DE19923431A1

DE19923431A1 - Verbrennungsmotor mit einem Katalysator

Info

Publication number: DE19923431A1
Application number: DE19923431A
Authority: DE
Inventors: Chaur S Wen; Peter B Roberts
Original assignee: Solar Turbines Inc
Current assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 1999-12-23
Also published as: US6669914B1; US6098396A

Abstract

Verbrennungsmotoren erzeugen eine Anzahl von Emissionen einschließlich Stickoxiden NOx. Eine Art der Reduktion von NOx, die in Gasturbinenmotoren verwendet wird, erfolgt durch die Verwendung von katalytischen Reaktoren. Katalytische Reaktoren reduzieren die Zündtemperaturen, welche für die vollständige Verbrennung einer Brennstoff/Luftmischung benötigt wird. Jedoch bewirken die hohen Temperaturen, die in katalytischen Reaktoren auftreten, ein Sintern des Substrats, eine Verdampfung des Katalysators und ein Sintern des Katalysators und des Metallsubstrats. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die Temperatur eines katalytischen Reaktors in einem Verbrennungsmotor zu steuern. Ein exothermer Katalysator überzieht eine erste Seite eines Substrats in dem katalytischen Reaktor. Ein endothermer Katalysator überzieht eine zweite Seite des Substrats.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf den Betrieb eines Katalysators bzw. eines katalytischen Re aktors in dem Verbrennungsmotor.

Ausgangspunkt

Die Verwendung von fossilem Brennstoff in Gasturbinenmotoren hat Verbren nungsprodukte in dem Abgas zur Folge, die aus Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickoxiden, Kohlenmonoxid, nichtverbrannten Kohlenwasserstoffen, Schwe feloxiden und Partikeln bestehen. Von diesen Produkten werden Kohlendioxid und Wasserdampf im allgemeinen nicht als schädlich bzw. störend angese hen.

Regulierungen hinsichtlich der verbleibenden Emissionen fördern weiterhin Erfindungen bei Motorherstellern und Forschern. Hersteller haben viele der Verbrennungsprodukte reduziert durch Designmodifikationen, verbesserte Brennstoffe oder zusätzliche Hardware. Viele diese Veränderungen haben die Effizienz in dem Motor erhöht.

Jedoch haben viele dieser Veränderungen die Produktion von Stickoxiden NOx erhöht. NOx wird durch die Oxidation von in der Atmosphäre befindli chem Stickstoff gebildet. Die Rate der NOx-Produktion hängt hauptsächlich von der Verbrennungstemperatur und zu einem Teil von der Konzentration der Reaktionspartner ab. Demgemäß resultiert eine geringe Reduktion der Ver brennungstemperatur in einer erheblichen Verringerung der NOx-Produktion.

Motorhersteller für Fahrzeuge verwenden Abgasrezirkulation als ein Verfahren dafür, die Verbrennungstemperaturen zu reduzieren. Abgasrezirkulation um faßt das Ersetzen eines Volumens der Einlaßluft mit Verbrennungsprodukten. Durch Reduzieren des überschüssigen Sauerstoffs schreitet die Verbrennung mit einer geringeren Rate fort und reduziert die Verbrennungstemperaturen. Zusätzlich ist weniger Sauerstoff für die Oxidation von in der Atmosphäre be findlichem Stickstoff verfügbar. Während Abgasrezirkulation im allgemeinen die Produktion von NOx reduziert, reduziert es auch die verfügbare Leistung und erhöht im allgemeinen den Brennstoffverbrauch.

Ein weiteres Verfahren NOx zu steuern, umfaßt das Einspritzen von Wasser oder Dampf, um die Verbrennungstemperatur zu reduzieren. Dieses Verfah ren erhöht die Kosten infolge zusätzlicher Ausrüstung, wie z. B. Pumpen, Lei tungen und einem Speicherreservoir. Darüber hinaus können die Kosten für die Lieferung von Wasser zu hoch sein. In mobilen Anwendungen reduziert Wasser darüber hinaus die Effizienz, indem das Gewicht des Fahrzeugs er höht wird.

Bei einer Gasturbine erhöht eine Luftströmung in den Verbrenner bzw. den Verbrennungsraum die Verbrennungstemperatur. Dieses Verfahren erhöht überschüssigen Sauerstoff, der verfügbar ist, um in der Atmosphäre befindli chen Stickstoff zu oxidieren, während zur selben Zeit die Verbrennungstempe ratur reduziert wird. Das Erhöhen der Luftströmung in eine Verbrennungszone neigt jedoch dazu, die Verbrennung zu löschen, was dazu führt, daß der Mo tor ungleichmäßig arbeitet. Durch die Verwendung eines Brennstoffs mit ge ringer Zündtemperatur können größere Luft-zu-Brennstoffverhältnisse erreicht werden ohne ein Löschen der Verbrennung.

