車載燃料的微波等離子在線制氫系統技術方案

本實用新型專利技術涉及一種車載燃料的微波等離子在線制氫系統。包括管路部分、微波部分和控制部分，微波部分的磁控管通過磁控管座與環行器連接，磁控管電源調控裝置用來調節磁控管電源電壓，使磁控管輸出功率連續可調，諧振腔包括點火腔和反應腔，點火腔與反應腔相連接，并分別連接在環行器的兩個輸出端，環行器通過2根彎波導分別與點火腔和反應腔連接，在環行器與點火腔之間的彎波導上裝有一個電調反射器；所述的控制部分主要由工控機、溫度壓力傳感器和流量計組成，通過對各信號采集點信息的采集并進行分析，控制整個系統在規定的進程上工作。本實用新型專利技術解決了體積小型化、重量輕便化、控制智能化；微波輸出功率連續可調，低溫、低壓環境下運行等問題。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及燃料的微波等離子在線轉換制氫技術、車載等離子轉換器控制領域，特別是微波等離子反應腔的氫氣轉換器及其車載控制系統、控制策略。
技術介紹
氫或富氫氣體是一種良好的助燃劑，可以顯著提高汽車發動機碳氫燃料的燃燒器特性。將局部富氫技術應用到發動機的點火和燃燒過程可以顯著減少燃料消耗和污染氣體的排放。對于車輛的發展前景而言，使車載汽油、柴油、乙醇等碳氫燃料生成氫或富氫氣體是一項關鍵技術。將碳氫燃料分子重整為氫或富氫氣體的主要技術有熱解和電解的方法。在熱解方法中，例如天燃氣制氫工藝需要在高溫下(80(TC 110(TC )進行，打開C-H和C-O鍵，形成富氫氣體。在電解過程中，碳氫燃料處于強電場區域，碳氫燃料被擊穿，C-H和C-O鍵斷裂形成等離子體狀態，然后重整成富氫氣體。與天然氣、汽油、甲醇等重組原料相比，乙醇重整制氫具有環境友好和氫氣收率高等特點，乙醇可以通過三種方式制取富氫氣體[李吉剛，孫杰，陳立泉，李弘，程玉龍，張立功，董中朝.于商業化前夜的乙醇低溫重整制氫催化技術[J].農業工程技術(新能源產業)，2009]。例如，乙醇和水的重整反應方程式為CH3CH20H+H20 — 2C0+4H2。在這個反應中，理論上每摩爾乙醇需要255.43KJ的能量。文獻[胡又平，李格升，高孝紅，嚴正.水乙醇等離子體重整制氫中乙醇裂解的關鍵路徑模擬[J].南京航空航天大學學報.2009]對含水乙醇等離子體制氫中乙醇裂解的關鍵路徑進行了模擬。由于等離子體具有更高的溫度和能量密度，能夠產生活性成分，從而引發在常規化學反應中不能或難以實現的物理變化和化學反應。因此本專利設計一套通過微波驅動的等離子體重整器系統，具有高效、易啟動、易控制等優點。用于驅動微波等離子體重整器的微波能量可以通過磁控管、速調管、半導體微波發生器等微波源來產生。本系統采用的微波頻率為2.45GHz，微波傳輸線為矩形波導，具有結構簡單、機械強度大等優點，還可以避免外界干擾和輻射損耗。一些研究者已經用不同方法研究了微波等離子體。激發等離子體的方式有火花塞點火、激光點火、脈沖電暈放電點火、介質阻擋放電等。通過對諧振腔的特殊設計也可以激發等離子體[United States Patent, N0.5793013, Augustl1,1998]、[United StatesPatent,N0.6205769,BI,March27, 2001]。文獻[S.P.Kuo, “A microwave-augmented plasmatorch module as an igniter/fuel injector of a scram jet engine，，，Department ofElectrical&Computer Engineering, Polytechnic University, Six Metrotech Center,Brooklyn, NY11201]中介紹了一種小型化、低流速、注射點火一體化的等離子體產生裝置，利用特殊的波導形狀，產生的能量集中，可以有效實現點火。文獻[Hidetoshi Sekiguchiand Yoshihiro Mori, “Steam plasma reforming using microwave discharge，，，ThinSolid Films, Vol.453，pp.44-48，2003]做了微波放電生成大氣中的純蒸汽等離子體的研究，以及用等離子體重整碳氫化合物制氫的研究，并使用了一個不具有熱再生、微波功率和流控制的矩形諧振腔。
