Результат интеллектуальной деятельности: ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА С КАТАЛИЗАТОРОМ РЕФОРМИНГА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к выхлопной системе, предназначенной для обработки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В двигателях внутреннего сгорания образуется выхлопной газ, содержащий множество загрязняющих веществ, включая углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота, оксиды серы и твердые частицы. В постоянно ужесточаемом национальном и местном законодательстве уменьшается количество загрязняющих веществ, которое разрешено к выбросу из двигателей внутреннего сгорания. В выхлопных системах уже применяется множество разнообразных технологий, направленных на очистку выхлопного газа до его выброса в атмосферу.

Один из предложенных способов очистки выхлопного газа основан на использовании процесса каталитического реформинга. См., например, SAE-07NAPLES-175, где описан бортовой реформинг выхлопного газа бензинового двигателя с использованием комбинации реформинга и тройного катализатора. В заявке на патент СШВ №2012/0117943 также описана бортовая система реформинга газа.

Считается, что меньшего количества испускаемых загрязняющих веществ можно достичь путем введения водорода из устройства каталитического реформинга в топливо двигателя внутреннего сгорания. Например, было предложено подвергать дизельное или бензиновое топливо реформингу с получением водорода и добавлять этот водород в подаваемое в двигатель топливо, чтобы непосредственно восстанавливать выбрасываемые из двигателя NO_x и твердые частицы. Кроме того, реформинг сейчас привлекает внимание благодаря возможности извлечения из выхлопного газа энергии (например, теплоты сгорания) путем превращения компонентов выхлопного газа в компоненты топлива с большей теплотворной способностью (Н₂ и СО). Это могло бы позволить увеличить общую эффективность бензинового двигателя и, соответственно, снизить потребление топлива и выбросы СО₂.

Что касается автомобильных систем и процессов, желательно добиться дополнительного усовершенствования систем обработки выхлопного газа, в частности, тех систем, в которых используется каталитический реформинг. Авторами обнаружена новая выхлопная система, в которой используется катализатор реформинга топлива.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение представляет собой выхлопную систему, предназначенную для обработки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания. Эта система включает тройной катализатор (TWC), катализатор реформинга топлива, расположенный по потоку после TWC, и устройство подачи топлива, расположенное по потоку до катализатора реформинга топлива. Выхлопной газ разделяется на два части. Первая часть направляется в обход TWC и вступает в контакт с катализатором реформинга топлива в присутствии топлива, добавляемого из устройства подачи топлива, после чего рециркулируется в систему впуска двигателя, вторая часть вступает в контакт с TWC, после чего, до выброса в атмосферу, используется для нагревания катализатора реформинга топлива. Изобретение способствует улучшению теплообмена (уменьшению потерь тепла) с целью улучшения каталитического реформинга.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой схему одного из вариантов осуществления изобретения.

Фиг. 2 представляет собой схему второго варианта осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение представляет собой выхлопную систему, предназначенную для обработки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания. Эта система включает тройной катализатор (TWC).

Системы с тройным катализатором хорошо известны в данной области. Как правило, TWC осуществляет три основные функции: (1) окисление СО до СО₂; (2) окисление несгоревшего топлива до СО₂ и Н₂О; и (3) восстановление NO_x до N₂. Тройной катализатор, предпочтительно, включает один или несколько металлов платиновой группы и одну или несколько подложек из неорганического оксида. Металлом платиновой группы (PGM – platinum group metal), предпочтительно, является платина, палладий, родий или их смеси.

Подложки из неорганического оксида, чаще всего, содержат оксиды элементов групп 2, 3, 4, 5, 6, 13 и 14 и лантаноидов. Пригодные подложки из неорганического оксида, предпочтительно, характеризуются удельной площадью поверхности в диапазоне от 10 до 700 м²/г, пористостью в диапазоне от 0,1 до 4 мл/г и диаметром пор, примерно, от 10 до 1000 Å. Подложка из неорганического оксида представляет сбой, предпочтительно, оксид алюминия, оксид кремния, оксид титана, оксид циркония, оксид церия, оксид ниобия, оксиды тантала, оксиды молибдена, оксиды вольфрама или смешанные оксиды или составные оксиды из двух или более из перечисленных, например оксид кремния – алюминия, оксид церия – циркония или оксид алюминия – церия – циркония. Оксид алюминия и оксид церия являются особенно предпочтительными. Помимо функции подложки, подложка, содержащая оксид церия, например оксид церия (СеО₂) или смешанный оксид церия - циркония, также может выполнять функцию компонента хранения кислорода (OSC – oxygen storage component) в TWC. Подложка из неорганического оксида также может представлять собой цеолит, такой как бета-цеолит, цеолит ZSM, ферриерит или хабазит.

