УСТРОЙСТВО ПРЕДПУСКОВОГО ПОДОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ, АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ, ГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА И СПОСОБ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
DEVICE FOR PRE-STARTUP HEATING OF ENGINE, INDEPENDENT HEATING, GENERATION OF HYDROGEN-BEARING GAS AND OPERATING METHOD OF DEVICE

Изобретение относится к системам нагрева двигателя, системам отопления транспортных средств, работающих на топливе, системам конвертирования различных видов транспортных топлив (газообразных и жидких углеводородов, спиртов, эфиров и др.) в синтез-газ непосредственно на борту транспортных средств.
Прогрев двигателя и салона автомобиля перед пуском, а иногда и во время движения - необходимое условие его нормальной эксплуатации в условиях низких отрицательных температур окружающей среды. Для решения этой проблемы известны устройства-подогреватели двигателя и салона, работающие на топливе из бака автомобиля (US 4718602, В60Н 1/22, 12.01.1988). Предпусковой подогреватель представляет собой прибор, который преимущественно устанавливается в моторном отсеке. Конструктивно такой прибор с сопутствующими устройствами состоит из нескольких основных частей: системы подачи воздуха и системы подачи топлива, соединенной с топливным баком автомобиля; камеры с системой поджига, в которой происходит пламенное сгорание подаваемого топлива; теплообменника, который подсоединяется к охлаждающему контуру двигателя, системы электронного управления, подключаемой к бортовой сети транспортного средства. Прогрев двигателя осуществляется за счет полного сгорания подаваемого в прибор топлива и нагрева теплоносителя в теплообменнике дымовыми газами. Нагретый теплоноситель проходит через охлаждающий контур выключенного двигателя, за счет чего достигается его предварительный предпусковой прогрев до заданной температуры. Кроме этого при включении системы циркуляции воздуха (системы кондиционирования) внутри автомобиля может быть осуществлен прогрев его салона.
В городских условиях эксплуатации автомобиля его двигатель в основном работает в режимах малых и средних нагрузок, что приводит к значительным выбросам вредных продуктов неполного сгорания. Для экономии углеводородного топлива, снижения выбросов углекислого газа и улучшения экологических характеристик двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при городском цикле езды необходимо использовать обедненную топливную смесь, т.е. при соотношении кислород/топливо (α) больше стехиометрического, причем, чем смесь будет более бедная, тем большая экономия топлива будет достигаться. Однако, когда смесь становится беднее определенного уровня, обеспечить устойчивую работу двигателя становится невозможным, поскольку искра свечи зажигания перестает воспламенять такую смесь. Известно, что добавки водорода, водородсодержащих газовых смесей или синтез-газа (смеси водорода и монооксида углерода) к бедным топливным смесям, позволяют производить их воспламенение в ДВС при более высоких значениях α, что приводит к снижению общего расхода топлива, а также уменьшает вредные выбросы СО и оксидов азота (US 6397790, F02B 43/08, 04.06.2002).
Кроме этого также известно (US 2005/0287049, F01N 3/00, 29.12.2005), что уменьшение выбросов оксидов азота в отработавших газах дизельных двигателей может достигаться путем добавок к ним восстановителя. Восстановитель реагирует с оксидами азота с образованием безопасного молекулярного азота. В качестве такого восстановителя также может использоваться водород, водородсодержащие газовые смеси или синтез-газ.
Использование баллонного водорода на транспорте даже в небольших количествах нежелательно по причинам высокой взрыво- и пожароопасности водорода и отсутствия развитой инфраструктуры снабжения транспорта водородом. Практическим вариантом решения этой проблемы может быть получение водородсодержащего газа или синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля. В этом случае реализуются все преимущества применения водорода для воспламенения обедненных топливных смесей в искровых ДВС и проведения очистки от оксидов азота в дизельных ДВС, и исчезает необходимость в создании инфраструктуры снабжения транспорта водородом.
