[go: up one dir, main page]

RU2779031C2 - Internal combustion engine as chemical reactor for production of synthesis gas from hydrocarbon raw materials - Google Patents

Internal combustion engine as chemical reactor for production of synthesis gas from hydrocarbon raw materials Download PDF

Info

Publication number
RU2779031C2
RU2779031C2 RU2020103397A RU2020103397A RU2779031C2 RU 2779031 C2 RU2779031 C2 RU 2779031C2 RU 2020103397 A RU2020103397 A RU 2020103397A RU 2020103397 A RU2020103397 A RU 2020103397A RU 2779031 C2 RU2779031 C2 RU 2779031C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
engine
fuel
approximately
gas
ignition timing
Prior art date
Application number
RU2020103397A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020103397A3 (en
RU2020103397A (en
Inventor
Джон Ривес КАРПЕНТЕР III
Дэвид Дуглас БАРБИ
Апорв АГАРВАЛ
Original Assignee
Рисерч Трайэнгл Инститьют
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Рисерч Трайэнгл Инститьют filed Critical Рисерч Трайэнгл Инститьют
Priority claimed from PCT/US2018/052367 external-priority patent/WO2019067341A2/en
Publication of RU2020103397A publication Critical patent/RU2020103397A/en
Publication of RU2020103397A3 publication Critical patent/RU2020103397A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2779031C2 publication Critical patent/RU2779031C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to the creation of synthesis gas from hydrocarbon flows. An internal combustion engine operates in fuel-rich conditions by means of adjustment of one or more operating parameters, such as, for example, a throttle valve, an ignition moment, a load attached to the engine, fuel pressure, supercharger power, and preheater power, in order to maintain the specified engine speed and a waste gas temperature. Engine operation in such conditions provides for a possibility for the engine of functioning as a reforming installation creating synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide.
EFFECT: use of an internal combustion engine as a synthetic gas generator.
35 cl, 9 dwg, 1 tbl

Description

Родственные заявкиRelated Applications

[0001] Эта заявка заявляет преимущество предварительной патентной заявки США порядковый номер 62/565,844, зарегистрированной 29 сентября 2017 года, озаглавленной "INTERNAL COMBUSTION ENGINE AS A CHEMICAL REACTOR TO PRODUCE SYNTHESIS GAS FROM HYDROCARBON FEEDS", содержимое которой включено в данный документ по ссылке во всей своей полноте.[0001] This application claims benefit from U.S. Provisional Patent Application Serial Number 62/565,844, filed September 29, 2017, entitled "INTERNAL COMBUSTION ENGINE AS A CHEMICAL REACTOR TO PRODUCE SYNTHESIS GAS FROM HYDROCARBON FEEDS", the contents of which are incorporated herein by reference in in all its fullness.

Финансируемое из федерального бюджета исследование или разработкаFederally funded research or development

[0002] Это изобретение было выполнено с государственной поддержкой по гранту № DE-AR0000506, выданному Министерством энергетики США. Правительство имеет некоторые права в изобретении.[0002] This invention was made with government support under Grant No. DE-AR0000506 issued by the US Department of Energy. The government has some rights in the invention.

Область техникиTechnical field

[0003] Настоящее изобретение, в целом, относится к созданию синтез-газа, в частности, с помощью двигателя внутреннего сгорания в качестве генератора синтез-газа.[0003] The present invention generally relates to the generation of synthesis gas, in particular using an internal combustion engine as a synthesis gas generator.

Уровень техникиState of the art

[0004] Множество процессов и действий создают газообразные потоки летучих углеводородов. Часто эти газообразные потоки существуют при низком давлении и могут дополнительно содержать множество загрязняющих веществ. Следовательно, газообразные потоки могут иметь небольшую внутренне присущую ценность, а затраты на удаление загрязняющих веществ и сжатие газа (например, чтобы увеличивать давление, чтобы предоставлять возможность введения в магистральный трубопровод природного газа) могут быть чрезмерно дорогими. При наличии этих ограничений газообразные потоки часто устраняются посредством факельного сжигания, прокаливания или продувки.[0004] A variety of processes and activities create gaseous volatile hydrocarbon streams. Often these gaseous streams exist at low pressure and may additionally contain a variety of contaminants. Consequently, the gaseous streams may have little intrinsic value, and the costs of removing contaminants and compressing the gas (eg, to increase pressure to allow natural gas to be introduced into the main pipeline) may be prohibitively expensive. With these limitations, gaseous streams are often eliminated by flaring, calcining or blowing.

[0005] В последнее время, был повышенный интерес в выполнении более продуктивного использования этих низкокачественных углеводородных потоков. Одной такой областью является использование углеводородного потока в качестве подаваемого газа в производстве синтез-газа (синтетического газа). Синтетический газ может быть создан из частичного сжигания органических сырьевых материалов (летучих углеводородов, угля, петкокса, биомассы, нефти) и состоит, в первую очередь, из водорода (H2) и моноксида углерода (CO). Синтетический газ часто содержит загрязняющие вещества (включающие в себя H2S, COS) в зависимости от начального сырьевого материала. Множество процессов производства синтетического газа используют каталитические установки реформинга, чтобы частично окислять органические сырьевые материалы. Хотя катализаторы являются полезными для увеличения скорости реакции и уменьшения температуры реакции, многие катализаторы выполнятся из дорогостоящих материалов, подвержены отравлению от сернистых соединений, присутствующих в газовом потоке, и засорению от сажи и других частиц.[0005] Recently, there has been increased interest in making more productive use of these low quality hydrocarbon streams. One such area is the use of a hydrocarbon stream as a feed gas in the production of synthesis gas (syngas). Syngas can be created from the partial combustion of organic raw materials (volatile hydrocarbons, coal, petcoke, biomass, oil) and is primarily composed of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). Syngas often contains contaminants (including H 2 S, COS) depending on the starting feedstock. Many syngas production processes use catalytic reformers to partially oxidize organic feedstocks. Although catalysts are useful in increasing the reaction rate and reducing the reaction temperature, many catalysts are made from expensive materials, are susceptible to poisoning from sulfur compounds present in the gas stream, and fouling from soot and other particles.

[0006] Синтетический газ является начальным материалом для производства множества химических веществ. Синтетический газ может также быть использован для создания мощности в газовой турбине или генераторе на основе двигателя. Синтетический газ может также быть использован для создания H2, посредством преобразования CO и водяного пара в H2 и диоксид углерода (CO2) через процесс конверсии водяного газа (WGS). Отношение H2 к CO технологического газа типично нуждается в аккуратной регулировке, чтобы удовлетворять потребностям прикладных задач дальше по технологическому потоку.[0006] Synthetic gas is the starting material for the production of many chemicals. Syngas can also be used to generate power in a gas turbine or engine-based generator. Syngas can also be used to create H 2 by converting CO and water vapor into H 2 and carbon dioxide (CO 2 ) through the Water Gas Shift (WGS) process. The ratio of H 2 to CO of the process gas typically needs to be carefully adjusted to meet the needs of downstream applications.

[0007] Недавно патент США № 9,169,773 (Бромберг и пр.) описал систему производства жидкого топлива с помощью установки для реформинга, использующей двигатель для формирования богатого водородом газа. Описанные системы работают с соотношением воздух/топливо, соотношение компонентов топлива, 2,5 < φ < 4,0. Они также описывают, что для эффективной установки для реформинга на основе двигателя можно использовать компрессионное воспламенение однородного топлива (HCCI), компрессионное воспламенение с частичным предварительным смешиванием (PCI) или компрессионное воспламенение с управляемой реакцией (RCCI). Они сообщают, что "В проистекающем пламени горелки, а также в вычислениях цилиндра, более низкие соотношения компонентов приводят в результате к более высокой энергии высвобождаемой при преобразовании, более высокому пику в температурах цилиндра, более низкой избирательности по отношению к водороду и CO…"[0007] Recently, US Pat. No. 9,169,773 (Bromberg et al.) has described a liquid fuel production system with a reformer using an engine to generate a hydrogen-rich gas. The systems described operate with an air/fuel ratio, fuel ratio, 2.5 < φ < 4.0. They also describe that homogeneous fuel compression ignition (HCCI), partial premix compression ignition (PCI), or reaction controlled compression ignition (RCCI) can be used for an efficient engine-based reformer. They report that "In the resultant burner flame, as well as in cylinder calculations, lower ratios result in higher conversion energy, higher peak in cylinder temperatures, lower selectivity towards hydrogen and CO…"

[0008] Патент США № 2,391,687 (Истман и пр.) описывает двигатель для формирования синтетического газа, который работает на 90% или более чистом O2 и имеет соотношение компонентов 2,8-4,0.[0008] US Patent No. 2,391,687 (Eastman et al.) describes an engine for generating syngas that runs on 90% or more pure O 2 and has a ratio of 2.8-4.0.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

[0009] Чтобы устранять вышеупомянутые проблемы, в целом или частично, и/или другие проблемы, которые могут наблюдаться специалистами в области техники, настоящее изобретение предоставляет способы, процессы, системы, оборудование, инструменты и/или устройства, которые описаны в качестве примера в реализациях, изложенных ниже.[0009] In order to overcome the aforementioned problems, in whole or in part, and/or other problems that may be observed by those skilled in the art, the present invention provides the methods, processes, systems, equipment, tools, and/or devices that are described by way of example in implementations below.

[0010] Согласно одному варианту осуществления, способ для использования двигателя внутреннего сгорания в богатых топливом условиях включает в себя: запуск двигателя с помощью подаваемого газа, имеющего первоначальное соотношение компонентов воздушно-топливной смеси; увеличение соотношения компонентов воздушно-топливной смеси с приращением, чтобы формировать богатый топливом подаваемый газ; и во время увеличения соотношения компонентов воздушно-топливной смеси, регулировку одного или более из дроссельной заслонки, момента зажигания, нагрузки, присоединенной к двигателю, давления топлива, мощности для нагнетателя, действующего на подаваемый газ, и мощности для предварительного нагревателя, действующего на подаваемый газ, чтобы поддерживать соотношение компонентов воздушно-топливной смеси около 1,6-2,4. В варианте осуществления скорость двигателя приблизительно между 1000-2000 оборотами в минуту (об/мин) и температура отработанного газа приблизительно менее 900°C поддерживаются.[0010] According to one embodiment, a method for operating an internal combustion engine under fuel rich conditions includes: starting the engine with a supply gas having an initial air-fuel ratio; incrementally increasing the air-fuel ratio to form a fuel-rich feed gas; and while increasing the air/fuel ratio, adjusting one or more of the throttle valve, ignition timing, engine load, fuel pressure, power for the blower acting on the feed gas, and power for the preheater acting on the feed gas to maintain an air-fuel ratio of about 1.6-2.4. In an embodiment, an engine speed between about 1000-2000 revolutions per minute (rpm) and an exhaust gas temperature of less than about 900°C are maintained.

