Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к способу эксплуатации дизельного двигателя внутреннего сгорания с использованием, по меньшей мере, частично окисленного дизельного топлива, который может осуществляться в приводном устройстве для транспортных средств на основе дизельного двигателя внутреннего сгорания, в котором (в устройстве) сжигаемое топливо сначала частично окисляется, а затем в виде смеси сжигается в двигателе вместе с неокисленным топливом

Уровень техники

Стратегии снижения выброса сажевых частиц в дизельных транспортных средствах, в частности мелких сажепылевых частиц, являются в настоящее время объектом интенсивных исследований. Причиной этого являются, не в последнюю очередь, стандарты Евро-5 и Евро-6, требующие значительного снижения выброса сажевых частиц.

Отправной точкой для снижения выброса сажевых частиц, которое зарекомендовало себя в последние годы в связи с дизельными транспортными средствами и было установлено стандартом Евро-6, является использование дизельных сажевых фильтров. При этом сажевые частицы улавливаются в фильтрующей системе, а затем за счет нагрева до температур выше 250°С превращаются в газообразные продукты распада (в основном СО₂). Фильтрация компонентов ОГ в виде частиц не представляет собственно проблему. Она состоит, скорее, в максимально полной регенерации дизельного сажевого фильтра, при которой улавливаемые сажевые частицы должны разлагаться в газообразные продукты распада.

Различают пассивную непрерывную регенерацию, которая протекает при температурах начиная с 250°С и предпочтительно образованным на окислительном катализаторе NO₂ по следующей формуле превращения:

2NO₂+С→СО₂+2NO

Дополнительно к этому, по меньшей мере, в определенные промежутки времени должна осуществляться прерывистая активная регенерация, предпочтительно кислородом при температурах выше 450°С по следующим формулам превращения:

С+О₂→СО₂

2С+О₂→2СО

Для активной регенерации кислородом требуется, как правило, повышение температуры ОГ. Это может осуществляться за счет принятия моторных мер, таких как дросселирование впускаемого воздуха или дополнительный впрыск, или принятия послемоторных мер, таких как горелка, внешнее дозирование топлива или внешние термокатализаторы. Однако в случае принятия моторных и послемоторных мер возникает та проблема, что сажевый фильтр приходится нагревать для активного сжигания до высоких температур, для чего транспортное средство должно проехать определенный отрезок пути. Если транспортное средство не проедет большой отрезок пути, то несгоревшие сажевые остатки в фильтре могут вызвать проблемы, в частности его засорение. К тому же послемоторные меры нередко связаны с повышенной потребностью в энергии, следствием чего является повышенный расход топлива.

Эти проблемы привели к тому, что все больше приходится искать подходы, которые позволили бы априори предотвратить образование сажи в дизельных двигателях.

Описанный в этом отношении в ЕР 0590914 подход заключается в том, чтобы в топливо перед его сжиганием подмешать присадку из дополнительного бака. Эта присадка снижает температуру выгорания сажевых частиц в сажевом фильтре, облегчая, тем самым, их сгорание.

Кроме того, кислородсодержащие «топливные присадки» могут использоваться для снижения температуры регенерации. Добавка топливных присадок описана, например, в DE 102009035503 A1 или DE 102008032254 B4. В US 2006/180099 A1 или WO 2011/126653 A1 в дизельное топливо подмешиваются кислородсодержащие компоненты, такие как этанол, в которых содержащийся в топливе этанол перед сжиганием подвергается кислотно-катализируемой дегидратации. Образовавшийся в результате этого диэтилэфир обладает по сравнению с этанолом заметно лучшими горючими свойствами, так что с помощью генерации эфира можно управлять процессом горения. Однако проблемой, связанной с подмешиванием этанола в дизельное топливо, является то, что оба компонента могут смешаться в баке, что требует добавления дополнительных присадок для стабилизации смеси. В свою очередь, они сложны в получении и должны распределяться, что приводит к дополнительным затратам на топливо.

