摘要
以乙醇-汽油混合物(E25)和汽油為基礎(chǔ)燃料，研究了現(xiàn)代汽油直噴發(fā)動機的熱化學(xué)尾氣能量回收。本研究的主要目標是減少碳排放，提高內(nèi)燃機的熱效率和燃油經(jīng)濟性。這些都符合減少碳排放的全球承諾，符合環(huán)境法規(guī)和協(xié)議。
在全尺寸Rh(銠)-Pt(鉑)催化劑上研究了利用實際廢氣成分催化重整上述燃料制氫的可能性。利用ANSYS-Chemkin進行了基于Gibbs能量最小化方法的熱力學(xué)平衡分析，探索了E25重整的關(guān)鍵反應(yīng)途徑。選擇了汽碳摩爾比和重整溫度等主要重整參數(shù)，考察了乙醇-汽油混合重整的可行性，確定了重整組分，評價了整個重整過程的效率。結(jié)果表明，乙醇在重整燃料混合物中的存在促進了吸熱反應(yīng)，并改善了富氫混合物，特別是在獲得最大熱回收的高發(fā)動機負載條件下。此外，在相同的發(fā)動機條件下，與汽油燃料改造相比，E25燃料改造有助于實現(xiàn)高達16%的二氧化碳排放。綜上所述，利用E25進行的全尺寸重整試驗結(jié)果可以證明該重整技術(shù)在實際應(yīng)用中的有效實施。
1 介紹
近年來，為了應(yīng)對化石燃料對環(huán)境的影響以及隨后的全球關(guān)注，可再生燃料的消費變得越來越重要[1]。氫作為一種環(huán)境友好型燃料，可以考慮用于汽車，并已顯示出好處，特別是在汽油直噴(GDI)發(fā)動機的基本燃燒特性方面[2,3,4,5]。這些指標包括燃燒穩(wěn)定性、效率和爆震抑制。此外，作為燃料添加劑，H2的燃燒可以帶來更高的熱效率、更大的可燃性和更寬的空氣燃料當(dāng)量比，從而可以降低缸內(nèi)溫度和NOx排放的形成。最終，H2的獨特性質(zhì)，包括高辛烷值、高火焰?zhèn)鞑ニ俾屎偷忘c火能量，有助于提高燃油經(jīng)濟性，減少碳基顆粒物、CO和CO2的排放[6]。
碳氫化合物燃料重整的主要反應(yīng)列于表1。這項工作通過一個全尺寸燃料重整器與現(xiàn)代汽油直噴發(fā)動機耦合，研究了燃料成分對催化廢氣廢熱和物種回收的作用。研究了乙醇與乙醇混合的可再生低碳燃料。通過化學(xué)平衡分析，計算最大可能的燃料轉(zhuǎn)化重整過程，并與實驗結(jié)果進行對比，了解反應(yīng)順序。為了提高現(xiàn)代直噴發(fā)動機的碳足跡和燃油經(jīng)濟性，對E25燃料在不同重整參數(shù)(反應(yīng)物組成、蒸汽與碳(S/C)摩爾比、燃料組成和發(fā)動機工況)下的重整組分、排氣熱和物質(zhì)回收率以及總重整效率進行了實驗研究。
在廢氣輔助燃料重整中，廢發(fā)動機廢氣熱量可以通過催化劑驅(qū)動的蒸汽重整(SR)和干重整(DR)等吸熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化為適用的化學(xué)能[7,8]。此外，在排氣混合氣中存在氧的情況下，完全氧化和部分氧化反應(yīng)會產(chǎn)生內(nèi)熱，從而提高混合氣溫度[9]?？捎玫暮彤a(chǎn)生的熱量將被蒸汽和干重整反應(yīng)吸收，其中重整燃料與穩(wěn)定的催化劑直接接觸，分別與發(fā)動機廢氣CO2和蒸汽通過各種途徑反應(yīng)生成H2和CO[10,11]。部分氧化的放熱特性在車用燃料重整過程中是有利的[12]。
