ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к устройству для осуществления термохимической конверсии углеводородных и кислородсодержащих топлив за счет тепла отходящих газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), являющихся составной частью гибридных силовых установок. Разработка гибридных силовых энергоустановок (ГСУ) стационарного применения и для транспортных средств является одним из приоритетных направлений современного автомобилестроения. ГСУ представляют собой комбинированные энергетические установки, оборудованные двумя источниками энергии, один из которых - ДВС, а второй - буферный накопитель электроэнергии (аккумулятор). Путем комбинирования энергопотоков двух источников энергии обеспечивается снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ основного источника энергии - ДВС, использующего как традиционные углеводородные топлива, так и новые виды синтетических кислородсодержащих топлив, что является серьезным преимуществом ГСУ перед обычными энергоустановками на основе ДВС. Внешний тепловой баланс ДВС показывает, что значительная часть тепла, получаемого в результате сгорания питающего его топлива, отводится в атмосферу с выпускными газами и в систему охлаждения. В двигателях с искровым зажиганием доля необратимых потерь тепловой энергии, уносимой из него с отработавшими газами в окружающую среду в зависимости от режима работы, составляет 30…55%. Таким образом, если утилизировать это тепло посредством термохимической рекуперации топлива, то тепловую эффективность двигателя можно значительно увеличить. Одним из путей реализации этого решения является осуществление термохимического преобразования топлива в синтез-газ за счет рекуперированного тепла ДВС. В этой связи важным становится выбор топлива, которое наиболее эффективно для рекуперации тепла. Использование в качестве исходного топлива жидких углеводородных соединений с низкими температурами конверсии и с повышенным содержанием свободного водорода (например, простейшие спирты, эфиры и другие кислородсодержащие соединения) представляется наиболее предпочтительным. Для этих соединений уровни температуры проведения реакций конверсии топлива в синтез-газ и тепловые эффекты в эндотермических реакциях конверсии соизмеримы с температурными и энергетическими возможностями отработавших газов на выходе из двигателя, что обуславливает реальную возможность организации теплового режима каталитического процесса паровой конверсии без дополнительных затрат энергии.
В патенте [RU 2296393, Н01М 8/06, 27.03.2007] предлагается способ генерирования водорода в транспортных энергоустановках, включающий последовательные процессы испарения воднометанольной смеси и парового риформинга с выделением водорода из полученной смеси. Перед испарением воднометанольной смеси проводят гидролиз алюминия в щелочном растворе, происходящий с выделением тепла и водорода, причем щелочной раствор предварительно нагревают до температуры, соответствующей требуемому минимальному времени получения водорода. После этого за счет выделившегося при гидролизе тепла происходит испарение воднометанольной смеси, поступающей далее на риформинг.
В заявке [Japan Application №2002012404, В01В 1/00, 15.01.2002] предлагается схема установки с микропроцессорным управлением для подготовки топливно-водяной смеси для паровой конверсии углеводородов с добавкой этанола.
В патенте [Pat.US №6387554, С01В 3/32, Н01М 8/0, 14.05.2002] предлагается способ получения водородсодержащих смесей путем проведения паровой конверсии в топливных элементах произвольного типа. Набор топливных элементов в аппарате размещен аналогично трубчатому реактору и омывается снаружи парами водно-спиртовой смеси.
В патенте [Pat. US №6387554, С01В 3/32, 14.05.2002] предлагается схема топливного процессора для питания топливных элементов водородсодержащей смесью, обладающая, по мнению авторов, возможностью быстрого старта холодной системы за счет введения стадии парциального окисления. Для получения водородсодержащих смесей предлагается также проводить паровую конверсию в плазменных аппаратах с пульсирующим разрядом.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению является техническое решение, защищенное патентом [CN 201376895, В60К 13/04, С01В 3/22, 06.01.2010], которое выбрано в качестве прототипа. В данном техническом решении предлагается:
- использование горячих отходящих газов двигателя в качестве источника тепла для проведения эндотермической реакции при термохимической рекуперации,
- использование метанола в качестве исходного топлива для получения синтез-газа посредством каталитической паровой конверсии,
- использование промежуточного теплоносителя для передачи тепла от горячих газов в зону реакции,
- наличие изотермического трубчатого реактора, где осуществляется реакция паровой конверсии метанола,
- форсуночная подача воднометанольной смеси в зону испарения,
- подача полученного в результате конверсии синтез-газа непосредственно в двигатель.
