本發(fā)明屬于燃機(jī)燃料改質(zhì)領(lǐng)域，特別涉及一種車載在線燃料改質(zhì)裝置。

背景技術(shù)：

燃料改質(zhì)發(fā)動機(jī)已經(jīng)成為汽車內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)方向，不但可以提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，而且還可以最大程度的減少汽車尾氣有害氣體排放。燃料改質(zhì)本質(zhì)是在一定條件下使汽油或者醇類等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使其分解成以H2及CO為主要成份的可燃性氣體。改質(zhì)生成的可燃?xì)怏w比稀薄汽油混合氣更易點(diǎn)燃(主要源自混合氣內(nèi)的氫氣成份)，因此在發(fā)動機(jī)氣缸燃燒時通入適當(dāng)改質(zhì)后的可燃性氣體可以使燃料燃燒更加充分，節(jié)約了能源消耗，同時還可以保證發(fā)動機(jī)在高空燃比狀態(tài)下仍具有較高的點(diǎn)火穩(wěn)定性。

目前燃料改質(zhì)發(fā)動機(jī)一般是利用發(fā)動機(jī)尾氣余熱讓燃料通過催化劑的催化作用獲取富氫氣體，但是簡單通過催化作用存在一定的技術(shù)瓶頸。一方面催化劑的活性問題，在催化劑的使用過程中隨著時間的推移，燃料中少量的硫化物和一氧化碳等氣體會和催化劑發(fā)生反應(yīng)，使催懷劑失去活性，也就是平時所稱的催化劑中毒。第二個問題是反應(yīng)率問題，一方面催化反應(yīng)的反應(yīng)率很低，即使在理想條件下氫氣的生成率也只有百分之六左右，另外催化反應(yīng)和溫度緊密相關(guān)，氫氣生成量從400攝氏度開始增加，在600-800攝氏度生成率達(dá)到頂峰，而在400攝氏度以下基本上不生成氫氣，可見，傳統(tǒng)方式簡單利用發(fā)動機(jī)尾氣余熱提供熱量很難保證各工況條件下催化反應(yīng)的持續(xù)高效進(jìn)行。

重整反應(yīng)也是一種比較理想的制備氫氣方式，通過等離子體促使可燃混合氣體發(fā)生重整反應(yīng)，產(chǎn)生富氫氣體，具有反應(yīng)產(chǎn)量高、無需催化劑等優(yōu)點(diǎn)。重整反應(yīng)的機(jī)理是在一定條件促使可燃混合氣體產(chǎn)生等離子體，利用等離子體中高能電子沖擊等離子體中的中性粒子，使中性粒子發(fā)生裂解產(chǎn)生活性基(團(tuán))，這些活性基(團(tuán))在一定條件下，電子與新的原子核或正離子重新組合，形成新的分子或原子結(jié)構(gòu)。常規(guī)化學(xué)反應(yīng)很難實(shí)現(xiàn)或者需要昂貴重金屬作為催化劑才能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)，可以通過等離子體重整反應(yīng)輕易實(shí)現(xiàn)。等離子重整反應(yīng)可以使汽油、乙醇等燃料轉(zhuǎn)化為富氫可燃?xì)怏w，可以用來改善內(nèi)燃機(jī)的燃燒、制備用于燃料電池的富氫氣體等，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有燃料改質(zhì)裝置催化劑活性差、重整反應(yīng)和催化反應(yīng)效率低的缺陷，提供了一種車載在線燃料改質(zhì)裝置，結(jié)合使用高頻高壓放電裝置和催化劑，提高了氫氣產(chǎn)量，及裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種車載在線燃料改質(zhì)裝置，包括：

內(nèi)電極，其一端設(shè)置有氧氣供給端口，所述內(nèi)電極內(nèi)部設(shè)置有氧氣供給腔；

外電極，其套合在所述內(nèi)電極外側(cè)；

內(nèi)電極催化劑，其貼合在所述內(nèi)電極的外壁上，并且所述內(nèi)電極催化劑設(shè)置有多段，沿內(nèi)電極軸線方向間隔布置；

外電極催化劑，其貼合在所述外電極的內(nèi)壁上，沿外電極軸線方向連續(xù)布置；

放電裝置，其包括兩個放電端口，所述兩個放電端口分別與內(nèi)電極和外電極電連接；

其中，所述內(nèi)電極的外壁上在沒有貼合內(nèi)電極催化劑處設(shè)置有毛細(xì)孔，所述毛細(xì)孔與氧氣供給腔連通；所述內(nèi)電極和外電極之間形成反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔的兩端分別設(shè)置有可燃?xì)怏w進(jìn)氣端口和可燃?xì)怏w出氣端口。