Альтернативный подход содержится в статье Bromberg, L. et al. «Onboard Plasmatron Generation of Hydrogen rich gas for Diesel Engine Exhaust Aftertreatment and Other Applications», PSFC JA-02-30, 11.12.2002. При таком подходе используется плазматронный риформер для превращения дизельного топлива или биомасел в богатый водородом газ. Технология дизельного плазматронного риформера способна обеспечивать превращение значительного количества топлива в водород без использования катализатора. Это достигается использованием специальной плазмы для некаталитического превращения дизельного топлива в водород, причем выход водорода достаточен для получения ловушки NO_x.

Превращение топлива плазмой было описано также в ЕР 1891309 В1, где часть топлива в транспортном средстве подвергалась обработке озонсодержащей воздушной плазмой. За счет ввода газа легколетучие компоненты дизельного топлива испарялись и приводились в реакцию с озоном. Образовавшиеся в результате этой реакции продукты распада дизельного топлива направлялись затем в поток ОГ, облегчая там дожигание сажевых частиц.

Также в DE 10359395 А1 описано дожигание остатков топлива после выхода из камеры сгорания, при котором восстановительный газ, такой как водород, моноксид углерода, аммиак или углеводороды или их смеси, направляется в поток ОГ. Для этого восстановительный газ вырабатывается сначала с помощью «бортового» реактора из топлива в транспортном средстве, причем реактор рассчитан так, что протекает риформинг-расщепление или процесс крекинга. С помощью этого процесса часть топлива превращается в так называемые восстановители, которые затем направляются в выпускной трубопровод для восстановительного разложения золы.

Однако недостаток мер, принимаемых после собственно сжигания топлива, состоит в том, что количество первоначально образующейся сажи не подвержено влиянию, т. е. само сжигание нельзя улучшить. Однако в этом случае очистка ОГ энергетически менее благоприятна, чем управление сжиганием таким образом, чтобы образовывалось меньше сажи, которая затем должна сжигаться с дополнительными затратами.

Наконец, в DE 2365255 раскрыт способ уменьшения выбросов оксида азота в процессах сжигания бензина, причем в риформере часть подаваемого в двигатель внутреннего сгорания топлива превращается в продукты распада и окисления, такие как альдегиды и кетоны, моноксид углерода, водород и короткоцепные углеводороды, а затем подается в двигатель. При этом подаваемая смесь, в частности в зоне свечи зажигания, впрыскивается в камеру сгорания и служит легковоспламеняемым составом («богатая смесь»). Эта смесь воспламеняется свечами зажигания, откуда сжигание распространяется на остальную топливную смесь («бедная смесь»). Однако данная публикация касается, в основном, традиционных двигателей Отто и восстановления оксидов азота.

Кроме того, US 4 002 151 раскрывает способ улучшения сгорания в двигателе внутреннего сгорания, причем окисленные продукты получаются в реформере из топлива, а затем вместе с воздухом подаются в камеру сгорания.

Несмотря на уже достигнутый прогресс, существует потребность в способах и устройствах, с помощью которых можно было бы предотвратить или, по меньшей мере, уменьшить образование сажевых частиц из компонентов топлива, чтобы, таким образом, предотвратить нежелательное накопление сажи в последующем дизельном сажевом фильтре. Настоящее изобретение позволяет устранить эти проблемы.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 в виде блок-схемы изображен пример осуществления изобретения, причем топливо отбирается из топливного бака 1 и подается в риформер 2. В нем происходит окисление углеводородов топлива в кислородсодержащие углеводороды. Эти частично окисленные углеводороды менее устойчивы, чем первоначальные углеводороды, и смешиваются в смесительном блоке 3 с первоначальным топливом, а затем по топливопроводу подаются на сжигание в дизельном двигателе 4.

На фиг. 2 изображен альтернативный пример дозирования по воздухопроводу. Для этого топливо отбирается из топливного бака 1 и окисляется в риформере 2. В результате частичного окисления образуются частично легколетучие кислородсодержащие углеводороды, т. е. в том числе эфир. Затем они подаются в смесительном блоке 3 во впускной трубопровод и попадают в двигатель 4.

