РЕГЕНЕРАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ С КАТАЛИЗАТОРОМ Российский патент 2009 года по МПК F02M25/12 

Изобретение относится к регенератору отработавших газов с катализатором для нейтрализации отработавших газов.

Из DE 3413419 А1 известно расположение в трубопроводе рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания нагреваемого щелевого катализатора, так что его регенераторный газ подается дополнительно во всасывающий канал.

Кроме того, из DE 10019007 А1 известно устройство для каталитического риформинга топлива с помощью воды в водород, при этом водород образуется с помощью катализатора, и возникающий водород отделяется мембраной от остальных газов. При этом отработавший газ двигателя внутреннего сгорания служит для нагревания катализатора риформинга, на вход которого дополнительно подается водород.

Кроме того, известно пропускание отработавших газов работающей на воздухе и углеводородном топливе установки для сжигания, в частности двигателя внутреннего сгорания, через катализаторное устройство, в котором не сгоревшее углеводородное топливо и промежуточные продукты сгорания, такие как NO_x, поэтапно переводятся в содержащие небольшое количество вредных веществ продукты отработавших газов, такие как СО₂, водяной пар и N₂, с помощью каталитического дожигания. За счет дожигания в катализаторе при работе обычно возникает температура около 1000°С, а в его корпусе создается обычно давление в несколько бар за счет обратного напора в последующем глушителе. Обычные катализаторы состоят из плотной, имеющей большую площадь пластинчатой несущей структуры, которая покрыта тонким слоем платинового металла или смеси металлов в качестве активного каталитического материала. Для стехиометрически сбалансированного состава подачи воздуха и топлива служит регулировочное устройство, в которое в качестве действительного сигнала подается величина измерения зонда отработавших газов, который измеряет содержание NO_x. Содержащаяся в отработавших газах тепловая и химическая энергия освобождается в катализаторе в виде тепла без полезного использования.

Кроме того, известно ответвление части отработавших газов и подмешивание в воздух, необходимый для сжигания топлива, за счет чего часть содержащейся в отработавших газах энергии полезно используется в последующем процессе сгорания, однако повышенная за счет еще горячих отработавших газов температура наддува приводит к меньшему наддуву двигателя внутреннего сгорания и тем самым к понижению максимальной мощности, а во многих случаях к повышенному образованию NO_x, которое связано с нежелательным сдвигом энергии из камеры сгорания в катализатор.

Задачей данного изобретения является упрощение указанного вначале устройства и лучшее использование содержащейся в горячих отработавших газах энергии.

Решение состоит в том, что работающий в горячих условиях катализатор граничит со стойкой относительно высоких температур диффузионной мембраной, которая с другой стороны граничит с коллектором регенерата, в котором поддерживается более низкое давление, чем имеющееся внутреннее давление катализатора, и что образующийся регенераторный газ подается в расположенное перед регенератором устройство сжигания в качестве дополнительного топлива.

Предпочтительные варианты осуществления указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

В качестве недорогой диффузионной мембраны хорошо зарекомендовал себя микропористый оксид алюминия с открытыми порами, который может быть также усилен оксидом циркония, при этом ширина пор от 0,5 до 2 мкм оказалась пригодной для отвода горючего регенераторного газа, в частности водорода, из катализаторного пространства. Хорошо зарекомендовали себя также температуростойкие микропористые мембраны из силикатов и/или алюминатов щелочноземельных металлов, таких как оксиды кальция-алюминия-кремния.

Было установлено, что регенераторный газ выходит из мембраны с низкой температурой и в мембране возникает перепад температур 1000°С и выше.

Предпочтительно, для опытной эксплуатации использовался обычный коммерческий автомобильный катализатор. С одной стороны катализатор герметично закрывался мембраной. Поперечные каналы в блоке катализатора облегчали боковой выход регенераторного газа.

Для обеспечения максимально большого падения давления в мембране в катализаторном пространстве со стороны выхода расположена отражательная пластина, которая создает повышенный скоростной напор.

Для быстрого запуска катализаторного процесса после перерывов в работе пригодны электрические свечи накаливания, известные из дизельных двигателей, и при необходимости электрически зажигаемая факельная свеча, устанавливаемые в кожухе катализатора и выступающие вовнутрь катализаторного пространства. После достижения катализатором нижней рабочей температуры около 900°С вспомогательное нагревание отключается. Затем каталитическое сжигание NO_x компонентов, а также углеродных компонентов углеводородов, которые находятся в отработавших газах, поддерживает рабочую температуру, которая может повышаться вплоть до 1300°С.

Регенераторный газ предпочтительно используется в качестве топлива и для этого подается во всасывающий канал устройства сжигания, в котором имеется пониженное давление. Таким образом, дополнительно увеличивается падение давления на мембране, что дополнительно способствует диффузии регенераторного газа.