優(yōu)選的是，所述內(nèi)電極和外電極采用金屬銀或金屬銅制成。

優(yōu)選的是，所述內(nèi)電極催化劑和外電極催化劑采用銅基或銠基金屬催化劑。

優(yōu)選的是，所述內(nèi)電極催化劑的外表面上設(shè)置有多個向內(nèi)凹陷的圓弧狀凹槽，所述外電極催化劑的內(nèi)表面處設(shè)置有多個突出的圓弧形突起，所述突起與凹槽的位置相對應(yīng)。

優(yōu)選的是，所述內(nèi)電極催化劑的外表面各處距外電極催化劑的內(nèi)表面的距離均相等。

優(yōu)選的是，所述放電裝置包括：

電源；

升壓器，其用于將電源電壓進(jìn)行升壓；

電容，其與所述升壓器連接，通過升壓器輸出端為所述電容充電；

第一電感，其兩端分別與電容連接，以形成LC震蕩電路；

第二電感，其與所述形成互感，所述第二電感的兩端形成兩個放電端口。

優(yōu)選的是，所述電容與第一電感之間串聯(lián)有電子開關(guān)。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下方面：

1、本發(fā)明所述車載在線燃料改質(zhì)裝置可以讓燃料同時發(fā)生等離子體重整反應(yīng)和催化反應(yīng)，氫氣轉(zhuǎn)化率更高、富氫氣體產(chǎn)量更大，可以最大限度的提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

2、催化反應(yīng)所需的金屬催化劑直接和高頻高壓放電裝置放電電極連接，利用放電過程的高能電子維持金屬催化劑活性，有效的解決了傳統(tǒng)方式催化制氫催化劑使用壽命短，失活問題。

3、本發(fā)明所述車載在線燃料改質(zhì)裝置充分利用了同軸線狀反應(yīng)管內(nèi)芯，當(dāng)環(huán)境溫度過低時，通過空心圓柱體狀內(nèi)芯向反應(yīng)腔均勻的輸送氧氣，讓可燃?xì)怏w部分自燃維持催化反應(yīng)腔最佳溫度，提高了裝置的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

4、本發(fā)明所述車載在線燃料改質(zhì)裝置體積小、重量輕、布置方便，很適合車載使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述車載在線燃料改質(zhì)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述車載在線燃料改質(zhì)裝置重整部分截面圖。

圖3為本發(fā)明所述車載在線燃料改質(zhì)裝置催化部分截面圖。

圖4為本發(fā)明所述高頻高壓放電裝置電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種車載在線燃料改質(zhì)裝置，包括：同軸線狀反應(yīng)管110和高頻高壓放電裝置120兩部分。

同軸線狀反應(yīng)管110，如圖1、2、3所示，同軸線狀反應(yīng)管主要由內(nèi)電極111、內(nèi)電極催化劑112、外電極113和外電極催化劑114組成。其中高頻高壓放電裝置120產(chǎn)生的高頻電壓電場可以通過放電電極121、122分別傳遞到同軸線狀反應(yīng)管110的外電極113和內(nèi)電極111上。內(nèi)外電極催化劑112、114是由銅基、銠基等金屬催化劑構(gòu)成和內(nèi)外電極111、113緊密電連接，因此高頻高壓放電裝置120產(chǎn)生的高頻高壓電場通過兩個放電端口121、122可以均勻的傳遞到內(nèi)外電極催化劑112和114上，促使可燃?xì)怏w在內(nèi)外電極催化劑112、114間隙最小處放電形成等離子體，從而發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體。外電極113和外電極催化劑114共同構(gòu)成了同軸線狀反應(yīng)管110的外芯，內(nèi)電極111和內(nèi)電極催化劑112共同組構(gòu)成了同軸線狀反應(yīng)管110內(nèi)芯。內(nèi)芯和外芯構(gòu)成可燃?xì)怏w反應(yīng)腔115，可燃?xì)怏w可以從反應(yīng)腔的一側(cè)的進(jìn)氣端口115A流入，發(fā)生重整和催化反應(yīng)后，從另一側(cè)的排氣端口115B流出。內(nèi)電極111是一段空心圓柱體，圓柱體的一側(cè)和氧氣供給端口118連接，一側(cè)封死，構(gòu)成氧氣供給腔116。在空心圓柱體內(nèi)電極111上對應(yīng)沒有內(nèi)電極催化劑112段開有若干毛細(xì)小孔117，當(dāng)氧氣供給腔116氣體壓強(qiáng)大于可燃?xì)怏w反應(yīng)腔115內(nèi)氣體壓強(qiáng)時，氧氣分子可以均勻而緩慢的進(jìn)入可燃?xì)怏w反應(yīng)腔115，促使部分可燃?xì)怏w自燃，為催化反應(yīng)提供能量。空心圓柱體內(nèi)電極111上對應(yīng)有內(nèi)電極催化劑112段，會在高頻高壓電場的作用下發(fā)生放電形成等離子體，等離子體本身具有很高的溫度，為了防止可燃?xì)怏w部分自燃導(dǎo)致重整反應(yīng)段溫度過高，不應(yīng)該開有若干毛細(xì)孔。為了保證內(nèi)外電極可以把高頻高壓放電裝置產(chǎn)生的高頻高壓電場均勻的傳輸?shù)絻?nèi)外電極催化劑上，內(nèi)外電極應(yīng)該由銅、銀等電導(dǎo)率較大的金屬夠成。

