УСТАНОВКА РИФОРМИНГА ТОПЛИВА
FUEL REFORMER

Настоящее изобретение касается усовершенствованной конструкции установки риформинга топлива и более конкретно касается усовершенствованной установки риформинга для выхлопа из бензиновых (с электрическим зажиганием) двигателей внутреннего сгорания.
2
Риформинг углеводородов для образования синтетического газа (Н и СО) является хорошо известным производственным процессом. Такие процессы работают по существу в установившемся режиме и при контролируемых условиях. Предлагались бортовые установки риформинга топлива для транспортных средств, работающих на топливных элементах, однако серийно они пока еще не выпускаются. Катализаторы топливных элементов отравлены даже небольшими количествами СО и поэтому это вызывает необходимость значительной дополнительной обработки продукта риформинга для удаления СО.
2
2
Было предложено осуществлять риформинг компонентов выхлопного газа из бензиновых двигателей, например, в SAE-07NAPLES-175. В настоящее время существует некоторый интерес к риформингу вследствие возможности рекуперации энергии в виде теплоты сгорания в выхлопе посредством преобразования выхлопных компонентов в топливные компоненты с более высокой теплотворной способностью (Н и СО). Это могло бы обеспечить увеличение общей эффективности бензинового двигателя и соответствующее уменьшение расхода топлива и уменьшение выбросов СО. Кроме того, считается, что посредством включения водорода в топливо бензинового двигателя могут быть достигнуты улучшения в уровнях регулируемых загрязняющих веществ.
Использование рециркуляции выхлопных газов (exhaust gas recirculation - EGR) в дорожных транспортных средствах в настоящее время широко применяется преимущественно из-за уменьшения примесей NOx. Однако существует также возможность для некоторых увеличений эффективности.
До настоящего времени большая часть, если не все, предложений по риформингу представляли собой теоретические или академические исследования и не могли быть легко преобразованы в практическое устройство для размещения в дорожном транспортном средстве. Значительные колебания в объемах и температурах газов в выхлопе транспортного средства существенно затрудняют риформинг. Целью настоящего изобретения является создание такой практичной установки риформинга.
2
Выхлопные газы, выходящие из бензиновых двигателей, находятся при температурах порядка 600-800°С и способны повышать температуру установки риформинга до температуры, требуемой для эндотермической реакции парового риформинга. Выхлопные газы, выходящие из стехиометрического бензинового двигателя, представляют собой преимущественно азот из всасываемого воздуха, СО и водяные пары с минимальными количествами регулируемых примесей СО, несгоревших углеводородов (НС) и NOx. Имеется достаточно водяных паров, для того чтобы обеспечить паровой риформинг на уровнях, пригодных для риформинга выхлопных газов без введения дополнительной воды, однако количество несгоревшего НС слишком мало, чтобы осуществить практичный риформинг. Выхлопные газы из обычного стехиометрического бензинового двигателя в значительной степени обеднены кислородом настолько, что окислительный или частичный окислительный риформинг не может быть осуществлен без добавления воздуха. Следовательно, необходимо добавить топливо обычно в виде бензина из топливопровода в двигатель. Значительно предпочтительнее было бы подавать в установку риформинга другие топлива, такие как кислородсодержащие топлива (метанол, этанол, метилтретбутиловый эфир - MTBE), которые требуют дополнительных приспособлений для хранения и подачи как на борту транспортного средства, так и в инфраструктуре доставки топлива.
Настоящее изобретение не предназначено для бензиновых двигателей с турбонаддувом (или с наддувом).
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает систему обработки выхлопного газа для бензинового двигателя, содержащую коллектор выхлопного газа, содержащий кольцевой катализатор риформинга, установленный внутри кольцевого корпуса, и средство подачи топлива в непосредственном соединении по текучей среде с упомянутым катализатором, выходное отверстие для продукта риформинга топлива в непосредственном соединении по текучей среде с упомянутым катализатором и средство, позволяющее части выхлопных газов, выходящих из двигателя, попадать в упомянутый кольцевой катализатор, чтобы смешиваться с топливом из упомянутого средства подачи топлива и проходить через катализатор, причем упомянутый кольцевой корпус расположен так, что выхлопные газы, выходящие из двигателя, способны перемещаться вокруг и через центр упомянутого корпуса, так что тепло от выхлопных газов передается катализатору внутри упомянутого корпуса.
Настоящее изобретение обеспечивает способ увеличения эффективности бензинового двигателя, включающий приведение в действие упомянутой системы обработки выхлопного газа в соответствии с изобретением.
Желательно обеспечить надлежащее и контролируемое перемещение выхлопного газа через катализатор установки риформинга. Поскольку существует небольшое положительное давление в выхлопе, выходящем из двигателя, в настоящее время считается, что предпочтительно способствовать перемещению посредством использования вакуума во впускном коллекторе, чтобы способствовать перемещению. Для конкретных типов двигателей, конечно, могут быть предпочтительны другие возможности, например некоторый способ подачи насосом.