In dem U.S.-Patent Nr. 5 467 857 von Houseman et al. vom 4. Februar 1986 wird ein Brennstoff in einem Katalysator bzw. katalytischen Reaktor reformiert, um den Brennstoff mit niedriger Zündtemperatur zu bilden. Diese Erfindung verwendet Abgas, um den Katalysator zu erwärmen. Die katalytischen Reak toren benötigen jedoch nur Abgaswärme für den anfänglichen Betrieb. Sobald sie arbeiten, können die katalytischen Reaktoren extreme Temperaturen in der Nähe der adiabatischen Flammtemperaturen erreichen. Diese hohen Temperaturen führen zu einer Verdampfung von aktiven Katalysatorkompo nenten, einem Sintern des Katalysators und des Substrats, einem thermi schen Schock des Metallsubstrats und einem Brechen des Metallsubstrats.

In dem U.S.-Patent Nr. 5 512 250 von Betta et al. vom 30. April 1996 besitzt eine monolitische Katalysatorstruktur, einen Palladiumkatalysator auf einer ersten Seite eines Substrats. Ein Teil der Luft/Brennstoffmischung wird ent lang einer zweiten Seite des Substrats geleitet, um die Temperatur des Sub strats zu steuern. Die erste Seite verwendet einen krummen bzw. kurvenrei chen Strömungspfad, um die Strömung in größten Kontakt mit dem Katalysa tor zu bringen und die zweite Seite ist derart aufgebaut, daß sie hohe Strö mungsraten beibehält, welche die Kühlung des Substrats unterstützen. Dieses System resultiert in reduzierten Gesamtdrücken und Temperaturen einer Brennstoff/Luftmischung, welche aus der Katalysatorstruktur austritt. Die re duzierten Temperaturen der Brennstoff/Luftmischung limitiert das Volumen der Luft, welches in den Verbrenner eingeführt werden kann, ohne die Flam me unstabil zu machen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.

Die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verbrennungs motor einen Lufteinlaß auf, der mit einem katalytischen Reaktor mit einem Einlaß und einem Auslaß verbunden ist. Der katalytische Reaktor besitzt ein Gehäuse, das ein thermisch leitendes Substrat enthält. Das Substrat besitzt eine erste Seite und eine zweite Seite. Die erste Seite ist mit einem exother men Katalysator behandelt, der in der Lage ist, einen teilweisen katalytischen Verbrennungsprozeß eines Brennstoffs zu fördern. Die zweite Seite ist mit einem endothermen Katalysator behandelt, der in der Lage ist, das Cracken oder Reformieren des Brennstoffs zu fördern. Das Substrat definiert ein Netz werk aus Längsdurchlässen durch das Gehäuse. Eine Erwärmungsvorrich tung, die zwischen dem Lufteinlaß und dem katalytischen Reaktoreinlaß ver bunden ist, erhöht eine Temperatur der Luftströmung über eine Temperatur, die notwendig ist, um die katalytische Verbrennung zu unterstützen bzw. bei zubehalten. Eine Brennstoffliefervorrichtung stellt eine Verbindung zwischen dem Lufteinlaß und dem katalytischen Reaktoreinlaß her. Ein Verbrenner bzw. ein Verbrennungsraum besitzt einen Einlaß und einen Auslaß, wobei der Ein laß des Verbrenners mit dem Auslaß des katalytischen Reaktors verbunden ist.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors zum Reduzieren von Emissionen den Schritt des Erwärmens einer Luftströmung auf eine Temperatur auf, die über einer katalytischen Temperatur liegt, die benötigt wird, um einen katalytischen Verbrennungsprozeß zu unterstützen. Brennstoff wird mit der Luftströmung vermischt, um eine Brennstoff/Luftmischung zu bilden. Die Brenn stoff/Luftmischung ist einem katalytischem Reaktor mit einem Substrat ausge setzt. Das Substrat besitzt eine erste Seite und eine zweite Seite, die ther misch miteinander verbunden sind. Ein erster Teil der Brenn stoff/Luftmischungen wird teilweise verbrannt, wodurch Wärme und eine erste katalytische Abgasmischung erzeugt wird. Die Wärme wird von der ersten Seite zu der zweiten Seite übertragen. Ein zweiter Teil der Brenn stoff/Luftmischung wird auf der zweiten Seite des Substrats unter Verwendung der Wärme katalytisch gecrackt oder reformiert. Das katalytische Cracken bil det eine zweite katalytische Abgasmischung. Die erste katalytische Abgasmi schung und die zweite katalytische Abgasmischung werden vermischt, um ein verbrennbares Gas zu bilden. Das verbrennbare Gas wird dann verbrannt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfah ren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor das Bilden einer ersten Folie mit einer Vielzahl von ersten Wellungen bzw. Rippen auf. Die erste Folie besitzt eine erste Seite und eine zweite Seite. Die erste Seite der ersten Folie wird mit einem exothermen Ka talysator und einer ersten oxidischen Zwischenschicht (washcoat) bzw. einem ersten Waschüberzug behandelt. Die zweite Seite der ersten Folie wird mit einem endothermen Katalysator und einer zweiten oxidischen Zwischen schicht (washcoat) behandelt. Eine erste Trennplatte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite wird gebildet. Die erste Seite der ersten Trennplatte wird mit dem exothermen Katalysator und der ersten oxidischen Zwischen schicht (washcoat) behandelt. Die zweite Seite der ersten Trennplatte wird mit dem endothermen Katalysator und der zweiten oxidischen Zwischenschicht (washcoat) behandelt. Eine zweite Trennplatte mit einer ersten Seite und ei ner zweiten Seite wird gebildet. Die erste Seite der zweiten Trennplatte wird mit dem exothermen Katalysator und der ersten oxidischen Zwischenschicht (washcoat) behandelt. Die zweite Seite der zweiten Trennplatte wird mit dem endothermen Katalysator und der zweiten oxidischen Zwischenschicht (washcoat) behandelt. Eine zweite Folie mit einer Vielzahl von Wellungen bzw. Rippen, einer ersten Seite und einer zweiten Seite wird gebildet. Die er ste Seite der zweiten Folie wird mit dem exothermen Katalysator und der er sten oxidischen Zwischenschicht (washcoat) behandelt. Die zweite Seite der zweiten Folie wird mit dem endothermen Katalysator und der zweiten oxidi schen Zwischenschicht (washcoat) behandelt. Ein Stapel wird gebildet durch Befestigen der ersten Seite der ersten Folie an der ersten Seite der ersten Trennplatte, Befestigen der zweiten Seite der ersten Folie an der zweiten Seite der zweiten Trennplatte, und Befestigen der ersten Seite der zweiten Folie an der ersten Seite der zweiten Trennplatte. Der Stapel wird dann ge rollt, um einen Zylinder zu bilden, wobei die zweite Seite der ersten Trenn platte zur zweiten Seite der zweiten Folie weist. Der Zylinder wird dann in ei nem Gehäuse plaziert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors, der die vorliegende Erfindung beinhaltet;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines katalytischen Reaktors;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht eines Substrats;