如圖1所示，內(nèi)電極催化劑112是由多段長度相等的管狀催化劑均勻的分布在內(nèi)電極111上構(gòu)成，內(nèi)電極催化劑112在內(nèi)電極111上的分布并不是連續(xù)的。跟據(jù)內(nèi)電極111上是否有內(nèi)電極催化劑112可以把同軸線裝反應(yīng)管分為催化反應(yīng)段和重整反應(yīng)段，其中含有內(nèi)電極催化劑112的是重整反應(yīng)段，不含有內(nèi)電極催化劑112的是催化反應(yīng)段。如圖2所示，在重整反應(yīng)段，外電極催化劑突出圓柱體114A和內(nèi)電極催化劑圓弧狀凹槽112A相匹配，所有對應(yīng)的內(nèi)電極催化劑圓弧狀凹槽112A到外電極催化劑突出圓柱體114A距離均相等，在高頻高壓電場作用下可以發(fā)生均勻放電。突出圓柱體和凹槽的組合可以保證在高頻高壓電場作用下，在兩者之間間隙內(nèi)均勻放電，同時還增加了發(fā)生放電電極的表面積，提高了富氫氣體產(chǎn)量。如圖3所示，在催化反應(yīng)段，由于內(nèi)電極111上沒有催化劑，外電極催化劑114和內(nèi)電極111的距離大于重整反應(yīng)段的放電間隙距離，因此不會發(fā)生放電形成等離子體，在催化反應(yīng)段只產(chǎn)生催化反應(yīng)。但是，催化反應(yīng)段的金屬催化劑和重整反應(yīng)段的金屬催化劑或者電極緊密電連接，利用重整反應(yīng)段放電產(chǎn)生的高能電子可以保持催化反應(yīng)段金屬催化劑的活性。為了提高催化劑和可燃?xì)怏w的接觸面積，內(nèi)電極催化劑112和外電極催化劑114在現(xiàn)有形狀基礎(chǔ)上，表面具有一定的表面粗糙度，以提高可燃混合氣體和催化劑的接觸面積，從而提高催化反應(yīng)富氫氣體產(chǎn)量。