Тем самым часть энергии отработавших газов возвращают обратно из катализатора в виде химической энергии регенераторного газа и подают для использования. Поскольку регенераторный газ по существу состоит из холодного водорода, то не уменьшается наддув, если устройство сгорания является двигателем внутреннего сгорания; дополнительно к этому он способствует процессу сгорания за счет своей легкой воспламеняемости и высокой горючести.

Двигатель внутреннего сгорания может работать без изменений с установленным перед ним компрессором наддува и глушителем, установленным после катализатора. Можно также использовать известный впрыск распыленной воды или водяного пара во всасывающую трубу, что служит для ускорения сгорания. Повышенная за счет этого доля водяного пара в отработавших газах предпочтительно расщепляется в катализаторе, так что возникает дополнительный регенераторный газ. В качестве альтернативного решения распыленную воду или водяной пар впрыскивают в катализаторное пространство в таком количестве, чтобы рабочая температура не опускалась ниже 1000°С. Оболочка из теплоизоляционного материала уменьшает потери реакционного тепла.

В одном предпочтительном варианте выполнения диффузионная мембрана состоит из нескольких круглых отдельных мембран, которые заключены соответственно в металлической втулке и удерживаются вместе с ней посредством герметичной запрессовки в несущей плите. Несущая плита предпочтительно состоит из нескольких пластин высококачественной стали, которые набраны в пакет соответственно с промежуточным расположением уплотнения из слюды и удерживаются в свинчиваемых фланцах в целом между коллектором регенерата и стенкой катализатора с промежуточным расположением уплотнений.

Предпочтительные варианты осуществления показаны на фиг.1-5:

фиг.1 - блок-схема регенератора;

фиг.2 - фрагмент с мембраной;

фиг.3 - модифицированный катализатор;

фиг.4 - расположение отдельных мембран, на виде сверху;

фиг.5 - установленная мембрана, на виде сбоку.

Блок-схема на фиг.1 показывает расположение регенератора 1 на катализаторе КАТ двигателя COMB внутреннего сгорания или т.п., горячий отработавший газ VG которого подается в катализаторное пространство. После каталитической очистки выхлопной газ AG, имеющий небольшое содержание вредных вещества, покидает каталитическое пространство через глушитель SD, при этом он тормозится у расположенной со стороны выхода отражательной пластины Р1, так что во время работы в каталитическом пространстве имеется внутреннее давление pk.

Оболочка катализатора на одном своем участке удалена и заменена мембраной MEM из микропористого керамического материала. При этом мембрана MEM удерживается в подходящем обрамлении Е в корпусе G, который сварен с рамой R в стенке W катализатора КАТ. На обращенной от катализатора стороне образована камера в качестве коллектора регенерата, из которого отводится регенераторный газ RG.

Регенераторный газ. RG предпочтительно подается во всасывающую трубу AS двигателя COMB внутреннего сгорания, в которую, при необходимости, через устройство LD наддува подается необходимый для сгорания воздух L.

Углеводородное топливо BS, например бензин, дизельное топливо или пропан-газ, подается известным образом через инжектор I в камеры сгорания, при этом регулировочное устройство RV, которое посредством лямбда-зонда S соединено со входной стороной катализатора КАТ, соответственно требуемой мощности двигателя определяет подаваемое количество оптимальной смеси из топлива и кислорода воздуха, так что происходит осуществляемое с небольшим выделением вредных веществ сгорание, включая каталитическое дожигание.

Снаружи катализатор окружен стойким к высоким температурам теплоизоляционным материалом WD для уменьшения потерь тепла. В катализаторном пластинчатом блоке выполнены поперечные отверстия Q, которые ведут на сторону мембраны.

В каталитическом пространстве для предварительного нагревания предусмотрены свечи GK накаливания и/или дополнительно питаемая топливом факельная свеча FK. Свечи GK, FK для разогрева нагружены электрическим напряжением U и во время фазы пуска к ним регулируемым образом через клапан BV подается топливо BS. Каталитическое пространство в данном примере снабжено также на стороне прихода потока отражательной пластиной Р2, которая сдерживает, в частности, при разогреве, давление и реакционное тепло.

Регенераторный газ RG находится за счет соединения с всасывающей трубой AS при пониженном давлении (разрежение), давлением pr регенерата, так что диффузия регенераторного газа происходит через мембрану MEM за счет падения давления от повышенного давления pk до пониженного давления pr, причем мембрана имеет сужающуюся в направлении падения давления (pk, pr) краевую фаску MR и опирается на стороне коллектора RG регенерата на перфорированный стальной лист В. Холодный регенераторный газ RG и охлажденная за счет этого мембрана MEM обеспечивают также охлаждение обрамления мембраны и всего коллектора RS регенерата. Свечи накаливания и факельная свеча предпочтительно соединены с возможностью пропускания тепла с рамой Е мембраны или же установлены в самой мембране MEM, так что они не повреждаются высокой температурой внутри катализатора КАТ.