[0011] Согласно другому варианту осуществления, способ работы двигателя внутреннего сгорания в богатых топливом условиях включает в себя: поддержание первоначального набора условий после запуска двигателя для противодавления на выходе газов, давления впускного коллектора, скорости двигателя, момента зажигания, отношения компонентов воздушно-топливной смеси в топливном газе и температуры на впуске топливного газа; увеличение температуры на впуске топливного газа, в то же время поддерживая соотношение компонентов воздушно-топливной смеси топливного газа, и наблюдение содержания метана и кислорода для отработанного газа двигателя; и регулирование момента зажигания в ответ на наблюдаемое содержание метана и кислорода.[0011] According to another embodiment, a method of operating an internal combustion engine under fuel rich conditions includes: maintaining an initial set of conditions after engine start for exhaust gas backpressure, intake manifold pressure, engine speed, ignition timing, air-fuel ratio in fuel gas and fuel gas inlet temperature; increasing the fuel gas inlet temperature while maintaining the fuel gas air-fuel ratio, and monitoring the methane and oxygen content of the engine exhaust gas; and adjusting ignition timing in response to observed methane and oxygen levels.

[0012] Согласно другому варианту осуществления система установки для реформинга газа конфигурируется для выполнения любого из способов, описанных в данном документе.[0012] According to another embodiment, the gas reformer system is configured to perform any of the methods described herein.

[0013] Согласно другому варианту осуществления, система установки для реформинга газа включает в себя: двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускное отверстие для топливного газа, выпускное отверстие для отработавшего газа, множество цилиндров, систему регулировки зажигания, дроссельную заслонку, предварительный нагреватель топливного газа и нагнетатель, при этом двигатель внутреннего сгорания конфигурируется для работы с соотношением компонентов воздух-топливо топливного газа приблизительно между 1,6 и 2,4.[0013] According to another embodiment, the gas reformer system includes: an internal combustion engine comprising a fuel gas inlet, an exhaust gas outlet, a plurality of cylinders, an ignition control system, a throttle valve, a fuel gas preheater, and a supercharger , wherein the internal combustion engine is configured to operate with an air-fuel ratio of the fuel gas between approximately 1.6 and 2.4.

[0014] Другие устройства, оборудование, системы, способы, отличительные признаки и преимущества изобретения будут или станут очевидными специалисту в области техники после изучения последующих чертежей и подробного описания. Подразумевается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества должны быть включены в это описание, быть в рамках настоящего изобретения и быть защищенными сопровождающей формулой изобретения.[0014] Other devices, equipment, systems, methods, features and advantages of the invention will or will become apparent to a person skilled in the art upon examination of the following drawings and detailed description. It is intended that all such additional systems, methods, features, and advantages be included in this specification, be within the scope of the present invention, and be protected by the accompanying claims.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

[0015] Изобретение может быть лучше понято посредством обращения к последующим чертежам. Компоненты на чертежах необязательно начерчены по масштабу, вместо этого акцент делается на иллюстрировании принципов изобретения. На чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают соответствующие части повсюду на различных видах.[0015] The invention may be better understood by reference to the following drawings. The components in the drawings are not necessarily drawn to scale, with emphasis instead being placed on illustrating the principles of the invention. In the drawings, like reference numerals designate corresponding parts throughout the various views.

[0016] Фиг. 1 - это схематичный вид в поперечном сечении примерного цилиндра двигателя внутреннего сгорания согласно некоторым вариантам осуществления.[0016] FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an exemplary internal combustion engine cylinder according to some embodiments.

[0017] Фиг. 2 - это схематичный вид системы для производства синтез-газа с помощью двигателя внутреннего сгорания согласно некоторым вариантам осуществления.[0017] FIG. 2 is a schematic view of a system for producing synthesis gas with an internal combustion engine, in accordance with some embodiments.

[0018] Фиг. 3 - это схематичный вид системы для производства синтез-газа с помощью двигателя внутреннего сгорания согласно некоторым вариантам осуществления.[0018] FIG. 3 is a schematic view of a system for producing synthesis gas with an internal combustion engine, in accordance with some embodiments.

[0019] Фиг. 4 - это схематичный вид системы для производства синтез-газа с помощью двигателя внутреннего сгорания согласно некоторым вариантам осуществления.[0019] FIG. 4 is a schematic view of a system for producing synthesis gas with an internal combustion engine, in accordance with some embodiments.

[0020] Фиг. 5 - это примерная блок-схема последовательности операций способа для запуска двигателя в богатых топливом условиях согласно некоторым вариантам осуществления.[0020] FIG. 5 is an exemplary flowchart of a method for starting an engine under fuel rich conditions, in accordance with some embodiments.

[0021] Фиг. 6 - это примерная блок-схема последовательности операций способа для работы двигателя в богатых топливом условиях согласно некоторым вариантам осуществления.[0021] FIG. 6 is an exemplary flowchart of a method for operating an engine under fuel rich conditions, in accordance with some embodiments.

[0022] Фиг. 7 - это график температуры топлива-всасываемого воздуха для различных соотношений компонентов воздушно-топливной смеси согласно некоторым вариантам осуществления.[0022] FIG. 7 is a plot of fuel-intake air temperature for various air-fuel ratios according to some embodiments.

[0023] Фиг. 8 - это график отношений H2 к CO для различных соотношений компонентов воздушно-топливной смеси согласно некоторым вариантам осуществления.[0023] FIG. 8 is a graph of H 2 to CO ratios for various air-fuel ratios according to some embodiments.

[0024] Фиг. 9 - это график степени преобразования природного газа для различных соотношений компонентов воздушно-топливной смеси согласно некоторым вариантам осуществления.[0024] FIG. 9 is a graph of natural gas conversion rates for various air-fuel ratios, in some embodiments.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

[0025] Когда используется в данном документе, термин "синтетический газ" ссылается на синтез-газ. В контексте настоящего описания, синтетический газ является смесью, по меньшей мере, моноксида углерода (CO) и двухатомного водородного газа (H2). В зависимости от варианта осуществления синтетический газ может дополнительно включать в себя другие компоненты, такие как, например, вода, воздух, двухатомный газообразный азот (N2), двухатомный газообразный кислород (O2), диоксид углерода (CO2), сернистые соединения (например, сульфид водорода (H2S), сероокись углерода (COS), оксиды серы (SOx), и т.д.), азотные соединения (например, оксиды азота (NOx), и т.д.), карбонилы металла, углеводороды (например, CH4)), аммиак (NH3), хлориды (например, хлорид водорода (HCl)), цианид водорода (HCN), сверхредкие металлы и металлоиды (например, ртуть (Hg), мышьяк (As), селен (Se), кадмий (Cd), и т.д.) и их соединения, твердые частицы (PM), и т.д.[0025] As used herein, the term "syngas" refers to synthesis gas. In the context of the present description, syngas is a mixture of at least carbon monoxide (CO) and diatomic hydrogen gas (H 2 ). Depending on the embodiment, the syngas may further include other components such as, for example, water, air, diatomic nitrogen gas (N 2 ), diatomic oxygen gas (O 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), sulfur compounds ( e.g. hydrogen sulfide (H 2 S), carbon sulphide (COS), sulfur oxides (SO x ), etc.), nitrogen compounds (e.g. nitrogen oxides (NO x ), etc.), carbonyls metals, hydrocarbons (e.g. CH 4 )), ammonia (NH 3 ), chlorides (e.g. hydrogen chloride (HCl)), hydrogen cyanide (HCN), rare metals and metalloids (e.g. mercury (Hg), arsenic (As) , selenium (Se), cadmium (Cd), etc.) and their compounds, particulate matter (PM), etc.

[0026] Когда используется в данном документе, термин "низший углеводород" ссылается на углеводороды низкого молекулярного веса, включающие в себя, но не ограничивающиеся этим, метан, этан, пропан и бутан.[0026] As used herein, the term "lower hydrocarbon" refers to low molecular weight hydrocarbons including, but not limited to, methane, ethane, propane, and butane.

[0027] Когда используется в данном документе, термин "нагрузка" может означать электрический нагреватель, динамометр, водяную ванну, и т.д. Посредством увеличения или уменьшения нагрузки двигатель может работать с постоянной скоростью, когда входные условия изменяются. Можно также варьировать нагрузку, чтобы изменять температуру в двигателе или выходные соотношения компонентов.[0027] As used herein, the term "load" may mean an electrical heater, dynamometer, water bath, etc. By increasing or decreasing the load, the motor can run at a constant speed when the input conditions change. You can also vary the load to change engine temperature or output ratios.

[0028] Когда используется в данном документе, термин "природный газ" ссылается на смесь углеводородных (HC) газов, состоящих, главным образом, из метана и меньших количеств высших алканов. В зависимости от варианта осуществления природный газ может дополнительно включать в себя неHC-виды, такие как один или более из тех, которые отмечены выше, также как сероуглерод (CS2) и/или другие дисульфиды, и меркаптаны (тиолы), такие как метантиол (CH3SH) и этантиол (C2H5SH), и тиофены, такие как тиофен (C4H4S) и другие сероорганические соединения.[0028] When used herein, the term "natural gas" refers to a mixture of hydrocarbon (HC) gases, consisting mainly of methane and smaller amounts of higher alkanes. Depending on the embodiment, natural gas may further include non-HC species such as one or more of those noted above, as well as carbon disulfide (CS 2 ) and/or other disulfides, and mercaptans (thiols) such as methanethiol (CH 3 SH) and ethanethiol (C 2 H 5 SH), and thiophenes such as thiophene (C 4 H 4 S) and other organosulfur compounds.

[0029] Настоящее изобретение предоставляет способы для использования двигателя внутреннего сгорания в качестве генератора синтетического газа. Дополнительно, процесс может быть использован вместе с производством метанола, также как другими процессами химического производства. Описанные способы могут использовать широкое множество углеводородных источников, рассеянных по всему миру. Например, добывающие скважины для нефти и природного газа находятся во многих удаленных областях США, и каждая отдельная шахта, компрессор, пневматическое устройство и резервуар для хранения на шахте могут производить поток выброса углеводорода. Вследствие малого объема, низкого давления и потенциальных загрязнений этих углеводородных потоков, они часто сжигаются или продуваются. Сжатие и очистка этих разрозненных потоков для сбора в магистральный трубопровод для природного газа могут быть чрезмерно дорогими. Способы настоящего изобретения могут использовать массово производимые двигатели внутреннего сгорания, работающие в особых условиях, чтобы частично окислять эти углеводороды и производить синтетический газ, который может иметь более высокую ценность и делать сбор синтетического газа экономически оправданным.[0029] The present invention provides methods for using an internal combustion engine as a syngas generator. Additionally, the process can be used in conjunction with methanol production, as well as other chemical production processes. The described methods can use a wide variety of hydrocarbon sources scattered throughout the world. For example, oil and natural gas production wells are located in many remote areas of the US, and each individual mine, compressor, pneumatic device, and storage tank in the mine can produce a hydrocarbon release stream. Due to the small volume, low pressure, and potential contamination of these hydrocarbon streams, they are often flared or purged. Compressing and treating these disparate streams for collection into a natural gas pipeline can be prohibitively expensive. The methods of the present invention can use mass-produced internal combustion engines operating under specific conditions to partially oxidize these hydrocarbons and produce syngas that can be of higher value and make syngas collection economically viable.