人們對可再生燃料與石油基燃料混合的發(fā)動機和排放性能進行了廣泛的研究。由于乙醇具有可再生、含氧量高、碳鏈短、H2含量高等優(yōu)點，被認為是汽油最理想的增燃劑和燃料添加劑之一[13]。在等體積燃燒室的火花點火(SI)和壓縮點火(CI)發(fā)動機上研究了不同的汽油-乙醇混合物?？偟膩碚f，如果采用適當(dāng)?shù)目諝馊剂媳?AFR)控制，在SI發(fā)動機燃燒中采用汽油-乙醇飛濺混合可以提高發(fā)動機性能、熱效率，并且比汽油燃料排放更低。此外，由于乙醇的辛烷值較高，可以在沒有爆震風(fēng)險的情況下實現(xiàn)更高的壓縮比[14]。在發(fā)動機排放方面，乙醇-汽油混合物可以實現(xiàn)更快、更有效的燃燒過程，從而使大多數(shù)測試發(fā)動機的THCs和CO排放普遍下降。
乙醇的高氫含量、無毒、無硫和無芳烴等特性使其成為燃料重整技術(shù)的有希望的候選技術(shù)之一，其次是催化劑失活率最小和表面中毒[15]。
在形成少量輕烴(如乙醛和乙烯)的整個機制中涉及幾個反應(yīng)。在催化活性表面上形成碳質(zhì)堆積是多重副反應(yīng)的一個關(guān)鍵副作用[16,17]。在不同的溫度和催化劑范圍下，對純乙醇的蒸汽和自熱重整進行了實驗和熱力學(xué)研究[18,19,20]。低溫乙醇重整試驗采用幾種重整器設(shè)計，其中利用輕型汽車的廢氣成分和熱量來供給重整器。結(jié)果證明，乙醇燃料重整在節(jié)油和發(fā)動機減排方面是有利的[21]。
研究了利用直噴發(fā)動機尾氣進行車載乙醇蒸汽重整的方法。用幾種催化劑考察了重整性能與溫度、重整物組成和效率的關(guān)系。測試催化劑的實驗評估表明，鈷催化劑整體的H2產(chǎn)率受到催化劑活性和焦炭形成的高度限制，而鈰負載的Rh-Pt催化劑表現(xiàn)出良好的H2產(chǎn)率和選擇性[22]。由于燃料分子結(jié)構(gòu)中可用的氧含量，乙醇-汽油混合物可能限制催化劑表面碳區(qū)的發(fā)展。此外，乙醇的相當(dāng)大的反應(yīng)性和擴散性導(dǎo)致催化劑活性位點的有效利用，從而產(chǎn)生更多的H2。雖然乙醇-汽油混合物是內(nèi)燃機中化石燃料的潛在可行替代品，但其在燃料重整方面的前景仍需在實際廢氣條件下進行評估。在最近的研究中，使用汽油燃料研究了將原型全尺寸燃料重整器與GDI發(fā)動機結(jié)合使用[23,24,25,26]。將熱值增加的重整混合物再循環(huán)回發(fā)動機進氣道，可以提高發(fā)動機熱效率，減少排放(如氮氧化物、HC)。
這項工作通過一個全尺寸燃料重整器與現(xiàn)代汽油直噴發(fā)動機耦合，研究了燃料成分對催化廢氣廢熱和物種回收的作用。研究了乙醇與乙醇混合的可再生低碳燃料。通過化學(xué)平衡分析，計算最大可能的燃料轉(zhuǎn)化重整過程，并與實驗結(jié)果進行對比，了解反應(yīng)順序。為了提高現(xiàn)代直噴發(fā)動機的碳足跡和燃油經(jīng)濟性，對E25燃料在不同重整參數(shù)(反應(yīng)物組成、蒸汽與碳(S/C)摩爾比、燃料組成和發(fā)動機工況)下的重整組分、排氣熱和物質(zhì)回收率以及總重整效率進行了實驗研究。
2 材料與方法
2.1 熱力學(xué)研究
CHEMKIN 18.2被用來進行熱力學(xué)平衡計算。該方法涉及具有一致熱力學(xué)性質(zhì)的氣相反應(yīng)機制，這在生物燃料混合物重整過程的有效性以及估計重整濃度和過程效率方面特別有利。熱力學(xué)平衡分析提供了對重整過程的全面了解，并研究了包括S/C摩爾比和進口溫度在內(nèi)的主要參數(shù)對重整物組成和溫度的顯著影響。此外，該方法解釋了潛在的重整局限性，機制準確性，并便于實驗和理論比較。本研究基于Gibbs自由能法，在S/C摩爾比為2.0 ~ 4.0，操作溫度為300 ~ 800℃，固定壓力為1.0 atm的化學(xué)計量條件下，對乙醇和汽油混合物進行了熱力學(xué)平衡計算。主要的機制包包括氣相反應(yīng)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)的組合，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)得到了幾項研究的認可，并被證明與目標經(jīng)驗結(jié)果一致[8,27]。