Изложение изобретения

Целью изобретения является предотвращение, насколько это возможно, образования сажевых частиц в процессе сжигания. Другая цель изобретения состоит в том, чтобы еще во время образования сажевых частиц модифицировать их так, чтобы они в последующем сажевом фильтре могли распадаться легче и с меньшими энергозатратами, чем в случае сажевых частиц из традиционных приводных устройств. Еще одна цель изобретения состоит в том, чтобы по возможности не подмешивать в дизельное топливо никакого дополнительного компонента, поскольку это связано с повышением затрат на получение и распределение таких присадок (например, метанола, этанола и т. п.). Поэтому создание устройств, с помощью которых можно было бы модифицировать топливо «на борту», т. е. в движущемся транспортном средстве, так, чтобы оно отвечало названным выше условиям, является важной целью изобретения.

Первый аспект изобретения касается, следовательно, приводного устройства для транспортных средств, включающего в себя устройство 2 для частичного окисления топлива, топливный бак 1 и дизельный двигатель 4, причем приводное устройство отличается тем, что устройство 2 находится в проточном соединении с топливным баком 1 и двигателем 4, так что, по меньшей мере, часть находящегося в транспортном средстве топлива может подаваться перед сжиганием в двигателе на частичное окисление.

Под «частью» топлива подразумевается то, что не все оно подается через устройство 2 в двигатель. Преимущественно через устройство 2 подается лишь 50 об.% или менее, в частности 30 об.% или менее и особенно предпочтительно 15 об.% или менее впрыснутого в двигатель топлива. С другой стороны, требуется направлять через устройство 2 столько топлива, чтобы можно было констатировать эффекты снижения сажевых выбросов. Поэтому предпочтительно, если через устройство 2 направляется, по меньшей мере, 1 об.%, в частности, по меньшей мере, 3 об.%, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 5 об.% и наиболее предпочтительно около 10 об.% топлива.

Частичное окисление углеводородов для получения кислородсодержащих углеводородов является известным процессом и может осуществляться по-разному. В качестве примера рассматриваются следующие окислительные реакции:

R’-CH₂-R”+½O₂→R’-CH₂О-R”

R’-CH₂-R”+O₂→R’-CO-R”+H₂O

R’-CH₂-R”+½O₂→R’-CHOH-R”

Причем соединение R’-CH₂-R” представляет собой компонент традиционного дизельного топлива. Если выше упоминались традиционное дизельное топливо или топлива, под этим следует понимать минеральные дизельные топлива по EN 590. R’ или R” представляют собой произвольный алкильный остаток. Другие реакции, возможные с использованием кислородных радикалов с водородами из дизельного топлива, следующие:

R’-CH₂-R”+O→R’-CH₂O-R”

R’-CH₂-R”+2O→R’-CO-R”+H₂O

R’-CH₂-R”+O→R’-CHOH-R”

Получение кислородных радикалов может осуществляться в рамках изобретения по-разному. Предпочтительно, однако, кислородные радикалы получают посредством плазменного разряда в топливном риформере, который может содержать катализатор, или косвенно через озонизатор (через образование О₃).

Так, при озонолизе в результате реакции, например, ароматических веществ с озоном образуется глиоксаль:

С₆Н₆+2О₃→3(СНО)₂

Следовательно, в рамках изобретения предпочтительно, если устройство 2 содержит устройство для плазменного разряда, топливный риформер, в частности с катализатором, или озонизатор. Подходящие устройства для плазменного разряда описаны в DE 102008062417 A1 или DE 602004004728 T2. В DE 102006043128 A1, EP 1535660 A1 или DE 112008001062 T5 описаны риформеры. В «Novel process to evaporate liquid fuels and its application to catalytic partial oxidation of diesel, Journal of Power Source», 165 (2007) 210-216, авторы описывают риформинговую систему для испарения и окисления топлив с целью получения максимального количества водорода и моноксида углерода. В «Externe Nacheinspritzung zur Regeneration von Dieselpartikelfiltern», Motortechnische Zeitung, 5/2004, 354-361, описана система, в которой для активной регенерации загрязненного сажевыми частицами дизельного сажевого фильтра через внешний инжектор посредством дозированного количества дизельного топлива на окислительном катализаторе посредством полного окисления топлива создают экзотермию для регенерации фильтра. Используемый катализатор состоит обычно из Pt и Pd. Целью всех этих систем является максимально полное окисление топлива.