[0030] Двигатели внутреннего сгорания разрабатывались и использовались в течение десятилетий, чтобы производить мощность типично либо для продвижения транспортных средств, привода механических устройств, либо генерации электричества. В каждом из этих использований фокус был на эффективном и полном сжигании топлива, чтобы максимизировать создаваемую мощность. Двигатели внутреннего сгорания, однако, имеют характеристики, интересные для других прикладных задач. Характеристики, такие как регулирование тепла от хладагента и радиаторной системы для управления температурой двигателя, способность создавать высокие давления в цилиндре, функция малых продолжительностей пребывания в цилиндре и контроль давлений клапанов, могут все быть использованы в процессах для химических преобразований, когда двигатель будет служить в качестве химического реактора. В этой заявке фокусирование делается на управлении параметрами двигателя, чтобы максимизировать желаемое химическое преобразование в противоположность формированию энергии. В некоторых случаях, химическая реакция может создавать энергию. Альтернативно, энергия может быть добавлена посредством внешнего вращения вала в других случаях. Любая химическая реакция, действующая на малую продолжительность пребывания и получающая преимущества характеристик, перечисленных выше, может потенциально быть применена для использования двигателя в качестве химического реактора. Здесь мы опишем одно такое применение для преобразования летучих углеводородов в синтетический газ.[0030] Internal combustion engines have been developed and used for decades to produce power, typically either to propel vehicles, drive mechanical devices, or generate electricity. In each of these uses, the focus has been on efficient and complete combustion of the fuel in order to maximize the power generated. Internal combustion engines, however, have characteristics that are of interest for other applications. Features such as heat management from the coolant and radiator system to control engine temperature, the ability to generate high cylinder pressures, the function of short cylinder residence times, and valve pressure control can all be used in chemical conversion processes when the engine will serve as chemical reactor. In this application, the focus is on controlling engine parameters to maximize the desired chemical conversion as opposed to energy generation. In some cases, a chemical reaction can create energy. Alternatively, energy can be added by external rotation of the shaft in other cases. Any chemical reaction that operates on a short residence time and takes advantage of the characteristics listed above can potentially be applied to use the engine as a chemical reactor. Here we describe one such application for converting volatile hydrocarbons into syngas.

[0031] Фиг. 1 иллюстрирует схематичный вид в поперечном сечении одного цилиндра 105 двигателя 100 внутреннего сгорания согласно различным вариантам осуществления. Двигатель 100 может дополнительно содержать камеру 110 сгорания в цилиндре 105. Поршень 115 может быть расположен в цилиндре 105 и двигаться вверх и вниз в цилиндре 105, тем самым, определяя переменный объем камеры 110 сгорания. Камера 110 сгорания находится в своем минимальном объеме, когда поршень 115 находится в своей наивысшей позиции в цилиндре 105 (называемой верхней мертвой точкой (TDC)), и в своем максимальном объеме, когда поршень 115 находится в своей низшей позиции в цилиндре 105 (называемой нижней мертвой точкой (BDC)). Поршень 115 может быть соединен с коленчатым валом 120 соединительным штоком 125. Двигатель 100 может дополнительно содержать головку 130, соединенную с верхом цилиндров 105. Головка 130 может размещать один или более впускных клапанов 135 и один или более выпускных клапанов 140. Каждый впускной клапан 135 может служить для открытия или закрытия впускного отверстия 145, в то время как каждый выпускной клапан 140 может служить для открытия или закрытия выпускного отверстия 150. Впускное отверстие 145 может быть в сообщении с возможностью обмена текучей средой с камерой 110 сгорания, чтобы предоставлять возможность смеси топлива и окислителя (называемой зарядом) протекать в камеру 110 сгорания. Выпускное отверстие 150 может также быть в сообщении с возможностью обмена текучей средой с камерой 110 сгорания, чтобы предоставлять возможность газам вытекать из камеры 110 сгорания. Головка 130 может также содержать одну или более свечей 155 зажигания, которые могут протягиваться, по меньшей мере, частично в камеру 110 сгорания и предоставлять источник зажигания для заряда.[0031] FIG. 1 illustrates a schematic cross-sectional view of one cylinder 105 of an internal combustion engine 100 according to various embodiments. Engine 100 may further comprise a combustion chamber 110 in cylinder 105. Piston 115 may be located in cylinder 105 and move up and down in cylinder 105 thereby defining a variable volume of combustion chamber 110. Combustion chamber 110 is at its minimum volume when piston 115 is at its highest position in cylinder 105 (referred to as top dead center (TDC)), and at its maximum volume when piston 115 is at its lowest position in cylinder 105 (referred to as bottom dead center). dead center (BDC)). Piston 115 may be coupled to crankshaft 120 by connecting rod 125. Engine 100 may further include a head 130 coupled to the top of cylinders 105. Head 130 may receive one or more intake valves 135 and one or more exhaust valves 140. Each intake valve 135 may serve to open or close inlet 145, while each outlet valve 140 may serve to open or close outlet 150. Inlet 145 may be in fluid communication with combustion chamber 110 to allow a mixture of fuel and oxidizer (called charge) to flow into the combustion chamber 110. The outlet 150 may also be in fluid communication with the combustion chamber 110 to allow gases to flow out of the combustion chamber 110. Head 130 may also include one or more spark plugs 155 that may extend at least partially into combustion chamber 110 and provide an ignition source for charging.

[0032] Хотя не показано на фиг. 1, двигатель 100 может дополнительно содержать предварительный нагреватель, чтобы увеличивать температуру одного или обоих из топлива и окислителя перед поступлением во впускное отверстие 145, и нагнетатель, чтобы увеличивать давление одного или обоих из топлива и окислителя перед поступлением во впускное отверстие 145. Предварительный нагреватель может содержать теплообменник, чтобы извлекать часть тепла, например, отработавших газов из двигателя 100. Альтернативно, предварительный нагреватель может получать тепловую энергию посредством других процессов, известных в области техники, например, от электрически питаемых нагревателей, сжигания вторичного топлива или тепла продувки отработанных газов из другого процесса. Нагнетатель может содержать турбину, чтобы извлекать энергию из отработавших газов из двигателя 100. Альтернативно, нагнетатель может питаться посредством других процессов, известных в области техники, таких как электромотор или энергия продувки отработанных газов из другого процесса.[0032] Although not shown in FIG. 1, engine 100 may further comprise a preheater to increase the temperature of one or both of the fuel and oxidizer before entering intake port 145, and a supercharger to pressurize one or both of the fuel and oxidizer before entering intake port 145. The preheater may comprise a heat exchanger to extract some of the heat, such as exhaust gases from engine 100. Alternatively, the preheater may obtain thermal energy through other processes known in the art, such as electrically powered heaters, combustion of a secondary fuel, or exhaust gas scavenging heat from another process. The supercharger may include a turbine to extract energy from the exhaust gases from the engine 100. Alternatively, the supercharger may be powered by other processes known in the art, such as an electric motor or exhaust gas scavenging power from another process.

[0033] В некоторых неограничивающих вариантах осуществления двигатель 100 может быть приспособлен, чтобы работать с помощью 4-тактного процесса. 4-тактный процесс может начинаться, например, с поршня 115 в TDC, а затем он начинает перемещаться вниз. Впускной клапан 135 перемещается вниз, тем самым, помещая впускное отверстие 145 в сообщение с возможностью обмена текучей средой с камерой 110 сгорания. Поршень 115 перемещается вниз, предоставляя возможность заряду поступать в камеру 110 сгорания. Когда поршень 115 достигает BDC, впускной клапан 135 закрывается. Поршень 115 затем перемещается вверх, сжимая заряд. Когда поршень 115 приближается к TDC, свеча 155 зажигания формирует искру, которая зажигает заряд. В различных вариантах осуществления, как обсуждается дополнительно ниже, искра может быть сформирована, прежде чем поршень 115 достигает TDC. Когда заряд сгорает, давление в камере 110 сгорания увеличивается и подталкивает поршень 115 вниз. Когда поршень 115 достигает BDC, выпускной клапан 140 перемещается вниз, тем самым, помещая выпускное отверстие 150 в сообщение с возможностью обмена текучей средой с камерой 110 сгорания. Когда поршень 115 перемещается по направлению к TDC, газообразные продукты сгорания от сгоревшего заряда вытесняются из выпускного отверстия 150. Когда поршень 115 достигает TDC, выпускной клапан 140 закрывается, и цикл повторяется.[0033] In some non-limiting embodiments, the implementation of the engine 100 can be adapted to operate using a 4-stroke process. The 4-stroke process may start with piston 115 at TDC, for example, and then it starts moving down. Inlet valve 135 moves downward, thereby placing inlet 145 in fluid communication with combustion chamber 110. The piston 115 moves downward, allowing the charge to flow into the combustion chamber 110. When piston 115 reaches BDC, intake valve 135 closes. Piston 115 then moves upward, compressing the charge. As piston 115 approaches TDC, spark plug 155 generates a spark that ignites the charge. In various embodiments, as discussed further below, a spark may be generated before piston 115 reaches TDC. As the charge burns, the pressure in combustion chamber 110 increases and pushes piston 115 down. When the piston 115 reaches the BDC, the exhaust valve 140 moves downward, thereby placing the exhaust port 150 in fluid communication with the combustion chamber 110. As piston 115 moves towards TDC, combustion gases from the burnt charge are expelled from exhaust port 150. When piston 115 reaches TDC, exhaust valve 140 closes and the cycle repeats.

[0034] Хотя особенности каждого процесса не описываются в данном документе, двигатель 100 в различных вариантах осуществления может быть сконфигурирован, чтобы работать согласно 2-тактному процессу, 5-тактному процессу, 6-тактному процессу, процессу воспламенения от сжатия (например, дизель), реактивному двигателю, турбине, роторному двигателю или любому другому типу двигателя, известному в области техники. Настоящее изобретение фокусируется на 4-тактовом процессе вследствие его распространенности и постоянной доступности, но ограничение на рамки изобретения не должно подразумеваться. [0034] Although the specifics of each process are not described herein, the engine 100 in various embodiments may be configured to operate according to a 2-stroke process, a 5-stroke process, a 6-stroke process, a compression ignition process (e.g., diesel) , jet engine, turbine, rotary engine, or any other type of engine known in the art. The present invention focuses on the 4-stroke process due to its ubiquity and continued availability, but limitation on the scope of the invention should not be implied.

[0035] Типично, углеводороды и кислород являются топливом и окислителем, соответственно, сжигаемыми в двигателе 100. Общее стехиометрическое химическое уравнение для сжигания углеводорода в кислороде предоставляется посредством уравнения 1:[0035] Typically, hydrocarbons and oxygen are the fuel and oxidant, respectively, combusted in engine 100. The general stoichiometric chemical equation for burning hydrocarbon in oxygen is provided by Equation 1:

Figure 00000001
Figure 00000001

Таким образом, для стехиометрического полного сгорания, весь углеводород и кислород реагируют, чтобы формировать двуокись углерода и воду. Таким образом, для стехиометрического полного сгорания, требуется некоторое соотношение топлива к воздуху. Одним показателем того, как фактическое отношение воздух-топливо сравнивается со стехиометрическим отношением воздух-топливо, является соотношение компонентов смеси (обозначенное как ɸ). Соотношение компонентов смеси вычисляется делением фактического соотношения воздух-топливо на стехиометрическое соотношение воздух-топливо. Значения соотношения компонентов смеси более 1 указывают богатые топливом условия.Thus, for stoichiometric complete combustion, all of the hydrocarbon and oxygen react to form carbon dioxide and water. Thus, for stoichiometric complete combustion, some ratio of fuel to air is required. One indication of how the actual air-fuel ratio compares to the stoichiometric air-fuel ratio is the mixture ratio (denoted as ɸ). The mixture ratio is calculated by dividing the actual air-fuel ratio by the stoichiometric air-fuel ratio. Mixture ratio values greater than 1 indicate fuel-rich conditions.