Композиция катализатора не является критически важной для настоящего изобретения и может представлять собой любой пригодный катализатор парового риформинга. Это может быть, например, Pt и/или Pd или окись церия. Желательно, чтобы катализатор поддерживался на проточной металлической ячеистой опоре. Хотя такая металлическая опора очень прочная, она является также теплопроводной и обеспечивает простую передачу тепла от горячих газов за пределами и внутри кольцевого канала. Желательно, чтобы кольцевой катализатор содержал небольшое количество ячеек в толщину, например, 5 или 6 ячеек.
Удобно, если кольцевой корпус содержит один открытый конец, чтобы обеспечить вход горячих газов, и закрытый конец, в котором продукт риформинга собирают перед удалением через выпуск. Желательно, закрытый конец такого корпуса содержит одно или несколько выходных отверстий для выхлопа, чтобы обеспечить удобное перемещение газов через центр кольцевого канала. Обнаружено, что кольцевой катализатор установки риформинга описан в SAE-07NAPLES-175, однако данная конструкция не рекомендует, чтобы выхлопные газы свободно проходили через центр кольцевого канала, и утверждает, что более высокая производительность достигается при трехходовом катализаторе выхлопных газов (three-way exhaust catalyst - TWC), установленном внутри кольцевого канала. Тепло от экзотермического эффекта в TWC нагревает кольцевой катализатор посредством проводимости. Таким образом, документ SAE размещает кольцевой катализатор с TWC, который будет расположен под полом на транспортном средстве, таком как личный автомобиль. Вообще документ SAE описывает другую конструкцию установки риформинга, отличающуюся от установки риформинга настоящего изобретения.
Бензин из топливной магистрали двигателя подается, желательно под управлением электронного блока контроля двигателя, в установку риформинга. Может быть использован обычный топливный инжектор, и топливо подвергается испарению, например, в результате контакта с ребристым кольцевым каналом, который нагревается выхлопными газами.
Выхлопной коллектор включает в себя одно или несколько выпусков, соединенных с обычной выпускной трубой, которая может приводить к TWC и/или к другой дополнительной обработке выхлопных газов.
Продукт риформинга выводят из установки риформинга для возвращения обратно на входную сторону двигателя, обычно посредством подачи в линию рециркуляции отработавших газов (exhaust gas recirculation - EGR). Если продукт риформинга подают в EGR линию, расположенную впереди по потоку от EGR клапана, и в зависимости от соответствующих расходов и объемов продукта риформинга и подвергнутого рециркуляции выхлопа может быть желательно охлаждать продукт риформинга перед смешиванием с подвергнутым рециркуляции выхлопом. Такое охлаждение может быть осуществлено посредством теплообменника с использованием охлаждающей жидкости двигателя или, возможно, посредством принудительного воздушного охлаждения.
Ниже настоящее изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемый чертеж, который представляет собой частичное схематичное изображение в частичном разрезе одного варианта осуществления изобретения.
Ссылочной позицией 1 показан шестицилиндровый однорядный бензиновый двигатель, который содержит блок 1а двигателя, головку 1b цилиндров и криволинейную крышку 1с. На стороне головки цилиндров закреплен модифицированный выхлопной коллектор 2. Посредством выхлопной трубы 3 коллектор подсоединен к трехходовому катализатору 4.
В коллекторе установлен кольцевой корпус 5, содержащий тонкий кольцевой катализатор риформинга, расположенный на металлической ячеистой опоре (отдельно не показанной). Корпус 5 включает в себя открытый конец 5а и закрытый конец 5b. В открытом конце топливный инжектор 6 выполнен с возможностью подачи топлива на поверхность ребристого кольцевого канала 8, соединяющегося с катализатором. При пропускании выхлопного газа ребристый кольцевой канал нагревается и образует удлиненную поверхность, на которой испаряется бензин. Топливный инжектор подвергается охлаждению с использованием циркулирующей охлаждающей жидкости двигателя. Топливный инжектор может обеспечить постоянное перемещение топлива, но предпочтительно под управлением системы контроля двигателя (не показанной).
Кольцевой корпус содержит одно или более выходных отверстий 9, которые позволяют выхлопному газу проходить в кольцевой корпус через конец 5а, чтобы выходить и смешиваться с оставшимися выхлопными газами перед попаданием в выпускную трубу 3. Стрелками показано перемещение горячих выхлопных газов, выходящих из двигателя.
Смесь топлива с выхлопным газом выполнена с возможностью риформинга, при этом перемещаясь внутри катализатора. Продукт риформинга, включающий в себя любые компоненты непрореагированного топлива и выхлопного газа, собирается в коллекторе 10 и выдается через линию 11 подачи продукта риформинга через необязательный охладитель 12 продукта риформинга. Охладитель продукта риформинга подвергается охлаждению посредством циркулирующей охлаждающей жидкости двигателя через линию 13 охлаждающей жидкости. Затем образующийся в результате охлажденный продукт риформинга подают через линию продукта риформинга для обеспечения рециркуляции выхлопного газа выше по потоку от EGR клапана (не показанного).
Система установки риформинга в соответствии с настоящим изобретением и в соответствии с вышеприведенным подробным описанием выполнена и размещена в модифицированном выхлопном коллекторе, прикрепленном к рядному шестицилиндровому Holden бензиновому двигателю.
Специалист в данной области техники способен адаптировать настоящее изобретение множеством способов и применить множество других типов двигателей.