技術實現思路
制取富氫氣體的方法有化學重整法和等離子體重整法，它們的不同之處是他們激發化學反應的化學物質不同。化學重整法的激活物質是催化劑，而等離子體重整法的活性物質是活性自由基。化學重整法往往需要高溫、持續加熱，反應啟動較慢。而等離子體重整法不需要催化劑，反應環境也容易獲得，因此本系統采用等離子體重整法制取富氫氣體。前面介紹的幾種點火方式都有一定的局限性，火花塞點火方式需要定期更換，對環境有較高要求，激光、脈沖等點火方式需要高電壓、高交變電壓，文獻[S.P.Kuo, “Amicrowave-augmented plasma torch module as an igniter/fuelinjector of a scram jet engine，，，Department of Electrical&Computer Engineering,Polytechnic University, Six Metrotech Center, Brooklyn, NYl 1201]產生的是低流速等離子體，不利于反應的快速進行。文獻[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori,“Steamplasma reforming using microwave discharge”,Thin Solid Films,Vol.453,pp.44-48,2003]中矩形諧振腔結構簡單、腔內電磁場分析也比較容易，但是得到的電磁場場強相對較小，反應氣體在腔內的路程短，轉化率較低。因此本技術設計了兩個特殊的腔體一點火腔1010和圓環反應腔1011 ;點火腔1010用于點燃等離子體，幾何形狀為錐形，微波1032通過時能夠形成高密度微波能量，具有很高的場強，當場強達到氣體的擊穿場強時，就會產生微波打火，將混合氣體點燃。反應腔1011設計成圓環形的柱體形狀，圓環截面與矩形波導截面相同，有利于微波1032在反應腔中的傳播，并產生較高的場強，持續不斷的為反應提供能量，保持反應處于等離子體狀態。通過對電調反射器1023的控制使整個系統具備自啟動功能。本技術的目的是為解決上述的技術問題，提供一種新型、高效、啟動快、結構緊湊的車載燃料的微波等離子在線制氫系統。本技術的上述目的提供以下技術方案實現，結合附圖說明如下。一種車載燃料的微波等離子在線制氫系統，包括管路部分、微波部分和控制部分，所述微波部分主要由磁控管電源調控裝置、磁控管1019、磁控管座1020、環行器1021、電調反射器1023和諧振腔組成，所述磁控管1019通過磁控管座1020與環行器1021連接，所述磁控管電源調控裝置用來調節磁控管1019電源電壓，使磁控管1019輸出功率連續可調，所述諧振腔包括點火腔1010和反應腔1011，點火腔1010與反應腔1011相連接，并分別連接在環行器1021的兩個輸出端，環行器1021通過2根彎波導1025分別與點火腔1010和反應腔1011連接，在環行器1021與點火腔1010之間的彎波導1025上裝有一個電調反射器1023 ;所述的控制部分主要由工控機1044、溫度壓力傳感器和流量計組成，通過對各信號采集點信息的采集并進行分析，控制整個系統在規定的進程上工作。所述管路部分主要由2個蠕動泵1003、空氣泵1004、汽化器1007、預混腔1009、真空泵1015、冷凝器1012、磁控管1019、干燥器1014和流量計1006組成，所述2個蠕動泵1003分別控制水和乙醇液體流量，空氣泵1004控制空氣流量，汽化器1007設計成三進三出的圓盤結構，用于將反應原料汽本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種車載燃料的微波等離子在線制氫系統，包括微波部分、控制部分和管路部分，其特征在于，所述微波部分主要由磁控管電源調控裝置、磁控管(1019)、環行器(1021)、電調反射器(1023)和諧振腔組成，所述磁控管(1019)通過磁控管座(1020)與環行器(1021)連接，所述磁控管電源調控裝置用來調節磁控管(1019)電源電壓，使磁控管(1019)輸出功率連續可調，所述諧振腔包括點火腔(1010)和反應腔(1011)，點火腔(1010)與反應腔(1011)相連接，所述環行器(1021)通過2根彎波導(1025)分別與點火腔(1010)和反應腔(1011)連接，在環行器(1021)與點火腔(1010)之間的彎波導(1025)上裝有一個電調反射器(1023)；所述的控制部分主要由工控機(1044)、溫度壓力傳感器和流量計組成，通過對各信號采集點信息的采集、分析，控制整個系統在規定的進程上工作。

