УСТАНОВКА РИФОРМИНГА ТОПЛИВА Российский патент 2016 года по МПК F01N3/28 F01N3/36 

Настоящее изобретение касается усовершенствованной установки риформинга, более конкретно конструкции практичной установки риформинга, выполненной с возможностью масштабирования так, что она может быть включена в транспортное средство.

Риформинг углеводородов представляет собой хорошо известный процесс, который осуществляется в промышленном масштабе. Предполагается, что дизельное топливо может подвергаться риформингу с возможностью образования водорода и что данный водород может быть добавлен к дизельному топливу или биодизельному топливу, чтобы непосредственно уменьшить выбросы NOx и дыма (твердых частиц) из дизельного двигателя. В качестве альтернативы, или в дополнение, водород, содержащийся в продукте риформинга, может способствовать каталитической дополнительной обработке обедненных (то есть обогащенных кислородом) выхлопных газов из дизельных двигателей, в частности при восстановлении NOx до N₂. См. Energy & Fuels 2003, 17, 1464-1473 и Journal of Catalysis 208, 435-447 (2002).

Другие теоретические обзоры возможностей данной технологии включают SAE 2005-01-2087 A. Tsolakis и др. и Chemical Engineering Journal 117 (2006) 131-136. Наш патент GB 2462798 также предполагает использование установки риформинга выхлопных газов в дизельном двигателе малой мощности.

Однако в настоящее время заявителям не известно о создании или даже разработке практической установки риформинга, пригодной для использования с дизельным двигателем. В частности, параметры для проектирования установки риформинга для дизельного транспортного средства очень сложные. Прежде всего, доступное тепло, поскольку относительно низкие температуры выхлопных газов в дизельных двигателях как малой мощности, так и высокой мощности не позволяют использовать эндотермическую реакцию парового риформинга. Это предпочтительно по сравнению с окислительным риформингом вследствие более высокого содержания водорода в получаемых газах. По существу все новые дизельные двигатели создаются с турбонаддувом, который также может затруднять размещение любой работоспособной конструкции установки риформинга.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает дизельный двигатель, содержащий впускную сторону и выпускную сторону, содержащий по меньшей мере один впускной клапан и один выпускной клапан на цилиндр, содержащий катализаторный блок установки риформинга, содержащий катализатор, расположенный дальше по потоку от упомянутого выпускного клапана (клапанов) и расположенный так, что часть горячего выхлопа проходит через катализатор, а остальная часть горячего выхлопа проходит в турбокомпрессор и/или на дополнительную обработку выхлопного газа, и, кроме того, катализаторный блок содержит средство подачи дизельного топлива, предпочтительно, в виде инжектора дизельного топлива, так что дизельное топливо может быть инжектировано для обеспечения тепла катализатору установки риформинга, чтобы повысить его температуру до эффективной температуры риформинга.

Сам по себе катализатор установки риформинга не имеет критически важного значения для настоящего изобретения. Предпочтительно, чтобы установка риформинга работала преимущественно как паровая установка риформинга. Катализатор может представлять собой, например, Pt и/или Pd или окись церия. Катализатор, предпочтительно, выполнен в виде слоя, нанесенного на обычную ячеистую подложку, желательно металлическую ячеистую подложку. Если дизельный двигатель используется в качестве стационарного источника электроэнергии, например, для приведения в движение генератора, может быть предусмотрена альтернативная оболочечная или трубчатая конструкция, в которой катализатор выполнен в виде гранул. Вообще говоря, катализаторы для использования на транспортных средствах должны быть очень прочными, и поэтому гранулы или подобные элементы, которые могут быть склонны к истиранию, обусловленному вибрацией, не являются предпочтительными.

Катализаторный блок установки риформинга может быть прикреплен к головке блока цилиндров существующего двигателя, например, внутри выхлопного коллектора. В качестве альтернативы, сама головка блока цилиндров может быть модернизирована с возможностью включения катализаторного блока со своим средством подачи топлива (инжектором).