2.2 實驗研究
一個現(xiàn)代渦輪增壓GDI發(fā)動機，其主要規(guī)格如表2所示，與一個交流測功儀相連。研究了以一定體積百分比的汽油和乙醇(25%乙醇和75%汽油)為燃料的全尺寸燃料重整器在不同發(fā)動機工況和燃油噴射速率下的重整行為[17]。重整燃料的特性如表3所示。上述燃油重整器噴射裝置包括低壓燃油泵和燃油噴射器。在3.0 bar恒定噴射壓力下，采用固定燃油量法對噴油器進行標定。測量重復(fù)三次，以盡量減少測量變異性并確?？芍貜?fù)性。PFM(脈沖頻率調(diào)制)技術(shù)，固定的開啟時間和可變頻率利用微控制器來控制燃油噴射率。因此，通過擬合R2 gt; 0.99的線性方程得到注射特性的經(jīng)驗方程。
重整試驗在一個原型燃料重整器環(huán)繞的五個催化板內(nèi)完成。CZA(鈰鋯氧化鋁)催化劑的涂層密度為3.6 g/in3，負載為3.3% Pt和1.7% Rh，位于不銹鋼翅片覆蓋的板內(nèi)，以最大限度地傳熱[26]。從排氣流到板的熱量傳遞將熱量傳遞到催化域，以促進蒸汽和干重整作為高度吸熱反應(yīng)。為了消除散熱和保溫，爐體采用隔熱膜包裹。
使用FTIR(傅里葉變換紅外光譜)MKS 2030氣體分析儀記錄轉(zhuǎn)化前后的流動成分(包括H2O、CO、CO2、CH4、THC等)。HSense (Vamp;F)法測定H2摩爾分數(shù)。為了盡量減少蒸汽和碳氫化合物的冷凝作用，樣品通過加熱管道進入測量裝置，保持在約190°C的溫度。此外，利用Testo 340煙氣分析儀測量了發(fā)動機不同工況下排氣成分中的氧摩爾分數(shù)。
發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)和化學(xué)計量工況下運行，在2100轉(zhuǎn)/分和3.5 bar IMEP下轉(zhuǎn)速為35 Nm，在2500轉(zhuǎn)/分和8.2 bar IMEP下轉(zhuǎn)速為90 Nm。各發(fā)動機工況下的廢氣成分和發(fā)動機出溫見表4。所選發(fā)動機工況與城市行駛工況下典型的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷相對應(yīng)。操作條件的選擇是為了獲得一個合適的溫度范圍(幾乎在500°C到700°C之間)、排氣流量和轉(zhuǎn)化爐輸入成分[26]。
珀爾頓玻璃管流量計位于重整器的下游，用于監(jiān)測通過催化區(qū)域的排氣體積流量。一部分廢氣從低壓點(在渦輪之后)被捕獲，并與重整燃料混合。廢氣和燃料混合物通過TWC車身周圍的中空空間。TWC內(nèi)部放熱反應(yīng)釋放的熱量使燃料蒸發(fā)和流動均勻化成為可能。實驗裝置示意圖如圖1所示。一組k型熱電偶連接到Pico-Log數(shù)據(jù)采集軟件，用于同步和連續(xù)監(jiān)測轉(zhuǎn)化爐中部的溫度分布。每個熱電偶的各自位置如圖2所示。用tc1 - 6測量了催化劑中間板長度的線性溫度分布，用tc7 - 12測量了催化劑表面的橫向溫度變化。此外，在重整器的上游和下游放置了四個熱電偶，以檢測進口和出口溫度。為了考察廢氣溫度和成分對重整混合氣和效率的影響，在兩種轉(zhuǎn)速負載工況下對發(fā)動機進行了試驗。此外，為了評估重整燃料的化學(xué)和物理影響以及燃料流量對重整結(jié)果的影響，S/C摩爾比從稀薄(S/C = 4.0)到豐富(S/C = 2.0)噴射速率變化，見表5。