Fig. 4a eine Vorderansicht des katalytischen Reaktors entlang der Linie 4-4 in Fig. 1;

Fig. 4b eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des ka talytischen Reaktors; und

Fig. 5 eine Schemadarstellung des Verbrennungsmotors, der die vorlie gende Erfindung beinhaltet, und zwar mit einer Strömungsum lenkvorrichtung.

Die beste Art die Erfindung auszuführen

Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, der in dieser Anwendung ein Gas turbinenmotor mit einem Lufteinlaß 12, einem Kompressor 14, einem Wär metauscher 16, einem Brennstoffliefersystem 18, einer Mischkammer 20, ei nem katalytischen Reaktor 22, einem Verbrenner 24 und einer Turbine 26 ist. Der Lufteinlaß 12 ist mit dem Kompressoreinlaß 28 verbunden. Eine Leitung 32 für komprimierte Luft verbindet den Kompressor 14 mit dem Wärmetau scher 16. Andere Heizvorrichtungen umfassen Brenner, elektrische Heizer, Wassermäntel oder andere Arten von Wärmetauschervorrichtungen können auch in Verbindung oder als Ersatz für den Wärmetauscher 16 verwendet werden. Der Wärmetauscher 16 definiert eine Aufnahme- bzw. Eingangsseite 34 und eine Abgabe- bzw. Donorseite 36. Die Leitung 32 für komprimierte Luft verbindet mit der Aufnahmeseite 34 des Wärmetauschers 16. Die Mischkam mer 20 verbindet mit der Aufnahmeseite 34 des Wärmetauschers 16, und zwar stromabwärts bezüglich der Leitung 32 für komprimierte Luft. Während die vorliegende Erfindung die Mischkammer 20 als einen gewidmeten bzw. bestimmten Teil des Motors 10 zeigt, sei bemerkt, daß das Mischen eines Brennstoffs irgendwo stromaufwärts bezüglich des katalytischen Reaktors auftreten kann. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetau scher 16 stromaufwärts bezüglich der Einführung des Brennstoffs plaziert, aber der Wärmetauscher 16 kann auch nach der Einführung des Brennstoffs plaziert sein, insbesondere in dem Fall eines gasförmigen Brennstoffs.

Die Mischkammer 20 empfängt einen Brennstoff von dem Brennstoffliefersy stem 18 mit einem Brennstoffreservoir 38, einer Brennstoffpumpe 40, einer Brennstoffleitung 42 und einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 44. Die Brenn stoffleitung 42 verbindet das Brennstoffreservoir 38, welches einen gasförmi gen Brennstoff oder einen flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff mit einer geringen Oktanzahl enthält, mit der Brennstoffpumpe 40. Die Brennstoffpum pe 40 kann jedoch optional sein, wenn der Brennstoff schon unter Druck steht oder die Brennstoffpumpe in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 44 beinhaltet ist. Die Brennstoffleitung 42 verbindet die Brennstoffpumpe 40 mit der Brenn stoffeinspritzvorrichtung 44. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 44 definiert eine Vielzahl von Speichen bzw. Auslässen 46, die zur Lieferung des Brenn stoffs in die Mischkammer 20 positioniert sind. Es sei bemerkt, daß die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 44 nur ein Verfahren zum Steuern des Ein führens von Brennstoff in die Mischkammer 20 darstellen. Andere Arten von Steuerventilen und/oder Vorrichtungen zum Fördern der Mischung des Brenn stoffs mit Luft können auch verwendet werden. Optional kann die Mischkam mer 20 einen oder mehrere Mischer oder Mischvorrichtungen 48 mit her kömmlichem Aufbau enthalten.

