CN101316989B - 用于内燃机废气的加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机废气的加热装置,其使用LPG、LNG、挥发油、轻油、生物柴油或为DME的氧化烃驱动。所述装置包括催化反应器重整器、废气吸入部分以及第二燃料供应装置。所述安装的废气吸入部分用于利用包含在废气中的氧气。当驱动加热装置时,在加热装置被加热时,空气和燃料经由一管子被输送至催化反应器和第二燃料供应装置。本发明提供了一种用于废气的加热装置以及用于驱动所述装置的方法,所述加热装置可以确保用于废气的加热装置的持久性,并且可以通过除去管中的由于LPG、LNG、挥发油、轻油、生物柴油或为DME的氧化烃的热解产生的碳而使从外部供应至燃烧重整装置的空气的量减至最少。

Description

用于内燃机废气的加热装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机废气的加热装置,更具体而言,涉及一种用于加热用于内燃机废气的净化装置的用于内燃机废气的加热装置,使用LPG、LNG、挥发油、轻油、生物柴油或为DME的氧化烃(oxygenatedhydrocarbon being DME)(下文称为“燃料”)驱动。
背景技术
由内燃机驱动的汽车会持续地排放出颗粒物质和氮氧化物,其是造成污染的主要原因,因此关于汽车废气的环保法规一直在加强。
作为一种除去污染物的方法,可通过使发动机的效率最大化以及提高燃料质量尽量事先减少污染物的排放。也一直在进行关于废气后清除的研究,例如用于除去颗粒物质的过滤器以及用于减少氮氧化物的催化剂。
然而,上述试图用于废气后清除的方法很大程度上取决于汽车的状况以及其行车条件,因此该方法的应用条件受到很大地限制。
当前尝试了通过利用电热器或燃烧器产生的热作为回热过滤器的能源的方案,但是应该克服有限的能量以及外置燃烧器所需的空间问题,以使其应用于所述系统。
近来,已经提交了许多应用于汽车的将碳氢化合物转化为可燃的还原气体(reduced gas)的专利申请,但是其未能提出燃烧以及改良所需要的具体的系统配置。
如果在废气低温条件下将碳氢化合物喷入废气中,那么在温度低于轻油的沸点时将会发生再冷凝。因此,应该安装用于废气的另外的加热装置以防止再冷凝。
作为上述方法的补充,已经提出了一种使用由电力驱动的汽化器将轻油转化为蒸汽,并且将其与废气混合以在DOC(柴油氧化催化器)上燃烧的方法。
然而,不可能在低于235℃时在DOC中燃烧汽化的柴油,并且因为有必要为由于废气低温所导致的汽化的燃料的再冷凝做准备,喷洒燃料的期间是受限制的。
图1是通过喷洒燃料加热DPF(柴油微粒过滤器)12的总体配置图。带有热源的汽化的燃料与由发动机100产生的废气混合并且被引入DOC11中。废气与燃料在DOC 11中被氧化以产生热,所述热可以被用作热源以使DPF(柴油微粒过滤器)12再工作。
DOC 11用于燃烧燃料、碳氢化合物和包含在废气中的颗粒物质,所述燃料以一氧化碳的方式被提供至SOF(可溶的有机馏份)和DPF(柴油微粒过滤器)。
DPF 12在DOC的后端具有串联设置的配置,收集废气中的颗粒物质以防止颗粒物质被排放。如果收集了超过预定量的颗粒物质,那么其通过由一补充的热源提供的热燃烧以及再工作。
在图1中,使用了由DOC 11产生的热。
在图2中,与图1相比还包括一燃料汽化装置21,并且将汽化的燃料(特别是轻油)提供至废气流,以改善其与废气的混合,实现在DOC22中促进氧化的功能。
由DPF(由金属或陶瓷材料制成)收集的颗粒物质被持续地氧化或周期性地燃烧以使过滤器再生,特别是在柴油机汽车中。
使过滤器再生的周期根据NOx/烟灰的比例以及废气的温度分布会有变化。废气的温度取决于车型、发动机种类、路况以及交通拥挤情况等,NOx/烟灰的比例也根据EGR的比例会有变化。