測試設(shè)置
熱電偶在重整器中的位置
目錄
摘要 1 介紹 2 材料與方法 3.結(jié)果與討論 4 結(jié)論 數(shù)據(jù)可用性 參考文獻 致謝 作者信息 道德聲明 搜索 導(dǎo)航 #####3.結(jié)果與討論
3.1 重整過程的平衡分析
多反應(yīng)系統(tǒng)的吉布斯自由能總變化量由反應(yīng)物和生成物的焓變(ΔH)和熵變(ΔS)表示[28]。因此，乙醇和異辛烷的主要重整反應(yīng)的吉布斯自由能(ΔG)的變化值如圖3所示。反應(yīng)的傾向性促使它達到平衡條件下吉布斯自由能變化的最小值。如圖3所示，與WGS平行的其他參與反應(yīng)相比，異辛烷和乙醇的SR是最主要的反應(yīng)，導(dǎo)致更高的H2產(chǎn)量。然而，在較高的催化劑入口溫度下，乙醇和異辛烷的DR比SR更有利于熱力學(xué)，導(dǎo)致H2和CO2濃度降低，CO濃度增加。
參與重整反應(yīng)的吉布斯自由能
在固定的GHSV條件下，在S/C摩爾比為2.0 ~ 4.0的條件下，研究了催化劑入口溫度對E25重整產(chǎn)物組成的影響。重整油組成的溫度依賴性用化學(xué)平衡分析如圖4所示。圖4 (a)和(b)顯示，在高催化劑入口溫度下，H2/CO摩爾比在所有S/C摩爾比下都有所降低。
a H2/H2O(實線)和H2/CO2(虛線)為S/C = 2和4時催化劑入口溫度的函數(shù)，b H2/CO為S/C = 2 ~ 4時催化劑入口溫度的函數(shù)，固定GHSV ~ 17000 1/h，壓力1.0 atm
在較低溫度下，基于S/C摩爾比的H2/CO2和H2/H2O的變化幾乎相似，隨著溫度的升高，差異變得更大。廢氣中CO濃度較低，主要由重整過程中的SR和DR反應(yīng)產(chǎn)生。此外，溫度升高將有利于CO的產(chǎn)生，而DR是有利的。此外，在較低溫度下，H2產(chǎn)量的增加表明SR的貢獻越來越大，這發(fā)生在未轉(zhuǎn)化燃料與發(fā)動機或催化燃燒產(chǎn)生的可用水發(fā)生反應(yīng)時。最終，在高溫下，H2/CO摩爾比穩(wěn)定下降，H2/CO2摩爾比同時升高，表明DR反應(yīng)對該階段重整燃料的轉(zhuǎn)化有顯著貢獻。
3.2 重整過程的實驗分析
3.2.1之上重整油成分
圖5顯示了在S/C摩爾比為2.0時，重整物組成隨重整器入口溫度的變化規(guī)律。結(jié)果證實，在燃料和發(fā)動機條件下的實驗趨勢與平衡結(jié)果一致。圖5 (a)和(b)實驗證實，E25重整的H2產(chǎn)量高于純汽油重整。這是因為與乙醇重整反應(yīng)相比，汽油的SR和DR反應(yīng)更吸熱。因此，與汽油相比，乙醇的SR和DR更可行，因為它的分子鍵更弱，更容易重整[8]。
在GHSV ~ 17000 1/h, S/C 2.0條件下，對a汽油和b E25的組分進行再組合
重整產(chǎn)物的變化(如圖5所示)可以根據(jù)重整反應(yīng)順序作為入口溫度的函數(shù)來解釋。除WGS反應(yīng)外，SR反應(yīng)和DR反應(yīng)是產(chǎn)H2的三個主要反應(yīng)。在低催化劑入口溫度(發(fā)動機工況1)下，SR(相對于DR，支持SR所需的能量更少)是H2和CO生成的主要反應(yīng)，因此需要消耗H2O。而在高重整溫度(發(fā)動機工況2)下，吸熱反應(yīng)更容易發(fā)生，DR取代SR，如圖3所示。