Ein Einlaß 50 des katalytischen Reaktors 22 ist mit der Mischkammer 20 ver bunden. Der katalytische Reaktor 22 ist mit dem Brenner bzw. dem Verbren nungsraum 24 verbunden und erzeugt eine reformierte bzw. geänderte Brennstoff/Gasmischung. Der Brenner 24 ist strömungsmittelmäßig mit der Turbine 26 verbunden. Die Turbine 26 ist mit dem Kompressor 14 verbunden, und zwar auf übliche Art und Weise einschließlich einer Welle oder eines an deren Antriebsmechanismus (nicht gezeigt). Eine Abgasleitung verbindet die Turbine 26 strömungsmittelmäßig mit der Abgabe- bzw. Donorseite 36 des Wärmetauschers 16.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt der katalytische Reaktor 22 ein Gehäuse 56. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt das Gehäuse 56 eine zylin drische Form. Das Gehäuse 56 definiert ein erstes Ende 62 und ein zweites Ende 64. Das erste Ende 62 ist mit der Mischkammer 20 verbunden. Das zweite Ende 64 ist mit dem Brenner 24 verbunden. Das Gehäuse 56 ist aus einem Material hergestellt, das gegenüber Korrosion oder Verformung bei Temperaturen über 1850°F (1010°C) beständig ist. Ein Substrat 66 ist in dem Gehäuse 56 des katalytischen Reaktors 22 positioniert. Das Substrat 66 defi niert ein Netzwerk aus Längsdurchlässen 68 durch den katalytischen Reaktor 22.

Fig. 3 zeigt eine gewellte, dünne Metallfolie 70 mit einer ersten Seite 72, einer zweiten Seite 74, Kuppen oder Kämmen bzw. Spitzen 76 und Tälern bzw. Mulden 78. Das Substrat 66 ist vorzugsweise aus einer Aluminium/Chromium enthaltenden Stahllegierung hergestellt. Jedoch können auch andere Materia lien, die schmiedbar sind, eine hohe Leitfähigkeit besitzen und einen hohen Temperaturkorrosionswiderstand besitzen, verwendet werden. Die erste Seite 72 der Folie 70 ist mit einem exothermen Katalysator 80 beschichtet, vor zugsweise einem auf Palladium basierenden Verbrennungskatalysator und einer ersten oxidischen Zwischenschicht (washcoat) bzw. einem Waschüber zug 82. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste oxidischen Zwi schenschicht (washcoat) 82 ZrO₂. Die zweite Seite 74 der Folie 70 ist mit ei nem endothermen Katalysator 84, vorzugsweise einem auf Nickel oder einem Übergangsmetall (z. B. Iridium, Rutenium, Rodium) basierenden Katalysator und mit einer zweiten oxidischen Zwischenschicht (washcoat) 86 beschichtet. Die zweite oxidischen Zwischenschicht (washcoat) 86 ist vorzugsweise Alu miniumoxid. Ein auf Chrom basierender Katalysator arbeitet auch mit der Aluminiumoxid-Zwischenschicht auf der zweiten Seite 74. In dem bevorzug ten Ausführungsbeispiel ist jeder Katalysator 80, 84 mit der jeweiligen oxidi schen Zwischenschicht (washcoat) 82, 86 vermischt und auf der geeigneten Seite 72, 74 der Folie 70 angelegt.