2
2
Наиболее близким является устройство-подогреватель двигателя и салона, работающее на топливе из бака автомобиля (US 4718602, В60Н 1/22, 12.01.1988). Недостатками известного устройства является то, что его работа осуществляется за счет пламенного сгорания топлива, что сильно ограничивает возможность регулирования параметров процесса (в первую очередь температуры и состава выходящих дымовых газов, состоящих в этом случае в основном из CО и паров НО). Кроме этого во время пламенного сгорания углеводородного топлива может происходить образование оксидов азота за счет локальных перегревов из-за неоднородной структуры пламени. В целом, расход топлива на транспортном средстве, оборудованном таким устройством, возрастает.
Предлагаемое изобретение позволяет решать как задачу предпускового прогрева двигателя и прогрева салона автомобиля, так и задачу получения синтез газа на борту автомобиля с целью дальнейшего его использования для различных нужд.
Задача решается благодаря использованию устройства предпускового подогрева двигателя, автономного отопления, генерации водородсодержащего газа (далее Генератор Тепла и Газа, сокращенно ГТГ), а также при помощи способа его работы.
Предлагаемое устройство предпускового подогрева двигателя, автономного отопления, генерации водородсодержащего газа состоит из системы запуска, конвертора, теплообменника, системы управления, в конверторе установлен катализатор, позволяющий проводить паровоздушную или воздушно-углекислотную, или паро-воздушно-углекислотную конверсию топлива, продукты которой, проходя через теплообменник, производят нагрев теплоносителя, циркулирующего через теплообменник.
В результате конверсии топлива в качестве ее продуктов образуется водородсодержащий газ, который далее может использоваться при работе различных систем транспортного средства.
В конверторе расположен катализатор, в качестве активного компонента которого используют различные комбинации оксидов алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, в основном четвертого и пятого периодов, преимущественно Со, Ni, Mn, Ti, Zr, La, Се, Y, Sm, Pr, Gd, и металлов платиновой группы, в основном Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно Pt, Rh, Ru.
Катализатор может представлять собой армированный пористый материал, выполненный в виде плоских и гофрированных газопроницаемых армированных лент, комбинации которых образуют газопроницаемые каталитически активные каналы различной формы и геометрии.
Катализатор может иметь форму блоков на металлическом, керамическом или металлокерамическом носителе.
Металлический, керамический или металлокерамический носитель для катализатора представляет собой прямоканальный блок, в том числе микроканальный, блочный материал со сложной конфигурацией каналов и пеноматериал.
Катализатор может иметь вид гранул различной формы и геометрии.
Преимущества каталитической паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии топлива по сравнению с воздушной конверсией заключаются в следующем:
2
- варьирование соотношения воздух/пары воды, воздух/углекислый газ, воздух/пары воды/углекислый газ позволяет изменять состав получаемого водородсодержащего газа в более широких пределах (например, соотношения Н/СО, общего соотношения водорода к углеродсодержащим продуктам конверсии и др.), тем самым значительно расширяются возможности его применения для различных нужд на транспортном средстве;
- наличие в исходной смеси паров воды и/или углекислого газа позволяет предотвращать или, по крайней мере, значительно уменьшать скорость зауглероживания катализатора.
В системе запуска используют электрический либо пламенный нагреватель, работающий на воздухе и исходном топливе.
Система запуска, конвертор, теплообменник, система управления представляют собой раздельные конструкции или могут быть интегрированы друг с другом.
Конструкция предлагаемого устройства позволяет проводить предварительный нагрев или испарение компонентов реакционной топливосодержащей смеси перед подачей в систему запуска и/или конвертор.
Система запуска включает в себя систему подачи и дозирования топлива, воздуха, паров воды и углекислого газа.
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания и/или система кондиционирования/отопления салона транспортного средства объединена с теплообменником устройства, за счет чего осуществляют предварительный подогрев двигателя перед его запуском при низких температурах и обогрев салона транспортного средства.