换而言之,鉴于后清除装置的容积,改变路上的汽车中的发动机的行车条件以控制废气的温度是不可能的,并且我们需要用于加热废气的补充加热系统。
发明内容
技术问题
为了解决上述问题而完成的本发明的目的在于提供一种用于废气的加热装置,该装置可以使由外部气源单元提供至用于柴油机燃料的重整反应的催化反应器的空气的量减至最小,并且使DPF独立于汽车行车条件再工作。
本发明的另一目的在于提供一种用于防止焦炭堆积在为废气加热装置提供碳氢化合物的管内的系统配置,及其操作方法。
本发明的又一目的在于提供一种用于产生除去氮氧化物的还原气体的装置,所述装置提供从预定气体除去氮氧化物的还原气体,所述装置包括用于内燃机中的废气的加热装置。
技术方案
为了达到上述目的,本发明设有废气吸入孔以使部分废气被传送(吸入)至催化重整器的后端中,使从重整反应器排出的还原气体被点燃。从而,从外部供应的空气的量被减至最少,并且包含在废气中的氧气被作为氧化剂得到利用。
此外,本发明的特征在于空气和燃料被同时输送至包含燃烧重整催化剂的催化反应器中以及废气导管的电子加热器中。
废气吸入孔安装在重整催化剂层的后端,燃烧重整气体以蒸发第二燃料且形成一易点燃的热的部分。
同样地,通过利用废气中的氧气可以显著地减少从外部供应的空气的量。
因此,可以使驱动空气压缩机所需要的电能减至最少。
此外,由于反应器被设计成将部分废气导引至催化反应器中,使吸入废气的量减至最少,并且在压力损失相对低的情况下通过第二次吸入而吸入氧化剂,因此可以使排放管中的压力损失减至最少,并且可以减少里程数的降低。
根据本发明的燃料/空气供给线的特征在于形成为增加保留时间以及传热面积以蒸发其中的燃料。
此外,燃料/空气供给线的特征在于具有螺旋形,其形成为与其内侧的导管的纵向平行的方向。
此外,当涉及注入燃料和空气时,燃料和空气被间歇地交替注入。
此外,根据本发明,通过重整气体还原气体在由点火形成的热的部分进行加热或/和重整部分被同时放置在热的部分。重整气体的排放部分被控制在400℃以下(根据发动机的类型可变化)以抑制自燃,从而传送重整气体至催化剂表面。
有益效果
根据本发明的用于废气的加热装置可以加热废气至必需的温度,而这不取决于发动机的负荷以及其转动状态。因此,根据本发明的装置被预期用作组成用于难于自行再生的中等尺寸的柴油机汽车的第三代DPF系统所需要的核心模块。
附图说明
图1是现有技术中通过燃料喷洒的DPF加热系统的配置图。
图2是现有技术中使用燃料汽化器(evaporator)的DPF加热系统的配置图。
图3是根据本发明的DPF加热系统的配置图。
图4示出了根据本发明的实施方案1的用于废气的加热装置的一实施方案。
图5示出了根据本发明的实施方案2的用于抽吸废气的部分的配置。
图6示出了根据本发明的实施方案3的用于抽吸废气的部分的配置。
图7示出了根据本发明的实施方案4的用于废气的加热装置的配置。
图8示出了根据实施方案3的实验条件的变化。
图9示出了根据实施方案3的实验结果。
图10示出了根据实施方案3的实验结果。
具体实施方式
在下文中,将参照附图详细地描述本发明的实施方案。现参照附图,附图中相同的附图标记被用于本发明下述描述中的全部部件,如果认定对有关公知功能以及结构进行详细描述会使本发明的要旨不清楚,那么就会省略掉这些详细的描述。
根据本发明,在废气流中设有催化反应器以防止废气使催化反应器过热,并且同时促使碳氢化合物与包含在废气中的氧气一起燃烧。通过燃烧产生的热能可用于加热DOC、DPF、De-Nox催化剂以及附图中未示出的Nox捕捉器。
此外,根据本发明,第二燃料喷洒区被设置成用于催化反应器的后部。
设有预热区或汽化区以便在喷洒第二燃料/空气前使废气被加热至待汽化的350℃以上。热源不需要在催化反应器的后面热的部分安装另外的加热装置。
此外,当设有回热器以便通过自燃热加热引入的燃料时,第二燃料/空气供给线便于控制系统。
此时,最重要之处在于第二燃料/空气供给线的燃料/空气喷嘴优选地设置在重整反应器后部的附近,这是因为即使重整的量少也可以进行第二燃料的点火。