Недостатком прототипа является сложность конструкции, связанная с наличием промежуточного теплоносителя, снижающего общую эффективность рекуперации тепла отходящих газов двигателя. Вместо такого промежуточного теплоносителя можно непосредственно использовать горячие отходящие газы двигателя, что приведет к снижению тепловых сопротивлений при передаче тепла и повышению эффективности рекуперации. Режимы работы устройства, описанного в данном патенте, полностью зависят от режимов работы двигателя, и в них не предусмотрена возможность их независимой регулировки, что является необходимым при работе ГСУ. В данном устройстве отсутствует независимая система запуска, что при практическом использовании приведет к длительному разогреву и медленной динамике процесса рекуперации тепла. Используемый в трубчатых реакторах гранулированный катализатор имеет, как правило, низкую радиальную теплопроводность и незначительные коэффициенты пристеночного теплообмена, что также снижает эффективность передачи тепла и, в конечном счете, снижает производительность единицы объема реактора. Существенным недостатком данного изобретения является отсутствие интеграции предлагаемых устройств с работой двигателя внутреннего сгорания по расходам топлива, тепловым потокам, а также системой управления.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания устройства для повышения эффективности использования топлив в гибридных энергоустановках посредством термохимической рекуперации тепла отходящих газов двигателя внутреннего сгорания, входящего в состав ГСУ, и оптимизации режимов работы двигательной и электрической частей ГСУ. Задача решается за счет технологической схемы ГСУ и конструкции аппаратов, входящих в устройство.
Схема полезной модели, приведенная на Фиг., включает собственно двигатель внутреннего сгорания с системами подачи топлива и воздуха, блок термохимической рекуперации тепла отходящих газов с получением синтез-газа, подаваемого в двигатель, блок буферного накопителя электроэнергии и блок микропроцессорной системы управления блоками ГСУ.
Блок термохимической рекуперации состоит из емкости с водными растворами кислородсодержащего топлива (КСТ: метанол, этанол, пропанол, диметилофый эфир) - 4, которые подаются в испаритель - 5. Испаритель обогревается отходящими газами двигателя - 1, в которые для поддержания определенной температуры подаются горячие газы из устройства подогрева - 3. Испаренная водно-топливная смесь поступает в пароперегреватель - 7, обогреваемый продуктами конверсии из реактора - 6. После перегрева смесь в виде пара поступает в каталитический реактор, где происходит эндотермическая реакция паровой конверсии КСТ с получением синтез-газа - 8. Реактор также обогревается отходящими газами двигателя. Полученный в результате термохимической рекуперации синтез-газ вместе с воздухом - 9 и топливом - 10 поступают в двигатель, где происходит их окисление с трансформацией тепла в механическую энергию, передаваемую в генератор - 12 для производства электрической энергии. Генератор может работать либо в режиме накопления электроэнергии в аккумуляторе - 16, либо через преобразователь напряжения - 13 передавать ее на электродвигатели - 14, связанные непосредственно с колесами - 15 в случае транспортного средства.
В данной полезной модели реактор паровой конверсии КСТ выполнен в виде плоских панелей, состоящих из экзотермических и эндотермических каналов. Внутри эндотермических каналов расположен катализатор, состоящий из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлопористых каталитических лент, образующих каналы для прохождения реагирующей смеси, поступающей из пароперегревателя. Катализатор, используемый в реакторе, представляет собой ленту на основе теплопроводных металлических сетчатых или металлопористых материалов, на которую нанесен методом пропитки или методом спекания с подложкой носителя каталитически активный компонент. В качестве катализатора используют различные комбинации оксидов переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов и металлы платиновой группы. Для улучшения теплового контакта между каналами катализатор может быть спечен со стенками панели. Экзотермические каналы, в которые подается отходящий газ двигателя, служат для обогрева эндотермических каналов и представляют собой плоские полые или заполненные насадкой каналы. Для увеличения эффективности использования топлива в ГСУ получаемый состав продуктов конверсии должен быть неравновесным и обогащенным водородом и оксидом углерода при минимальном содержании диоксида углерода. Полученный в результате реакции паровой конверсии КСТ синтез-газ подается в двигатель внутреннего сгорания, обеспечивая при этом снижение расхода основного топлива и эмиссии вредных выбросов двигателя.