Задача решается также способом работы устройства предпускового подогрева двигателя, автономного отопления, генерации водородсодержащего газа, состоящего из системы запуска, конвертора, теплообменника, характеризуется тем, что в конверторе установлен катализатор, позволяющий проводить паровоздушную или воздушно-углекислотную, или паро-воздушно-углекислотную конверсию топлива, продукты которой, проходя через теплообменник, производят нагрев теплоносителя, циркулирующего через теплообменник.
Запуск устройства осуществляют путем нагрева конвертора до температуры начала каталитической реакции при помощи электрического нагревателя и/или пламенного нагревателя, работающего на воздухе и топливе.
Разогрев конвертора при запуске может быть осуществлен путем пропускания электрического тока непосредственно через электропроводящие элементы катализатора.
По достижении температуры начала каталитической реакции устройство переводят в режим протекания в конверторе каталитической реакции конверсии топлива.
В результате паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии топлива в качестве ее продуктов образуется водородсодержащий газ, который далее может использоваться при работе различных систем транспортного средства.
Пары воды и/или углекислый газ получают, например, на выходе из пламенного нагревателя (по сути проводящего реакцию глубокого окисления топлива), из выхлопных газов ДВС (которые также преимущественно состоят из паров воды и углекислого газа) или других источников. При этом количество и соотношение паров воды и углекислого газа, используемое для проведения паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии топлива и подаваемое в ГТГ, можно при необходимости регулировать путем конденсации, сепарации, адсорбции, абсорбции, конденсации с последующим испарением и другими возможными методами.
Для получения водородсодержащего газа необходимого состава соотношение воздуха к подаваемому топливу α на входе в конвертор устанавливают выше 0,25, преимущественно α=0,25-0,45. Пары воды подают в количестве не менее 0.00005 об.%, преимущественно не менее 0.001 об.%. Углекислый газ подают в количестве не менее 0.001 об.%, преимущественно не менее 0.03 об.%.
В результате паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии топлива в качестве ее продуктов образуется водородсодержащий газ, в котором суммарное содержание водорода и оксида углерода составляет не менее 30 об.%.
В результате паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии топлива в качестве ее продуктов образуется водородсодержащий газ, который содержит моноксид углерода в количестве не менее чем 25% от полученного количества водорода.
-3
-1
Режим генерации водородсодержащего газа осуществляют при помощи каталитической паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии при временах контакта выше 10 с, преимущественно в интервале от 10 до 1 с.
В качестве топлива используют либо углеводороды, либо спирты, либо эфиры, преимущественно природный газ, пропан-бутановую смесь, бензин, дизельное топливо, либо биодизельное топливо, либо метанол, либо этанол, либо диметиловый эфир.
В качестве топлива, подаваемого на конвертирование в устройство, и основного топлива, подаваемого непосредственно в двигатель, используют топливо одного или разного состава.
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания и/или система кондиционирования/отопления салона транспортного средства объединена с теплообменником устройства, за счет чего осуществляют предварительный подогрев двигателя перед его запуском при низких температурах и обогрев салона транспортного средства.
2
2
2
Отличительным признаком является применение в устройстве катализатора, позволяющего проводить конвертирование используемого топлива при помощи каталитической паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии до различных конечных продуктов (как до продуктов полного окисления - CO и НО, так и до водородсодержащего газа или синтез-газа, содержащих Н и СО) в зависимости от задаваемого режима работы ГТГ, кроме конвертора, содержит систему запуска, теплообменник и систему управления. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания и система кондиционирования салона автомобиля присоединяются к теплообменнику ГТГ, за счет чего осуществляется прогрев салона автомобиля и предварительный прогрев ДВС перед его запуском при низких температурах окружающей среды. Конструктивно, система запуска, конвертор, теплообменник и система управления могут представлять собой как отдельные части ГТГ, так и быть интегрированы друг с другом.