Тройной катализатор, предпочтительно, наносят в виде покрытия на субстрат. Субстрат, предпочтительно, представляет собой керамический субстрат или металлический субстрат; более предпочтительно субстрат представляет собой металлический субстрат, обеспечивающий лучший теплообмен и простоту конструкции. Керамический субстрат может быть изготовлен из любого пригодного жаропрочного материала, например оксида алюминия, оксида кремния, оксида титана, оксида церия, оксида циркония, оксида магния, цеолитов, нитрида кремния, карбида кремния, силикатов циркония, силикатов магния, алюмосиликатов и металл-алюмосиликатов (таких как кордиерит и сподумен) или смеси или смешанного оксида любых двух или более из них. Кордиерит, магнийалюмосиликат и карбид кремния являются особенно предпочтительными.

Металлический субстрат может быть изготовлен из любого пригодного металла, в частности, жаропрочных металлов и металлических сплавов, таких как титан и нержавеющая сталь, а также ферритные сплавы, содержащие железо, никель, хром и/или алюминий, помимо других металлов в следовых количествах.

Субстрат может представлять собой фильтрующий субстрат или проточный субстрат, наиболее предпочтительно, фильтрующий субстрат, особенно – сотовый монолит. Субстрат обычно выполняют имеющим некоторое количество каналов, через которые проходят выхлопные газы автомобиля. На поверхность каналов наносят тройной катализатор.

Тройной катализатор может быть нанесен на субстрат любым известным способом. Например, подложка из неорганического оксида или содержащий PGM материал подложки могут быть нанесены и связаны с субстратом в форме реактивной грунтовки, при этом, пористый, обладающий большой удельной площадью поверхности слой соединяется с поверхностью субстрата. Реактивную грунтовку обычно наносят на субстрат из суспензии на водной основе, затем сушат и обжигают при высокой температуре. Если в форме реактивной грунтовки на субстрат наносят только подложку из неорганического оксида, PGM может быть нанесен на высушенный слой нанесенной в виде реактивной грунтовки подложки (путем пропитки, ионного обмена и т.п.), после чего высушен и обожжен. Предпочтительные величины заполнения субстрата PGM лежат в диапазоне от 0,02 до 1,7 г/л (от 1 до 300 г/фут³) объема катализатора.

Система настоящего изобретения дополнительно включает катализатор реформинга топлива, расположенный по потоку после TWC. Катализатор реформинга топлива размещен так, что может использовать тепло, выделяющееся в ходе экзотермических реакций TWC. Пригодными катализаторами реформинга топлива являются те, которые катализируют реформинг топлив с образованием синтез-газа (Н₂ и СО).

К предпочтительным катализаторам реформинга топлива относятся катализаторы на основе платины, палладия, родия, никеля и их смесей. Предпочтительно, катализаторы реформинга топлива, используемые в системе настоящего изобретения, включают до 5 вес.%, более предпочтительно, от 0,5 до 4 вес.% платины, палладия, родия и/или никеля, диспергированных на жаропрочном оксидном материале подложки, см., например, патент США №6887455, положения которого включаются в настоящее описание путем ссылки. К предпочтительным катализаторам относятся Rh-катализаторы, содержащие до 3 вес.% Rh, Pt-катализаторы, содержащие до 5 вес.% Pt, и Rh-Pt-катализаторы, содержащие до 3 вес.% Rh и до 5 вес.% Pt. Подложки для PGM и содержащих Ni катализаторов реформинга включают подложки из неорганического оксида, наиболее часто, включат оксиды элементов групп 2, 3, 4, 5, 13 и 14 и лантаноидов, в частности оксид алюминия, оксид титана, оксид церия, оксид циркония, оксид кремния, оксид кремния - алюминия и смеси или смешанные оксиды, содержащие два или более из перечисленных компонентов. Катализатор реформинга топлива, предпочтительно, находится в форме осажденного слоя на обычном сотовом субстрате, желательно – металлическом.

Система настоящего изобретения дополнительно включает устройство подачи топлива, расположенное по потоку до катализатора реформинга топлива. Устройство подачи топлива обеспечивает введение топлива в первую часть выхлопного газа, которую направляют в обход TWC. Предпочтительно, устройство подачи топлива, по существу, идентично устройствам, используемым для инжекции топлива в двигатель. Предпочтительно, устройство подачи топлива включает инжектор топлива, предназначенный для инжекции топлива в выхлопной газ по току непосредственно перед катализатором реформинга топлива. Предпочтительно, устройство подачи топлива управляется надлежащим образом запрограммированным устройством управления, необязательно, являющимся частью блока управления двигателем (ECU - engine control unit), с вводными параметрами, включающими температуру катализатора и/или температуру газов на входе и выходе блока реформинга топлива.