Испаритель и пароперегреватель блока рекуперации могут быть выполнены в виде двух типов плоских каналов, в одни из которых подают горячий газ от двигателя и нагревательного устройства, а в другие - подлежащая испарению и последующему перегреву смесь воды с КСТ. Как вариант, в пароперегреватель могут подаваться продукты конверсии КСТ, тепло которых может использоваться для подогрева или перегрева смеси. Испаритель, пароперегреватель и каталитический реактор выполняются в виде единой конструкции.
Устройство подогрева представляет собой каталитический нагреватель, работающий либо на топливе, подаваемом в двигатель, либо на КСТ в смеси с воздухом. Оно состоит из слоя катализатора регулярной структуры (например, гранулированного катализатора), либо катализатора, который содержит носитель из металлопористого жаропрочного материала, необходимый для окисления топливной смеси воздухом с получением горячих продуктов реакции окисления при температуре 700-1000°С. В качестве активного компонента используют катализатора различные комбинации оксидов переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, и металлы платиновой группы. Для запуска устройства подогрева используется пусковой нагреватель, например, пламенный, работающий на основном топливе и воздухе, который обеспечивает предварительный разогрев катализатора до температуры 500-600°С. После достижения такой температуры пусковой нагреватель отключают, и на разогретый слой катализатора подают смесь воздуха и газообразного или испаренного топлива в соотношении 1.1-1.15 от стехиометрического. Это приводит к каталитической реакции полного окисления с получением горячих газов при температуре 700-1000°С, используемых вместе с отходящими газами в реакторе паровой конверсии.
Блок микропроцессорной системы управления (МПСУ) блоками ГСУ обеспечивает управление двигателем внутреннего сгорания, блоком термохимической рекуперации, блоком генерации и использования электроэнергии. Блок управления конструктивно выполнен на печатной плате и размещен в металлическом корпусе. Функционально блок управления состоит из: источника питания; микроконтроллера; модуля обработки сигналов датчиков; модуля формирования выходных сигналов управления; модуля связи с диагностическим оборудованием; бортового компьютера.
Блок буферного накопителя электроэнергии состоит из генератора, преобразователя напряжения, аккумулятора, трансмиссии и электродвигателей, связанных непосредственно с колесами транспортного средства. Соединение блока буферного накопителя энергии с ДВС и ведущими колесами возможно посредством последовательной, параллельной и последовательно-параллельной схем соединения.
Отличительными признаками предлагаемой полезной модели являются:
1. Исполнение блока термохимической рекуперации в виде конструкции, состоящей из испарителя, пароперегревателя и реактора, выполненных в виде плоских панелей, состоящих из экзотермических и эндотермических каналов, внутри которых в варианте реактора расположен катализатор. Катализатор состоит из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлопористых каталитических лент, образующих каналы для прохождения реагирующей смеси, поступающей из пароперегревателя. В качестве носителя для катализатора используется лента на основе освоенных промышленностью теплопроводных металлических сетчатых или металлопористых материалов с последующей технологией нанесения методом пропитки или методом спекания каталитически активных компонентов с подложкой носителя. Испаритель и пароперегреватель выполнены в виде двух типов плоских каналов, в одни из которых подают горячий газ от двигателя и нагревательного устройства, а в другие - подлежащую испарению и последующему перегреву смесь воды с КСТ.
2.Использование в качестве активного компонента катализатора различных комбинаций оксидов переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, и металлов платиновой группы. Катализатор обеспечивает термодинамически неравновесный состав продуктов паровой конверсии КСТ, смещенный в сторону увеличения содержания водорода и оксида углерода и минимального содержания диоксида углерода. Полученный в результате термохимической рекуперации синтез-газ подается в двигатель внутреннего сгорания, снижая при этом расход основного топлива и эмиссию вредных выбросов.
3. Наличие устройства подогрева, представляющего собой каталитический нагреватель, работающий либо на топливе, подаваемом в двигатель, либо на КСТ в смеси с воздухом. Устройство подогрева состоит из слоя катализатора регулярной структуры, (например, гранулированного катализатора), либо катализатора, который содержит носитель из металлопористого жаропрочного материала и активный компонент, для окисления топливной смеси с воздухом с получением горячих продуктов реакции окисления при температуре 700-1000°С. Для запуска устройства подогрева используется пусковой нагреватель, например, пламенный, работающий на основном топливе и воздухе, который обеспечивает предварительный разогрев катализатора до температуры 500-600°С. После достижения такой температуры пусковой нагреватель отключают, и на разогретый слой катализатора подают смесь воздуха и испаренного топлива в соотношении 1.1-1.15 от стехиометрического. Это приводит к каталитической реакции полного окисления с получением горячих газов при температуре 700-1000°С, используемых вместе отходящими газами в реакторе паровой конверсии.