[0036] Двигатель 100, работающий согласно стехиометрическому полному сгоранию, типично работает, чтобы извлекать полезную работу и тепло. Однако, различные варианты осуществления могут содержать работу двигателя 100 с отличными от стехиометрических условиями для того, чтобы использовать двигатель 100 в качестве химического реактора. Некоторые варианты осуществления могут использовать богатые топливом условия (т.е., менее стехиометрического количества кислорода для сжигания всего углеводорода), чтобы частично окислять углеводород. Без намерения ограничиваться конкретным механизмом действия, в некоторых условиях, двигатель 100 может работать как установка для реформинга, чтобы производить синтез-газ (синтетический газ), содержащий водород (H2) и моноксид углерода (CO) согласно химической реакции, предоставленной посредством уравнения 2:[0036] Engine 100 operating according to stoichiometric complete combustion typically operates to extract useful work and heat. However, various embodiments may include operating engine 100 under non-stoichiometric conditions in order to use engine 100 as a chemical reactor. Some embodiments may use fuel-rich conditions (ie, less than the stoichiometric amount of oxygen to burn all of the hydrocarbon) to partially oxidize the hydrocarbon. Without intending to be limited to a particular mechanism of action, under some conditions, engine 100 may operate as a reformer to produce synthesis gas (syngas) containing hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) according to the chemical reaction provided by Equation 2 :

Figure 00000002
Figure 00000002

Если углеводород является метаном (CH4), тогда частичная окислительная реакция предоставляется посредством уравнения 3:If the hydrocarbon is methane (CH 4 ), then the partial oxidation reaction is provided by Equation 3:

Figure 00000003
Figure 00000003

Дополнительно, другие реакции, как представляется, возможно должны иметь место, также как и полное сгорание (уравнение 1), реакции реформинга, такие как уравнения 4 и 5 (показанные для метана), и другие такие известные реакции реформинга и сгорания.Additionally, other reactions seem likely to take place, as well as complete combustion (Equation 1), reforming reactions such as Equations 4 and 5 (shown for methane), and other such known reforming and combustion reactions.

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

[0037] Фиг. 2 - это схематичная диаграмма процесса 200 согласно различным вариантам осуществления, в которых двигатель 100 сгорания может быть использован в качестве химического реактора, чтобы производить, например, синтетический газ. Как обсуждалось ранее, заряд в двигатель 100 может содержать окислитель и топливо. Окислитель может содержать воздух, обогащенный воздух или газ, содержащий достаточно кислорода. Окислитель может проходить через фильтр 205, чтобы удалять частицы и другие твердые загрязнения, также как жидкие или газообразные загрязнения, такие как вода. Поток окислителя может регулироваться посредством дроссельной заслонки 210. Дроссельная заслонка 210 может содержать любое регулирующее поток устройство, известное в области техники, и может управляться вручную или электронным образом. Давление окислителя может быть повышено посредством нагнетателя 215. Нагнетатель 215 действует как компрессор, чтобы повышать давление, тем самым, предоставляя возможность доставки большего объема кислорода в каждый цилиндр 105 двигателя 100. Нагнетатель 215 может приводиться в действие посредством электромотора, или может иным образом снабжаться энергией, например, с помощью остаточной энергии в выхлопном потоке двигателя 100 или другом технологическом потоке. Окислитель может также проходить через нагреватель 220, чтобы повышать температуру окислителя перед поступлением в двигатель 100. Нагреватель 220 может использовать электрически питаемые нагревательные катушки, или теплообменник, который извлекает энергию из технологического потока, такого как выхлопной поток двигателя 100 (см., например, фиг. 4). Топливо может также проходить через фильтр 225, чтобы удалять твердые, жидкие или газообразные загрязнения, и через регулятор 230 потока. Температура топливного потока может быть повышена посредством нагревателя 235, работающего аналогично нагревателю 220 окислителя. Смеситель 240 может смешивать окислитель и топливо в желаемой пропорции, чтобы формировать заряд, доставляемый в каждый цилиндр 105 двигателя 100. Двигатель 100 может затем частично окислять заряд, как описано ранее, создавая синтетический газ в выхлопном потоке. Работа двигателя 100 может также создавать механическую энергию и тепло.[0037] FIG. 2 is a schematic diagram of a process 200 according to various embodiments in which combustion engine 100 can be used as a chemical reactor to produce, for example, syngas. As discussed earlier, the charge to engine 100 may contain an oxidizer and fuel. The oxidant may comprise air, enriched air, or a gas containing sufficient oxygen. The oxidant may pass through the filter 205 to remove particles and other solid contaminants as well as liquid or gaseous contaminants such as water. The oxidant flow may be controlled by throttle valve 210. Throttle valve 210 may include any flow control device known in the art and may be manually or electronically controlled. The pressure of the oxidizer can be increased by means of the supercharger 215. The supercharger 215 acts as a compressor to increase the pressure, thereby allowing more oxygen to be delivered to each cylinder 105 of the engine 100. The supercharger 215 may be powered by an electric motor, or may otherwise be powered , for example, using residual energy in the exhaust stream of the engine 100 or other process stream. The oxidant may also pass through heater 220 to raise the temperature of the oxidizer before entering engine 100. Heater 220 may use electrically powered heating coils, or a heat exchanger that extracts energy from a process stream, such as the exhaust stream of engine 100 (see, for example, FIG. . four). The fuel may also pass through a filter 225 to remove solid, liquid or gaseous contaminants and through a flow controller 230. The temperature of the fuel stream may be increased by means of a heater 235 operating similarly to the oxidizer heater 220. Mixer 240 may mix oxidizer and fuel in the desired proportion to form a charge delivered to each cylinder 105 of engine 100. Engine 100 may then partially oxidize the charge, as previously described, to create syngas in the exhaust stream. The operation of engine 100 may also generate mechanical energy and heat.

[0038] В различных вариантах осуществления процесс 200 может дополнительно содержать центральный процессор (не показан). Центральный процессор может быть на связи с и приспособлен для активации и управления одним или более отдельными компонентами процесса 200. Центральный процессор может быть приспособлен для хранения и выполнения компьютерного кода, чтобы инициировать работу процесса 200 в ответ на наблюдаемые рабочие условия двигателя 100 и анализ синтетического газа, производимого посредством двигателя 100. Например, соотношение H2 к CO в выхлопном потоке двигателя 100 может наблюдаться, и центральный процессор может регулировать один или более отдельных компонентов процесса 200 в ответ на наблюдаемое соотношение H2 к CO. Дополнительно, центральный процессор может регулировать один или более отдельных компонентов процесса 200 в ответ на наблюдаемые параметры двигателя 100, такие как температура сгорания в одном или более цилиндрах 105, давление на впуске, давление на выпуске и т.п.[0038] In various embodiments, process 200 may further comprise a central processing unit (not shown). The CPU may be in communication with and adapted to activate and control one or more individual components of process 200. The CPU may be adapted to store and execute computer code to initiate operation of process 200 in response to observed engine 100 operating conditions and syngas analysis. produced by engine 100. For example, the ratio of H 2 to CO in the exhaust stream of engine 100 may be observed, and the CPU may adjust one or more individual components of process 200 in response to the observed ratio of H 2 to CO. Additionally, the CPU may adjust one or more individual components of process 200 in response to observed parameters of engine 100, such as combustion temperature in one or more cylinders 105, intake pressure, exhaust pressure, and the like.

[0039] Фиг. 3 - это схематичная диаграмма процесса 300 согласно различным вариантам осуществления, в которых двигатель 100 сгорания может быть использован в качестве химического реактора, чтобы производить, например, синтетический газ. Фиг. 3 иллюстрирует, что двигатель 100 может быть соединен с генератором 305, чтобы преобразовывать механическую энергию, производимую двигателем 100, в электрическую энергию. Электрическая энергия может быть использована для питания нагревателя 220 окислителя, нагревателя 235 газа или для любой другой цели.[0039] FIG. 3 is a schematic diagram of a process 300 according to various embodiments in which combustion engine 100 can be used as a chemical reactor to produce, for example, syngas. Fig. 3 illustrates that motor 100 may be connected to a generator 305 to convert mechanical power produced by motor 100 into electrical power. The electrical energy may be used to power the oxidizer heater 220, the gas heater 235, or for any other purpose.

[0040] Фиг. 4 - это схематичная диаграмма процесса 400 согласно различным вариантам осуществления, в которых двигатель 100 сгорания может быть использован в качестве химического реактора, чтобы производить, например, синтетический газ. В процессе 400 остаточное тепло в синтетическом газе может быть использовано для нагрева окислителя и топлива. Нагреватель 220 окислителя и нагреватель 235 топлива могут содержать теплообменники для того, чтобы переносить тепло от синтетического газа к потокам окислителя и топлива. Теплообменники могут быть любого известного типа в области техники, такие как кожухотрубные, пластинчатотрубные и пластинчатореберные и могут работать, например, в прямоточной, противопоточной или поперечнопоточной конфигурации.[0040] FIG. 4 is a schematic diagram of a process 400 according to various embodiments in which combustion engine 100 can be used as a chemical reactor to produce, for example, syngas. In process 400, residual heat in the syngas can be used to heat the oxidizer and fuel. The oxidizer heater 220 and the fuel heater 235 may include heat exchangers to transfer heat from the syngas to the oxidizer and fuel streams. The heat exchangers may be of any type known in the art, such as shell and tube, plate tube, and plate fin, and may operate, for example, in a co-current, counter-flow, or cross-flow configuration.

[0041] Двигатели 100, работающие в богатых топливом условиях, могут быть чувствительны к ненормальному сгоранию, известному как детонация или стук двигателя. Детонация происходит, когда пузырь заряда зажигается за пределами фронта пламени, создаваемого искрой, и может вызывать рост давления в цилиндре 105 за проектные пределы. Это увеличение давления имеет потенциал пробивать дыры в поршне 115 или головке 130, ведя к катастрофическому повреждению двигателя 100.[0041] Engines 100 operating in fuel rich conditions may be susceptible to abnormal combustion known as engine knock or knock. Detonation occurs when the charge bubble ignites outside of the flame front created by the spark and can cause the pressure in cylinder 105 to rise beyond design limits. This increase in pressure has the potential to punch holes in piston 115 or crown 130 leading to catastrophic damage to engine 100.

[0042] Различные варианты осуществления содержат способы запуска двигателя 100, чтобы добиваться работы в богатых топливом условиях и, следовательно, работать в условиях установившегося состояния без (или с минимальной) детонации. Фиг. 5 иллюстрирует общую блок-схему последовательности операций различных вариантов осуществления способа 500 для запуска двигателя 100, чтобы добиваться работы в богатых топливом условиях. Двигатель 100 может быть запущен с помощью подаваемого газа, имеющего первоначальное соотношение компонентов воздушно-топливной смеси на этапе 505. Соотношение компонентов воздушно-топливной смеси может быть увеличено с приращением на этапе 510, чтобы формировать богатый топливом подаваемый газ. На этапе 515 одно или более из следующего может быть отрегулировано, в то же время увеличивая соотношение компонентов воздушно-топливной смеси, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000-2000 об/мин и температуру отработанного газа приблизительно менее 900°C: дроссельная заслонка 210, момент зажигания, нагрузка, соединенная с двигателем 100, давление топлива, мощность для нагнетателя 215, действующего на подаваемый газ, и мощность для предварительного нагревателя 220, 235, действующего на подаваемый газ. [0042] Various embodiments comprise methods for starting engine 100 to achieve operation in fuel rich conditions and therefore operate under steady state conditions with no (or minimal) detonation. Fig. 5 illustrates a general flow diagram of various embodiments of a method 500 for starting an engine 100 to achieve operation in fuel rich conditions. Engine 100 may be started with a feed gas having an initial air-fuel ratio at 505. The air-fuel ratio may be incrementally increased at 510 to form a fuel-rich feed gas. At 515, one or more of the following may be adjusted while increasing the air/fuel ratio to maintain engine speed between about 1000-2000 rpm and exhaust gas temperature below about 900°C: throttle valve 210, the ignition timing, the load connected to the engine 100, the fuel pressure, the power for the supercharger 215 acting on the supplied gas, and the power for the preheater 220, 235 acting on the supplied gas.