更优选的是,在第二燃料/空气喷嘴的后部设有一预热区,这是因为通过自燃热可以进行第二燃料/空气混合物或燃料的预热/汽化,从而可以防止供给液体燃料。
优选地,设置在第二燃料/空气供给喷嘴的后部的加热器/蒸发器具有对气流影响最小化的形状以及可以与高温区接触的空间,但是并没有施加限制条件。
根据应用的汽车(排量),当串联或并联布置两个以上的加热器/蒸发器时,其具有所述形状,因此可以补偿加热装置中的温度以及增加加热量。
换而言之,根据废气的体积,均一地维持催化反应器的基本尺寸,形成有局部热部,并且在气流的尾流处串联或并联地布置多个供给装置。从而,可以改善应用度适应性和温度的均一性。
此外,当加热区和汽化区设置在第二燃料/空气供给喷嘴的后端时,其可以利用点火装置产生的热源,并且可以汽化以及燃烧多种待供应的燃料。
当第二燃料未被点燃但是通过简单的汽化或重整在DOC中进行燃烧时,根据DOC体积的增加,可燃温度会有限制。
根据本发明,有利的是由于大多数燃料是通过点燃第二燃料燃烧的,可以不使用DOC或维持较少的DOC。
本发明的最重要之处在于在重整反应器的后端设有废气抽吸孔,从而重整气与废气混合。此外,为了防止由于碳的堆积阻塞燃料供给线,注入混合有空气的燃料或交替地注入空气和燃料。
另一发明为一种用于制备除去氮氧化物的还原气体的装置,在该装置中,用于除去氮氧化物的还原气体由预定的气体制得,其包括用于内燃机中废气的加热装置。
此时,通过增加由燃料/空气供给线提供的燃料的量或减少导入反应器的废气的量而诱导不完全燃烧的方法可以获得还原气体。为了获得较大量的还原气体,第二燃料喷嘴设置在低温区域,第二燃料在所述区域不能被点燃,从而还原剂与待使用的废气混合,作为在后端用于除去NOx的还原剂。
现参照实施例和附图详细地描述本发明。
图3是根据本发明的DPF加热系统的配置图,所述加热系统安装有用于废气1200,1300的加热装置,其没有采用图1或图2中示出的供给燃料的方式。
可以使用与注入汽车中的燃料相同的燃料,并且在相同位置运转的小发电机可以利用其它种类的碳氢化合物。通过外部压缩机供给氧化剂空气。
图4示意性地示出了根据本发明的实施方案1的用于废气1200的加热装置。
如图4所示,用于废气1200的加热装置包括:一反应器500,一点火器170,用于导引废气的点火部件900,用于第二喷洒燃料的装置,用于燃烧气体和废气的混合器200,以及壳体100,壳体100包括用于移动废气以形成用于加热废气的单独的部件的空间。即使加热器置于壳体100的外侧以方便地连接一加热装置也可以达到相同的目的。
多个吸入孔910形成在点火区900的侧面,从而废气被引入燃烧区域920。少量吸入孔910形成在燃烧区域920的前部,大量吸入孔形成在燃烧区域的后部,因此通过流入孔910的引入空气的量逐渐增加。
此外,为了装入燃烧/重整催化剂510,在点火部件900和反应器500之间设有多孔的隔离板520。
对反应器500的形状没有限制,但是鉴于当燃烧进行时气体体积膨胀,优选地,如图4所示,用于导引废气和燃料的导引部分700的横截面小于通过燃烧/重整催化剂510反应的区域的横截面。
当横截面比率保持在0.1-0.9的范围时,反应区和导引部分700可以迅速地进行点火且可以将未燃烧的碳氢化合物的空转(slipping)减至最少。
相应地,上述催化反应器设有具有不同直径的两根管子的渐缩的连接部分,其基本上呈漏斗状。
由于用于本发明的催化反应器500的操作可以通过局部加热点火而启动,因此不管汽车的行车条件如何,都可以在马达空转状态(废气温度100℃)驱动用于废气1200的加热装置以加热DPF和提供还原剂以除去氮氧化物。
尤其是,在一种使优选的反应器500的能力最大化的驱动方法中,通过穿过催化剂反应器500的燃烧气体的热交换,用于预热被输送至导引部分700的燃料的第一燃料预热线320设置在反应器500的后端。