Целью же настоящего изобретения является лишь частичное окисление топлива с помощью умеренного управления описанными системами (более низкие температуры и менее активные катализаторы). Это значит, что, в принципе, в рамках изобретения могут использоваться упомянутые топливные риформеры, устройства для плазменного разряда и т. д., однако они должны эксплуатироваться при более низких температурах и/или должны быть снащены менее активными катализаторами, чем это описано в уровне техники.

В рамках изобретения далее предпочтительно, если окислением в устройстве управляют так, что полученное, частично окисленное топливо после прохождения через устройство имеет содержание кислорода, по меньшей мере, 0,5% масс., в частности, по меньшей мере, 2% масс. и особенно предпочтительно, по меньшей мере, 5% масс. и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 10% масс. С другой стороны, содержание кислорода после прохождения через устройство не должно быть слишком высоким, поскольку это вызывает слишком высокую фрагментацию компонентов топлива на мелкие продукты распада, что существенно уменьшает температуру воспламенения продукта по сравнению с неокисленным дизельным топливом. Поэтому предпочтительно, если содержание кислорода в частично окисленном топливе составляет не более 30% масс., в частности не более 15% масс.

Устройство 2 выполнено преимущественно так, что во время его работы из насыщенных и/или ненасыщенных углеводородов в топливе образуются эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и/или спирты. При проведении реакции окисления следует обратить внимание на то, чтобы образовывалось как можно меньше высоковоспламеняемых продуктов окисления (например, водород). Кроме того, следует обратить внимание на то, чтобы образующиеся продукты реакции не могли легко смешиваться с углеводородами дизельного топлива. Причина этого состоит в том, что продукты окисления должны подмешиваться в дизельное топливо перед его сжиганием или впрыскиваться в камеру сгорания или одновременно с ним. Если продукты окисления содержат слишком высокую долю легковоспламеняемых газов, то в процессе сгорания это может привести к преждевременному зажиганию, следствием чего является менее благоприятное сгорание впрыснутого дизельного топлива.

В одном предпочтительном варианте устройство 2 находится в проточном соединении со смесительным блоком 3, который, в свою очередь, находится в проточном соединении с топливным баком 1 и дизельным двигателем 4. Предпочтительно проточное соединение состоит из трубопроводов или непосредственных соединений смесительного блока с топливным баком и/или дизельным двигателем. Такое устройство схематично изображено на фиг. 1.

В другом альтернативном предпочтительном варианте устройство 2 находится в проточном соединении со смесительным блоком 3, который, в свою очередь, находится в проточном соединении с двигателем 4 и содержит устройство для впуска воздуха. Такое устройство схематично изображено на фиг. 2. Частично окисленное топливо после прохождения через устройство 2 смешивается с всасываемым двигателем 4 воздухом, прежде чем смесь из воздуха и частично окисленного топлива попадет в двигатель 4. Преимущественно подача происходит перед сжатием и впрыском топлива в двигатель.

Подача смеси из воздуха и частично окисленного топлива может осуществляться также одновременно с впрыском топлива в камеру сгорания или перед ним, причем имеющийся в камере сгорания воздух может быть уже нагрет за счет сжатия. В этом случае предпочтительно, если смесительный блок 3 находится в проточном соединении с двигателем 4 таким образом, что смесь из частично окисленного топлива и воздуха впрыскивается в камеру или камеры сгорания при смешивании с немодифицированным топливом. Альтернативно смесь из частично окисленного топлива и воздуха впрыскивается в цилиндр или цилиндры при смешивании с немодифицированным топливом. При этом смесь впрыскивается преимущественно так, что образуется максимально однородная смесь из окисленного топлива, немодифицированного топлива и воздуха.

В рамках изобретения далее предпочтительно, если предложенное устройство содержит сажевый фильтр, который находится в проточном соединении с двигателем 4 и через который вырабатываемые двигателем 4 ОГ выводятся в атмосферу.