Средство подачи дизельного топлива обычно по существу такое же, как средство, используемое для инжектирования топлива в двигатель. Желательно, чтобы упомянутое средство подачи было подсоединено к средству управления, например подсоединено к электронной системе контроля двигателя, с выходами, включающими температуру катализатора и/или температуру газов, входящих и выходящих из установки риформинга.

Как уже было упомянуто, через установку риформинга проходит только часть выхлопных газов. Это обеспечит достаточное количество водорода (и СО), чтобы обеспечить проведение дальше по потоку дополнительной каталитической обработки выхлопных газов, при этом минимизируя использование дизельного топлива, подаваемого в установку риформинга. Считается, что в большинстве случаев будет пригодна фиксированная часть, хотя для других случаев может быть использована изменяемая часть, регулируемая посредством клапана. В первоначальных конструкциях для пропускания через катализатор использовалась малая часть, менее 10% по объему. Наиболее предпочтительно, пропускать через катализатор установки риформинга примерно 1-2% всех выхлопных газов.

Специалист в данной области техники сможет придумать множество установок риформинга для использования в настоящем изобретении без отхода от концепции настоящего изобретения. Он, конечно, придумает установку для использования максимального количества тепла, доступного из выхлопных газов.

Если продукт реформинга из установки риформинга подают для облегчения старта и приведения в действие катализатора избирательного каталитического восстановления (selective catalytic reduction - SCR) дальше по потоку от турбокомпрессора, то настоящее изобретение обеспечивает возможность увеличения выбора SCR катализатора.

Согласно формуле предлагается дизельный двигатель, имеющий впускную сторону и выпускную сторону, с по меньшей мере одним впускным клапаном и одним выпускным клапаном на цилиндр, причем упомянутый дизельный двигатель содержит катализаторный блок установки риформинга, содержащий катализатор, расположенный дальше по потоку от выпускного клапана (клапанов) и расположенный так, что часть горячего выхлопа проходит через катализатор, а остальная часть горячего выхлопа проходит в турбокомпрессор и/или на дополнительную обработку выхлопного газа, причем упомянутый катализаторный блок содержит средство (11) подачи дизельного топлива, так что дизельное топливо может быть инжектировано для обеспечения тепла катализатору установки риформинга, чтобы повысить его температуру до эффективной температуры риформинга, причем упомянутый катализатор имеет форму кольца и расположен внутри кольцевого корпуса, позволяющего горячему выхлопному газу протекать по внутренней и внешней поверхностям корпуса.

Предпочтительно упомянутый катализатор представляет собой слой каталитического материала, нанесенный на металлическую проточную ячеистую опору.

Предпочтительно упомянутый катализатор расположен внутри выхлопного коллектора.

Предпочтительно упомянутый катализатор расположен внутри головки блока цилиндров.

Предпочтительно двигатель выполнен так, что через упомянутый катализатор проходит менее 10% по объему выхлопных газов из двигателя.

Предпочтительно в двигателе количество выхлопных газов, проходящих через катализатор, составляет приблизительно 1-2%.

Предпочтительно двигатель содержит соединение из катализатора установки риформинга с впускной стороной двигателя и/или с некоторой точкой в выпускной линии, расположенной до средства дополнительной каталитической обработки.

Предпочтительно средство (11) подачи дизельного топлива представляет собой инжектор дизельного топлива.

Ниже настоящее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемую фиг. 1, которая представляет собой разрез одного варианта осуществления установки риформинга в соответствии с изобретением, показанной подсоединенной к головке блока цилиндров дизельного двигателя (показана только часть) и подсоединенной к турбокомпрессору (показан только схематично).

Головка 1 блока цилиндров дизельного двигателя содержит выпускной клапан 2, соединенный с выпускным отверстием 3. К головке блока цилиндров прикреплен модифицированный выпускной коллектор 4. Коллектор 4 подсоединен посредством выпускной трубы 5 к стандартному турбокомпрессору 6.