第一预热线320与第一燃料供给线300连接,第一燃料供给线300与一未示出的燃料供应装置连接,并且第一预热线320在壳体100内弯曲几次以使与燃烧热气体的热交换面积最大。
此外,第一燃料供给线300与供应空气的第一空气供给线310连接以补充燃烧。这是用于向第一燃料供给线300供应空气以保持管道不被由燃料热分解所产生的焦碳堵塞。
根据本发明的实施方案1的用于废气1200的加热装置具有用于输送位于反应器500的后端的第二燃料的第二燃料预热线630以及位于壳体100内侧的第二燃料预热线630终端的喷嘴620。
第二燃料预热线630和喷嘴620设置在第一预热线320与反应器500之间。
第二预热线630与第二燃料供给线600连接,第二燃料供给线600与一未示出的燃料供应装置连接,并且第二预热线630在壳体100内弯曲几次以使与燃烧热气体接触的面积最大。
此外,第二燃料供给线600与供应空气的第二空气供给线610连接以补充燃烧。这是用于向第二燃料供给线600供应空气以保持管道以及喷嘴620的内侧不被由燃料热分解所产生的焦碳堵塞。
因此,通过向第一燃料预热线300和第二燃料预热线600间歇地输送一定时间的空气以除去产生的焦碳,可以使从外部供应的空气的量减至最少,并且同时保持管子不被堵塞。
此外,根据燃烧重整催化剂510的特性,温度高于800℃时的反应速率会非常高,且反应物的比速率(specific velocity)会保持非常高(超过200,000/hr),这使催化剂中的贵金属的量减至最少。
根据实施方案1,装有燃烧重整催化剂510的催化反应器500的反应区的横截面可以是圆形或多边形,但是也可以是任何形状。反应器的展开区优选具有少于50mm的直径/对角线,更优选少于40mm。
对催化剂510没有特别的限定,可以使用披露的燃烧催化剂以及重整催化剂。
点火器170安装在催化反应器500的导引部分700中,并且点火器170与加热器连接管140连接,加热器连接管140被插在安装在壳体100的壁体上的点火器连接体130中,点火器170通过穿过点火器连接管140的电源线150供电。
此外,混合器200安装在壳体100的下部以起到混合重整气体和没有通过催化剂反应器的废气的作用,并且防止DOC的损害,从而向DOC均匀地供应燃料以用于燃烧重整气体。
根据本发明的催化剂反应器500可以使用氧化催化剂和重整催化剂的混合物。
优选地,氧化催化剂的含量高于80wt%以提高氧化速率。更优选地,在导引轻油和空气(或废气)的入口处使用100wt%的氧化催化剂,而在反应器的后部使用100wt%的重整催化剂。所述实施方案说明了使用100wt%的氧化催化剂的结果。
图5示出了根据本发明的实施方案2的反应器501的横截面示意图。在图5中,未示出的其它部分与图4中的相同,并且在下面的描述中使用相同的附图标记。
根据实施方案2的反应器501与实施方案1中的反应器相同,但如图5所示,在流入孔911的外侧向着流入孔911装有一用于汇集废气的导引工具931。
导引工具931的形状基本上为锥形,以向着流入部件911的后端具有递减的半径。
因此,与实施方案1中的点火部件900相比,流入流入孔911中的废气的量可以大量地增加。
图6示出了根据本发明的实施方案3的反应器502的横截面示意图。在图6中,未示出的其它部分与图4中的相同,并且在下面的描述中使用相同的附图标记。
为了通过增加5引入点火部件902中的废气的量而增加气体体积,如图6所示,在实施方案3中,在流入孔的外侧安装有一与实施方案2中类似的、用于使废气向着流入孔改变方向的导引管932。
与实施方案1类似,形成在点火部件902的流入孔的方向与在点火部件902的周围流动的废气方向垂直。
从而,废气通过点火部件902的进出压力差流入流入孔中。因此,可以通过为导引管932提供弯曲类型的管而增加通过流入孔引入的废气的量,以促使废气的行进方向与流入孔的行进方向相同。
与实施方案2和3相比较,实施方案2的一优选方式是有效的,这是由于通过上部催化剂反应器的热的部分的废气的加热与紧凑的外形都得到改善使得重整气体的点火迅速进行。
