef and R.W.McCabe，Catal.Today，vol.62，(2000)35-50)。在重整物上点火正时延迟大约20度的条件下在冷启动的过程中需要大约0.52kg/hr的燃料流动。由此，13秒的重整物(足以将废气的温度升高至400℃以上)表示1.9g燃料或2.7标准升。
在车辆发动机中储存所需的重整物的量取决于3个因素：发动机的排量；重整物的初始压力；以及为了对进入发动机的燃料进行计量所需的最小重整物储存压力。例如，如果发动机的排量为2.0升，则必须传递的重整物的量可以根据等式(4)通过对单缸研究的结果按比例缩放来计算：
1.9g重整物x(2.0L/0.575L)＝启动所需的6.5g重整物 (4)
如果初始储存压力和最小传递压力分别为7atm(绝对压力)和4atm(绝对压力)，则可以根据等式(5)计算重整物储存或缓冲罐的总容量：
6.5g重整物x(7atm.)/(4atm.)＝11.4g重整物(16.7标准升) (5)
对于在7atm压力(绝对压力)下0℃的启动温度而言，需要缓冲罐的容量为大约4加仑。由于优选的是使储存罐的体积最小以便使发动机机舱的拥挤程度最小，所以优选的是使精确计量重整物所需的缓冲罐压力最小。此外，由于可以在较低的重整物温度下将更多的重整物储存在缓冲罐中，所以优选的是在重整器与缓冲罐之间使用冷却器。发动机冷却剂或者优选的是即将进入的乙醇可以用于冷却储存的重整物。如实施例中所述，可以使用E85与乙醇重整物的混合物来得到市售多汽缸发动机的冷启动。使用50％重整物/50％E85会大幅减少CO和烃的排放。在一些实施方案中，为了减少缓冲罐所需的尺寸和压力等级，使用混合的液体燃料和重整物是优选的。
引入了醇重整器、重整物冷却器、缓冲罐和稀NOx收集器的优选重整乙醇弹性燃料动力***的示意性布局示于下图1中。将乙醇泵送通过热交换机，在此其与离开重整器的重整物进行热交换，冷却重整物并使即将进入的乙醇部分汽化。接着，乙醇通过重整器，而重整物进入到重整物缓冲罐中。可以使用不具有稀NOx收集器的相同***的构造，但是这需要将贫发动机操作被限定至循环工况的较小的部分中。
对泵送比率进行控制以便保持重整物缓冲罐中的压力设定值。这由缓冲罐上的压力传感器P1和泵的虚线所示。通过内部热电偶监测温度(标记为T)。使用废气转向阀来控制重整器的温度，其中所述的转向阀控制了按路线通过重整器的废气份数。平衡废气绕过重整器，但是所述的2种废气流在通过稀NOx收集器之前合并。为了根据需要使稀NOx收集器再生，对发动机和废气的重整物进行计量。优选的是，使三效催化剂(TWC)与废气歧管密切偶联，以用于催化剂的快速起燃。第二压力传感器P2监测泵下游的压力。当入口压力超过重整器的压力等级时，泵关闭。此外，除非重整器达到可接受的操作温度(优选为至少大约250℃)，泵才会操作。
在优选的实施方案中，缓冲罐起到分离和收集重整物流的液体成分的作用。液体优选为按路线进入到液体燃料喷射器中，但是其还可以再循环进入到燃料罐中。如果使用如图1所示的位于重整物冷却器和缓冲罐之间的重整物路径上的热交换器来进一步冷却燃料，则会增强冷凝。优选的是，液体燃料流被用作冷却剂，但是还可以使用冷却回路(其使用了发动机冷却剂)来替代或者作为液体燃料冷却的热交换器的补充。冷却后，必须接着将液体与气体重整物流分离，其中所述的重整物流定向于气体燃料喷射器。这在缓冲罐中方便的完成。
用于按照所述方法将气体与液体分开的方法是本领域公知的，并且在(M.Stewart and K.Arnold，“Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators，”Elsevier，New York，2008，pp 65-130.)中有所描述。在优选的实施方案中，重整物流由一侧进入到缓冲罐中，并对转向板产生严重的影响。所述的缓冲罐装配有水平传感器(优选的是利用电容或导电率)。通过底部控制阀***液体(其由缓冲罐中的压力驱动)来控制液体水平。气体重整物通过缓冲罐的顶部离开。优选的是，通常由编织的金属网制成的脱湿器位于缓冲罐的顶部，从而除去液滴。除雾器在(Fabian，P.；Cusack，R.；Hennessey，P.；Neuman，M.，“Demystifying the Selection of Mist Eliminators，”Chemical Engineering，Nov.1993，100/11，pp.148-56.)中有所描述。该设计在图2中示出。
在图1所示的构造中，将乙醇重整物供入到ICE的进入歧管中。在另一个优选的构造中，可以将重整物供入到孔式燃料喷射器中。但是，在任何一种情况下，优选的是使用一组孔式燃料喷射器(PFI)来计量发动机的非重整液体乙醇或汽油。这能够使液体乙醇与重整物一起使用，从而使所述的***稳健地对抗重整器活性的波动。这种波动可以由(例如)长时间的低温废气(由于空转、及随后所需的高动力的原因)所导致。
在相关的优选实施方案中，在催化剂转换器的上游而非下游供入得自缓冲罐的重整物。催化剂转换器中的贵金属可以在低于它们可以氧化烃的温度下氧化氢气和一氧化碳。如在美国公开No.US 2009/0071420A1中所述，将得自重整器的氢气和一氧化碳加入到废气流中会将催化剂的起燃温度降低至150-180℃。
图1：引入了醇重整器、重整物冷却器、缓冲罐和稀NOx收集器的重整乙醇弹性燃料动力***的示意图。
优选的是，在催化剂温度达到大约100℃并持续直到催化剂起燃时开始将重整物引入到废气流中。在该过程中，在稍贫的条件下，优选为在拉姆达(λ)值向催化剂转化器提供恰好足够的氧气从而使重整物中的氢气和CO能够燃烧的条件下操作所述的发动机。重整物的供入比率在很大程度上为催化剂活性的函数，并且可以针对特定的***凭经验容易地确定。