В качестве системы запуска используется электрический и/или пламенный нагреватель, работающий на воздухе и исходном топливе. При запуске разогрев конвертора может осуществляться путем пропускания электрического тока непосредственно через электропроводящие элементы катализатора либо путем пламенного поджига топливо-воздушной смеси. При достижении в конверторе заданной температуры реакцию конверсии топлива переводят в каталитический режим, осуществляя паровоздушную или воздушно-углекислотную, или паро-воздушно-углекислотную конверсию. Причем в зависимости от подаваемого соотношения воздуха к топливу, а также количества подаваемого углекислого газа и паров воды, протекание реакции в конверторе может осуществляться в различных режимах, например может быть переведено как в режим полного окисления, так и в режим генерации водородсодержащего газа или синтез-газа. Продукты реакции поступают в теплообменник, нагревая теплоноситель, циркулирующий по системе охлаждения ДВС и/или системе кондиционирования/обогрева автомобиля. В результате происходит прогрев ДВС перед его пуском и прогрев салона автомобиля. Прогрев ДВС и прогрев салона автомобиля можно осуществлять как одновременно, так и отдельно друг от друга, если таковая возможность предусмотрена в конструкции транспортного средства, либо путем установки дополнительного необходимого для этого оборудования. Изменение соотношения воздуха к топливу, количества подаваемого углекислого газа и паров воды, а также скорости их подачи будет приводить к изменению выделяемой тепловой мощности, за счет чего можно проводить варьирование скорости прогрева ДВС и салона автомобиля. При возникающей необходимости, ГТГ путем задания необходимого соотношения воздуха к топливу, а также количества подаваемого углекислого газа и паров воды, переводится в режим генерации водородсодержащего газа или синтез-газа, и образующиеся продукты реакции используются на борту автомобиля для различных нужд.
-3
-2
-1
В качестве основного топлива, подаваемого непосредственно в двигатель, и топлива, подаваемого в ГТГ, может использоваться топливо одного или разного состава - либо углеводороды, либо спирты, либо эфиры, преимущественно природный газ, попутный нефтяной газ, пропан-бутановая смесь, бензин, дизельное топливо, либо биодизельное топливо, либо метанол, либо этанол, либо диметиловый эфир. Каталитическая паровоздушная или воздушно-углекислотная, или паро-воздушно-углекислотная конверсия осуществляется при временах контакта выше 10 с, в основном в интервале 10-1 с, преимущественно 10-1 с.
В качестве конвертора используется каталитический реактор, содержащий катализатор, обеспечивающий конверсию топлива до продуктов полного окисления или генерацию водородсодержащего газа или синтез-газа. Катализатор в каталитическом реакторе может помещаться в виде гранул различной формы и размера, блоков и пеноматериала с системой газопроницаемых каналов. Для улучшения теплопроводности катализатор может дополнительно наноситься на металлический, керамический или металлокерамический носитель. Этот носитель может быть сформирован в структуру, содержащую систему каналов (в том числе и микроканалов) различной геометрии и конфигурации, обеспечивающих газопроницаемость через каталитический блок.
В качестве примера, на чертеже схематично изображено предлагаемое устройство предпускового подогрева двигателя, автономного отопления, генерации водородсодержащего газа в сопряжении с основными системами, обеспечивающими его функционирование.
Один из вариантов способа работы ГТГ заключается в следующем.
Для запуска ГТГ, топливо из автомобильного бака или баллона 1 при помощи системы подачи и дозирования 2, включающей соответствующие устройства, через теплообменник 5 подают в систему запуска 6, снабженную при необходимости системой предварительного подогрева. Туда же с помощью системы подачи 3 и дозирования 4, через теплообменник 5 подают воздух в качестве окислителя. Смесь воздуха и топлива подают в соотношении, превышающем стехиометрическое значение для реакции полного окисления на 15-20%. Подготовленную смесь воспламеняют свечой системы запуска 6. Продуктами горения разогревают конвертор 7 генератора тепла и газа, удаляя продукты реакции горения через систему выпуска 9. По мере нагрева катализатора в конверторе реакцию переводят из режима пламенного горения в режим каталитической реакции, подавая часть образующихся паров воды и углекислого газа обратно с помощью системы подачи 3 и дозирования 4, через теплообменник 5 на вход в конвертор 7 генератора тепла и газа, осуществляя тем самым паровоздушную или воздушно-углекислотную, или паро-воздушно-углекислотную конверсию. При этом количество и соотношение подаваемых паров воды и углекислого газа предварительно регулируют, например путем конденсации или конденсации с последующим испарением. Горячие продукты реакции (ПР), проходя через теплообменник 5, производят нагрев холодного теплоносителя (XT). Горячий теплоноситель (ГТ), циркулируя через систему охлаждения двигателя и систему кондиционирования салона автомобиля, производит предпусковой нагрев двигателя и нагрев салона транспортного средства. Необходимость в первоначальном воспламенении топливно-воздушной смеси пропадает, если для первоначального разогрева катализатора в конверторе ГТГ используют, например, электрический нагрев. Теплообменник 5, система запуска 6, конвертор 7 и система управления 9 могут быть выполнены как отдельные части ГТГ, так и быть интегрированы друг с другом.