图7示意性地示出了根据本发明的实施方案4的废气1300的加热装置。
如图7所示,可以获得本发明的效果的另一构造被配置成将部分空气引导至废气而没有从外部向反应器503提供空气。
换而言之,用于吸入废气的吸入喇叭口713与导引部件700的前端形成为一整体。
由于上述配置,用于供应空气至第一燃料的能量可以预期将减至最少。
在实施方案4中,除了加热器1300设有吸入喇叭口713外,其与实施方案1具有相同的构造。
在下文中将描述根据本发明的一种组合重整催化剂510的制备方法。
铂被用作一种活化成分,载体使用氧化铝。在浸渍(impregnate)用作激活金属的贵金属之前,硝酸铈(Ce(NO3)2xH2O,Aldrich公司产品)被浸渍在3~5mm粒径的活化氧化铝(γ-Al2O3,Canto公司产品)中,并在105℃干燥24小时,然后在1300℃焙制12小时。使用蒸馏水将氢氯铂酸(H2PtCl6.xH2O,hangyul gold股份公司产品)溶解在完全的复合载体中,然后浸渍铂。加入各种前体材料,以包括基于载体的10wt%的铈以及基于载体总重的0.2wt%的铂。在浸渍铂后,通过在105℃干燥24小时以及在1000℃焙制24小时的工艺制备载体(Pt/Ce/Al2O3)。
根据本发明,使用催化燃烧器1200,1300加热废气,关于DPF的加热机构或材料特性的类型没有特殊的条件。燃烧器可以被应用在各种类型的过滤器中,例如蒙诺里(monory)、泡沫或微粒,包括当前商业化的陶瓷系列、金属系列、SiC或SiN。
由于收集的PM的燃烧可能使过滤器局部过热,因此其必需可以耐至少900℃的温度。
此外,使用贵金属氧化催化剂或涂覆吸附有氮的金属以用于降低操作温度的方法也可以使用在过滤器中。
对于操作根据本发明的用于加热DPF的、系统的主要测量位置和项目如下:
-DPF的前后压力差ΔP
-流进催化燃烧器500的废气的温度T1
-催化燃烧器500的废气的温度T2
-第二燃烧废气的温度T3
-在DOC入口处的废气的温度T4
-在DOC出口处以及DPF入口处的废气的温度T5
-在DPF出口处的废气的温度T6
当在监控压力损失ΔP的过程中根据特定物质的吸持容量(retentioncapacity)检测到压力的损失大于基准值时,向点火器供电以对燃烧重整催化剂510进行加热。
如果温度T1高于350℃,可以省去供电的过程。如果催化反应器500的温度低于350℃,供电5-600秒,然后供应燃料。
如果催化反应器500的温度T2高于300℃,可以停止向加热器供电。
供应给催化反应器500的燃料的量被增加至将催化气体排出区域的温度升高至600℃以上。
供应第二燃料以保持温度T5高于500℃以进行DPF 3000的再生。
供应燃料至压力差ΔP低于基准值以进行再生。
控制供应的燃料的量以使过滤器出口的温度T6不达到650℃(根据DPF的热阻可改变),以包括用于防止ECU中的过滤器损失的安全模式。
现将详细描述根据本发明的内燃机的废气加热装置的测试结果。测试例使用实施方案3。
[测试例1]
反应器502使用3/4″T形的在空气中不生锈的钢316,并且燃料导引部件702以及反应器502被制造成下述结构:点火器的直径小,使用内径为35mm的不锈钢316材料的管扩展主反应器的直径。在本发明的详细的描述中,将35ml的所述燃烧催化剂(Pt/Ce/Al2O3)填入反应器502中。
为了仿效图6示出的构造,点火部件902在与反应器502的管子具有相同直径的管子的侧面与直径为1/4″的两个管弯曲处以及直径为3/8″的四个管弯曲处接触,从而点火部件902混合废气和重整气体。
用于初始加热的点火器172与气体导引部件中的空气和燃料供给线连接。加热器使用商业产品(用于柴油机汽车的加热塞),在螺杆的端部设有加热器以便在外部装配。
对于第二燃料供应,管线由直径为1/8″的不锈钢管制造。