[0043] Перед запуском двигателя 100 первоначальные рабочие условия могут быть заданы так, что давление топлива является значением, типично более низким по сравнению с окружающим давлением, дроссельная заслонка 210 является частично открытой до предварительно определенного значения, типично менее 50%, момент зажигания задается в первое предварительно определенное значение, и нагрузка присоединяется к двигателю 100. В различных вариантах осуществления момент зажигания определяет, когда искра формируется посредством свечи 155 зажигания и измеряется относительно углового положения коленчатого вала 120, когда поршень 115 находится в TDC. Момент зажигания, в целом, может быть сдвинут на более ранний срок, чтобы формировать искру, прежде чем поршень 115 достигает TDC. Сдвиг на более ранний срок момента зажигания предоставляет возможность сгоранию (или желаемой величине частичного сгорания) заряда топлива завершаться близко к моменту, когда поршень 115 достигает TDC. Момент зажигания типично выражается как градусы вращательного перемещения коленчатого вала 120, прежде чем поршень 115 достигает TDC, или просто градусы перед верхней мертвой точкой (BTDC). В различных вариантах осуществления первое предварительно определенное значение момента зажигания может быть приблизительно 8 градусов BTDC, или приблизительно от 5 до приблизительно 15 градусов BTDC. В других вариантах осуществления первое предварительно определенное значение момента зажигания может быть до приблизительно 30 градусов BTDC.[0043] Before engine 100 is started, initial operating conditions may be set such that fuel pressure is a value typically lower than ambient pressure, throttle 210 is partially open to a predetermined value, typically less than 50%, ignition timing is set to a first predetermined value, and a load is attached to engine 100. In various embodiments, ignition timing determines when a spark is generated by spark plug 155 and measured relative to the angular position of crankshaft 120 when piston 115 is at TDC. Ignition timing can generally be advanced to generate a spark before piston 115 reaches TDC. The ignition timing advance allows combustion (or the desired amount of partial combustion) of the fuel charge to be completed close to the point where piston 115 reaches TDC. Ignition timing is typically expressed as degrees of rotation of crankshaft 120 before piston 115 reaches TDC, or simply degrees before top dead center (BTDC). In various embodiments, the first predetermined ignition timing may be about 8 degrees BTDC, or about 5 to about 15 degrees BTDC. In other embodiments, the first predetermined ignition timing may be up to about 30 degrees BTDC.

[0044] После инициирования запуска двигателя 100 и предоставления возможности двигателю 100 вращаться в течение короткого периода времени, пока двигатель не запустится, давление топлива может быть увеличено типично до почти окружающего давления, чтобы предоставлять возможность двигателю 100 работать самому по себе. Скорость двигателя должна наблюдаться после запуска. Момент зажигания может постепенно сдвигаться на более ранний срок до второго предварительно определенного значения, в то же время добавляя нагрузку, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин. Второе предварительно определенное значение момента зажигания может быть равно приблизительно 16 градусам BTDC. В других вариантах осуществления второе предварительно определенное значение момента зажигания может изменяться в диапазоне от приблизительно 8 градусов до приблизительно 28 градусов BTDC, предпочтительно приблизительно между 10 и приблизительно 20 градусами BTDC.[0044] After engine 100 is initiated to start and engine 100 is allowed to rotate for a short period of time until engine starts, fuel pressure can be increased typically to near ambient pressure to allow engine 100 to operate on its own. Engine speed should be observed after starting. The ignition timing may be gradually advanced up to a second predetermined value while adding load to keep the engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm. The second predetermined ignition timing may be approximately 16 degrees BTDC. In other embodiments, the second predetermined ignition timing may range from about 8 degrees to about 28 degrees BTDC, preferably between about 10 and about 20 degrees BTDC.

[0045] Как обсуждалось ранее, нагнетатель 215 может питаться в некоторых вариантах осуществления посредством электромотора. В таких вариантах осуществления нагнетатель 215 может быть первоначально запитан, а затем мощность может с приращением увеличиваться, в то же время с приращением увеличивая давление топлива, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин. В различных вариантах осуществления нагнетатель 215 может быть первоначально запитан с первоначальным предварительно определенным значением, типично настройкой, которая подает воздух аналогично безнаддувному двигателю, и с приращением увеличенным до второго предварительно определенного значения посредством приращений, которые равны приблизительно 10-15%% для диапазона между этими настройками. В различных вариантах осуществления давление топлива может быть с приращением увеличено приблизительно на 0,1 по уровню H2O, хотя более значительные приращения могут быть использованы.[0045] As previously discussed, blower 215 may be powered in some embodiments by an electric motor. In such embodiments, supercharger 215 may be initially energized and then power may be incrementally increased while incrementally increasing fuel pressure to maintain engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm. In various embodiments, supercharger 215 may be initially energized at an initial predetermined value, typically a setting that delivers air similar to a naturally aspirated engine, and incrementally increased to a second predetermined value in increments that are approximately 10-15%% for a range between these settings. In various embodiments, fuel pressure may be incrementally increased by approximately 0.1 H 2 O level, although larger increments may be used.

[0046] Дроссельная заслонка 210 может повышаться с приращением от первоначальной настройки с помощью приращений, которые растут от 1% до 10%, пока конечная позиция дроссельной заслонки, открытая приблизительно на 90%, не будет достигнута. Во время повышения дроссельной заслонки 210 давление топлива может увеличиваться для того, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин. Если производительность двигателя 100 быстро падает во время добавления давления топлива, тогда воздушно-топливная смесь может быть слишком богатой. В этой ситуации, давление топлива может быть уменьшено, и нагрузка использована для регулирования скорости двигателя. Температура отработанного газа может также наблюдаться и должна поддерживаться при температуре менее 900°C посредством изменения одного или более из давления топлива, дроссельной заслонки 210 и нагрузки двигателя.[0046] Throttle 210 may be raised in increments from the initial setting in increments that increase from 1% to 10% until the final throttle position, approximately 90% open, is reached. During throttle 210 increase, fuel pressure may be increased in order to maintain engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm. If the performance of the engine 100 drops rapidly during the addition of fuel pressure, then the air/fuel mixture may be too rich. In this situation, the fuel pressure can be reduced and the load is used to control the engine speed. The temperature of the exhaust gas can also be observed and must be maintained at a temperature of less than 900°C by changing one or more of the fuel pressure, throttle 210 and engine load.

[0047] Предварительные нагреватели 220, 235 могут быть первоначально запитаны, так что предварительные нагреватели 220, 235 поддерживают температуру заряда приблизительно в 200°C перед поступлением во впускное отверстие 145. Момент зажигания может затем быть сдвинут на более ранний срок дальше BTDC. Как известно в области техники, оптимальный момент зажигания и особый процесс для сдвига на более ранний срок момента зажигания будут зависеть от многих факторов, включающих в себя без ограничения топливные условия (температуру, давление, наличие загрязнений и т.д.), момент впрыска топлива, тип и состояние системы зажигания, скорость двигателя, нагрузку двигателя и конкретный тип используемого двигателя. Мощность для нагнетателя 215 может с приращением увеличиваться, чтобы увеличивать скорость подачи воздуха. Когда мощность нагнетателя повышается, и когда предварительные нагреватели 220, 235 нагреваются, скорость двигателя может поддерживаться приблизительно между 1000 и 2000 об/мин посредством регулирования давления топлива и нагрузки. После того как желаемая производительность двигателя достигнута, увеличения мощности нагнетателя могут быть прерваны.[0047] The preheaters 220, 235 may be initially energized such that the preheaters 220, 235 maintain a charge temperature of approximately 200° C. before entering inlet 145. The ignition timing may then be advanced past the BTDC. As is known in the art, the optimum ignition timing and the particular process for retrieving the ignition timing will depend on many factors including, but not limited to, fuel conditions (temperature, pressure, presence of contaminants, etc.), fuel injection timing. , type and condition of the ignition system, engine speed, engine load, and the specific type of engine being used. The power for the blower 215 may be incrementally increased to increase the air supply rate. As the supercharger power increases and as the preheaters 220, 235 heat up, the engine speed can be maintained between approximately 1000 and 2000 rpm by adjusting fuel pressure and load. Once the desired engine performance has been achieved, boosts in supercharger power may be interrupted.

[0048] После того как предварительные нагреватели 220, 235 достигают приблизительно 200°C, температура предварительного нагревателя может быть увеличена в предварительно определенных приращениях типично не более чем на 15% от настройки, чтобы избегать превышения заданной температуры. Как известно в области техники, использование автоматизированных систем управления может предоставлять возможность более значительных приращений температуры без увеличения риска превышения заданной температуры. Давление топлива может быть отрегулировано, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин, в то время как температура предварительного нагревателя растет. После того как желаемое соотношение компонентов воздушно-топливной смеси получено, дополнительные увеличения в температуре предварительного нагревателя могут быть прерваны. В различных вариантах осуществления желаемое соотношение компонентов воздушно-топливной смеси может быть приблизительно равно 1,6-2,4.[0048] After the preheaters 220, 235 reach approximately 200°C, the temperature of the preheater may be increased in predetermined increments, typically no more than 15% of the setting, to avoid exceeding the set temperature. As is known in the art, the use of automated control systems can allow larger temperature increments without increasing the risk of overshooting the set temperature. The fuel pressure can be adjusted to keep the engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm while the preheater temperature rises. Once the desired air/fuel ratio has been obtained, additional increases in preheater temperature may be interrupted. In various embodiments, the desired air-fuel ratio may be approximately 1.6-2.4.

[0049] Если двигатель 100 внезапно теряет устойчивость во время увеличения температуры предварительного нагревателя, рабочая температура в цилиндре 105 может быть слишком высокой для текущего соотношения воздух-топливо при текущем давлении коллектора. В этой ситуации, мощность для предварительных нагревателей 220, 235 может быть отключена до тех пор, пока устойчивость не будет восстановлена, и затем мощность для предварительных нагревателей 220, 235 может быть обратно включена, и повышение температуры предварительного нагревателя и давления топлива может возобновляться.[0049] If the engine 100 suddenly loses stability during the increase in preheater temperature, the operating temperature in the cylinder 105 may be too high for the current air-fuel ratio at the current manifold pressure. In this situation, power to preheaters 220, 235 may be turned off until stability is restored, and then power to preheaters 220, 235 may be turned back on and preheater temperature and fuel pressure rise may resume.