較高的操作溫度降低了WGS反應(yīng)速率，促進了WGS的反反應(yīng)，導(dǎo)致CO產(chǎn)量增加，H2/CO摩爾比降低。重整過程中H2O濃度主要受SR反應(yīng)和WGS反應(yīng)控制。最小值出現(xiàn)在發(fā)動機工況2，此時SR和WGS向產(chǎn)氫和耗水方向相同。E25重整得到的H2O摩爾分數(shù)低于純汽油，說明乙醇更有利于SR。隨著重整混合物溫度的升高，混合物中CH4的量下降(H2/CH4摩爾比升高)。在這種情況下，高溫下的甲烷化反應(yīng)導(dǎo)致CH4轉(zhuǎn)化而不是產(chǎn)生CH4。
在發(fā)動機工況2下，基于S/C摩爾比，氫氣產(chǎn)量作為CO2、CO、H2O和CH4的函數(shù)如圖6所示。對于排氣混合物中固定的蒸汽濃度，增加燃料噴射(降低S/C摩爾比)有利于H2的產(chǎn)生。在較高的進口溫度(條件2)下，DR更有利，這同時提高了CO2消耗和H2和CO產(chǎn)量，如圖5所示。
在GHSV ~ 17000 1/h和E25發(fā)動機工況2下，根據(jù)S/C摩爾比對組分進行重整
3.2.2 重整器溫度分布
對催化域內(nèi)重整過程的進一步了解可以從板內(nèi)的溫度分布分析中獲得。圖7和圖8展示了在發(fā)動機35/2100 Nm/rpm和S/C摩爾比在2.0 ~ 4.0范圍內(nèi)工作時中板內(nèi)部的線性溫度分布。在所有重整試驗中，廢氣空間速度被認為是恒定的，約為17000 1/h。
在固定GHSV ~ 17000 1/h和發(fā)動機工況1下，重整燃料E25，溫度分布隨S/C摩爾比的變化
汽油和E25, S/C 2.0和4.0,GHSV ~ 17000 1/h，發(fā)動機工況1的溫度分布
由于與原料燃料和反應(yīng)物中可用氧含量相對應(yīng)的放熱氧化反應(yīng)，在催化劑前部可以清楚地觀察到高溫區(qū)。如圖8所示，當(dāng)S/C比為4.0時，汽油燃料的升溫幅度更大，因為汽油燃料比乙醇具有更高的熱釋放率和更低的汽化熱。當(dāng)S/C摩爾比為2.0時，入口溫度較低，因為在轉(zhuǎn)化爐前更多的燃油噴射導(dǎo)致燃料汽化導(dǎo)致溫度輕微下降。
隨后，催化反應(yīng)循環(huán)的主要部分以高吸熱反應(yīng)(SR和DR)開始，導(dǎo)致溫度逐漸下降到幾乎板的中間。大部分H2都是在這一地區(qū)產(chǎn)生的。與汽油重整相比，E25重整的吸熱區(qū)更寬，支持較高的H2產(chǎn)量，同時乙醇SR和DR的吸熱性較低。
當(dāng)噴油量增加(S/C = 2.0)時，催化劑的活性部位會被額外的燃料占據(jù)。因此，催化劑表面燃料吸附空間的可用性變得具有競爭性，因此利用較長的催化劑長度來驅(qū)動主要重整反應(yīng)，如圖8所示。從催化劑長度的中間開始，由于主要排氣流通過翅片的外部傳熱，溫度曲線逐漸向上移動。
如圖9所示，發(fā)動機在35/2100和90/2500 Nm/rpm工況下，兩種燃油噴射率(S/C為2.0和4.0)下，中間板上的二維溫度分布。根據(jù)熱電偶位置，如圖2所示，廢氣和燃油混合物從底部進入并向上移動。此外，外部主排氣流從右向左穿過翼片，導(dǎo)致右側(cè)邊界的熱區(qū)。對比圖9 (a-i)和(b-i)在兩種發(fā)動機工況下的基線圖，在高工況(condition2)下重整板的升溫效率更高，也更均勻。無論是發(fā)動機工況還是S/C摩爾比，由于進料的氧化過程，前區(qū)溫度都高于中間區(qū)。之后，溫度剖面冷卻，接著是吸熱反應(yīng)，以及對流冷卻效應(yīng)。從圖9中還可以清楚地看出，當(dāng)燃油噴射率較高(S/C = 2.0)時，由于燃料蒸發(fā)和催化劑活性位點的競爭，溫度分布略有下降，從而導(dǎo)致吸熱面積變長。