Другой аспект изобретения касается применения частично окисленного дизельного топлива в описанном выше приводном устройстве для снижения сажевых выбросов. В рамках этого применения, в частности, предпочтительно, чтобы состав из частично окисленного дизельного топлива, неокисленного дизельного топлива и воздуха регулировался так, что уменьшение сажеобразования достигалось бы уже в камере сгорания. Далее целесообразно отрегулировать состав из частично окисленного дизельного топлива, неокисленного дизельного топлива и воздуха так, чтобы образующаяся сажа при более низких температурах выгорания в подключенном сажевом фильтре могла распадаться в диоксид углерода. Отправной точкой определения того, может ли сажа при более низких температурах выгорания распадаться в диоксид углерода, является сажа, образующаяся при сжигании исключительно частично неокисленного дизельного топлива.

Другой аспект изобретения касается способа эксплуатации дизельного двигателя, включающего в себя следующие этапы:

а) подготовку дизельного топлива,

b) частичное окисление, по меньшей мере, части дизельного топлива в устройстве для частичного окисления топлива,

c) смешивание неизмененной части дизельного топлива с частично окисленным дизельным топливом в смесь,

d) впрыск смеси из c) в камеру сгорания и выполнение самовоспламеняющегося процесса сжигания.

В качестве альтернативы этому изобретение относится также к способу эксплуатации дизельного двигателя, включающего в себя следующие этапы:

а) подготовку дизельного топлива,

b) частичное окисление, по меньшей мере, части дизельного топлива в устройстве для частичного окисления топлива,

c) смешивание окисленной части дизельного топлива с воздухом в смесительном блоке,

d) впрыск смеси из c) в камеру сгорания, подачу немодифицированного дизельного топлива и выполнение самовоспламеняющегося процесса сжигания.

В обоих способах частичное окисление происходит целесообразно внутри дизельного двигателя, т. е. не извне в особом агрегате.

В обоих способах частичное окисление рассчитывают так, что получают кислородсодержащие углеводороды.

В рамках описанного выше способа предпочтительно, если смесь на этапе d) впрыскивается в камеру сгорания так, что образуется, в основном, однородная смесь с подаваемым дизельным топливом.

Далее способ может осуществляться предпочтительно за счет того, что полученные при окислении из алифатических углеводородов окисленные углеводороды имеются предпочтительно в виде эфиров, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и спиртов. Особенно предпочтительно в рамках способа длинноцепные алифатические углеводороды превращаются в частично окисленные более короткие углеводороды. В качестве альтернативы или дополнительно способ может осуществляться так, что при окислении из ароматических углеводородов образуются окисленные углеводороды.

Описанное выше приводное устройство вырабатывает в процессе сжигания сажевые частицы, которые по сравнению с сажей от традиционных дизельных топлив обладают более высокой активностью и, тем самым, имеют меньшую температуру выгорания в последующем сажевом фильтре. Хотя заявитель и не может привести определенную теорию в подтверждение этого, следует исходить из того, что ввод кислорода в топливную смесь через частичное окисление углеводородов приводит к тому, что кислород связывается в образующейся саже. За счет снижения температуры выгорания сажи этот кислород облегчает последующее превращение сажевых частиц в диоксид углерода.

Пример

На испытательном стенде для двигателей собиралась сажа в виде остатков от сжигания минерального дизельного топлива и дизельного топлива с 35% масс. примеси дипропиленгликольдиметилэфира. Содержание кислорода в минеральном дизельном топливе составляло около 0%, а в смеси - около 11%.

Температура выгорания сажей определялась с помощью термогравиметрического анализатора (ТГА) в синтетических ОГ с 5% кислорода. Для сажи от чистого минерального дизельного топлива температура выгорания составляла 610°С, тогда как измерение сажи от дизельного топлива с примесью дипропиленгликольдиметилэфира показало температуру выгорания 540°С. Таким образом, смесь имеет более низкую на 70°С температуру выгорания, чем сажа от чистого дизельного топлива.

Температуры выгорания, определяемые с помощью ТГА, определяются через максимум выброса СО_х и поэтому не отражают абсолютные значения температур выгорания в сажевом фильтре. Однако результаты эксперимента с ТГА могут быть перенесены на сажевые фильтры.

Предложенное приводное устройство и/или предложенные способы эксплуатации дизельного двигателя находят свое применение преимущественно в транспортных средствах и особенно предпочтительно в транспортных средствах промышленного назначения.