反应器502、点火部件902、第一燃料预热线320以及第二燃料预热线630安装在内径为10cm、长度为25cm的壳体100中。
加热器以图3示出的顺序安装在汽车的排气管中,且测量其容积。在DOC(用于2.5L发动机的通用商品)入口的温度T4和出口的温度T5以及废气加热装置1200的环境温度T1和T2在不使用DPF3000时测量。
在测试中使用带有增压器的2.5L柴油机汽车。在驱动发动机后,维持无负荷空转1300rpm状态30分钟,在废气的温度保持在一稳定状态的条件下使用用于加热废气的装置1200监控加热废气的状态。
向点火器171输入24V的直流电三分钟,且输入空气和燃料以驱动所述装置。在点燃后,如图8所示改变空气和燃料的量。使用压缩机供应空气,使用液体泵供应轻油。在实验期间,每隔一秒监控一次各部分的温度。
如图9所示,根据实验结果,低于100℃的废气可以被加热至高于DPF的温度550℃。
此外,如图10所示,可得知供应的燃料的量与DOC的后端的温度呈线性关系。
虽然鉴于举例说明的目的,已经公开了本发明的优选实施方案,但是本领域的技术人员可以理解对其可以进行各种修正、增加、替换而并不偏离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种用于内燃机废气的加热装置,包括:
管状壳体;
反应器,所述反应器安装在壳体中,为了燃烧和重整废气所述反应器装有燃烧重整催化剂,所述反应器具有导引器,所述导引器在前端装配有加热器并与第一燃料预热线相连,所述第一燃料预热线从壳体的外部供应燃料;
点火部件,所述点火部件与反应器的后端形成为一体,以便点燃与来自反应器的废气部分混合的可燃气体以及在反应器与壳体之间流动的废气;
喷嘴,所述喷嘴安装在点火部件的后端,从第二燃料预热线向所述喷嘴供应燃料,所述喷嘴向废气喷洒燃料,然后二次燃烧废气;以及
混合器,所述混合器安装在反应器的后端,用于将所述可燃气体与在反应器和壳体之间流动的废气混合;
多个吸入孔,所述吸入孔形成在所述点火部件的外周以使外面的废气流入。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括一隔离板,所述隔离板具有多个孔,从而燃烧重整催化剂被固定在反应器和点火部件之间,且使可燃重整气体通过。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置在反应器的导引器的前端还包括用于吸入废气的吸入喇叭口。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一燃料预热线和第二燃料预热线在壳体中弯曲几次。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一燃料预热线和第二燃料预热线分别与第一燃料供给线和第二燃料供给线连接,同时第一燃料供给线和第二燃料供给线分别与供应空气的第一空气供给线和第二空气供给线连接。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述第一燃料预热线和第二燃料预热线被交替提供空气和燃料。
7.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述吸入孔的数量或直径向着点火部件的后端递增,从而使吸入的废气的量递增。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括一锥形导引器以促使废气流入吸入孔中至点火部件的周围,其中锥形导引器向着点火部件的后端具有递减的表面积。
9.使用权利要求1至8中任一项所述的用于内燃机废气的加热装置加热催化剂以除去氮氧化物或加热捕捉器的方法。
10.使用权利要求1至8中任一项所述的用于内燃机废气的加热装置提供一种还原剂以除去氮氧化物的方法。
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