В одном предпочтительном усовершенствовании в двигатель COMB внутреннего сгорания на стороне входа дозированно непосредственно подается распыленная вода или водяной пар, который служит для уменьшения температуры сгорания и тем самым снижения доли NO_x, согласно DE2843335, и дополнительно служит для катализатора КАТ в качестве основы для создания регенерата. В качестве альтернативного решения или дополнительно к этому, в другом варианте осуществления дозированно подается водяной пар D* в катализатор КАТ непосредственно или опосредованно в отработавшие газы VG перед катализатором КАТ.

На фиг.2 показан фрагмент регенератора. К оболочке катализатора КАТ приварена рама R, на которой удерживается корпус G с коллектором RS регенерата. Корпус G имеет стенку W или утолщенную стенку DW или раму R, в которую установлена по меньшей мере одна электрическая свеча GK накаливания и/или одна снабжаемая топливом факельная свеча FK для нагревания катализатора. Дополнительно к этому, от нее к остальным стенкам корпуса в уплотненном обрамлении Е проходит мембрана MEM из микропористой керамики. Предусмотрено также отводящее тепло соединение свечи GK накаливания через стенку DW корпуса и обрамление Е с охлаждаемой за счет диффузии мембраной MEM. Из коллекторного пространства RS трубопровод RL для регенерата ведет к потребителю или накопителю регенерата. Мембрана MEM предпочтительно опирается на перфорированный стальной лист В и герметично обрамлена краевой фаской MR.

На фиг.3 показан в изометрической проекции в частичном разрезе катализатор КАТ с мембраной MEM и факельной свечой FK, a также свечами GK накаливания. Катализатор КАТ содержит, по меньшей мере, один покрытый катализаторным металлом пластинчатый блок, через который проходят поперечные каналы Q, которые заканчиваются вблизи мембраны MEM. Показаны поперечные отверстия Q, которые проходят через тело катализатора.

Показаны также отражательные пластины. P1, P2, которые замыкают со стороны входа и выхода тело катализатора, причем они отстоят от катализатора на небольшое расстояние и снабжены узкими перфорациями.

Возникновение регенераторного газа, т.е. водорода, начинается уже при 200°С, однако требуется температура катализатора около 1000-1200°С.

Обычные в катализаторах отработавших газов платиновые металлы, палладий или т.п., можно в некоторых случаях заменять неблагородными металлами, если они наносятся с подходящей поверхностной структурой на носитель. Структура тиснения может состоять из известных сот из металла или керамики. Они обеспечивают площадь поверхности, например, 20000 м²/л.

В обычном коммерческом автомобильном катализаторе установлена мембрана с размерами 100×150×30 мм³.

На фиг.4 показана диффузионная мембрана из нескольких отдельных мембран МЕМ1 - МЕМ6, которые соответственно выполнены в виде круглой шайбы и удерживаются в металлической стойкой к высоким температурам втулке.

Втулки запрессованы с высоким давлением в несущую плиту 3 и таким образом герметично удерживаются даже при высоких разницах температуры. По сторонам показаны отверстия для свинчивания.

На фиг.5 показана установка собранной мембраны, несущая плита 3 которой удерживается с помощью винтовых соединений между снабженным фланцем корпусом W катализатора и фланцем коллектора RS регенерата с введением соответствующего уплотнения 5, 6 из слюды. Несущая плита 3 выполнена слоями в виде сандвича за счет введения между двумя пластинами 30 из высококачественной стали уплотнительной пластины 4. Уплотнительная пластина 4 предпочтительно состоит из стойкого к высоким температурам слюдяного материала и замыкается в плотной оправе как пластины-30 из высококачественной стали вокруг втулок.