[0050] В то время как воздух часто используется для подачи окислителя в заряде, обогащенный воздух (например, приблизительно до 35% по объему O2) может быть использован в различных вариантах осуществления. Использование обогащенного воздуха может увеличивать производительность двигателя, уменьшать затраты на единицу производительности ниже по технологическому потоку и улучшать сбор жидкого продукта и активность катализатора. Также увлажненный воздух или добавление пара в подаваемый газ могут быть использованы. Увеличение влажности или добавление дополнительного пара увеличивает концентрацию водяного пара в цилиндре, предоставляя возможность более высокого выхода водорода посредством реакций парового реформинга, как описано в уравнении 5 выше.[0050] While air is often used to supply the oxidizer in the charge, enriched air (eg, up to about 35% by volume O 2 ) can be used in various embodiments. The use of enriched air can increase engine performance, reduce downstream unit costs, and improve liquid product collection and catalyst activity. Also humidified air or the addition of steam to the feed gas can be used. Increasing the humidity or adding more steam increases the water vapor concentration in the cylinder, allowing a higher hydrogen yield through steam reforming reactions as described in Equation 5 above.

[0051] В то время как метан используется здесь для описания преобладающего топлива, множество углеводородных топливных смесей может быть использовано в различных вариантах осуществления. Работа системы во многих случаях будет использовать метан, полученный из трубопроводов природного газа, попутного газа из нефтяных скважин, потоков отработанных газов, которые типично сжигались бы, потоков биогаза и других таких потоков газообразных летучих углеводородов. Трубопроводный природный газ состоит, главным образом, из метана, но будет иметь уровни этана между 1-6% и следы других углеводородов, двуокись углерода, азот и другие молекулы. Аналогично, попутный газ из нефтяных скважин будет иметь высокие концентрации этана и высших углеводородов, типично называемых природными газоконденсатами, такими как пропан, бутан, пентан и гексан. В некоторых случаях, природные газоконденсаты собираются, прежде чем оставшийся природный газ отбирается для трубопровода, использования или сжигания. Работа двигателя для производства синтетического газа может проходить либо с помощью этого топлива, либо без удаления природных газоконденсатов посредством приспосабливания рабочих параметров, чтобы поддерживать преобразование и избегать формирования сажи. Другой топливный поток для двигателя может быть газовыми потоками из различных химических, производственных или промышленных процессов или систем хранения либо в качестве отходов, либо побочных продуктов, и такие топлива могут иметь множество летучих углеводородов. Когда эти потоки имеют достаточно высокую концентрацию топлива (в зависимости от состава топлива) или могут быть обработаны, чтобы добиваться таких концентраций, представляется, что они будут потенциальными источниками топлива для производства синтетического газа, чтобы использовать эти потоки. Дополнительно, существует множество источников биогаза, которые могут быть использованы в качестве топлива для производства синтетического газа с помощью двигателя. В целях настоящего изобретения биогаз определяется как газообразный поток, сформированный из разложения веществ биомассы, содержащих, главным образом, метан и двуокись углерода со следами других компонентов, известных в области биогаза. Примерами источников биогаза являются свалки, места для обработки отходов животноводства и станции по очистке сточных вод. При использованиях биогаза предварительная обработка может потребоваться для удаления некоторой двуокиси углерода (в зависимости от концентрации) из топлива для эффективной работы двигателя, хотя полное удаление не требуется для работы двигателя. Работа двигателя, в целом, является малочувствительной к наличию двуокиси углерода. Как описано в составе природного газа, этан типично обнаруживается в потоках природного газа. Другие варианты осуществления могут использовать дополнительный этан либо в качестве топлива, либо смешанным с природным газом в качестве топлива. Добавление водорода в поток топлива может также предоставлять пользу в некоторых вариантах осуществления с различными составами топлива. Этот водород может быть получен из внешних источников или повторно использован из работы двигателя или процессов ниже по технологическому потоку. Один вариант осуществления будет либо повторным использованием водорода, выборочно изъятого из отработанного газа двигателя, либо повторным использованием доли выхлопа двигателя.[0051] While methane is used here to describe the predominant fuel, a variety of hydrocarbon fuel mixtures can be used in various embodiments. The operation of the system will in many cases use methane derived from natural gas pipelines, associated gas from oil wells, waste gas streams that would typically be flared, biogas streams, and other such gaseous volatile hydrocarbon streams. Pipeline natural gas is composed primarily of methane, but will have ethane levels between 1-6% and traces of other hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen and other molecules. Similarly, associated gas from oil wells will have high concentrations of ethane and higher hydrocarbons, typically referred to as natural gas condensates such as propane, butane, pentane and hexane. In some cases, NGLs are collected before the remaining natural gas is withdrawn for pipeline, use, or flaring. Syngas engine operation can be run either with this fuel or without removing NGLs by adjusting operating parameters to support conversion and avoid soot formation. Another engine fuel stream may be gas streams from various chemical, manufacturing or industrial processes or storage systems, either as waste or by-products, and such fuels may have a variety of volatile hydrocarbons. When these streams have a sufficiently high fuel concentration (depending on fuel composition) or can be processed to achieve such concentrations, they appear to be potential fuel sources for syngas production to utilize these streams. Additionally, there are many sources of biogas that can be used as fuel for engine-assisted syngas production. For the purposes of the present invention, biogas is defined as a gaseous stream formed from the decomposition of biomass substances containing mainly methane and carbon dioxide, with traces of other components known in the field of biogas. Examples of biogas sources are landfills, animal waste treatment sites and wastewater treatment plants. For biogas applications, pretreatment may be required to remove some carbon dioxide (depending on concentration) from the fuel for efficient engine operation, although complete removal is not required for engine operation. Engine operation is generally insensitive to the presence of carbon dioxide. As described in the composition of natural gas, ethane is typically found in natural gas streams. Other embodiments may use additional ethane either as fuel or mixed with natural gas as fuel. The addition of hydrogen to the fuel stream may also provide benefits in some embodiments with different fuel compositions. This hydrogen may be obtained from external sources or reused from engine operation or downstream processes. One embodiment would either reuse the hydrogen selectively removed from the engine's exhaust gas or reuse a fraction of the engine's exhaust.

[0052] После того как запуск двигателя 100 для достижения богатых топливом условий осуществляется (как например, посредством реализации, например, способа, описанного выше со ссылкой на фиг. 5), фиг. 6 иллюстрирует другую общую блок-схему последовательности операций различных вариантов осуществления способа 600 для непрерывной работы двигателя 100 в богатых топливом условиях. На этапе 605, первоначальный набор рабочих условий может поддерживаться после запуска двигателя 100 для противодавления на выходе газов, давления во впускном коллекторе, скорости двигателя, момента зажигания, соотношения компонентов воздушно-топливной смеси в топливном газе и температуры на впуске топливного газа. Температура на впуске топливного газа может быть увеличена на этапе 610 посредством увеличения мощности для предварительного нагревателя, в то же время поддерживая соотношение компонентов воздушно-топливной смеси. Содержание метана и кислорода (предположим, что метан является углеводородом в топливе) для отработанного газа может наблюдаться. Момент зажигания может быть отрегулирован на этапе 615 в ответ на наблюдаемое содержание метана и кислорода.[0052] After engine 100 is started to reach fuel rich conditions (such as by implementing, for example, the method described above with reference to FIG. 5), FIG. 6 illustrates another general flow diagram of various embodiments of a method 600 for continuously operating engine 100 under fuel rich conditions. At 605, an initial set of operating conditions may be maintained after engine 100 is started for exhaust gas back pressure, intake manifold pressure, engine speed, ignition timing, fuel gas air/fuel ratio, and fuel gas inlet temperature. The fuel gas inlet temperature may be increased at 610 by increasing the power for the preheater while maintaining the air/fuel ratio. The content of methane and oxygen (assuming methane is a hydrocarbon in the fuel) for the exhaust gas can be observed. The ignition timing may be adjusted at 615 in response to the observed methane and oxygen levels.

[0053] В различных вариантах осуществления первоначальное рабочее противодавление на выходе газов может быть приблизительно между атмосферным давлением и 5 бар абсолютного давления, первоначальное рабочее давление во впускном коллекторе может быть приблизительно между атмосферным давлением и 2 бар абсолютного давления, первоначальная рабочая скорость двигателя может быть приблизительно между 1000-2000 об/мин, первоначальный рабочий момент зажигания может быть приблизительно между 25-35 градусами BTDC, первоначальное рабочее соотношение компонентов воздушно-топливной смеси может быть приблизительно между 1,6 и 2,4, и первоначальная температура топливного газа может быть приблизительно между 200°C и 270°C. Фиг. 7 иллюстрирует приблизительные диапазоны температуры топливного газа для соотношений компонентов воздушно-топливной смеси, изменяющихся в диапазоне от 1 до 2.[0053] In various embodiments, the initial operating exhaust backpressure may be between approximately atmospheric pressure and 5 bar absolute pressure, the initial operating manifold pressure may be approximately between atmospheric pressure and 2 bar absolute pressure, the initial operating speed of the engine may be approximately between 1000-2000 rpm, the initial operating ignition timing may be approximately between 25-35 degrees BTDC, the initial operating air-fuel ratio may be between approximately 1.6 and 2.4, and the initial fuel gas temperature may be approximately between 200°C and 270°C. Fig. 7 illustrates approximate fuel gas temperature ranges for air-fuel ratios ranging from 1 to 2.

[0054] В различных вариантах осуществления регулировка момента зажигания в ответ на наблюдаемый метан и кислород содержит наблюдение утечки метана и кислорода (т.е., непрореагировавших метана и кислорода, проходящих через двигатель 100). Если содержание метана в отработанном газе или содержание кислорода в отработанном газе превышают приемлемые уровни, момент зажигания может быть сдвинут на более ранний срок, чтобы уменьшать утечку. Температура отработанного газа может наблюдаться во время смещения на более ранний срок момента зажигания, так что температура отработанного газа остается в диапазоне, указанном на фиг. 7. В различных вариантах осуществления, вместо смещения на более ранний срок момента зажигания всех цилиндров 105 двигателя 100 одинаково, момент зажигания может быть отрегулирован индивидуально для каждого цилиндра 105, так что переменчивость температуры отработанного газа каждого отдельного цилиндра 105 находится в диапазоне приблизительно 75°C.[0054] In various embodiments, adjusting ignition timing in response to observed methane and oxygen comprises observing leakage of methane and oxygen (ie, unreacted methane and oxygen passing through engine 100). If the methane content of the exhaust gas or the oxygen content of the exhaust gas exceed acceptable levels, the ignition timing may be advanced to reduce leakage. The exhaust gas temperature may be observed during the ignition timing advance so that the exhaust gas temperature remains in the range indicated in FIG. 7. In various embodiments, instead of precipitating the ignition timing of all cylinders 105 of engine 100 equally, the ignition timing can be adjusted individually for each cylinder 105 such that the exhaust gas temperature variability of each individual cylinder 105 is in the range of approximately 75°C. .