Fig. 4a zeigt das Netzwerk aus Längsdurchlässen 68, die abwechselnd gebil det werden, indem zunächst eine erste Folie 70a auf einer zweiten Folie 70b gestapelt wird, wobei "a" und "b" die Orientierung während des Stapelns an zeigen. Eine erste Seite 72a der ersten Folie 70a wird an einer zweiten Seite 74b der zweiten Folie 70b befestigt. Eine zweite Seite 74a der ersten Folie 70a wird an einer ersten Seite 72b der zweiten Folie 70b befestigt. Eine ent sprechende Kuppe 76a der ersten Folie 70a wird an einer entsprechenden Kuppe 76b der zweiten Folie 70b befestigt. Eine entsprechende Mulde 78a der ersten Folie 70a wird an einer entsprechenden Mulde 78b der zweiten Fo lie 70b befestigt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der katalyti sche Reaktor 22 eine achtzigprozentige Offenheit einer vorbestimmten Strö mungsfläche des Gehäuses 56, welches durch einen hydraulischen Umkreis 92 definiert wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4b das Netzwerk aus Längs durchlässen 68', welche serpentinenförmig sind, wobei ähnliche Elemente mit einem (') dargestellt sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Netzwerk aus Längsdurchlässen 68' gebildet unter Verwendung der ersten Folie 70a', der zweiten Folie 70b', einer ersten Trennplatte 94 und einer zweiten Trennplatte 96. Die erste Trennplatte 94 und die zweite Trennplatte 96 sind aus einem korrosions- oder verformungswiderstehenden Material bei Temperaturen oberhalb 1850°F (1010°C) ausgebildet und sind thermisch lei tend. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die erste Trennplatte 94 und die zweite Trennplatte 96 aus einem Aluminium/Chrom enthaltenden Stahl hergestellt. Das Netzwerk aus Längsdurchlässen 68' wird gebildet durch Positionieren der ersten Seite 72a' der ersten Folie 70a' auf einer ersten Trennplatte 94 auf einer ersten Seite 98. Die erste Seite 98 der ersten Trenn platte 94 ist mit dem exothermen Katalysator 80 und der ersten oxidischen Zwischenschicht 82 überzogen. Eine zweite Seite 100 der ersten Trennplatte 94 ist mit dem endothermen Katalysator 84 und der zweiten oxidischen Zwi schenschicht 86 überzogen. Die zweite Seite 100 der ersten Trennplatte 94 ist auf der zweiten Seite 74b' der zweiten Folie 70b' positioniert. Die zweite Trennplatte 96 besitzt eine erste Seite 102 und eine zweite Seite 104. Die er ste Seite 102 der zweiten Trennplatte 96 wird mit dem exothermen Katalysa tor 80 und der ersten oxidischen Zwischenschicht 82 behandelt. Die zweite Seite 104 der zweiten Trennplatte 96 ist mit dem endothermen Katalysator 84 und der zweiten oxidischen Zwischenschicht 86 behandelt. Die erste Seite 102 der zweiten Trennplatte 96 ist unterhalb der zweiten Seite 74b' der zwei ten Folie 70b' positioniert. Die ersten und zweiten Folien 70a', 70b' und die Trennplatten 94, 96 werden dann in einen Zylinder 108 gerollt, der zu einer Mitte 106 spiralförmig verläuft. Der Zylinder 108 ist in dem Gehäuse 56 posi tioniert. Anstelle der Verwendung der Folien 70 kann das Netzwerk aus Längsdurchlässen 68 gegossen, geformt, maschinell bearbeitet oder auf an dere Weise geformt sein durch das Substrat 66.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5 ein Strömungsumlenk ventil 110 das sowohl mit der Aufnahmeseite 34 des Wärmetauschers 16 als auch der Mischkammer 20 verbunden ist. Das Strömungsumlenkventil 110 kann auch irgendwo stromaufwärts bezüglich der Mischkammer 20 verbunden sein. Eine Verdünnungsluftleitung 112 verbindet das Strömungsumlenkventil 110 mit dem Verbrenner 24.

Industrielle Anwendbarkeit

Katalytische Reaktoren 22 sehen ein nützliches Werkzeug beim Reduzieren der NOx-Produktion in dem Verbrennungsprozeß vor, indem sie wasserstoff reiche reformierte Brennstoffe erzeugen oder Brennstoff mit einer geringen Oktanzahl in Brennstoffe mit höheren Oktanzahlen umwandeln. Diese was serstoffreichen reformierten Brennstoffe oder Brennstoffe mit einer höheren Oktanzahl erlauben, daß Gasturbinenmotoren 10 unter Verwendung eines größeren Volumens an Verdünnungsluft arbeiten, um die NOx-Produktion zu reduzieren. Das Fördern des Wärmetransfers innerhalb des katalytischen Re aktors 22 unter Verwendung des endothermen Katalysators 84 und des exo thermen Katalysators 80 verlängert und verbessert die Effektivität des kataly tischen Reaktors 22.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel tritt frische Luft in den Lufteinlaß 12 ein, der mit dem Kompressoreinlaß 28 verbunden ist. Komprimierte Luft tritt aus dem Kompressor 14 aus, und zwar mit Temperaturen, die unter denen liegen, die für die Aktivierung des katalytischen Reaktors 22 benötigt werden. Komprimierte Luft geht durch den Wärmetauscher 16 hindurch, um die Tem peratur auf den gewünschten Bereich zu erhöhen. In dem Wärmetauscher 16 wird Energie in der Form von Wärme von dem expandierten Gas, dem Abgas, auf der Donorseite 36 zu der komprimierten Luft auf der Empfängerseite 34 übertragen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel übersteigt die Tempe ratur der komprimierten Luft, welche den Wärmetauscher 16 verläßt, 650°F (343°C), aber die tatsächlichen Temperaturen der komprimierten Luft, welche die Aufnahmeseite 34 des Wärmetauschers 16 verläßt variiert abhängig von dem bestimmten Motor 10 und dem Wärmetauscher 16. Andere Verbren nungsmotoren einschließlich Motoren des Hubkolbentyps könnten die Erfin dung verwenden, insbesondere solche Motoren mit Abgastemperaturen, die ausreichen, die Temperatur der komprimierten Luft auf die benötigten Tempe raturen zu erhöhen, um die katalytische Reaktion zu unterstützen. Die Tempe ratur der katalytischen Reaktion hängt von der Kombination des verwendeten endothermen Katalysators 84 und des exothermen Katalysators 80 ab.