在美国，乙醇发动机燃料通常以E85的形式提供，其通常包括15％的汽油。但是，汽油含量可以显著高于15％。在乙醇重整器的优选操作温度(低于350℃)下，汽油不会重整。因此，特别是在冷却之后，液体汽油滴会存在于重整物中。此外，如果发生较小程度的甲烷化，或者如果含水乙醇被用作燃料，则可以存在液态水。此外，如果重整不完全，还可以存在液体乙醇。已经发现，这些液滴为“燃烧噪声”的来源。气体燃料流中的冷凝滴会使得喷射的燃料的量发生变化。因此，优选的是在重整物燃料喷射器的上游使液滴冷凝。
在优选的实施方案中，缓冲罐起到分离和收集重整物流的液体成分的作用。液体优选为按路线进入到液体燃料喷射器中，但是其还可以再循环进入到燃料罐中。如果使用如图1所示的位于重整物冷却器和缓冲罐之间的重整物路径上的热交换器来进一步冷却燃料，则会增强冷凝。优选的是，液体燃料流被用作冷却剂，但是还可以使用冷却回路(其使用了发动机冷却剂)来替代或者作为液体燃料冷却的热交换器的补充。冷却后，必须接着将液体与气体重整物流分离，其中所述的重整物流定向于气体燃料喷射器。这在缓冲罐中方便的完成。
用于按照所述方法将气体与液体分开的方法是本领域公知的，并且在(M.Stewart and K.Arnold，“Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators，”Elsevier，New York，2008，pp 65-130.)中有所描述。在优选的实施方案中，重整物流由一侧进入到缓冲罐中，并对转向板产生严重的影响。所述的缓冲罐装配有水平传感器(优选的是利用电容或导电率)。通过底部控制阀***液体(其由缓冲罐中的压力驱动)来控制液体水平。气体重整物通过缓冲罐的顶部离开。优选的是，通常由编织的金属网制成的脱湿器位于缓冲罐的顶部，从而除去液滴。除雾器在(Fabian，P.；Cusack，R.；Hennessey，P.；Neuman，M.，“Demystifying the Selection of Mist Eliminators，”Chemical Engineering，Nov.1993，100/11，pp.148-56.)中有所描述。该设计在图2中示出。
图2：具有将重整物流中的液滴分开的能力的缓冲罐设计。
此外，还可以通过在缓冲罐的上游使用波板气液分离器来改善液滴的分离。波板气液分离器在(Wilkinson，D.，“Optimizing the Design ofWaveplates for Gas-liquid Separation，”Proc.Instn.Mech.Engrs.vol 213Part E，1999，265-74)中有所描述。
可以通过优化在循环工况的各个操作点处的非重整的液体乙醇与重整物之间的分离来得到成本和效率的益处。实施例9提供了在2000rpm、8.5巴IMEP下单缸发动机的数据。在这种高动力下，使用重整物的效率几乎等于使用非重整的液体乙醇的效率。这是因为在高动力下使用液体乙醇的燃烧是快速的，从而使得由乙醇重整物提供的较快的燃烧动力学变得不那么重要。同时，使用非重整的液体乙醇会冷却汽缸中的燃料-空气攻击，从而改善效率。
使用混合的重整物和液体乙醇的操作应该转变为液体燃料的动力仅稍微取决于所使用的发动机。增大压缩比例(其会增加压缩冲程结束时汽缸中空气-燃料混合物的温度)以及使用可增加汽缸内的充量运动和涡流的装置会增加稀释能力，并且可以在5-7巴IMEP下使用具有低NOx的液体乙醇或E85进行贫操作。此外，在实施例13中所述的用于增强充量运动的充量运动控制阀是优选的。
实施例3-5示出了在大约3.5至大约6巴的IMEP值下与非重整的液体乙醇相比，使用乙醇重整物的稀释燃烧而大幅改善的效率。因此，对于该发动机而言，在低于大约7巴IMEP下使用至少一些乙醇重整物是优选的。令人吃惊的是，已经发现当大约25％至大约75％(以质量计)的燃料为具有非重整的平衡液体乙醇的重整物时，可以得到最佳的效率。优选的是，使用孔式燃料喷射器引入非重整的液体乙醇。
上述策略的优选实施方案包括在部分承载下延迟关闭废气阀和进气阀。如上文所述，延迟关闭排气阀会使得内部废气再流通(EGR)，从而减少向冷却剂的热损失以及泵送损失。在特别优选的实施方案中，这种延迟的阀关闭/内部EGR操作策略与稍微贫的空气-燃料比(其拉姆达(λ)值优选在大约1.04至大约1.4的范围内)以及废气机构中的稀NOx收集器结合使用。过量的空气会大幅改善EGR的偏差。
在另一个优选的实施方案中，在部分承载下，废气阀和进气阀的延迟开放是大致相等的，但是针对最佳的效率来调解延迟的大小。这种策略被称为“双相等凸轮延迟”，其可以在具有单一上凸轮和可变凸轮正时的发动机上试试。
以下实施例10中描述了这种策略在多缸发动机上的实施。在具有MAP限定的发动机的另一个特别优选的实施方案中，废气阀和进气阀的延迟开放是不相等的。特别是在其中歧管压力达到MAP限定的较高动力点下，优选的是限定废气阀开放的延迟程度以便不会超过MAP的限定，并且优选的是增加废气阀开放的延迟程度以便增加内部EGR。这种策略需要对阀的正时进行“双重独立的”控制，其中所述的控制比双相等凸轮延迟的成本高一些，但是其会在较高的承载操作点下提供更好的NOx和燃料经济。
如实施例中所述，当操作具有双重独立的阀正时的发动机时，根据使NOx最少并改善效率、同时保持可接受的燃烧COV以及足够的废气温度，来在特定的操作点处选择内部EGR与过量空气的最佳组合。通常使用通过延迟开放阀所取得的内部EGR与过量空气的组合而非可获得的最大拉姆达值来得到最大的热效率和最低的NOx排放。就此而言有多种原因。在较高的凸轮延迟下，较晚开放进气阀会提供较高的汽缸内偏差，这促进了燃烧并增加了发动机的稀释能力。例如，在2.62巴BMEP和1500rpm下，使用55℃A的凸轮延迟和1.35的拉姆达会得到比使用1.65的拉姆达但不具有凸轮延迟更高的稀释量。这增加了效率并降低了NOx排放。此外，在55℃A的凸轮延迟下延迟的阀重叠以及较晚的关闭进气阀事件会显著地减少进入泵功。最后，延迟的开放进气阀事件会增加膨胀功。