Модифицированный выпускной коллектор содержит катализатор установки риформинга в виде металлической проточной ячеистой структуры 7 с покрытием, установленной внутри корпуса 8. Корпус содержит впускные отверстия 9а, 9b для выхлопа и др., так что часть выхлопного газа из выпускного отверстия входит в корпус и перемещается через катализатор, как показано на чертеже. Катализатор 7 установлен в центре относительно выпускного отверстия так, что он подвергается воздействию самых горячих выхлопных газов, которые перемещаются вокруг него и обеспечивают первоначальное нагревание. Корпус 8 содержит выпускную трубу 10, которая выходит из выхлопной трубы и может выполнять функцию обратной связи, передавая в двигатель топливо с высшей теплотворностью и/или в качестве дополнения к газам после турбокомпрессора, подаваемым в SCR катализатор. После турбокомпрессора энергия извлекается из выхлопа, и газы в значительной степени подвергаются охлаждению.

Инжектор 11 дизельного топлива установлен на модифицированном коллекторе и соединен с катализатором. Данный инжектор подает топливо, которое воспламеняется на катализаторе остаточным кислородом, находящимся в выхлопных газах. Показана входная точка 12 термопары для термопар, расположенных внутри катализатора (не показанного), и показанный вариант осуществления также включает пусковой подогреватель 13, традиционно обычная свеча зажигания.

Показанный вариант осуществления создан и приведен в действие на статическом экспериментальном дизельном двигателе с хорошими результатами.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях внутреннего сгорания. Дизельный двигатель имеет впускную строну и выпускную сторону с по меньшей мере одним впускным клапаном и одним выпускным клапаном (2) на цилиндр. Дизельный двигатель содержит катализаторный блок установки риформинга, содержащий катализатор (7), расположенный дальше по потоку от выпускного клапана (2). Катализатор (7) расположен так, что часть горячего выхлопа проходит через катализатор, а остальная часть горячего выхлопа проходит в турбокомпрессор и/или на дополнительную обработку выхлопного газа. Катализаторный блок содержит средство (11) подачи дизельного топлива, так что дизельное топливо может быть инжектировано для обеспечения тепла катализатору установки риформинга, чтобы повысить его температуру до эффективной температуры риформинга. Катализатор (7) имеет форму кольца и расположен внутри кольцевого корпуса (8), позволяющего горячему выхлопному газу протекать по внутренней и внешней поверхностям корпуса (8). Технический результат заключается в повышении температуры катализатора. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Дизельный двигатель (1), имеющий впускную строну и выпускную сторону с по меньшей мере одним впускным клапаном и одним выпускным клапаном (2) на цилиндр, причем упомянутый дизельный двигатель содержит катализаторный блок (4) установки риформинга, содержащий катализатор (7), расположенный дальше по потоку от выпускного клапана (клапанов) и расположенный так, что часть горячего выхлопа проходит через катализатор, а остальная часть горячего выхлопа проходит в турбокомпрессор и/или на дополнительную обработку (6) выхлопного газа, причем упомянутый катализаторный блок содержит средство (11) подачи дизельного топлива, так что дизельное топливо может быть инжектировано для обеспечения тепла катализатору установки риформинга, чтобы повысить его температуру до эффективной температуры риформинга,
причем упомянутый катализатор имеет форму кольца и расположен внутри кольцевого корпуса, позволяющего горячему выхлопному газу протекать по внутренней и внешней поверхностям корпуса.

2. Двигатель по п. 1, в котором упомянутый катализатор представляет собой слой каталитического материала, нанесенный на металлическую проточную ячеистую опору.

3. Двигатель по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутый катализатор расположен внутри выхлопного коллектора.

4. Двигатель по любому из пп. 1-3, в котором упомянутый катализатор расположен внутри головки блока цилиндров.

5. Двигатель по любому из пп. 1-3, выполненный так, что через упомянутый катализатор проходит менее 10% по объему выхлопных газов из двигателя.

6. Двигатель по п. 5, в котором количество выхлопных газов, проходящих через катализатор, составляет приблизительно 1-2%.

7. Двигатель по любому из пп. 1-3, содержащий соединение из катализатора установки риформинга с впускной стороной двигателя и/или с некоторой точкой в выпускной линии, расположенной до средства дополнительной каталитической обработки.

8. Двигатель по п. 1, в котором средство (11) подачи дизельного топлива представляет собой инжектор дизельного топлива.