Обычно устройство подачи топлива представляет собой инжектор топлива, предпочтительно, снабжено насосом или другим пригодным дозатором, вход которого соединен с топливным насосом. Насос, в свою очередь, соединен с инжектором, который может иметь одно или несколько сопел, расположенных по потоку до катализатора реформинга топлива.

Топливо, добавляемое в первую часть выхлопного газа при помощи устройства подачи топлива, предпочтительно, представляет собой то же топливо, что и топливо, используемое в двигателе. Топливо, предпочтительно, является углеводородным (например, дизельным или бензиновым), однако также могут быть использованы другие виды топлива, такие как спирты или простые эфиры.

В выхлопной системе выхлопной газ, выходящий из двигателя внутреннего сгорания, разделяется на две части. Первая часть выхлопного газа направляется в обход TWC, так что первая часть выхлопного газа не контактирует с каталитическим материалом TWC. После обхода TWC первая часть выхлопного газа, наряду с топливом, введенным при помощи устройства подачи топлива, вступает в контакт с катализатором реформинга топлива, образуя поток газообразных продуктов реформинга. Поток газообразных продуктов реформинга затем рециркулируют в систему впуска двигателя.

Предпочтительно, по потоку после катализатора реформинга топлива размещают охладитель продуктов реформинга, так что он располагается между катализатором реформинга топлива и системой впуска двигателя. Охладитель продуктов реформинга обеспечивает понижение температуры потока газообразных продуктов реформинга до их подачи в систему впуска двигателя. Охладитель продуктов реформинга, предпочтительно, охлаждается охлаждающей жидкостью двигателя, циркулирующей по трубопроводу охлаждающей жидкости.

До вступления в контакт с катализатором реформинга топлива первая часть выхлопного газа может быть направлена вокруг TWC и/или направлена сквозь TWC. Под выражением «направлена сквозь TWC» понимается, что первая часть выхлопного газа проходит по пространству внутри TWC, не контактируя с каталитическим материалом TWC. Под выражением «направлена вокруг TWC», предпочтительно, понимается, что первая часть контактирует с наружной частью субстрата TWC, не контактируя с каталитическим материалом TWC.

Будучи направленной сквозь или вокруг TWC, первая часть выхлопного газа нагревается теплом экзотермических реакций TWC перед вступлением в контакт с катализатором реформинга топлива. Чем выше температура газа, вступающего в контакт с катализатором реформинга топлива, тем более эффективной будет реакция реформинга. Предпочтительно, первая часть выхлопного газа составляет менее половины (предпочтительно, от 1 до 30 об.%, более предпочтительно, от 10 до 30 об.%) всего количества выхлопного газа.

Вторая часть выхлопного газа вступает в контакт с TWC. Предпочтительно, вторая часть выхлопного газа является большей частью (предпочтительно, от 70 до 99 об.%, более предпочтительно, от 70 до 90 об.%) всего количества выхлопного газа. При контакте с TWC выделяется тепло вследствие окисления СО до СО₂, окисления несгоревшего топлива до СО₂ и Н₂О и восстановления NO_x до N₂ в выхлопном газе. Нагретую вторую часть выхлопного газа затем, перед выбросом в атмосферу, используют для нагревания катализатора реформинга топлива. Выхлопная система обеспечивает максимальный теплообмен с выхлопным газом, результатом чего является, предположительно, на 70–100% более горячий катализатор реформинга.

Предпочтительно, катализатор реформинга устанавливают в выхлопной системе по потоку после TWC, чтобы повысить теплообмен со второй частью выхлопного газа. Предпочтительно, катализатор реформинга может быть расположен в кольцевом пространстве выхлопной системы по потоку после TWC так, чтобы катализатор реформинга находится в окружении из внутреннего газового канала и наружного газового канала. Вторая часть выхлопного газа следует по внутреннему и наружному газовым каналам и передает дополнительное тепло блоку реформинга.

Кроме того, поскольку первая часть выхлопного газа, направляемая в обход TWC, содержит непрореагировавшие О₂, СО и NO_x, эти газы могут вступать в реакцию на катализаторе реформинга топлива с выделением тепла в блоке реформинга. Тепло экзотермических реакций может быть использовано для облегчения пуска блока реформинга и подъема температуры для работы в разогретом состоянии. Авторами изобретения также показано, что NO_x, содержащиеся в первой части выхлопного газа, которую направляют в обход TWC, также могут облегчать активацию топлива перед стадией каталитического реформинга.