[0055] В рабочих условиях практически устойчивого состояния фиг. 8 иллюстрирует ожидаемое отношение H2 к CO в отработанном газе для заданного соотношения компонентов воздушно-топливной смеси. Таким образом, двигатель 100 может быть настроен, чтобы формировать желаемое отношение H2 к CO при необходимости для процессов ниже по технологическому потоку. Фиг. 9 иллюстрирует степень преобразования природного газа в качестве топлива для двигателя 100 для заданного соотношения компонентов воздушно-топливной смеси. Согласно различным вариантам осуществления, фиг. 8 может быть использована для определения соотношения компонентов воздушно-топливной смеси, необходимого для формирования желаемого отношения H2 к CO, а затем фиг. 9 может быть использована для определения ожидаемой степени преобразования топлива, которое может происходить при выбранном соотношении компонентов воздушно-топливной смеси.[0055] Under near-steady state operating conditions of FIG. 8 illustrates the expected ratio of H 2 to CO in the exhaust gas for a given air-fuel ratio. Thus, engine 100 can be tuned to generate the desired ratio of H 2 to CO as needed for downstream processes. Fig. 9 illustrates the conversion rate of natural gas as a fuel for engine 100 for a given air-fuel ratio. According to various embodiments, FIG. 8 can be used to determine the air/fuel ratio needed to produce the desired H 2 to CO ratio, and then FIG. 9 can be used to determine the expected degree of fuel conversion that can occur at a selected air-fuel ratio.

[0056] Пример[0056] Example

[0057] Система двигателя была сконфигурирована, чтобы создавать синтетический газ с помощью природного газа, исходящего из трубопровода природного газа местной энергокомпании. Коммерчески доступный 8-цилиндровый, 8,8 л двигатель искрового зажигания был сконфигурирован в системе, чтобы создавать синтетический газ с интенсивной работой. Воздух был взят из окружающей среды, и нагнетатель был использован, чтобы повышать давление до давления во впускном коллекторе приблизительно до 2 бар. Природный газ был доставлен из трубопровода энергокомпании, удовлетворяющего стандартным спецификациям США для трубопроводного природного газа. Типичный состав относительно длины описанных отрезков был 95% объема метана (CH4), 4% объема этана (C2H6), 1% объема двуокиси углерода (CO2) и неизмеренных микрокомпонентов. Смеси воздуха и природного газа были нагреты выше 200°C перед смешиванием. Смешанный подаваемый газ был затем подан в цилиндры двигателя через впускной коллектор. С помощью искрового зажигания подаваемый газ был преобразован в синтетический газ в цилиндре. Двигатель работал со скоростью 1500 об/мин, и температуры отработанного газа поддерживались ниже 900°C. Произведенный синтетический газ был собран посредством выпускного коллектора и поддерживался при давлении между 4-5 барами с помощью регулировки давления ниже по технологическому потоку.[0057] The engine system has been configured to create syngas using natural gas coming from a local power company's natural gas pipeline. A commercially available 8-cylinder, 8.8L spark-ignition engine was configured in the system to create high-performance syngas. Air was taken from the environment and a supercharger was used to pressurize the intake manifold to approximately 2 bar. The natural gas was delivered from a utility pipeline meeting the US standard specifications for pipeline natural gas. The typical composition relative to the length of the segments described was 95% v/v methane (CH 4 ), 4% v/v ethane (C 2 H 6 ), 1% v/v carbon dioxide (CO 2 ) and unmeasured microcomponents. The mixtures of air and natural gas were heated above 200°C before mixing. The mixed feed gas was then fed into the engine cylinders through the intake manifold. By means of spark ignition, the supplied gas was converted to synthetic gas in the cylinder. The engine was operated at 1500 rpm and exhaust gas temperatures were kept below 900°C. The produced syngas was collected via an exhaust manifold and maintained at a pressure between 4-5 bar by downstream pressure control.

[0058] Таблица 1 представляет состав синтетического газа (среднее значение для четырех проходов) из этого примера с работой двигателя 100 согласно настоящему изобретению.[0058] Table 1 shows the syngas composition (average of four passes) from this example with engine 100 operating according to the present invention.

[0059] Таблица 1. Состав синтетического газа[0059] Table 1 Syngas Composition

Компонент синтетического газаSyngas component Объемный процент (сухой)Volume percentage (dry) H2 H2 22.322.3 COCO 14.514.5 O2 O2 0.150.15 CO2 CO2 2.92.9 CH4 CH 4 1.31.3 N2 N 2 58.958.9

[0060] Вышеописанный пример представлен только в иллюстративных целях и не ограничивает изобретение процессами, использованными в примере.[0060] The above example is presented for illustrative purposes only and does not limit the invention to the processes used in the example.

[0061] В целом, выражения, такие как "связывается" и "на… связи с" (например, первый компонент "связывается с" или "находится на связи с" вторым компонентом), используются в данном документе, чтобы указывать структурное, механическое, электрическое, сигнальное, оптическое, магнитное, электромагнитное, ионное или жидкостное соотношение между двумя или более компонентами или элементами. По существу, тот факт, что один компонент, как упомянуто, должен связываться с другим компонентом, не предполагает исключать возможности того, что дополнительные компоненты могут присутствовать между, и/или функционально ассоциироваться или зацепляться с, первым и вторым компонентами.[0061] In general, expressions such as “associates” and “in…association with” (e.g., the first component “associates with” or “is in communication with” the second component) are used herein to indicate structural, mechanical , electrical, signal, optical, magnetic, electromagnetic, ionic, or fluid relationship between two or more components or elements. As such, the fact that one component, as mentioned, must communicate with another component is not intended to exclude the possibility that additional components may be present between, and/or operably associate with or engage with, the first and second components.

[0062] Будет понятно, что различные аспекты или детали изобретения могут быть изменены без отступления от рамок изобретения. Кроме того, вышеупомянутое описание существует только с целью иллюстрации, а не с целью ограничения - изобретение определяется формулой изобретения.[0062] It will be understood that various aspects or details of the invention may be changed without departing from the scope of the invention. In addition, the above description is for the purpose of illustration only and not for the purpose of limitation - the invention is defined by the claims.

Claims (41)