【技術特征摘要】
1.一種車載燃料的微波等離子在線制氫系統，包括微波部分、控制部分和管路部分，其特征在于，所述微波部分主要由磁控管電源調控裝置、磁控管(1019)、環行器(1021)、電調反射器(1023)和諧振腔組成，所述磁控管(1019)通過磁控管座(1020)與環行器(1021)連接，所述磁控管電源調控裝置用來調節磁控管(1019)電源電壓，使磁控管(1019)輸出功率連續可調，所述諧振腔包括點火腔(1010)和反應腔(1011)，點火腔(1010)與反應腔(1011)相連接，所述環行器(1021)通過2根彎波導(1025)分別與點火腔(1010)和反應腔(1011)連接，在環行器(1021)與點火腔(1010)之間的彎波導(1025)上裝有一個電調反射器(1023);所述的控制部分主要由工控機(1044)、溫度壓力傳感器和流量計組成，通過對各信號采集點信息的采集、分析，控制整個系統在規定的進程上工作。2.根據權利要求1所述的一種車載燃料的微波等離子在線制氫系統，其特征在于，所述管路部分主要由2個蠕動泵(1003)、空氣泵(1004)、汽化器(1007)、預混腔(1009)、真空泵(1015)、冷凝器(1012)、磁控管(1019)、干燥器(1014)和流量計(1006)組成，所述2個蠕動泵(1003)分別控制水和乙醇液體流量，空氣泵(1004)控制空氣流量，汽化器(1007)設計成三進三出的圓盤結構，用于將反應原料汽化并加熱到相同溫度，氣化后的氣體進入預混腔(1009)充分混合，真空泵(1015)裝在反應腔(1011)后面的管路上，用于提供系統的負壓環境，降低反應物的沸點和擊穿場強，使反應更容易進行，在汽化器(1007)與2個蠕動泵(1003)和空氣泵(1004)之間的管路上分別裝有真空電磁閥(1005)，用于協同真空泵(1015)對系統抽取負壓，并在緊急情況下切斷原料的供應來終止整個系統的反應，冷凝器(1012)和干燥器(1014)分別依次裝在反應腔(1011)與真空泵(1015)之間的管路上，冷凝器(1012)采用冷卻水循環方式，并與磁控管(1019)的冷卻水循環管路串聯在一起，通過一個水泵管路循環完成冷卻，用于將高溫產物冷卻，分離出未反應的水和乙醇，提高原料的利用率，干燥器(1014)用于對產物氣體進行干燥處理，流量計(1006)分別裝在空氣泵(1004)與汽化器(1007)之間和干燥器(1014)與真空泵(1015)之間，用于測量空氣的流量和經冷凝干燥后的產物氣體流量。`3.根據權利要求1所述的一種車載燃料的微波等離子在線制氫系統，其特征在于，所述磁控管(1019)用于把電能轉化成微波(1032)輸出，并采用水冷方式冷卻，微波(1032)通過磁控管座(1020)改變傳輸方向進入環行器(1021),所述環行器(1021)具有單向傳輸特性，入射信號能順利通過，反射信號由于被電阻吸收而不能通過，所述電調反射器(1023)用于調節點火腔(1010)和反應腔(1011)中的微波(1032)能量分配，當點火腔(1010)中完成點火后通過電調反射器(1023)使微波(1032)全部進入反應腔(1011)。4.根據權利要求1所述的一種車載燃料的微波等離子在線制氫系統，其特征在于，所述點火腔(1010)用于點燃等離子體，點火腔(1010)幾何形狀為錐形，反應腔(1011)為圓環形的柱體形狀，圓環截面與矩形波導截面相同，有利于微波(1032)在反應腔(1011)中的傳播，持續不斷的為反應提供能量，保持反應處于等離子體狀態，混合氣體通過石英管(1027)進入點火腔(1010)和反應腔(1011)，利于保溫和觀察，在石英管(1027)垂直穿過點火腔(1010)產生的兩個直徑與石英...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王治強，王慶年，王軍年，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：實用新型
國別省市：