由于在世界上的大部分地区乙醇燃料的可利用性是有限的，因此优选的是将车辆装配分离的汽油罐，其还可以提供给孔式燃料喷射器。如果对于冷启动而言缓冲罐中的重整物不足，则可以使用汽油来冷启动车辆。
在非重整的液体乙醇和乙醇重整物上操作的发动机的效率可以通过使用增加的压缩比例来改善。但是在较高的动力下，在压缩比例高于大约10下，汽油会遭遇爆震问题。如果不必保留在汽油和乙醇上操作发动机的能力，则优选的是压缩比例可以升高至多到非重整液体乙醇的爆震极限。EPA研究报道了使用液体乙醇在压缩比例为19.5的条件下火花点火发动机的操作，但是其在较高的承载和速度下遭遇了爆震。(M.Brusstar et al.，SAE2002-01-2743).In a later study using E85，the compression ratio wasreduced to 16.3(M.Brusstar and C.L Gray Jr.，SAE 2007-01-3993)。
升高压缩比例通常需要增加燃烧室或汽缸中的表面体积比，这往往会使燃烧淬火。因此，优选的是利用减少表面体积比的汽缸几何学。在优选的实施方案中，使用了活塞顶凹腔燃烧室的设计。
在美国公开No.US 2008/0010993A1中，Morgenstern描述了在较高的压缩比例的条件下操作汽油的策略(称为Atkinson循环)。在这种方法中，在使用汽油进行操作时，进气阀在上止点后保持开放，从而降低了有效的压缩比例。实施例7描述了在使用压缩比例为14的单缸发动机中，使用具有Atkinson循环的汽油的操作。在较低的动力下(例如实施例7中的3.5巴IMEP)，发动机不具有爆震限定并且发动机通常在汽油上操作。
在较高的动力下(例如实施例7中的8.5巴IMEP，2000rpm)，发动机受到严重的爆震限定。已经发现，如果延迟关闭进气阀的Atkinson循环策略补充以延迟点火正时，则可以得到较好的动力。这是因为即使在底止点后在65度下关闭进气阀时，发动机仍受到爆震的限定。可以通过将进气阀的关闭延迟至甚至较后的曲柄角来进一步降低有效的压缩比例，但是这限制了可以吸入到汽缸中的空气的量，从而降低了峰值发动机扭矩。通过在MBT(最大制动扭矩)正时之后延迟点火，可以得到8.5巴的IMEP。尽管在点火正时时的一些变化会损失一些效率，但是该效率仍好于在压缩比例为10下在传统的Otto循环下操作的汽油的效率，这是因为Atkinson循环提供的膨胀比例为14。
因此，在优选的实施方案中，在压缩比例为大约11至大约17的条件下，更优选为大约12.5至大约15的条件下，使用乙醇重整物作为通过上文规定的手段的发动机的主要燃料，但是当需要时还可以为发动机提供汽油作为燃料(优选为通过孔式燃料喷射器)，并且通过在压缩冲程(Atkinson循环)的过程中延迟进气阀的关闭以及使用由MBT延迟的点火正时来进行汽油操作。
在另一个优选的实施方案中，使用高辛烷汽油，并且将压缩比例限定为大约12。在这种压缩比例下，两种燃料都可以良好地操作。Nakata et al.证明在压缩比例为13的条件下，相对于92RON汽油(SAE 2006-01-3380)而言，100RON汽油和乙醇会提供改善的效率。在本实施方案中，不必使用Atkinson循环。
增加压缩比例与另一种用于改善效率和简化冷凝物的管理的策略协同作用，所述的策略可以作为本发明的一部分实施。峰值发动机扭矩会随着压缩比例而增加。实施例11示出了峰值扭矩增加大约7％，会伴随压缩比例由10∶1增加至12∶1。压缩比例的进一步增大会进一步增大扭矩。
用于改善发动机效率的普通策略为减少发动机排量，并提供强化以帮助恢复峰值扭矩。通常通过涡轮增压器提供强化，但是就本发明而言，涡轮增压通常不是优选的。通常，包括涡轮增压器会减小废气焓，这是重整器所需要的。废气焓的任何显著减小都可以导致所不需要的重整器加热的延迟。
但是，本领域的技术人员应该考虑到，由于增压器是由发动机直接驱动的，或者通过交流发电机间接驱动，所以使用机械或电力驱动的增压器与本发明结合可能是有价值的。此外，当在压缩比例增大的条件下使用乙醇燃料时，由于之前所述的压缩比例对扭矩的作用，所以在本发明中，增压机的承载被大幅减少。
在多个实施方案中，包括增压器、涡轮机型增压器是优选的。
增压作用***通常包括旁通阀，在这种情况下，旁通阀用于使压缩空气再流通返回到增压器的上游。重整物恰好在增压器的上游引入。重整物-空气混合物通过增压器而经过多个通路，特别是如下图3所示在增压器位于节流阀的上游时也是如此。由于压缩是可忽略的，所以当增压器作为混合物进行操作时，其寄生承载应该较小。
图3：具有通常开放的旁通阀的增压器用于混合重整物和空气的用途。重整物被喷洒到增压器的空气进入口处。
使用窄锥喷雾装置(例如燃料喷射器)将重整物引入到增压器上游的进入空气中。缓冲罐的压降可以使残留液体较好的雾化，这种雾化是通过气体重整物提供的推动力完成的。通过增压器扭矩刀将冷凝液滴混合到所述的流中，从而形成了不均匀的雾，或者不利地使进入歧管壁潮湿。这会防止燃烧噪声。到达不同汽缸的燃料-空气比的微小差异可以通过对由液体喷射器传递的燃料进行微调节来“消减”。
由于过量的液体可以使得液体燃料在进入歧管的表面上形成明显的积聚，从而导致在低动力发动机的瞬变过程中排放过量的烃，所以缓冲罐上游的有效冷凝对于本发明的实施方案而言仍是必须的。
经过详细地描述本发明的多个实施方案，显而易见的是在不脱离所附权利要求书定义的本发明的范围的条件下，修改和变化是可行的。
实施例
提供以下非限定性实施例来进一步说明本发明。
实施例1.本实施例提供了用于演示本发明的某些实施方案的单缸活塞发动机的描述。该发动机装配有气体孔式燃料喷射(PFI)***。发动机参数在表1中给出。
表1：发动机参数
所述的发动机具有2个进气孔、切向旋转孔和中心填注孔或高流动孔。将所述的孔设计为扭矩仪涡流比为2.6(仅仅切向旋转孔开放)以及扭矩仪涡流比为0.1(2个阀开放)。开始时，使用两个进气阀，从而使进入的空气流动最大。但是，高流动孔在后期被禁用，以便增加混合，并帮助在运行E100(100％非重整的液体乙醇)的同时防止缸径冲洗。此外，对于在高稀释比例下进行操作而言，高涡流比也是有利的。