4. Наличие блока микропроцессорной системы управления блоками ГСУ. Блок управления конструктивно выполнен на печатной плате и размещен в металлическом корпусе. Блок управления состоит из: источника питания; микроконтроллера; модуля обработки сигналов датчиков; модуля формирования выходных сигналов управления; модуля связи с диагностическим оборудованием; бортового компьютера.
5. Наличие блока буферного накопителя электроэнергии, состоящего из генератора, преобразователя напряжения, аккумулятора, трансмиссии и электродвигателей, связанных непосредственно с колесами транспортного средства. Соединение блока буферного накопителя энергии с ДВС и ведущими колесами возможно посредством последовательной, параллельной и последовательно- параллельной схем соединения.
На Фиг. представлена схема заявляемого устройства.
Она состоит из двигателя внутреннего сгорания - 1, генерирующего отходящие газы на рекуперацию - 2, устройства подогрева - 3, емкости в водным раствором кислородсодержащего топлива - 4, испарителя - 5, реактора - 6, производящего синтез-газ - 8, пароперегревателя - 7, систем подачи в двигатель воздуха - 9 и топлива - 10, микропроцессорной системы управления - 11, генератора - 12, преобразователя напряжения - 13, электродвигателей - 14, колес (в случае транспортного средства) - 15, аккумулятора - 16.
Гибридная силовая установка ГСУ с термохимической рекуперацией тепла отходящих газов двигателя работает следующим образом.
Горячие отходящие газы от двигателя внутреннего сгорания в зависимости от режимов его работы с температурой 300-600°С смешиваются с горячими газами от нагревательного устройства в соотношениях, необходимых для испарения, перегрева водных растворов топливной смеси и проведения эндотермической реакции паровой конверсии получения синтез-газа. Из емкости с водным раствором КСТ, приготовленным в соотношении 2-3 моля воды на моль КСТ, раствор подается в испаритель, где происходит его испарения до пара, который затем подается в пароперегреватель. Температура на выходе из пароперегревателя должна быть 400-600°С в зависимости от типа используемого кислородсодержащего топлива. Перегретый пар поступает в реактор паровой конверсии, где за счет тепла отходящих газов на катализаторе осуществляется реакция конверсии с образованием термодинамически неравновесного состава продуктов реакции, главным образом с увеличенным содержанием синтез-газа и уменьшенной концентрацией углекислого газа.
Полученный синтез-газ вместе с топливом и воздухом подается в двигатель, где происходит его сгорание с производством механической энергии, которая передается на генератор для получения электрической энергии.
Добавки синтез-газа, полученного в результате термохимической рекуперации, к топливу повышают эффективность его использования, выражающуюся в экономии топлива от 10 до 25% в зависимости от режимов работы установки и используемого вида КСТ.
Полученная энергия передается либо на аккумулятор для ее сохранения и дальнейшего использования, либо на преобразователь напряжения и далее на электродвигатели и колеса.
Пример 1.
3
Результаты испытания катализатора паровой конверсии метанола в блоке термохимической конверсии. Катализатор СоМn/Аl203, объем загруженного катализатора в реактор 100 см.
№
Н<sub>2</sub>O+СН<sub>3</sub>ОН г/час
Температура конверсии, °С
Состав продуктов конверсии
H<sub>2</sub>, %
СО, %
CO<sub>2</sub>, %
СН<sub>4</sub>, %
1
91
517
68,2
6
22,7
0,4
2
80
517
69,04
6,7
22,1
0,24
3
91
490
68,9
8,8
20,5
0,718
4
159
506
68,5
9,3
20,4
0,96
5
159
480
67,5
13,1
16,5
0,62
6
170
479
67,4
13,2
16,3
0,66
Термодинамическое равновесие
479
46,2
2,5
23,1
28,2
Пример 2.
3
Результаты испытания катализатора паровой конверсии этанола в блоке термохимической конверсии. Катализатор СоМn/Аl203, объем загруженного катализатора в реактор 100 см.
№
Н<sub>2</sub>О+С<sub>2</sub>Н<sub>5</sub>ОНг/час
Температураконверсии, °С
Состав продуктов конверсии
H<sub>2</sub>, %
СО, %
CO<sub>2</sub>, %
СН<sub>4</sub>, %
1
27
518
69,9
10
20
3,1
Термодинамическое равновесие
518
55
4,3
21,8
18,9
Полученные результаты показывают, что катализатор обеспечивает неравновесный состав продуктов конверсии с увеличенным содержанием водорода и оксида углерода и пониженным содержащем углекислого газа.