После контакта с катализатором реформинга топлива поток газообразных продуктов реформинга выхлопного газа рециркулируют в систему впуска двигателя. Предпочтительно, перед введением в двигатель поток газообразных продуктов реформинга охлаждаются при помощи охладителя продуктов реформинга.

На фиг. 1 один из вариантов осуществления изобретения показан в виде поперечного сечения устройства. В это устройство входит двигатель 10 и выхлопная система 12. Выхлопная система включает трубу 14, соединяющую двигатель с TWC 16. В этой трубе первая часть выхлопного газа двигателя проходит по байпасному трубопроводу 18 внутри TWC к катализатору 20 реформинга топлива. Первая часть выхлопного газа нагревается в TWC 16 в результате теплообмена и вступает в реакцию на катализаторе 20 реформинга в присутствии добавляемого инжектором 22 топлива с образованием потока продуктов реформинга, который отводится по трубе 24 рециркуляции продуктов реформинга и поступает в систему впуска двигателя 10. На фиг. 1 также показана предпочтительная секция охлаждения 26 продуктов реформинга, предназначенная для охлаждения продуктов реформинга перед введением потока газообразных продуктов реформинга в систему впуска двигателя. Вторая часть выхлопного газа вступает в контакт с TWC 16 перед выбросом в атмосферу. После прохождения TWC 16 выхлопной газ, который был нагрет вследствие экзотермических реакций окисления в системе TWC, проходит над катализатором 20 реформинга топлива, нагревая катализатор реформинга посредством теплообмена, после чего выбрасывается в атмосферу.

Предпочтительно, выхлопная система также включает первый и второй универсальный датчик содержания кислорода в выхлопном газе (universal exhaust gas oxygen - UEGO). Датчики UEGO хорошо известны в данной области техники. Датчик UEGO генерирует сигнал, величина которого пропорциональна содержанию кислорода (и отношению воздух-топливо) в выхлопном газе. В присутствии водорода датчики UEGO показывают более богатую смесь из-за более быстрой диффузии водорода (по сравнению с СО) в датчики. Это завышение может быть использовано для определения количества водорода, образовавшегося в газообразных продуктах реакции, по сравнению с его количеством в выхлопом газе двигателя. Таким образом, датчики UEGO позволяют измерять количество водорода в условиях реформинга, что обычно затруднительно, поскольку многие датчики водорода не работают должным образом в присутствии СО, пара или при высокой температуре. Датчики UEGO в таких условиях работают.

Первый датчик UEGO расположен по потоку до TWC, так что он контактирует с выхлопным газом двигателя внутреннего сгорания. Второй датчик UEGO расположен по потоку после катализатора реформинга топлива, так что он контактирует с потоком газообразных продуктов реформинга, рециркулируемым в систему впуска двигателя. Разность показаний между датчиками UEGO на входе и на выходе уже используют для выявления снижения активности ловушки NO_x в отношении выделения водорода во время обогащенной регенерационной продувки. См., например, патент США №7628063.

Выхлопная система настоящего изобретения, предпочтительно, дополнительно включает турбонагнетатель. Турбонагненатели представляют собой хорошо известные устройства, предназначенные для подачи воздуха в систему впуска двигателя внутреннего сгорания с давлением выше атмосферного (давление наддува). Обычный турбонагнетатель, по существу, включает турбинное колесо, приводимое в движение выхлопным газом, которое установлено на вращающейся оси в корпусе турбины. Вращением турбинного колеса приводится во вращение компрессорное колесо, установленное на другом конце оси в корпусе компрессора. Компрессорное колесо обеспечивает подачу сжатого воздуха во впускной патрубок двигателя. Турбины могут относиться к типу с изменяемой или неизменяемой геометрией. Турбины с изменяемой геометрией отличаются от турбин с неизменяемой геометрией тем, что размер входного канала может изменяться с целью оптимизации скорости потока газа во всем диапазоне массового расхода для изменения выходной мощности турбины в соответствии с изменяющимися потребностями двигателя.