Sturman全可调的液压阀执行(HVA)***用于所述的发动机上以便控制阀正时和阀升程。所述的***使用了受到高速数字自锁阀(代替传统的机械凸轮)控制的液压力来执行发动机的进气阀和废气阀。对于所有的3个发动机阀而言，可以独立地控制全可调升程、持续时间和正时。该***不会产生传统的凸轮阀升程概况，而是类似于高原的概况。通过在2000rpm下使节流的发动机空转的同时使进入空气流动与峰值汽缸压力最大来测定固定阀正时。
使用完全扁平的活塞，在压缩比为10∶1下得到使用标准汽油(Indolene)的数据。使用圆顶活塞，在压缩比为14∶1下得到用于乙醇重整物、非重整的液体乙醇(E100)以及它们的共混物的所有数据。
Sturman软件控制了点火正时，也控制了燃料脉宽。调节进入节流以及燃料脉宽以控制发动机承载以及在各个发动机速度下的空气-燃料比。控制点火正时以便使扭矩最大并避免爆燃。
此外，所述的发动机还装配有EGR阀和冷却器。确定EGR阀的大小以便替代至多50％的具有废气的进气质量。EGR冷却器能够将废气的温度由1000℃降低至120℃。
为了获得高速数据，使用AVL Indimeter 619。通过AVL IndiWin软件计算所有燃烧相关的参数，例如指示平均有效压力(IMEP)以及50％已燃质量分数位置的曲柄角(CA50)。在以下实施例中所示的所有数据都计算为净值，除了压缩和膨胀冲程以外，所述的值包括进气和废气冲程的效果(即，一体化，超过720度曲柄角)。在进入歧管中使用已测压力和温度来计算容积效率。燃烧始点(SOC)定义为其中5％的质量分数被燃烧的位置。根据低热值(LHV)来计算热动力效率。使用传统的方法测定所有其他报告的参数。
大部分的排放测量都是使用AVL CEB II原始排放台架测试(rawemissions bench)进行的。该装置对烃(HC)、CO、CO2、O2和NOx进行了连续的测量。使用手持装置(其使用了比色管)来进行醛测量。使用手持泵，将废气由废气流中的孔引入通过经过预校准的管。测量记录为每百万份(ppm)，并根据总的废气流动、IMEP和发动机速度转换为g/kWh。
在这些使用中使用了3种燃料。标准的汽油“Indolene”(ConocoPhillips)、非重整的变性汽油(The Andersons，Albion MI，96.3重量％的乙醇)以及模拟的乙醇重整物。该模拟的重整物包括氢气、一氧化碳和甲烷的1∶1∶1(mol∶mol∶mol)混合物，并且偏差为2％，而且代表了根据上文Morgenstern et al所述的公开内容预计产生的重整物。
将2种液体燃料通过孔式燃料喷射器喷射。将模拟的重整物喷射到EGR阀上游的进入***中。其在3巴压力和25℃的温度下供入。以标准升/分钟(SLPM)测量流动的量，并将其转换为kg/h，并最后报告为总燃料质量的百分率。
实施例2.本实施例提供了在实施例1所述的发动机中在压缩比例为10∶1、采用节流门全开(WOT)下使用汽油产生的数据。结果示于表2中。在该表以及随后的表中，使用以下缩写：
NISFC＝净指示燃料消耗率
NITE＝净指示热效率
NIMEP＝净指示平均有效压力
COV＝NIMEP的变动系数
SA＝上止点前的曲柄角度的点火提前(deg BTDC)
ISCO＝净指示CO排放率
ISHC＝净指示烃排放率
ISNOX＝净指示NOx排放率
EGT＝废气温度
在本实施例以及随后所有的实施例中，所示的排放值为“发动机排放”并且不反应后处理的作用。
表2.在WOT下的汽油
实施例3.本实施例列出了在1500rpm、3.5巴NIMEP下使用压缩比例为14和非重整的液体乙醇燃料(E100)、以及使用了废气再流通或高空气/燃料比的模拟重整物对实施例1的发动机进行操作的数据。在该实施例开始时，报告了另一个效率公式：
Eff.NITE＝有效的净指示热效率
该公式列出了与乙醇的燃烧值相当的乙醇重整物的燃料值(LHV)。本发明包括废气热驱动乙醇向乙醇重整物的转化的用途。由于废气热实际上是发动机产生的废热，所以使用废气热来驱动重整器不会构成效率损失。Eff NITE公式为如果重整器除了将乙醇提升为重整物以外对效率不具有作用、则本发明的重整器/发动机***在将乙醇转化为机械动力所预计的效率。该参数排除了一些作用，例如额外的废气背压，该背压在集成***中可能会发生，但是预计很小。
表3.在拉姆达(λ)＝1(不具有EGR)下，与汽油和E100相比，在高空气-燃料比下的模拟的乙醇重整物(Ref)。1500rpm，3.5巴NIMEP。
表4：在拉姆达(λ)＝1(不具有EGR)下，与汽油和E100相比，使用冷却的废气再流通(EGR)的模拟的乙醇重整物(Ref)。1500rpm，3.5巴NIMEP。
实施例4.在本实施例中，在3.5巴NIMEP和多个发动机速度下，使用具有冷却的废气再流通的模拟乙醇重整物和非重整的液体乙醇的混合物来操作实施例1的发动机。针对给定的燃料混合物选择EGR的比例以便将NIMEP的COV保持低于2.3％。
所得的数据示于下表中。该数据显示为了保持乙醇重整的排放和效率益处不必将所有的乙醇燃料重整。
表5：在1000rpm、3.5巴NIMEP下，与压缩比例为10∶1的汽油相比，压缩比例为14∶1的非重整液体乙醇(E100)和模拟的乙醇重整物(Ref)的混合物的数据。
表6：在1500rpm、3.5巴NIMEP下，与压缩比例为10∶1的汽油相比，压缩比例为14∶1的非重整液体乙醇(E100)和模拟的乙醇重整物(Ref)的混合物的数据。
表7：在2000rpm、3.5巴NIMEP下，与压缩比例为10∶1的汽油相比，压缩比例为14∶1的非重整液体乙醇(E100)和模拟的乙醇重整物(Ref)的混合物的数据。
实施例5.在本实施例中，在6巴NIMEP下在1500和2000rpm下使用具有冷却废气再流通的模拟乙醇重整物和非重整液体乙醇的混合物来操作实施例1的发动机。针对给定的燃料混合物选择EGR的比例以便将NIMEP的COV保持低于2.3％。