In der Mischkammer 20 wird Brennstoff bzw. Kraftstoff in die erwärmte kom primierte Luft eingeführt. Brennstoff, der in dem Reservoir 38 gespeichert wird, wird durch die Brennstoffpumpe 40 unter Druck gesetzt. In dem bevor zugten Ausführungsbeispiel führt die Brennstoffeinspritzvorrichtung 44 den unter Druck gesetzten Brennstoff in die Mischkammer 20 ein. Vorzugsweise besitzt der Brennstoff die Form eines Flüssiggases, Gases, oder eines atomi sierten Sprays. Diese Formen versichern eine im allgemeinen homogene Mi schung aus Brennstoff und Luft vor dem Eintritt in den katalytischen Reaktor 22. Bei flüssigem Brennstoff atomisiert die Brennstoffpumpe 40, die mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung 44 gekoppelt ist, den Brennstoff, während es aus der Vielzahl von Speichen 46 austritt. Der atomisierte Brennstoff und die erwärmte komprimierte Luft bilden die Brennstoff/Luftmischung. In dem bevor zugten Ausführungsbeispiel unterstützen Mischer 48 in der Mischkammer 20 das Vermischen des Brennstoffs und der Luft in irgendeiner herkömmlichen Art und Weise, ohne erhebliche Druckverluste in der Brennstoff/Luftmischung zu bewirken.

Die Brennstoff/Luftmischung, welche die Mischkammer 20 verläßt tritt in den katalytischen Reaktor 22 ein. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der exotherme Katalysator 80 Palladium, wobei die erste oxidischen Zwischen schicht 82 ZrO₂ ist, was eine chemische Reaktion fördert, bei der die Brenn stoff/Luftmischung teilweise oxidiert. Das folgende Beispiel zeigt die teilweise Oxidation von Methan:

CH₄ + 1.75 O₂ → 0.5 CO + 0.5 CO₂ + 2 H₂O + Wärme

wobei die Wärme, die in dieser Reaktion erzeugt wird, 157,9 kcal/Mol beträgt. Der exotherme Katalysator 80 überzieht die erste Seite 72 des Substrats 66. Die Wärme von der obigen Reaktion wird durch das Substrat 66 zu der zwei ten Seite 74 des Substrats 66 geleitet, und zwar zu dem endothermen Kataly sator 84. Der auf Nickel basierende endotherme Katalysator 84 fördert das Cracken von eine geringe Oktanzahl aufweisenden Kohlenwasserstoffketten in eine hohe Oktanzahl aufweisende leicht verbrennbare Kohlenwasserstoff ketten und Wasserstoff. Das folgende Beispiel zeigt das katalytische Cracken von flüssigem Brennstoff:

C_aH_b + Wärme → nC_pH_q + mH₂ + C_a-npH_b-nq-2m

als ein Beispiel einer allgemeinen Reaktion. Ein Teil der Brenn stoff/Luftmischung wird sowohl auf der ersten Seite 72 als auf der zweiten Seite 74 des Substrats 66 hindurchgeleitet. Unter Verwendung sowohl des endothermen Katalysators 84 als auch des exothermen Katalysators 80 redu ziert die Temperatur des Substrats 66. Wärme, welche in der katalytischen Verbrennung erzeugt wird, wird verwendet, um die reformulierte Brenn stoff/Gasmischung zu bilden, statt das Substrat 66 zu erwärmen. In dem be vorzugten Ausführungsbeispiel wird das Leben bzw. die Lebenszeit des Sub strats 66 verlängert, indem Temperaturen des Substrats unter 1850°F (1010°C) gehalten wird.

Die Verwendung von gewellten Folien 70 erhöht die Interaktion zwischen der Brennstoff/Luftmischung und dem entsprechenden Katalysator 80, 84 wäh rend der Druckverlust durch den katalytischen Reaktor 22 nicht stark erhöht wird. Das Erhöhen der Interaktion zwischen den Katalysatoren 80, 84 und der Brennstoff/Luftmischung innerhalb des katalytischen Reaktors 22 fördert eine vollständigere Reaktion der Brennstoff/Luftmischung. Das Anlegen der ersten oxidischen Zwischenschicht 82 auf der ersten Seite 72 des Substrats 66 und der zweiten oxidischen Zwischenschicht 86 auf der zweiten Seite 74 des ka talytischen Reaktors 22 erhöht ferner die Interaktion zwischen der Brenn stoff/Luftmischung und den jeweiligen Katalysatoren 80, 84.

Das Netzwerk aus Längsdurchlässen 68' fördert weiterhin Interaktion zwi schen den jeweiligen Katalysatoren 80, 84 und der Brennstoff/Luftmischung. Indem das Netzwerk der Längsdurchlässe 68' serpentinenförmig ausgebildet ist, kann der katalytische Reaktor kompakter ausgebildet sein während er die selbe Leistung erreicht, die mit dem Netzwerk aus Längsdurchlässen 68, wie es in Fig. 4a gezeigt ist, möglich ist. Die Auswahl der Materialien für das Sub strat 66 erhöht ferner die Effektivität des katalytischen Reaktors 22, indem der Wärmetransfer zwischen der ersten Seite 72 und der zweiten Seite 74 erhöht wird. Die Auswahl von Metallegierungen mit hoher Leitfähigkeit reduziert dar über hinaus den Widerstand gegenüber Wärmetransfer zwischen der ersten Seite 72 und der zweiten Seite 74. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sieht das Aluminium/Chrom enthaltende Stahlsubstrat 66 eine hohe thermi sche Leistungsfähigkeit, einen hohen Korrosionswiderstand und hohe Festigkeit vor.