a發(fā)動機狀態(tài)35/2100 Nm/rpm (i)基線(ii) E25 S/C 2.0， (iii) E25 S/C 4.0， (iv)汽油S/C 2.0， (v)汽油S/C 4.0, b發(fā)動機狀態(tài)90/2500 Nm/rpm (i)基線(ii) E25 S/C 2.0， (iii) E25 S/C 4.0， (iv)汽油S/C 2.0， (v)汽油S/C 4.0
3.2.3 改革效率
在燃料、發(fā)動機工況和S/C摩爾比條件下，重整過程的效率由式1決定。將S/C摩爾比從2.0調(diào)整到4.0，并根據(jù)重整燃料E25和汽油的實驗重整組分進行了計算。LHV燃料棒和LHV燃料分別是指反應(yīng)器出口和進口可燃物的熱值較低[29]。不考慮進料排氣流中可燃氣體種類的能量含量。因此，重整效率有可能超過100%，這表明該過程是吸熱的，熱回收是成功的[8]。值得注意的是，重整合成氣中的四氫甲烷由于含有化學(xué)能，對重整效率有積極的貢獻。
（1）如圖10所示，溫度是影響總效率的一個有利參數(shù)。由式(1)可知，重整過程的效率與重整混合氣中的H2和CO濃度成正比，與燃油噴射流量成反比。因此，增加S/C摩爾比并隨后降低燃料流量(對于固定數(shù)量的蒸汽)可以對效率產(chǎn)生積極影響。用式1驗證H2組分對過程效率的貢獻，表明在發(fā)動機低工況(較低溫度)下，H2對效率等級的影響更大。
重整過程效率與S/C摩爾比和發(fā)動機工況的關(guān)系
3.2.4 有限公司2減量及節(jié)省燃料
從理論上計算了潛在的CO2減排和節(jié)油效果，并假設(shè)所獲得的重整氣體以重整廢氣再循環(huán)的形式反饋到發(fā)動機的進氣歧管。假設(shè)所有可燃成分(H2, CO, THCs)都將轉(zhuǎn)化為能量，將GDI發(fā)動機(僅使用汽油燃料)的CO2排放量與在類似GHSV下使用重整油部分替代等量汽油能量的相同發(fā)動機條件進行比較。結(jié)果如圖11和圖12所示。總體結(jié)果證實，相對于同一臺GDI發(fā)動機在相同工況下運行，REGR技術(shù)在改善碳排放和燃油經(jīng)濟性方面具有優(yōu)勢。
在GHSV ~ 17000 1/h下，兩種重整燃料(汽油和E25)的CO2減排量隨S/C摩爾比和發(fā)動機工況的變化;
重整燃料(汽油和E25)在GHSV ~ 17000 1/h下S/C摩爾比和發(fā)動機工況的節(jié)油%
在本研究中，采用C-H-O-N(碳、氫、氧、氮)燃料燃燒方程，計算了在發(fā)動機僅以汽油為燃料，并假設(shè)在發(fā)動機進氣中引入重整物(H2、CO、碳氫化合物)的情況下，發(fā)動機在相同工況下的CO2排放量。在這種情況下，假定發(fā)動機以汽油和重整油為燃料時，制動熱效率(η)相同。然而，使用富h2氣體會提高η[24]，但為了簡單起見，假設(shè)η恒定。值得強調(diào)的是，在計算節(jié)省的燃料和二氧化碳時，要考慮到重整爐原料氣和未燃燒的燃燒產(chǎn)物(例如碳氫化合物)中的其他可燃物質(zhì)。這些可燃物的存在對重整物L(fēng)HV的整體增加產(chǎn)生了積極的影響，從而有助于節(jié)省燃料和二氧化碳。
兩種燃料的CO2減量和燃料節(jié)約與S/C摩爾比呈反比關(guān)系，與重整溫度呈直接關(guān)系。當(dāng)蒸汽濃度恒定時，重整入口的燃料供應(yīng)增加有利于吸熱反應(yīng)，從而促進H2的產(chǎn)生并提高重整熱值。此外，在更高的發(fā)動機工作條件和更高的重整溫度下，由于高效的燃料重整和氫氣生產(chǎn)，預(yù)計將獲得可觀的熱效率和能量回收，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定、更節(jié)能的燃燒。