表8：在1500rpm、6巴NIMEP下，与压缩比例为10∶1的汽油相比，压缩比例为14∶1的非重整液体乙醇(E100)和模拟的乙醇重整物(Ref)的混合物的数据。
表9：在2000rpm、6巴NIMEP下，与压缩比例为10∶1的汽油相比，压缩比例为14∶1的非重整液体乙醇(E100)和模拟的乙醇重整物(Ref)的混合物的数据。
实施例6.本实施例提供了在实施例5和6中，对于模拟乙醇重整物和E100的共混物而言，在5个速度/承载点下醛的释放水平(g/kWh，以乙醛计)。增加重整物的份数会抑制醛。当使用100％的重整物时，实际上会达到完全抑制。
表10：使用E100和模拟乙醇重整物(Ref)的多种共混物以及多个EGR水平在3.5巴IMEP下进行操作的醛的水平(g/kWh)。
表11：使用E100和模拟乙醇重整物的多种共混物以及多个EGR水平在6巴IMEP下进行操作的醛的水平(g/kWh)。
实施例7.本实施例证明了使用与实施例3-5中相同的活塞，在公称压缩比例为14∶1的条件下汽油(Indolene)在实施例1的发动机中的用途。使用延迟关闭进气阀并延迟点火来防止发动机爆震。未使用EGR。
首先，在1500rpm、3.5巴NIMEP下操作发动机。在这种低承载下，发动机不具有爆震限定。因此，不必改变进气阀的关闭时间，从而提高较低的有效压缩比例。保持阀正时，并改变点火以确定MBT正时。
如所预计那样，在2000rpm、8.5巴NIMEP下，当在较高的压缩比例下运行汽油时，发动机的爆震被特别限定。为了减轻爆震，调节进气阀的关闭时间，以便得到较低的有效压缩比例。在下止点后65度关闭阀会提供最高的NIMEP，但是仍要对发动机进行爆震限定。通过延迟点火正时来消除爆震。
表12：在1500rpm、3.5巴NIMEP下，在压缩比例为10∶1和14∶1下的汽油的数据。
表13：在2000rpm、8.5巴NIMEP下，在压缩比例为10∶1和14∶1下的汽油的数据。
实施例8.本实施例描述在室内环境温度(大约25℃)下实施例1的发动机的冷启动。对于第一次冷启动试验而言，在1000rpm、1.0巴NIMEP下，并且在流体温度被设定至25℃下，使用100％的重整物来启动发动机。发动机立即启动，并且燃烧特别稳定，如特别低的NIMEP的COV所指示，如图4所示。此外，当使用100％的E100时，发动机也立即启动。但是，燃烧的稳定性较差，如很高的NIMEP的COV以及很高的ISHC排放所指示(图5)。
在随后的试验中，将点火正时在上止点后延迟15和20度，以便更快速地升高废气的温度，并在较早的时间内使催化剂转换器起燃。废气温度的较快的升高如图6所示。但是延迟点火会升高燃料的消耗，如图7所示。
图4：在MBT点火正时下，使用重整物和E100对实施例1的发动机进行25℃的冷启动的净指示平均有效压力的变动系数。
图5：在MBT点火正时下，使用重整物和E100对实施例1的发动机进行25℃的冷启动的烃排放(ppm)。
图6：在MBT点火正时下，使用模拟的乙醇重整物和E100对实施例1的发动机进行25℃的冷启动的烃排放(ppm)。
图7：在MBT及延迟的点火正时下，使用乙醇重整物对实施例1的发动机进行冷启动的燃料消耗。
实施例9.在本实施例中，在8.5巴NIMEP和2000rpm的发动机速度下使用具有冷却的废气再流通的重整物与液体乙醇的混合物来操作实施例1的发动机。数据示于下表中。
对于在2000rpm、8.5巴NIMEP下的这种高承载操作点而言，通过在节流条件下发动机能够流动的总体进入质量的量来限定重整物流动的量以及EGR的量。鉴于此，在仍保持8.5巴NIMEP的同时在100％乙醇的情况下仅取得25％的EGR。对于75％重整物的情况下，仅取得15％的EGR。清楚的是，就热效率而言，在这操作点上重整燃料是不利的。事实上，通过运行不具有重整物流动的25％的EGR可以取得相同的热效率以及较低的ISNOx排放。而且，在这种操作点上，重整会提供较低的烃排放。
表14：在2000rpm、8.5巴NIMEP下与压缩比例为10∶1的汽油相比，在压缩比例为14∶1下乙醇(“E100”)与重整物燃料的混合物的数据。
实施例10.本实施例描述了使用乙醇重整物和E85燃料进行操作的Ford 5.4升8汽缸发动机的改进。所述的发动机的每个具有双相等凸轮延迟能力的汽缸上具有3个阀。通过增加活塞高度将压缩比例增加至12∶1，通常保持完全扁平的活塞顶。
通过孔式燃料喷射器喷射E85或汽油。使用Quantum(P/N 110764-001)制造的氢气燃料喷射器在进气孔中恰好在液体燃料的上游引入重整物燃料。使用不锈钢管加入外部EGR能力，从而使废气流由发动机的右翼废气歧管凸缘定向于EGR阀。发动机的说明书在表15中给出。
表15：使用乙醇重整物和E85燃料操作的8汽缸发动机的发动机说明书
将重整物引入到催化剂转换器上游的废气机构中。设置在废气流中的转向阀控制了定向于重整器的废气流动的量。将具有2个6”x6”时效砖的5.6L体积的LNT设置在重整器的下游。在以下实施例中，由多个试验得到数据，其中在所述的试验中未使用重整器，并由装有氢气、甲烷和一氧化碳的1∶1∶1(mol∶mol)混合物的汽缸直接供入重整物。这起到了更清楚地定义发动机操作策略对效率和排放的影响的作用。
实施例11.使用98RON汽油和公认的E85，在压缩比例分别为10∶1和12∶1的条件下针对实施例10的发动机在节流阀全开(WOT)的条件下测量发动机的扭矩。压缩比例的增大以及E85的有利的辛烷等级会使最大扭矩在发动机速度的范围内增加5-10％。数据示于表16中。
表16：在CR为10∶1下使用98RON汽油以及在CR为12∶1下使用E85的扭矩。节流阀全开。