1. Способ для использования двигателя внутреннего сгорания в качестве реактора в богатых топливом условиях, содержащий этапы, на которых:1. A method for using an internal combustion engine as a reactor under fuel-rich conditions, comprising the steps of: запускают двигатель с помощью подаваемого газа, имеющего первоначальное соотношение компонентов воздушно-топливной смеси;start the engine using the supplied gas having the original ratio of the components of the air-fuel mixture; увеличивают соотношение компонентов воздушно-топливной смеси с приращением, чтобы формировать богатый топливом подаваемый газ; иincrementally increasing the air-fuel ratio to form a fuel-rich feed gas; and во время увеличения соотношения компонентов воздушно-топливной смеси регулируют одно или более из дроссельной заслонки, момента зажигания, нагрузки, присоединенной к двигателю, давления топлива, мощности для нагнетателя, действующего на подаваемый газ или часть подаваемого газа, и мощности для предварительного нагревателя, действующего на подаваемый газ, чтобы поддерживать соотношение компонентов воздушно-топливной смеси приблизительно равным 1,6-2,4.during an increase in the air-fuel ratio, one or more of the throttle valve, ignition timing, load attached to the engine, fuel pressure, power for the supercharger acting on the supplied gas or part of the supplied gas, and power for the preheater acting on the supply gas to maintain an air-fuel ratio of approximately 1.6-2.4. 2. Способ по п. 1, при этом подаваемый газ содержит углеводородные соединения и содержащий кислород поток.2. The method of claim 1, wherein the feed gas contains hydrocarbon compounds and an oxygen-containing stream. 3. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором задают первоначальные условия перед запуском двигателя, по меньшей мере, как одно из предварительно определенного давления топлива, частично открыто дроссельной заслонки, первого предварительно определенного значения момента зажигания и нагрузки, присоединенной к двигателю.3. The method of claim. 1, further comprising the step of setting the initial conditions before starting the engine, at least as one of a predetermined fuel pressure, a partially open throttle, a first predetermined ignition timing value, and a load attached to the engine . 4. Способ по п. 3, при этом установка частично открытой дроссельной заслонки содержит этап, на котором устанавливают дроссельную заслонку в предварительно определенную настройку ниже 50%.4. The method of claim 3, wherein setting the part throttle comprises setting the throttle to a predetermined setting below 50%. 5. Способ по п. 3, при этом установка первого предварительно определенного значения момента зажигания содержит этап, на котором устанавливают момент зажигания приблизительно от 5 до приблизительно 12 градусов перед верхней мертвой точкой (BTDC).5. The method of claim 3, wherein setting the first predetermined ignition timing comprises setting the ignition timing to about 5 to about 12 degrees before top dead center (BTDC). 6. Способ по п. 1, при этом запуск двигателя содержит этап, на котором задают давление топлива равным приблизительно 0 по уровню H2O и предоставляют возможность двигателю запускаться.6. The method of claim 1, wherein starting the engine comprises setting the fuel pressure to approximately 0 at the H 2 O level and allowing the engine to start. 7. Способ по п. 1, при этом скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 оборотами в минуту (об/мин) и температура отработанного газа приблизительно менее 900°C поддерживаются.7. The method of claim 1, wherein the engine speed is between about 1000 and 2000 revolutions per minute (rpm) and the exhaust gas temperature is maintained at less than about 900°C. 8. Способ по п. 1, при этом регулировка момента зажигания содержит этап, на котором сдвигают на более ранний срок момент зажигания до второго предварительно определенного значения, в то же время повышая нагрузку двигателя, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин.8. The method of claim 1, wherein the ignition timing adjustment comprises advancing the ignition timing to a second predetermined value while increasing engine load to maintain engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm. min. 9. Способ по п. 8, при этом второе предварительно определенное значение момента зажигания находится приблизительно между 8 градусами BTDC и приблизительно 28 градусами BTDC.9. The method of claim 8, wherein the second predetermined ignition timing is between approximately 8 degrees BTDC and approximately 28 degrees BTDC. 10. Способ по п. 1, при этом регулировка мощности для нагнетателя содержит этап, на котором первоначально снабжают мощностью нагнетатель.10. The method of claim 1, wherein adjusting the power for the blower comprises the step of first supplying power to the blower. 11. Способ по п. 10, дополнительно содержащий этап, на котором увеличивают мощность для нагнетателя, в то же время увеличивая давление топлива, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин.11. The method of claim 10, further comprising increasing power to the supercharger while increasing fuel pressure to maintain engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm. 12. Способ по п. 1, при этом регулировка дроссельной заслонки содержит этап, на котором повышают дроссельную заслонку, в то же время увеличивая давление топлива и нагрузку двигателя, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин.12. The method of claim 1, wherein the throttle adjustment comprises increasing the throttle while increasing fuel pressure and engine load to maintain engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm. 13. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором наблюдают температуру отработанного газа и изменяют одно или более из давления топлива, дроссельной заслонки и нагрузки двигателя, чтобы поддерживать температуру отработанного газа приблизительно менее 900°C.13. The method of claim 1, further comprising monitoring the exhaust gas temperature and changing one or more of the fuel pressure, throttle, and engine load to maintain the exhaust gas temperature below about 900°C. 14. Способ по п. 1, при этом регулировка мощности для предварительного нагревателя содержит этап, на котором первоначально снабжают мощностью предварительный нагреватель.14. The method of claim 1, wherein adjusting the power for the preheater comprises initially energizing the preheater. 15. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап, на котором устанавливают предварительный нагреватель в первоначальную температуру и повышают давление топлива, когда температура предварительного нагревателя увеличивается, в то же время поддерживая скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин.15. The method of claim 14, further comprising setting the preheater to its original temperature and pressurizing the fuel as the preheater temperature increases while maintaining the engine speed between about 1000 and 2000 rpm. 16. Способ по п. 15, при этом первоначальная температура предварительного нагревателя равна приблизительно 200°C.16. The method of claim 15 wherein the initial temperature of the preheater is approximately 200°C. 17. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором регулируют момент зажигания до третьего предварительно определенного значения.17. The method of claim 1, further comprising adjusting the ignition timing to a third predetermined value. 18. Способ по п. 17, при этом третье предварительно определенное значение момента зажигания равно приблизительно от 20 до приблизительно 30 градусов BTDC.18. The method of claim 17, wherein the third predetermined ignition timing is between about 20 and about 30 degrees BTDC. 19. Способ по п. 11, дополнительно содержащий этап, на котором увеличивают мощность для нагнетателя, в то же время регулируя давление топлива и нагрузку двигателя, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин до тех пор, пока желаемая объемная производительность двигателя не будет достигнута.19. The method of claim 11, further comprising increasing power to the supercharger while adjusting fuel pressure and engine load to maintain engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm until the desired displacement engine will not be reached. 20. Способ по п. 15, дополнительно содержащий этап, на котором, когда предварительны нагреватель достигает первоначальной температуры, увеличивают температуру предварительного нагревателя, в то же время регулируя давление топлива, чтобы поддерживать скорость двигателя приблизительно между 1000 и 2000 об/мин, пока соотношение компонентов воздушно-топливной смеси не достигнет приблизительно 1,6-2,4.20. The method of claim 15, further comprising, when the preheater reaches an initial temperature, increasing the temperature of the preheater while adjusting the fuel pressure to maintain the engine speed between approximately 1000 and 2000 rpm until the ratio components of the air-fuel mixture will not reach approximately 1.6-2.4. 21. Способ по п. 1, при этом первоначальное соотношение компонентов воздушно-топливной смеси топливного газа равно приблизительно 1.21. The method of claim 1 wherein the initial fuel gas air-fuel ratio is approximately 1. 22. Способ работы двигателя внутреннего сгорания в богатых топливом условиях, содержащий этапы, на которых:22. A method of operating an internal combustion engine in fuel-rich conditions, comprising the steps of: поддерживают рабочий набор условий после запуска двигателя для противодавления на выходе газов, давления во впускном коллекторе, скорости двигателя, момента зажигания, соотношения компонентов воздушно-топливной смеси топливного газа и температуры на впуске топливного газа;maintaining an operating set of conditions after engine start for backpressure at the outlet of gases, pressure in the intake manifold, engine speed, ignition timing, fuel gas air-fuel ratio, and fuel gas inlet temperature; увеличивают температуру на впуске топливного газа, в то же время поддерживая соотношение компонентов воздушно-топливной смеси топливного газа, и наблюдают содержание метана и кислорода для отработанного газа двигателя; иincreasing the fuel gas inlet temperature while maintaining the fuel gas air-fuel ratio, and monitoring the methane and oxygen content of the engine exhaust gas; and регулируют момент зажигания в ответ на наблюдаемое содержание метана и кислорода.regulate the ignition timing in response to the observed methane and oxygen content. 23. Способ по п. 22, при этом первоначальное рабочее противодавление на выходе газов находится между атмосферным давлением и 5 барами абсолютного давления.23. The method of claim 22, wherein the initial operating backpressure at the outlet of the gases is between atmospheric pressure and 5 bar absolute pressure. 24. Способ по п. 22, при этом рабочее давление во впускном коллекторе находится приблизительно между атмосферным давлением и 2 барами абсолютного.24. The method according to claim 22, wherein the operating pressure in the intake manifold is approximately between atmospheric pressure and 2 bar absolute. 25. Способ по п. 22, при этом первоначальная рабочая скорость двигателя находится приблизительно между 1000 и 2000 оборотами в минуту (об/мин).25. The method of claim 22, wherein the initial operating speed of the engine is between approximately 1000 and 2000 revolutions per minute (rpm). 26. Способ по п. 22, при этом первоначальный рабочий момент зажигания находится приблизительно между 25 и 35 градусами перед верхней мертвой точкой (BTDC).26. The method of claim 22, wherein the initial operating ignition timing is between approximately 25 and 35 degrees before top dead center (BTDC). 27. Способ по п. 22, при этом рабочее соотношение компонентов воздушно-топливной смеси топливного газа равно приблизительно 1,6-2,4.27. The method of claim 22, wherein the fuel gas air-fuel ratio is approximately 1.6-2.4. 28. Способ по п. 22, при этом первоначальная рабочая температура на впуске топливного газа находится приблизительно между 200°C и 270°C.28. The method of claim 22, wherein the initial operating temperature at the fuel gas inlet is between approximately 200°C and 270°C. 29. Способ по п. 22, при этом регулировка момента зажигания в ответ на наблюдаемое содержание метана и кислорода содержит этап, на котором сдвигают на более ранний срок момент зажигания, если наблюдаемое содержание метана или кислорода увеличивается за приемлемые уровни.29. The method of claim 22, wherein adjusting the ignition timing in response to observed methane and oxygen levels comprises advancing the ignition timing if the observed methane or oxygen levels increase beyond acceptable levels. 30. Способ по п. 22, дополнительно содержащий этап, на котором наблюдают за температурой отработанного газа из каждого цилиндра двигателя.30. The method of claim 22, further comprising monitoring the exhaust gas temperature from each engine cylinder. 31. Способ по п. 30, дополнительно содержащий этап, на котором индивидуально регулируют момент зажигания каждого цилиндра, чтобы уменьшать изменчивость в температуре отработанного газа каждого цилиндра в диапазоне около 75°C.31. The method of claim 30, further comprising individually adjusting the ignition timing of each cylinder to reduce variability in the exhaust gas temperature of each cylinder in the range of about 75°C. 32. Способ по п. 22, при этом отработанный газ содержит сочетание, по меньшей мере, двух из водорода (H2), моноксида углерода (CO), азота (N2), водяного пара (H2O), двуокиси углерода (CO2) и микрокомпонентов.32. The method of claim 22, wherein the exhaust gas contains a combination of at least two of hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), nitrogen (N 2 ), steam (H 2 O), carbon dioxide ( CO 2 ) and microcomponents. 33. Система установки для реформинга газа, сконфигурированная для выполнения способа по любому из предшествующих пунктов.33. A gas reformer system configured to perform the method of any one of the preceding claims. 34. Система установки для реформинга газа по п. 33, при этом система установки для реформинга газа конфигурируется, чтобы производить синтетический газ.34. The gas reformer system of claim 33, wherein the gas reformer system is configured to produce syngas. 35. Система установки для реформинга газа по п. 34, при этом синтетический газ содержит водород (H2) и моноксид углерода (CO).35. The gas reformer system of claim 34, wherein the syngas contains hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO).
RU2020103397A 2017-09-29 2018-09-24 Internal combustion engine as chemical reactor for production of synthesis gas from hydrocarbon raw materials RU2779031C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762565844P 2017-09-29 2017-09-29
US62/565,844 2017-09-29
PCT/US2018/052367 WO2019067341A2 (en) 2017-09-29 2018-09-24 Internal combustion engine as a chemical reactor to produce synthesis gas from hydrocarbon feeds

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020103397A RU2020103397A (en) 2021-10-29
RU2020103397A3 RU2020103397A3 (en) 2022-04-22
RU2779031C2 true RU2779031C2 (en) 2022-08-30

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6397790B1 (en) * 2000-04-03 2002-06-04 R. Kirk Collier, Jr. Octane enhanced natural gas for internal combustion engine
US6508209B1 (en) * 2000-04-03 2003-01-21 R. Kirk Collier, Jr. Reformed natural gas for powering an internal combustion engine
RU2299175C1 (en) * 2006-02-13 2007-05-20 ЗАО "ЭСТ-Инвест" Method of production of synthesis-gas and plant for realization of this method
US20090282812A1 (en) * 2004-09-17 2009-11-19 Eaton Corporation System and method of operating internal combustion engines at fuel rich low-temperature- combustion mode as an on-board reformer for solid oxide fuel cell-powered vehicles
DE102010020795A1 (en) * 2010-05-18 2011-01-13 Daimler Ag Pressure regulating arrangement for loading internal combustion engine of motor vehicle with e.g. liquefied petroleum gas, has heating device including latent heat accumulator and heating pressure regulator up to specific temperature
RU2011153039A (en) * 2011-12-26 2013-07-10 Владислав Владимирович Велицко METHOD AND DEVICE FOR PROCESSING LOW-CALORIES FUELS TO SYNTHETIC METHANE AND / OR OTHER HYDROCARBON PRODUCTS

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6397790B1 (en) * 2000-04-03 2002-06-04 R. Kirk Collier, Jr. Octane enhanced natural gas for internal combustion engine
US6508209B1 (en) * 2000-04-03 2003-01-21 R. Kirk Collier, Jr. Reformed natural gas for powering an internal combustion engine
US20090282812A1 (en) * 2004-09-17 2009-11-19 Eaton Corporation System and method of operating internal combustion engines at fuel rich low-temperature- combustion mode as an on-board reformer for solid oxide fuel cell-powered vehicles
RU2299175C1 (en) * 2006-02-13 2007-05-20 ЗАО "ЭСТ-Инвест" Method of production of synthesis-gas and plant for realization of this method
DE102010020795A1 (en) * 2010-05-18 2011-01-13 Daimler Ag Pressure regulating arrangement for loading internal combustion engine of motor vehicle with e.g. liquefied petroleum gas, has heating device including latent heat accumulator and heating pressure regulator up to specific temperature
RU2011153039A (en) * 2011-12-26 2013-07-10 Владислав Владимирович Велицко METHOD AND DEVICE FOR PROCESSING LOW-CALORIES FUELS TO SYNTHETIC METHANE AND / OR OTHER HYDROCARBON PRODUCTS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12416271B2 (en) Internal combustion engine as a chemical reactor to produce synthesis gas from hydrocarbon feeds
US20230340919A1 (en) Systems, Devices and Methods for Rich Engine Control
EP0855365B1 (en) Method for producing synthetic gas
WO2018119032A1 (en) Novel engine concepts for handling producer gas from biomass
WO2013157981A1 (en) Method for organizing a working process for a gas piston engine with spark ignition
US4575383A (en) Process for producing acetylene using a heterogeneous mixture
RU2779031C2 (en) Internal combustion engine as chemical reactor for production of synthesis gas from hydrocarbon raw materials
RU2443764C1 (en) Operating method of device for preparation of associated petroleum gases to be used in power plants
RU2299175C1 (en) Method of production of synthesis-gas and plant for realization of this method
US9957888B2 (en) System for generating syngas and an associated method thereof
BR112020006081B1 (en) METHOD OF USING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AS A SYNTHESIS GAS GENERATOR IN FUEL-RICH CONDITIONS, AS WELL AS THE METHOD OF OPERATING SUCH AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
WO2019056119A1 (en) Rotary reformer
US20230039174A1 (en) Control Of Cleanup Engine In A Biomass Conversion System
RU2794914C1 (en) Method of obtaining thermal energy
RU2196733C1 (en) Method of production of ammonia
US5109808A (en) Cross flow primary reactors for cyclic char burning engines and gasifiers
CN115108533A (en) Method for preparing hydrogen or synthesis gas by incomplete oxidative cracking of gaseous hydrocarbon
WO2023147524A2 (en) Systems, devices and methods for rich engine control
RU2184702C1 (en) Method of ammonia production
RU99780U1 (en) DEVICE FOR PREPARATION OF APPARATUS OIL GASES FOR USE IN POWER PLANTS