Способ эксплуатации нагревательного устройства и нагревательное устройство

Изобретение относится к нагревательным устройствам для транспортных средств. При эксплуатации нагревательного устройства для транспортного средства, в котором в качестве топлива может использоваться углеводород, для режима горения производят подготовку обедненной стехиометрической смеси воздуха с топливом в предварительной камере сгорания (18), выполняют сжигание в холодном пламени в предварительной камере сгорания (18). Подают продукты сгорания, образующиеся в предварительной камере сгорания (18) при сжигании в холодном пламени, в устройство катализатора (32) и выполняют частично каталитическое окисление для производства газа, содержащего водород и окись углерода. Подают газ, образовавшийся при частично каталитическом окислении, в основную камеру сгорания (34) для производства смеси водород/окись углерода/воздух. Сжигают смесь водород/окись углерода/воздух в основной камере сгорания (34). Достигается увеличение кпд и уменьшение выброса вредных веществ, загрязняющих атмосферу. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается способа эксплуатации нагревательного устройства, в котором в качестве топлива может использоваться углеводород, а также нагревательное устройство, в особенности, для транспортного средства.

Уровень техники

В транспортных средствах в качестве стационарных нагревательных устройств или дополнительных обогревателей применяются устройства, которые могут работать на углеводороде и обеспечивать обогрев различных зон транспортного средства, в особенности, также обогрев внутреннего объема транспортного средства. Применение таких устройств в качестве дополнительных обогревателей в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания становится все более востребованным, поскольку современные двигатели внутреннего сгорания вследствие их сравнительно высокого коэффициента полезного действия производят недостаточно тепла, необходимого для обогрева внутреннего пространства транспортного средства. В транспортных средствах, работающих на электроэнергии, привод практически не выделяет тепла, так что тепловую энергию для обогрева внутреннего объема транспортного средства необходимо производить с помощью дополнительного нагревательного устройства, например, в котором в качестве топлива используется углеводород.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать способ эксплуатации нагревательного устройства, в котором в качестве топлива может использоваться углеводород, и нагревательное устройство, предпочтительно, для транспортного средства, с помощью которого при высоком коэффициенте полезного действия можно получить малый выброс вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения эта задача решается посредством способа для эксплуатации нагревательного устройства, в котором в качестве топлива может использоваться углеводород, в особенности, для транспортного средства, включающий мероприятия:

а) для режима горения - подготовка обедненной стехиометрической смеси воздуха с топливом в предварительной камере сгорания,

b) выполнение сжигания в холодном пламени в предварительной камере сгорания,

c) подача продуктов сгорания, образующихся в предварительной камере сгорания при сжигании в холодном пламени, в устройство катализатора и выполнение частично каталитического окисления для производства газа, содержащего водород и окись углерода,

d) подача газа, образовавшегося при частично каталитическом окислении, в основную камеру сгорания для производства смеси водород/окись углерода/воздух,

e) сжигание смеси водород/окись углерода/воздух в основной камере сгорания.

В предложенном в изобретении способе обедненная стехиометрическая смесь воздуха с топливом сначала предварительно окисляется в процессе сжигания в холодном пламени, причем молекулы топлива-углеводорода с длинными цепочками расщепляются. Вместе с кислородом воздуха, который не был преобразован в процессе сжигания в холодном пламени, молекулы направляются в частично каталитический процесс окисления. Во время процесса сжигания в холодном пламени достигается исключительно хорошее смешивание молекул углеводорода с короткими цепочками с кислородом воздуха, в результате чего можно дополнительно увеличить эффективность частично каталитического окисления, проводимого в устройстве катализатора. Во время такого каталитически проводимого процесса окисления углеводород и кислород, главным образом, преобразуются в окись углерода (CO) и водород (молекулярный водород, H₂). Затем газ, содержащий молекулярный водород, то есть H₂, и окись углерода, сжигается в основной камере сгорания, расположенной за устройством катализатора, вместе с воздухом, поступающим в эту основную камеру сгорания, т.е. вместе с содержащимся в ней кислородом, так что в качестве продукта сгорания во время этого основного процесса горения, протекающего в основной камере сгорания, образуется вода, т.е. водяной пар. Окись углерода, которая также образуется в устройстве катализатора, преобразуется в основной камере сгорания вместе с частью содержащегося в ней кислорода в двуокись углерода (CO₂).

Можно предусмотреть простой для реализации, но в то же время надежный способ получения газообразного топлива, включающий этап а) подачу жидкого топлива в пористую среду испарителя и отвод паров топлива из пористой среды испарителя в предварительную камеру сгорания.

Для того чтобы во время этапа а) произвести обедненную стехиометрическую смесь воздух/топливо, в предварительную камеру сгорания можно ввести воздух.

Обедненная стехиометрическая смесь воздуха и топлива может быть подготовлена со значением лямбда в диапазоне от 0,3 до 0,5.

Значение лямбда вводится в сравнительно небольшом допустимом диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха, причем, если ввести слишком малое значение лямбда, возможно образование нагара, а если ввести слишком большое значение лямбда, возможно тепловое разрушение материала катализатора в устройстве катализатора. Показано, что этот допустимый диапазон изменения коэффициента избытка воздуха можно расширить, если при мероприятии а) вода, предпочтительно водяной пар, поступает в предварительную камеру сгорания. Для этого можно, например, предусмотреть, чтобы часть основных продуктов сгорания, образующихся во время мероприятия е), направлялась в предварительную камеру сгорания.