实施例12.本实施例比较了循环工况中3个代表性的恒定状态点下的发动机效率和排放。对于所有的点都使用最大制动扭矩(MBT)点火正时。针对98RON汽油和液体E85分别优化发动机的操作条件，并与得自汽缸和液体E85的“模拟重整物”混合燃烧(50/50)。两种液体燃料未表现出足够的稀释偏差，从而能够在拉姆达大于1以及可接受的COV和NOx的条件下操作。因此，相应于可获得的最大凸轮延迟来选择汽油和E85的最佳点，同时保持可接受的燃烧COV。相似地，根据在可接受的燃烧COV以及大约425℃的废气温度条件下的效率和NOx选择使用重整物/E85的最佳操作点。如说明书中所讨论的那样，这通常不是拉姆达最高的点。
与示出了得自单缸发动机的数据的实施例不同，上述数据是在具有排放和效率的“制动”基础上提供的，其被称为发动机产生的实际动力，而非指示动力。对于一个操作点(1200rpm，1.95巴BMEP)而言，由于试验问题未得到汽油的数据。
缩写：
COV：IMEP变动系数
BSFC：制动燃料消耗率
BTE：基于供入燃料的低热值(LHV)的制动热效率
Eff BTE：基于用于重整物的乙醇的低热值的制动热效率，其模拟了重整器-发动机***的有效效率
COV：每汽缸每转的动力变动系数
MAP：歧管绝对压力
SA：上止点前的点火提前
BSCO：得自发动机的制动一氧化碳排放率
BSHC：得自发动机的制动总体氢气排放率
BSCH4：得自发动机的制动甲烷排放率
BSNOx：得自发动机的制动NOx排放率
EGT：催化剂转换器上游的废气温度，其为2排废气的温度的平均值
表17：在1500rpm、2.62巴BMEP下，在压缩比例为10∶1的条件下使用98RON汽油，在压缩比例为12∶1的条件下使用使用单独的E85或50-50模拟乙醇重整物混合物(E85/Ref)，由实施例10所述的发动机得到的数据。所示的数据为如说明书中所述的优化的操作点下的数据。
表18：在1200rpm、1.95巴BMEP下的数据
实施例13.本实施例示出了在较高的动力操作点、1200rpm以及4.33巴BMEP下与实施例12相似的数据。在所述的点处，基本的凸轮延迟为50℃A。这在所述的操作点处提供了极高的MAP，该MAP已经与90kPa的极限及其接近。为了增大拉姆达，必须持续地减小凸轮延迟，以便提供增加稀释的时机。凸轮延迟减小会使得汽缸内的充量运动减小，这会降低发动机的稀释极限。所述的发动机装配有2006MY原型进入歧管，该歧管包括充量运动控制阀(CMCV)。CMCV可以用于增加涡流并促进燃烧。由于凸轮延迟的水平较高并且在燃烧室中吸入罩的高度增加使得CMCN不是必须的，所以在2009MY发动机中不实用CMCV。但是，就所述的操作点而言，由于需要低水平的凸轮延迟，所以方便的是使用CMCV以便促进涡流混合，从而进一步增加稀释的极限。表19中的数据反应了用于E85和E85/重整物(但未用于汽油)的CMCV的用途。
表19.在1200rpm、4.33巴BMEP下的数据
实施例14.本实施例提供了在空转下用于实施例12的发动机的数据。由所讨论的其他部分承载点来看，发动机的空转是独特的。在空转下低得EGT会抑制高拉姆达的使用。此外，在空转速度下低的发动机油压会防止VCT施加凸轮延迟的使用，从而增加内部残余物。因此，增加稀释的唯一可行的方法是使用外部EGR。所述的方法通常不会与汽油或E85结合使用，这是因为其会降低空转的稳定性。
对于E85及50％重整物的情况而言，发动机在空转下是稳定的。但是，重整物情况具有稍快0-10％的燃烧持续时间，并且HC的排放会被氢气促进的燃烧显著地减少。因此，由于在这种低承载下，增高的EGR回进一步增加HC的排放，所以EGR扫气仅用重整物来进行。所述所述的2种情况而言，由于使用LNT允许贫燃烧，所以拉姆达稍微增大至1.04，从而减少CO的排放，由此改善燃料的燃烧。在空转时，BMEP的较小的变动可以使燃烧稳定性、燃料消耗以及排放测量(如果以传统方式报告)发生较大的改变。因此，燃烧的稳定性由IMEP的SD指示，并且燃料消耗以及排放以克/小时/升发动机排放(g/Lh)来报告。
对于重整物的情况而言，在未遭遇任何稳定性问题的条件下EGR由0％增大至20％。此外，增加的EGR还提供了增大的MAP，这会通过泵功的减少而减少燃料的消耗。此外，由于稀释的水平较高，所以原料气体NOx也被减少。由于这使得在LNT需要再生之前稍贫运行的时间增长，所以是重要的。
表20：在空转、525rpm以及1.0巴BMEP下的数据。在空转下，由于油压低，凸轮延迟为0，但是使用了外部EGR。
实施例15.本实施例描述了使用实施例12的发动机操作的稀NOx收集器的用途和再生。该发动机如实施例13和14所述进行贫操作，然后通过富操作发动机(拉姆达＝0.8)达几秒钟来进行再生。
图8示出了如实施例13所述在1200rpm、4.33巴BMEP下操作发动机的同时的多个再生循环。与仅使用E85以及化学计量的操作得到的347g/kWh相比，在这种操作点下使用重整物进行贫操作所取得的BSFC为327g/kWh。使用100秒贫和2秒富的LNT再生循环会使得BSFC增加1.2％，达到331g/kWh。在12∶1CR以及高内部稀释的条件下，上述过程相对于基线E85的情况而言会改善5％。
LNT的承载能力以及转化效率高度取决于LNT催化剂的温度。在该再生循环过程中，LNT的温度稍微降低。当温度稳定时，转化效率升高。这可以通过排气管NOx的减少以及CO下降的增加来表明。这些参数的变化暗示可以使用较长的承载间歇或较短的再生间歇来优化所述的点并进一步降低BSFC。
图8：1200rpm、4.33巴BMEP稀NOx收集器再生循环。
在1500rpm、2.83巴BMEP下，稀NOx收集器的再生示于图9中。对该循环而言，测定该间歇为300秒的贫燃烧，然后为4秒的富燃烧。与仅使用E858以及化学计量的操作所得到的377g/kWh相比，在上述操作下使用重整物采用贫操作得到的BSFC为362g/kWh。300秒的贫及4秒的富的LNT再生循环会使BSFC增加1.5％，达到368g/kWh。该间歇正时提供了特别高的NOx转化效率以及极低的排气管NOx。CO下降以及HC下降极高，表明间歇正时的进一步优化是必须的，并且会显著改善BSFC。而且，尽管缺乏优化，但是这种正时会使燃料燃烧相对于基线E85的情况改善2.5％。