Перечень позиций

COMB Устройство сгорания

КАТ Катализатор отработавших газов

L Воздух

BS Топливо

I Инжектор

LD Устройство наддува

AG Выхлопной газ

MEM Диффузионная мембрана

RG Регенераторный газ

RS Коллектор регенерата

Q Поперечные каналы

Р1, Р2 Отражательные пластины

VG Отработавшие газы

AS Всасывающая труба

FK Факельная свеча

BV Топливный клапан

U Электрическое напряжение на свечах

GK Свеча накаливания

S Лямбда-зонд

RV Регулировочное устройство

1 Регенератор

pr Давление регенерата

pk Внутренне давление катализатора

SD Глушитель

WD Теплоизоляция

RL Трубопровод для регенерата

R Рама

G Корпус

E Обрамление

DW Стенка корпуса

D, D* Пар

В Перфорированный стальной лист

MR Краевая фаска

W Стенка катализатора

3 Несущая плита

30 Пластина из высококачественной стали

4 Уплотнительная пластина

5 Уплотнение из слюды

6 Уплотнение из слюды

МЕМ1 Отдельная мембрана

МЕМ2 Отдельная мембрана

Изобретение может быть использовано в системах нейтрализации отработавших газов ДВС. Регенератор (VG) содержит катализатор (КАТ) для нейтрализации отработавших газов, который работает в горячих условиях. Катализатор (КАТ) граничит со стойкой относительно высоких температур диффузионной мембраной (MEM), которая с другой стороны граничит с коллектором (RS) регенерата, в котором поддерживается более низкое давление (pr), чем имеющееся внутреннее давление (pk) катализатора, и образующийся регенераторный газ (RG) подается в расположенное перед регенератором (1) устройство (COMB) сжигания в качестве дополнительного топлива. Такое выполнение позволяет упростить конструкцию устройства и улучшить использование содержащейся в горячих газах энергии. 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Регенератор отработавших газов (VG) с катализатором (КАТ) для нейтрализации отработавших газов, отличающийся тем, что работающий в горячих условиях катализатор (КАТ) граничит со стойкой относительно высоких температур диффузионной мембраной (MEM), которая с другой стороны граничит с коллектором (RS) регенерата, в котором поддерживается более низкое давление (pr), чем имеющееся внутреннее давление (pk) катализатора, и образующийся регенераторный газ (RG) подается в расположенное перед регенератором (1) устройство (COMB) сжигания в качестве дополнительного топлива.

2. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что диффузионная мембрана (MEM) состоит из стойкой к высоким температурам микропористой керамики с открытыми порами.

3. Регенератор по п.2, отличающийся тем, что диффузионная мембрана (MEM) состоит из алюминатов и/или силикатов щелочно-земельных металлов.

4. Регенератор по п.2, отличающийся тем, что мембрана (MEM) состоит из оксида алюминия.

5. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что мембрана (MEM) удерживается в подходящем обрамлении (Е) в корпусе (G), который рамой (R) приварен к стенке (W) катализатора (КАТ).

6. Регенератор по п.5, отличающийся тем, что мембрана (MEM) имеет сужающуюся в направлении падения давления (pk, pr) краевую фаску (MR).

7. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что мембрана (MEM) на стороне коллектора (RG) регенерата опирается на перфорированный стальной лист (В).

8. Регенератор по п.5, отличающийся тем, что в стенке (W), или утолщенной стенке (DW), или раме (R) установлена, по меньшей мере, одна электрическая свеча (GK) накаливания и/или одна снабжаемая топливом факельная свеча (FK) для нагревания катализатора.

9. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что катализатор (КАТ) со стороны выхода и/или входа снабжен соответственно отражательной пластиной (P1, P2).

10. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что катализатор (КАТ) содержит, по меньшей мере, один покрытый катализаторным металлом пластинчатый блок, через который проходят поперечные каналы (Q), которые заканчиваются вблизи мембраны (MEM).

11. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что катализатор (КАТ) окружен стойким к высоким температурам теплоизоляционным материалом (WD).

12. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что в устройство (COMB) сгорания подается воздух (L) и углеводородное топливо (BS) через регулировочное устройство (RV), которое с помощью лямбда-зонда (S) соединено с входной стороной катализатора (КАТ).

13. Регенератор по п.12, отличающийся тем, что в устройство (COMB) сгорания или катализатор (КАТ) дозированно непосредственно подается распыленная вода или водяной пар (D; D*).

14. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что устройство (COMB) сгорания является двигателем внутреннего сгорания.

15. Регенератор по п.14, отличающийся тем, что перед двигателем (COMB) внутреннего сгорания включено устройство (LD) наддува.

16. Регенератор по п.14, отличающийся тем, что после катализатора (КАТ) включен глушитель (SD).

17. Регенератор по п.14, отличающийся тем, что регенераторный газ (RG) с помощью трубопровода (RL) для регенерата вводится во всасывающую трубу (AS) двигателя (COMB) внутреннего сгорания.

18. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что диффузионная мембрана (МЕМ1-МЕМ6) состоит из нескольких круглых отдельных мембран, которые соответственно заключены в металлическую, стойкую к высоким температурам втулку (2) и герметично установлены в несущей плите (3).

19. Регенератор по п.18, отличающийся тем, что несущая плита (3) состоит, по меньшей мере, из двух пластин (30) из высококачественной стали с соответствующими промежуточными уплотнительными пластинами (4), а втулки (2) удерживаются в несущей плите (3) за счет запрессовки с высоким давлением.

20. Регенератор по п.19, отличающийся тем, что уплотнительные пластины (4) состоят из уплотнительного слюдяного материала, и несущая плита (3) удерживается с помощью слюдяных уплотнений (5, 6) за счет свинчивания между стенкой (W) катализатора (КАТ) и коллектором (RS) регенерата.