高頻高壓放電裝置120的主要作用是產(chǎn)生足夠高的高頻電壓，以擊穿可燃?xì)怏w產(chǎn)生等離子體，促使可燃?xì)怏w發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體。高頻高壓放電裝置120本質(zhì)上是一種改進(jìn)后的特斯拉線圈，其電路原理圖如圖4所示。改進(jìn)后的特斯拉線圈可以看成是一種分布參數(shù)高頻串聯(lián)諧振變壓器，通過初級線圈對次級線圈的共振激勵，可以在次級線圈上獲得百萬伏以上的高頻電壓。為了實(shí)現(xiàn)對特斯拉線圈放電狀態(tài)的精確控制，改進(jìn)后的特斯拉線圈采用電子開關(guān)而非打火器控制初級線圈的通斷，這樣通過控制電子開關(guān)的通斷可以對主電容的放電閥值和初級線圈的諧振狀態(tài)進(jìn)行精確控制，使得整個裝置效率達(dá)到最佳。改進(jìn)后的特斯拉線圈工作過程大致如下，將電源123通過升壓器124對直流電升壓或者如果采用交流電，使用變壓器對交流電升壓后再利用全波整流電路對交流電進(jìn)行整流，得到高壓直流電后，給初級LC諧振回路主電容C1充電，初級諧振回路LC由初級線圈L1和主電容C1組成。當(dāng)主電容C1電壓達(dá)到預(yù)定大小后控制電子開關(guān)125導(dǎo)通，初級LC諧振回路發(fā)生串聯(lián)諧振，給次級線圈提供足夠高的勵磁功率。次級諧振回路由次級線圈L2和等效電容C2組成，等效電容C2由內(nèi)外電極催化劑及其中間的可燃?xì)怏w構(gòu)成。次級線圈可以在初級LC諧振回路的激勵下發(fā)生串聯(lián)諧振，當(dāng)初級線圈和次級線圈固有諧振頻率相同時，次級線圈在初級LC諧振回路的不斷激勵下，放電終端電壓不斷升高，直至達(dá)到可燃?xì)怏w的擊穿電壓。在特斯拉線圈設(shè)計(jì)過程中最重要的是讓初級線圈和次級線圈固有諧振頻率相同產(chǎn)生共振，通過放電尖端的距離可以估算對地等效電容C2的大小，然后通過公式：

合理的選擇L1、C1、L2既可以保證初級線圈和此次線圈發(fā)生共振使得次級線圈放電電壓達(dá)到最大。在初級線圈主電容C1的選擇過程中，可以選擇多個耐高壓超級電容串聯(lián)，相比于選取傳統(tǒng)電容器不光可以提高初級線圈的儲電量，產(chǎn)生更多的高能粒子，另一方面還可以減少裝置體積。

車載在線燃料裝置具體工作過程如下：

可燃?xì)怏w通過進(jìn)氣端口115A進(jìn)入可燃?xì)怏w反應(yīng)腔115，流經(jīng)重整反應(yīng)段，在高頻高壓放電裝置120產(chǎn)生高頻高壓電場作用下放電形成等離子體發(fā)生重整反應(yīng)，產(chǎn)生大量富氫氣體。同時，還有少量沒有反應(yīng)的可燃?xì)怏w流經(jīng)催化反應(yīng)段，在催化劑的作用下繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體，最終產(chǎn)生的富氫氣體流動到同軸線狀反應(yīng)管110末尾段，從出氣端口115B流出。催化反應(yīng)的最佳環(huán)境溫度是600-800攝氏度，當(dāng)環(huán)境溫度低于400攝氏度時很難發(fā)生催化反應(yīng)，在車載使用時可以通過等離子體放電熱量和發(fā)動機(jī)尾氣余熱為反應(yīng)提供能量，而當(dāng)在某些工況條件下裝置所能提供的熱量不足以維持最佳溫度時，不足部分可以通過氧氣供給腔116為可燃?xì)怏w反應(yīng)腔提供少量氧氣，讓可燃?xì)怏w部分自燃，為反應(yīng)提供熱量。通過調(diào)節(jié)氧氣供給腔116和可燃?xì)怏w反應(yīng)腔115的壓強(qiáng)差可以調(diào)整進(jìn)入可燃?xì)怏w反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣分子量，從而控制可燃?xì)怏w部分自燃產(chǎn)生的熱量，保證不同工況條件下催化效率都能達(dá)到最佳，從而提高了裝置的適用性。

本發(fā)明所述車載在線燃料改質(zhì)裝置，允許在一個小小反應(yīng)管內(nèi)同時發(fā)生等離子體重整反應(yīng)和催化反應(yīng)，結(jié)構(gòu)小巧靈活而且極大的提高了富氫氣體的產(chǎn)量，很適合車載使用。結(jié)合使用高頻高壓放電裝置和金屬催化劑，利用高頻高壓放電維持金屬催化劑的活性，提高催化劑的使用壽命。同時，當(dāng)發(fā)動機(jī)尾氣余熱不足以維持催化反應(yīng)所需的最佳環(huán)境溫度時，還可以通過允許燃料部分自燃，為催化反應(yīng)提供能量，提高了裝置在汽車不同行使工況的適用性。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。