图9：1500rpm、2.83巴BMEP稀NOx收集器的再生循环
实施例16.本实施例描述了在20℃下实施例12的发动机的冷启动测试。使用工厂校准通过Ford发动机控制单元(ECU)来控制在E85上的冷启动。就这种情况而言，拉姆达值开始富集达到0.5，以便点燃发动机。然后，使用化学计量操作，同时增加发动机速度并将点火正时延迟至15℃AATDC从而得到较高的EGT以用于TWC的快速起燃。一旦得到400℃的温度，便将发动机的速度降低至大约850rpm。保持该发动机的速度直到其被足够温暖，从而保持较低的发动机空转速度。
此外，在拉姆达值为1.0下，使用E85和重整物(得自汽缸)得到冷启动。由此，尽管化学计量的开始条件，但是在氢气的高度可燃性会导致特别快速的点燃的同时，降低燃料的消耗。
重要的是，由于能够在拉姆达＝1下开始并且氢气能够快速燃烧，所以使用50-100％重整物的冷启动会大幅降低发动机排放的氢气以及排放的CO。如图10所示，单独使用E85的烃排放会超过所述设备的最大读数，但是当使用50％、75％或100％重整物时，会急剧地降低所述的水平。此外，还会急剧地降低CO的排放。
图10：在20℃下，在实施例12的发动机的启动过程中的发动机速度、拉姆达、烃以及CO的排放
当引入本发明的元件或者其优选实施方案时，冠词“a”、“an”、“the”以及“所述的”是指存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”是指包含性的，并且是指除了所列的元件以外的其他元件。
由于在不脱离本发明的范围内的条件下，在上述构造、产物和方法中可以制成多种改变，所以可以想到的是上述说明所包括的以及附图中所示的所有事物都被解释为示例性的，而不是限定的含义。
Claims (32)
1.一种用于由包括乙醇的燃料生产机械动力或电力的方法，该方法包括：
将包括所述的乙醇燃料的原料气体混合物与含铜的重整催化剂在重整反应区接触，从而生产包括氢气、甲烷和氧化碳成分的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳以及它们的混合物；
在内部燃烧发动机的燃烧室中，使可燃的气体混合物燃烧，从而生产废气混合物，所述的可燃的气体混合物包括空气、在所述的产物重整物气体混合物中得到的氢气和甲烷、以及废气流出物，其中所述的废气流出物包括大约5％至大约40％的在之前的燃烧中产生的所述的废气混合物；
使用所述的燃烧能量以用于所述的机械动力或电力的生成；
由所述的燃烧室中排出至少一部分所述的废气混合物；以及
使至少一部分所述的排出的废气混合物与所述的重整反应区进行热接触，由此加热其中的所述的重整催化剂并冷却所述的排出的废气混合物。
2.权利要求1所述的方法，其中在所述的重整反应区的出口处，所述的重整催化剂的温度低于大约400℃。
3.权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在所述的产物重整物气体混合物中甲烷与所述的氧化碳成分的摩尔比值为大约0.9至大约1.25，并且在所述的重整物气体混合物中生产出甲烷的比率为引入到所述的重整反应区的至少大约50摩尔％比率的乙醇。
4.权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其中所述的可燃的气体混合物进一步包括非重整的乙醇。
5.权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其中包括所述的废气流出物的所述的可燃的气体混合物通过以下过程生产：
在所述的随后的进入冲程过程中，通过使一部分所述的废气混合物保留在所述的燃烧室中和/或将一部分所述的排出的废气混合物牵引返回至所述的燃烧室中来使一部分所述的废气混合物进行内部再流通；和/或
在所述的排出的废气混合物与所述的重整反应区进行热接触之后，使一部分所述的冷却的废气混合物在所述的燃烧室中进行外部再流通。
6.权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其中大约5％至大约25％所述的废气混合物在所述的燃烧室中进行外部再流通。
7.权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其中大约5％至大约40％所述的废气混合物进行内部再流通。
8.权利要求7所述的方法，其中使用双相等凸轮延迟使一部分所述的废气混合物进行内部再流通。
9.权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其中在之前的燃烧中产生的大约15％至大约40％所述的废气混合物在所述的燃烧室中进行再流通。
10.权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其中在之前的燃烧中产生的大约30％至大约40％所述的废气混合物在所述的燃烧室中进行再流通。
11.一种用于由包括乙醇的燃料生产机械动力或电力的方法，该方法包括：
将包括所述的乙醇燃料的原料气体混合物与含铜的重整催化剂在重整反应区接触，从而生产包括氢气、甲烷和氧化碳成分的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳以及它们的混合物；其中在所述的产物重整物气体混合物中甲烷与所述的氧化碳成分的摩尔比值为大约0.9至大约1.25，并且在所述的重整物气体混合物中生产出甲烷的比率为引入到所述的重整反应区的至少大约50摩尔％比率的乙醇；
在内部燃烧发动机的燃烧室中，使可燃的气体混合物燃烧，从而生产废气混合物，所述的可燃的气体混合物包括空气、在所述的产物重整物气体混合物中得到的氢气和甲烷，其中所述的发动机具有大约5％至大约40的废气再流通；