В выхлопной системе настоящего изобретения турбонагнетатель располагают по потоку после двигателя и до TWC. Если турбонагнетатель используют, вторую часть выхлопного газа перед ее контактом с TWC направляют через турбонагнетатель. Первую часть выхлопного газа перед ее контактом с катализатором реформинга топлива, предпочтительно, направляют в обход турбонагнетателя и в обход TWC. Поскольку перед турбонагнетателем выхлопной газ (газ перед турбиной) имеет большую температуру и меньшее давление, а газ после турбины имеет большее давление и меньшую температуру, является предпочтительным, чтобы первая часть выхлопного газа до вступления в контакт с катализатором реформинга направлялась в обход турбонагнетателя, то есть, чтобы в результате прохождения первой части через турбонагнетатель ее давление не увеличивалась, и чтобы ее температура сохранялась максимально возможно высокой, благоприятной для реакции реформинга.

На фиг. 2 показан второй вариант осуществления изобретения, поясняющий добавление турбонагнетателя и датчиков UEGO. На фиг. 2 показано поперечное сечение устройства. В устройство входит двигатель 100 и выхлопная система 110. Выхлопная система включает трубу 120, соединяющую двигатель с TWC 140 и выхлопом через турбонагнетатель 130. В этой трубе первая часть выхлопного газа двигателя проходит по байпасному трубопроводу 150, идущему в обход турбонагнетателя 130, и направляется к катализатору 160 реформинга топлива. Катализатор 160 реформинга топлива расположен в кольцевом пространстве, окружающем трубу 120, в той части трубы, которая находится между TWC и точкой выброса выхлопного газа в атмосферу. Труба 120 представляет собой внутренний газовый канал для второй части выхлопного газа, благодаря которой к катализатору 160 реформинга подводится дополнительное тепло. Несмотря на то, что на чертеже это не показано, катализатор 160 реформинга также может быть окружен наружным газовым каналом для второй части выхлопного газа, что также способствует подведению к катализатору 160 реформинга дополнительного тепла. Первая часть выхлопного газа проходит вокруг TWC 140 и нагревается в результате теплообмена с TWC 140, после чего вступает в реакцию на катализаторе 160 реформинга в присутствии топлива, вводимого через инжектор топлива 170, с образованием потока продуктов реформинга. Поток продуктов реформинга затем отводят по трубе 180 рециркуляции продуктов реформинга и рециркулируют в систему впуска двигателя 100. Для охлаждения продуктов реформинга перед введением потока газообразных продуктов реформинга в систему впуска двигателя может быть использована секция 190 охлаждения продуктов реформинга. Вторая часть выхлопного газа проходит через турбонагнетатель 130 и вступает в контакт с TWC 140 перед выбросом в атмосферу. Вследствие экзотермических реакций в системе TWC температура второй части выхлопного газа увеличивается, после чего нагретую вторую часть выхлопного газа используют для нагревания катализатора 160 реформинга топлива посредством теплообмена, а затем сбрасывают в атмосферу. Датчики 200 UEGO размещены в трубе 120 по потоку до TWC 140 и в трубе 180 рециркуляции продуктов реформинга с целью определения количества водорода, образовавшегося на катализаторе реформинга, как описано выше.

Нижеследующие примеры лишь поясняют изобретение. Для специалистов в данной области очевидны многие изменения, которые соответствуют сущности изобретения и входят в объем формулы изобретения.

Пример 1: Испытание каталитической активности с использованием катализатора реформинга Pt-Rh

Платина-родиевый катализатор реформинга на подложке, нанесенный в виде покрытия на монолит 600 ячеек/дюйм² (93 ячейки/см²), использовали в серии проводимых в печи испытаний активности нагретого катализатора. Для моделирования газовой смеси после-TWC и до-TWC использовали две композиции выхлопного газа. Композиции смесей после-TWC и до-TWC представлены в таблице 1. Газовые смеси после-TWC и до-TWC смешивали с различными количествами изооктана (0,3, 0,5 и 0,8 об.% изооктана), полученные газовые смеси приводили в контакт с катализатором реформинга при температурах в диапазоне от 250 до 550°С.

Результаты приведены в таблице 2.

Пример 2: Влияние NO на образование водорода

Влияние NO на образование водорода изучали, используя процедуру примера 1 за исключением того, что количество изооктана поддерживали равным 5000 частей на миллион, и в обе газовые композиции добавляли NO. Композиции искусственных смесей после-TWC и до-TWC представлены в таблице 3.

Результаты приведены в таблице 4.

Полученные результаты показали, что использование выхлопного газа двигателя приводит к образованию на катализаторе реформинга значительного количества водорода, если прежде этого он не вступал в контакт с тройным катализатором (см. таблицу 2). При наличии NO в выхлопном газе продемонстрировано дополнительное увеличение образование водорода (см. таблицу 4). Эти результаты были особенно очевидными при температурах менее 550°С.

* Сравнительный пример