由于重整器產(chǎn)品中H2和CO的存在，燃料消耗和二氧化碳的減少對燃料經(jīng)濟性產(chǎn)生了積極影響，同時減少了二氧化碳排放。如圖11所示，這種優(yōu)勢對于E25在高負荷工況下更為明顯，工況2，當(dāng)S/C摩爾比為2.0時，CO2的最大降幅接近7.75%。這種變化歸因于E25重整的重整混合物比汽油重整過程更有效的工藝效率和更高的熱值。
圖12表明，在所研究的S/C摩爾比和溫度下，燃料重整技術(shù)可以節(jié)省燃料，這與圖11的CO2減少圖一致。在發(fā)動機工況2和S/C為2.0時，E25的最大節(jié)油率約為7.80%。在這種情況下，在固定的蒸汽濃度下，更多的燃油噴入重整器(S/C = 2.0)，提高重整混合氣中的CO和H2。這些改進足以提高重整焓，從而提高能源替代和燃料經(jīng)濟性。
總體而言，E25改造的最大二氧化碳減排和燃油節(jié)約量比純汽油高出約16%。值得一提的是，在排氣基礎(chǔ)設(shè)施中實際應(yīng)用全尺寸燃料重整器并與GDI發(fā)動機并行應(yīng)用時，由于燃料重整效率更高，氫氣產(chǎn)量更高，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定、更省油的燃燒，從而獲得更高的燃油經(jīng)濟性和二氧化碳減排。
4 結(jié)論
在本研究中，通過實驗和分析評估了乙醇加入汽油(E25)對整個重整過程以及發(fā)動機廢氣熱回收的影響。與使用汽油作為轉(zhuǎn)化燃料相比，以進一步減少二氧化碳排放和節(jié)省燃料為主要目標，在一個完整的廢氣燃料轉(zhuǎn)化爐中研究了氫氣產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化效率，并與現(xiàn)代GDI發(fā)動機相結(jié)合。使用汽油或E25作為重整燃料，證實了重整后的混合氣再循環(huán)到發(fā)動機進氣，然后用增加熱值的混合氣部分替代發(fā)動機燃料能量是適用的，有利于提高發(fā)動機熱效率和減少排放。主要重整反應(yīng)機制的強度和反應(yīng)順序在很大程度上取決于各種重整參數(shù)，包括反應(yīng)物組成、S/C摩爾比、燃料組成和發(fā)動機工況。
化學(xué)平衡分析與實驗數(shù)據(jù)一致，證明E25是一種很有前途的車載氫氣燃料。由于乙醇的特殊物理和化學(xué)性質(zhì)，使用乙醇-汽油混合物可以實現(xiàn)更大的廢熱回收，這有利于H2和CO的產(chǎn)量。重整性能在很大程度上取決于S/C摩爾比和發(fā)動機運行條件。在燃料替代方面，汽油需要比E25更高的重整溫度才能提供相當(dāng)?shù)臍錃猱a(chǎn)量和轉(zhuǎn)化效率。在此情況下，高負荷工況下，S/C比為3.0時，E25輸入燃料對應(yīng)的最大工藝效率約為130%，最大節(jié)油約為8%。
考慮穩(wěn)態(tài)化學(xué)計量發(fā)動機工況，當(dāng)S/C摩爾比為2.0時，E25的CO2減量和節(jié)油效果分別接近7.75%和7.80%，比純汽油的CO2減量和節(jié)油效果都高16%。這種變化歸因于E25重整的重整混合物比汽油重整過程更有效的工藝效率和更高的熱值。
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