使用所述的燃烧能量以用于所述的机械动力或电力的生成；以及
使至少一部分排出的废气混合物与所述的重整反应区进行热接触，由此加热其中的所述的重整催化剂并冷却所述的排出的废气混合物。
12.权利要求11所述的方法，其中在所述的重整反应区的出口处，所述的重整催化剂的温度低于大约400℃。
13.权利要求11或权利要求12所述的方法，其中所述的可燃的气体混合物进一步包括非重整的乙醇。
14.权利要求11至13中的任意一项所述的方法，其中所述的可燃的气体混合物通过以下过程生产：
在所述的随后的进入冲程过程中，通过使一部分所述的废气混合物保留在所述的燃烧室中和/或将一部分所述的排出的废气混合物牵引返回至所述的燃烧室中来使一部分所述的废气混合物进行内部再流通；和/或
在所述的排出的废气混合物与所述的重整反应区进行热接触之后，使一部分所述的冷却的废气混合物在所述的燃烧室中进行外部再流通。
15.权利要求11至14中的任意一项所述的方法，其中大约5％至大约25％所述的废气混合物在所述的燃烧室中进行外部再流通。
16.权利要求11至15中的任意一项所述的方法，其中大约5％至大约40％所述的废气混合物进行内部再流通。
17.权利要求16所述的方法，使用双相等凸轮延迟使一部分所述的废气混合物进行内部再流通。
18.权利要求11至15中的任意一项所述的方法，其中所述的可燃的气体混合物燃烧，并具有大约15％至大约40％的废气再流通。
19.权利要求11至15中的任意一项所述的方法，其中所述的可燃的气体混合物燃烧，并具有大约30％至大约40％的废气再流通。
20.权利要求1至19中的任意一项所述的方法，其中相对于所述的可燃的气体混合物中的乙醇重整物，所述的可燃的气体混合物包括至少20摩尔％非重整的乙醇。
21.一种用于由包括乙醇的燃料生产机械动力或电力的方法，该方法包括：
将包括所述的乙醇燃料的原料气体混合物与含铜的重整催化剂在重整反应区接触，从而生产包括氢气、甲烷和氧化碳成分的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳以及它们的混合物；
将进入流体混合物引入到内部燃烧发动机的燃烧室中，所述的进入流体混合物包括空气以及在所述的产物重整物气体混合物中获得氢气和甲烷，其中所述的进入流体混合物的拉姆达(λ)大于1；
使所述的进入流体混合物在所述的燃烧室中燃烧，从而生产出包括氧化氮的废气混合物；
使用所述的燃烧能量以用于所述的机械动力或电力生成；
由所述的燃烧室中排出至少一部分所述的废气混合物；
使至少一部分所述的排出的废气混合物与所述的重整反应区进行热接触，由此加热其中的所述的重整催化剂并冷却所述的排出的废气混合物；以及
使至少一部分所述的排出的废气混合物通过氧化氮收集器。
22.权利要求21所述的方法，其中在所述的氧化氮收集器的氧化氮氧化区内，使排出的废气混合物与氧化催化剂接触，以用于将氧化氮催化转化为硝酸盐。
23.权利要求22所述的方法，其中在所述的氧化氮氧化区中的所述的氧化催化剂是通过将所述的催化剂在还原条件下与所述的产物重整物气体混合物接触从而将硝酸盐转化为氮气的。
24.权利要求21至23中的任意一项所述的方法，其中所述的排放的废气混合物首先通过与所述的重整反应区进行热接触来进行冷却，然后通过所述的氧化氮收集器。
25.权利要求21至24中的任意一项所述的方法，其中在所述的重整反应区的出口处所述的重整催化剂的温度低于大约400℃。
26.权利要求21至25中的任意一项所述的方法，其中在所述的产物重整物气体混合物中甲烷与所述的氧化碳成分的摩尔比值为大约0.9至大约1.25，并且在所述的重整物气体混合物中生产出甲烷的比率为引入到所述的重整反应区的至少大约50摩尔％比率的乙醇。
27.权利要求21至26中的任意一项所述的方法，其中所述的进入的流体混合物进一步包括非重整的乙醇。
28.权利要求21至27中的任意一项所述的方法，其中当所述的发动机在低于7巴的指示平均有效压力(IMEP)下操作时，所述的进入流体混合物的拉姆达(λ)在大约1.8至大约2.2的范围内，并且所述的氧化氮收集器未发生再生。
29.一种用于由包括乙醇的燃料生产机械动力或电力的方法，该方法包括：
将包括所述的乙醇燃料的原料气体混合物与含铜的重整催化剂在重整反应区接触，从而生产包括氢气、甲烷和氧化碳成分的产物重整物气体混合物，其中所述的氧化碳成分选自一氧化碳、二氧化碳以及它们的混合物；
将进入流体混合物引入到内部燃烧发动机的燃烧室中，所述的进入流体混合物包括空气、选自在所述的产物重整物气体混合物中得到的氢气和甲烷、非重整的乙醇、以及它们的混合物；
使所述的进入流体混合物在所述的燃烧室中燃烧，从而生产出废气混合物；
使用所述的燃烧能量以用于所述的机械动力或电力生成；
由所述的燃烧室中排出至少一部分所述的废气混合物；
使至少一部分所述的排出的废气混合物与所述的重整反应区进行热接触，由此加热其中的所述的重整催化剂并冷却所述的排出的废气混合物，其中当所述的内部燃烧发动机在低于大约7巴的IMEP下操作时，所述的进入流体混合物被稀释至少大约20％，并且在所述的进入流体混合物中的所述燃料包括质量比为大约1∶3至大约3∶1的重整乙醇与非重整乙醇的混合物。
30.权利要求29所述的方法，其中使用再流通的废气混合物和/或所述燃料完全燃烧所需的过量的空气来稀释所述的进入流体混合物。
31.权利要求29或权利要求30所述的方法，其中当所述的内部燃烧发动机在大约5至大约7巴的IMEP下操作时，在所述的进入流体混合物中的所述的燃料包括质量比为大约1∶4至大约1.5∶1的重整乙醇与非重整乙醇的混合物。
32.权利要求29至31中的任意一项所述的方法，其中当所述的内部燃烧发动机在高于大约8巴的IMEP下操作时，在所述的进入流体混合物中的所述的燃料基本上由非重整的乙醇构成。
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