Die Produkte, die sich aus der Reaktion der Brennstoff/Luftmischung auf der zweiten Seite 74 ergeben, sind die reformierte bzw. reformulierte Brennstoff/Gas mischung in der folgenden Reaktion, die nur ein Beispiel aus der Ver brennung eines gasförmigen Brennstoffs darstellt:

CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel tritt diese Reaktion bei Temperatu ren in dem Bereich von 650 bis 1500°F (343 bis 816°C) auf und benötigt 49,3 kcal/Mol. In einem weiteren Beispiel folgen die Produkte, die sich aus dem Cracken von flüssigem Brennstoff auf der zweiten Seite 74, die mit einem en dothermen Katalysator 84 überzogen ist, der folgenden Reaktion:

C₁₀H₂₂ → 5C₂H₄ + H₂

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel tritt diese Reaktion bei Temperatu ren von ungefähr 800°F (427°C) auf und benötigt 122,2 kcal/Mol. Die reformu lierte Brennstoff/Gasmischung kann bei viel niedrigeren Temperaturen als die ursprüngliche Brennstoff/Gasmischung gezündet werden.

Bei einem der alternativen Ausführungsbeispiele kann das Volumen der Ver dünnungsluft, das in der Nähe des Verbrenners 24 von der Verdünnungsluft leitung 112 eingeführt werden, erhöht werden, nach dem Reformulieren der Brennstoff/Luftmischung in die Brennstoff/Gasmischung. Ein Erhöhen des Volumens der Verdünnungsluft reduziert die Verbrennungsrate und begrenzt die Verbrennungstemperaturen. Das Verringern von Zündtemperaturen er laubt das Einführen von mehr Verdünnungsluft in den Verbrenner ohne voll ständiges Löschen der Verbrennung.

Der katalytische Reaktor 22 macht es möglich, viele der selben Komponenten für den Motor 10 zu verwenden, und zwar unabhängig von dem verwendeten Brennstoff. Der Kompressor 14 und der Wärmetauscher 16 sind im allgemei nen unabhängig von dem Brennstoff. Der Verbrenner 24 und die Turbine 26 arbeitet basierend auf der reformulierten Brennstoff/Gasmischung, welche aus dem katalytischen Reaktor 22 austritt, die auf nahezu die selbe gesteuert werden kann für alle Kohlenwasserstoffbrennstoffe, die in den Einlaß 50 des katalytischen Reaktors 22 eingeleitet werden.

Zusammenfassend läßt sich folgendes sagen, daß Verbrennungsmotoren eine Anzahl von Emissionen einschließlich Stickoxiden NOx erzeugen. Eine Art der Reduktion von NOx, die in Gasturbinenmotoren verwendet wird, erfolgt durch die Verwendung von katalytischen Reaktoren. Katalytische Reaktoren redu zieren die Zündtemperaturen, welche für die vollständige Verbrennung einer Brennstoff/Luftmischung benötigt wird. Jedoch bewirken die hohen Tempera turen, die in katalytischen Reaktoren auftreten, ein Sintern des Substrats, eine Verdampfung des Katalysators und ein Sintern des Katalysators und des Me tallsubstrats. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die Temperatur eines katalytischen Reaktors in einem Verbrennungsmotor zu steuern. Ein exothermer Katalysator überzieht eine erste Seite eines Substrats in dem ka talytischen Reaktor. Ein endothermer Katalysator überzieht eine zweite Seite des Substrats.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit einem Lufteinlaß, wobei der Motor folgendes aufweist:
Einen katalytischen Reaktor mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der katalytische Reaktoreinlaß mit dem Lufteinlaß verbindbar ist, wobei der katalytische Reaktor ein Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse ein thermisch leitendes Substrat enthält, wobei das Substrat eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite mit einem exothermen Katalysator behandelt ist, wobei der exotherme Katalysator in der Lage ist, einen partiellen katalytischen Verbrennungsvorgang ei nes Brennstoffs zu fördern, wobei die zweite Seite mit einem endother men Katalysator behandelt ist, der in der Lage ist, ein Cracken oder ei ne Reformulierung bzw. ein Reformieren des Brennstoffs zu fördern, wobei das Substrat einen ersten Längsdurchlaß und einen zweiten Längsdurchlaß durch das Gehäuse definiert;
eine Heizvorrichtung, die mit dem katalytischen Reaktor verbindbar ist, wobei die Heizvorrichtung in der Lage ist, eine Temperatur eines kom primierten Luftstroms über eine katalytische Temperatur zu erhöhen, die notwendig ist, um den partiellen katalytischen Verbrennungsvorgang zu unterstützen bzw. zu erhalten;
eine Brennstoffliefervorrichtung, die mit dem katalytischen Reaktor ver bindbar ist; und
einen Verbrenner, der mit dem Auslaß des katalytischen Reaktors ver bindbar ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der exotherme Katalysator aus der Gruppe bestehend aus Palladium oder anderen Platingruppen metallen besteht.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Metall folie ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei die Metallfolie gewellt ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Metallfolie aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Chrom, Aluminium oder Legierungen davon ausgewählt ist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der endotherme Katalysator aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Chrom, Iridium, Rutenium, Rodium oder anderem Übergangsmetallen ausgewählt ist.