При достижении заданной температуры в катализаторе, например 600°С, посредством систем подачи и дозирования 2 и 4 устанавливают соотношение между воздухом и топливом, α=0,4-0,45 от стехиометрического. В этом случае ГТГ переводится в режим генерации водородсодержащего газа. Получаемый водородсодержащий газ может быть далее использован в автомобиле для различных нужд (в двигателе внутреннего сгорания, в системах очистки отработанных газов и других системах). Необходимое количество паров воды и/или углекислый газ, требующееся для проведения паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии, в этом случае, например, отбирается из выхлопных газов ДВС и подается с помощью системы подачи 3 и дозирования 4, через теплообменник 5 на вход в конвертор 7 генератора тепла и газа. В дальнейшем для работы устанавливают оптимальное соотношение между реакционными компонентами, подаваемыми в конвертор ГТГ 7, при помощи систем подачи и дозирования 2 и 4.
Управление запуском и работой ГТГ, а также всеми сопутствующими системами производят при помощи микропроцессорной системы (системы управления) 9, подключаемой к бортовой электрической системе транспортного средства. Такая микропроцессорная система может работать как автономно, так и совместно с электронной системой управления автомобиля.
Рассмотренный пример не показывает и не ограничивает всех возможных вариантов реализации конструкции и способа работы ГТГ. Предлагаемый в настоящем изобретении способ позволяет, с одной стороны, при помощи протекания каталитической реакции проводить быстрый прогрев двигателя и салона автомобиля, а с другой стороны, производить генерацию водородсодержащего газа на борту транспортного средства.
Проведение паровоздушной или воздушно-углекислотной, или паро-воздушно-углекислотной конверсии позволяет избегать зауглероживания катализатора, увеличить ресурс работы системы и продлить срок ее службы.
Таким образом, предлагаемое изобретение улучшает показатели безопасности, комфорта, экономичности, долговечности и экологической чистоты автомобиля, так как до начала поездки: двигатель прогрет и легко заводится, что не только экономит время и силы, но и позволяет заметно снизить потребление топлива, общую нагрузку на аккумулятор, износ двигателя и объем вредных выбросов; в салоне тепло, что повышает удобство вождения, улучшает реакцию и дает возможность спокойно пристегнуть ремень (не нужно сидеть в машине в громоздкой верхней одежде); стекла свободны ото льда и снега, не запотевают, не примерзают "дворники", что обеспечивает хороший обзор с самого начала поездки.
Использование предлагаемого изобретения для получения водородсодержащего газа на борту автомобиля с искровым ДВС позволяет существенно уменьшать токсичность выхлопных газов при одновременном снижении расхода топлива, что достигается благодаря добавкам водородсодержащего газа к основному топливу и перевода двигателя на работу с обедненными топливными смесями.
Использование предлагаемого изобретения для получения водородсодержащего газа на борту автомобиля с дизельным ДВС будет существенно уменьшать токсичность выхлопных газов, в первую очередь за счет снижения в них концентрации оксидов азота при использовании получаемого водородсодержащего газа в соответствующих системах очистки.