Пример 3.
Сравнительные данные по влиянию термохимической рекуперации тепла отходящих газов двигателя ЗМ3-40522, входящего в состав ГСУ, при частоте вращений коленчатого вала 3000 оборотов в минуту на уменьшение расхода топлива и снижение эмиссии вредных выбросов. Эксперименты проведены при использовании метанола для проведения термохимической рекуперации.
Режим работы ГСУ без термохимической рекуперации
расход синтез-газа=0 м куб./час
N<sub>e</sub>, КВТ
8.4
17.1
22.5
25.7
30.5
CO%
0.72
0.87
0.95
1.12
1.37
СН, ррм
112
125
198
275
370
NO<sub>x</sub>, ррм
1100
1280
1720
2100
2550
G<sub>бенз</sub>, кг/час
3.71
4.1
4.79
5.8
6.93
Режим работы ГСУ с термохимической рекуперацией
расход синтез-газа=15,8 м.куб./час
СО%
0.06
0.08
0.11
0.13
0.18
СН, ррм
54
63
72
89
105
NO<sub>x</sub>, ррм
47
54
76
110
142
G<sub>e</sub>, кг/час
2,95
3.41
4.10
5.15
6.23
Эффективность рекуперации
1.26
1.20
1.17
1.12
1.11
e
Под эффективностью рекуперации понимается отношение расхода топлива G бензина без термохимической рекуперации к суммарному расходу эквивалентного топлива G (бензин+синтез-газ) при термохимической рекуперации.
x
Из таблицы видно, что при работе ГСУ в режиме с термохимической рекуперацией тепла отходящих газов не только заметно улучшаются расходные характеристики энергоустановки на базе ГСУ по эквивалентному топливу, но и снижаются концентрации вредных выбросов СО, СН и NO. Суммарная экономия эквивалентного топлива в зависимости от нагрузки изменяется от 11 до 26%.
Сравнительные данные по результатам испытаний ГСУ в вариантах без и при термохимической рекуперации тепла отходящих газов двигателя ЗМЗ-40522.Показатели назначения
Показатели назначения
Работа ГСУ на основном топливе
Работа ГСУ в режиме рекуперации тепла (с добавками синтез-газа)
1. Механические (насосные) потери во впускном тракте ДВС при разряжении:
1.1. При Р абс.= -900…-600 мбар
13,8
5,1
1.2. При Р абс. = -210…-272 мбар
11,3
4,2
1.3. При Р абс. = -142…-111 мбар
11,1
3,9
2. Показатели энергоустановки с ГСУ на рабочих режимах (частичные нагрузки, 3 режима по мощности - 8,4 кВт; 22,5 кВт; 30,5 кВт)
2.1. Концентрация СО, %
0,72; 0,95; 1,37
0,06; 0,11; 0,18
2.2. Концентрация СН, ррм
112; 198; 370
54; 72; 105
2.3. Концентрация NO<sub>x</sub>, ррм
1100; 1720; 2550
47; 76; 142
2.4. Расход топлива эквивалентный, G<sub>e</sub> кг/час
3,71; 4,79; 6,93
2,95; 4,10; 6,23
2.5. Расход синтез-газа в ДВС, м куб./час
-
В среднем 15,8
2.6. Эффективность рекуперации
-
1.26; 1.17; 1.11
3. Номинальная мощность энергоустановки с ГСУ, кВт
30,5
30,5
4. Время выхода ГСУ на рабочий режим, мин.
4-5
15
5. Время останова ГСУ, мин
1-2
12-15
6. Электрические показатели энергоустановки с ГСУ:
6.1. Напряжение генератора, В
380 трехфазное
380 трехфазное
6.2. Частота напряжения генератора, Гц
10000
10000
6.3. Емкость накопителя, А*час
260
260
6.4. Пиковая мощность накопителя, кВт
25
25
6.5. Номинальное напряжение накопителя, В
274
274
6.6. Масса накопителя, кг
44
44
6.7. Пиковый крутящий момент приводного электромотора, Нм
0-350
0-350
Приведенные результаты испытаний подтверждают возможность реализации данной конструкции ГСУ для термохимической рекуперации тепла отходящих азов двигателя и увеличение эффективности использования топлив в ГСУ от 11 до 26%