7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat eine Vielzahl von ersten Längsdurchlässen benachbart zu einer Vielzahl von zweiten Längsdurchlässen definiert, wobei die ersten Längsdurchlässe die erste Seite sind und die zweiten Längsdurchlässe die zweite Seite sind.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die ersten Längsdurchläs se und die zweiten Längsdurchlässe serpentinenförmig ausgebildet sind.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei das Substrat eine Vielzahl von Metallfolien ist.

10. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor eine Expansionsvorrichtung aufweist, wobei die Heizvorrichtung ein Wärmetauscher ist, der zwischen dem Lufteinlaß und dem katalytischen Reaktoreinlaß verbunden ist, wobei der Wärme tauscher in der Lage ist, Energie zwischen einem ausgestoßenen Gas aus der Expansionsvorrichtung und Luft, welche in den katalytischen Reaktor eintritt, zu übertragen.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, wobei der Wärmetauscher ein Primäroberflächenwärmetauscher ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, wobei die Expansionsvorrich tung eine Gasturbine ist.

13. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner folgendes aufweist:
Eine Strömungsumlenkvorrichtung, die mit dem Lufteinlaß verbunden ist; und
eine Verdünnungsströmungsleitung, die die Strömungsumlenkvorrich tung mit dem Verbrenner verbindet.

14. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor ein Gasturbinenmotor ist.

15. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors zum Reduzieren von Emissionen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Mischen von Brennstoff mit einer Luftströmung, um eine Brenn stoff/Luftmischung zu bilden;
Aussetzen der Brennstoff/Luftmischung zu einem katalytischen Reaktor, wobei der katalytische Reaktor ein Substrat besitzt, wobei das Substrat eine erste Seite und eine zweite Seite besitzt, wobei die erste Seite und die zweite Seite thermisch verbunden sind;
teilweises Verbrennen eines ersten Teils der Brennstoff/Luftmischung auf der ersten Seite, wobei die Verbrennung teilweise Wärme erzeugt und eine erste katalytische Abgasmischung;
Übertragen der Wärme von der ersten Seite zu der zweiten Seite;
katalytisches Cracken eines zweiten Teils der Brennstoff/Luftmischung auf der zweiten Seite des Substrats unter Verwendung der Wärme, wo bei das Cracken katalytisch eine zweite katalytische Abgasmischung bildet;
Mischen der ersten katalytischen Abgasmischung mit der zweiten kata lytischen Abgasmischung, um ein verbrennbares Gas zu formen; und
Verbrennen des verbrennbaren Gases.

16. Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors nach Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Erwärmens des Luftstroms auf eine Temperatur oberhalb einer katalytischen Temperatur aufweist, die notwendig ist, um einen katalytischen Verbrennungsprozeß zu un terstützen.

17. Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Komprimierens des Luftstroms vor dem Erwärmen des Luftstroms aufweist.

18. Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors nach einem der An sprüche 15 bis 17, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Expan dieren des verbrennbaren Gases nach der Verbrennung aufweist, um ein Abgas zu bilden.

19. Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Erwärmens des Luftstroms den Austausch von Energie von dem Abgas mit dem Luftstrom beinhaltet.

20. Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors zur Verwen dung in einem Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Formen einer ersten Folie mit einer Vielzahl von ersten Wellungen, wo bei die erste Folie eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wo bei die erste Seite der ersten Folie mit einem exothermen Katalysator und einer ersten oxidischen Zwischenschicht behandelbar ist, wobei die zweite Seite der ersten Folie mit einem endothermen Katalysator und einer zweiten oxidischen Zwischenschicht behandelbar ist;
Formen einer ersten Trennplatte mit einer ersten Seite und einer zwei ten Seite, wobei die erste Seite der ersten Trennplatte mit dem exo thermen Katalysator und der ersten oxidischen Zwischenschicht behan delbar ist, wobei die zweite Seite der ersten Trennplatte mit dem endo thermen Katalysator und der zweiten oxidischen Zwischenschicht be handelbar ist;
Formen einer zweiten Trennplatte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite der zweiten Trennplatte mit dem exothermen Katalysator und der ersten oxidischen Zwischenschicht be handelbar ist, wobei die zweite Seite der zweiten Trennplatte mit dem endothermen Katalysator und der zweiten oxidischen Zwischenschicht behandelbar ist;
Formen einer zweiten Folie mit einer zweiten Vielzahl von Wellungen, wobei die zweite Folie eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite der zweiten Folie mit dem exothermen Katalysator und der ersten oxidischen Zwischenschicht behandelbar ist, wobei die zweite Seite der zweiten Folie mit dem endothermen Katalysator und der zweiten oxidischen Zwischenschicht behandelbar ist;
Bilden eines Stapels durch Befestigen der ersten Seite der ersten Folie an der ersten Seite der ersten Trennplatte, Befestigen der zweiten Seite der ersten Folie an der zweiten Seite der zweiten Trennplatte, Befesti gen der ersten Seite der zweiten Folie an der ersten Seite der zweiten Trennplatte;
Rollen des Stapels zur Bildung eines Zylinders, wobei die zweite Seite der ersten Trennplatte zu der zweiten Seite der zweiten Folie weist;
Positionieren des Zylinders in einem Gehäuse.

21. Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors nach Anspruch 20, wobei die Vielzahl von ersten Wellungen und die Vielzahl von zweiten Wellungen serpentinenförmig ausgebildet ist.