Для того чтобы во время эксплуатации, т.е. перед собственно режимом горения, на фазе пуска и прогрева двигателя, довести до рабочей температуры различные зоны системы, в особенности, устройство катализатора, при которой обеспечивается протекание требуемых реакций, в особенности, каталитически поддерживаемых реакций, предлагается подготавливать и сжигать обогащенную стехиометрическую смесь воздуха с топливом на фазе пуска и прогрева двигателя перед режимом горения в предварительной камере сгорания.

Процесс горения, в особенности в предварительной камере сгорания, может запускаться с помощью устройства зажигания.

В соответствии с другим объектом изобретения задача решается в нагревательном устройстве, предпочтительно, для транспортного средства, нагревательное устройство которого, например, для проведения указанного выше способа может содержать:

- предварительную камеру сгорания,

- устройство для подачи топлива в виде углеводорода в предварительную камеру сгорания,

- первичное устройство для подачи воздуха для горения топлива в предварительную камеру сгорания,

- расположенное с напорной стороны предварительной камеры сгорания устройство катализатора для приема продуктов предварительного сгорания из предварительной камеры сгорания и для производства газа, содержащего водород и окись углерода с помощью частично каталитического окисления,

- расположенную с напорной стороны устройства катализатора основную камеру сгорания для приема газа от устройства катализатора,

- вторичное устройство для подачи воздуха для горения топлива в основную камеру сгорания,

причем первичное устройство для подачи воздуха для горения топлива или/и устройство для подачи топлива для подготовки обедненной стехиометрической смеси воздуха с топливом выполнено в предварительной камере сгорания для режима горения.

Для того чтобы в предварительной камере сгорания подготовить топливо, которое должно смешиваться с воздухом для горения топлива, предлагается, чтобы устройство для подачи топлива содержало устройство для подачи жидкого топлива и пористый материал испарителя, впитывающий жидкое топливо.

В простой конструкции, в частности, устройства для подачи воздуха для горения топлива можно предусмотреть, чтобы первичное устройство для подачи воздуха для горения топлива и вторичное устройство для подачи воздуха для горения топлива имели общую воздуходувку.

Сгорание, в особенности, в предварительной камере сгорания, может, например, запускаться с помощью соответствующего устройства зажигания.

Для улучшения качества, в особенности, также каталитической реакции в устройстве катализатора предлагается предусмотреть устройство для подачи воды, предпочтительно водяного пара, в предварительную камеру сгорания. Для этого, например, можно предусмотреть, чтобы устройство для подачи водяного пара направляло часть основных продуктов сгорания, выходящих из основной камеры сгорания, в предварительную камеру сгорания. При этом отпадает необходимость в дополнительном устройстве, которое производит водяной пар и направляет его в предварительную камеру сгорания, даже если в нем имеется опция для подготовки водяного пара для предварительной камеры сгорания.

Краткое описание чертежа

Изобретение подробно описывается ниже со ссылкой на прилагающуюся фиг.1, на которой изображена принципиальная схема нагревательного устройства в продольном сечении, в частности, для транспортного средства.

Осуществление изобретения

Нагревательное устройство, принципиальная схема которого изображена на фиг.1 в продольном сечении, содержит, например, корпус 12, который выполнен в форме трубы, направлен вдоль продольной оси A и закрыт основанием 14, расположенным на фиг.1 в концевой зоне, слева. Например, к основанию 14 прилегает пористый материал испарителя 16. Этот материал может быть выполнен в виде вспененной керамики, металлической пены, плетеного изделия или материала, имеющего аналогичную пористую структуру. На расположенной с обратной стороны от предварительной камеры сгорания 18 задней стороне основания 14, т.е. пористого материала испарителя 16, можно предусмотреть электрическое нагревательное устройство 20, например, в форме нагревательной спирали, чтобы обеспечить обогрев пористого материала испарителя. Посредством устройства подачи топлива 22, выполненного, например, в виде дозирующего насоса, и трубопровода для подачи топлива 24, жидкое топливо в виде углеводорода, далее называемое просто топливом, может вводиться в пористый материал испарителя 16. Топливо, предварительно подаваемое во внутренний объем пористого материала испарителя 16 за счет наполнения капилляров и обогрева посредством нагревательного устройства 20, может отводиться в виде пара по направлению к предварительной камере сгорания 18.

Устройство для подачи воздуха для горения, обозначенное 26, например воздуходувка в боковом канале, или аналогичное устройство, подает воздух, например, в зону канала 28, окружающего корпус 12. В корпусе 12 в осевой зоне предварительной камеры сгорания 18 могут быть предусмотрены отверстия для подачи воздуха, посредством которых часть L1 воздуха L, подаваемого в канал 28, может поступать в предварительную камеру сгорания 18.

Перед предварительной камерой сгорания 18, кроме того, установлено устройство зажигания 30, например, центральный электрод или аналогичное устройство, с помощью которого обеспечивается поджиг подготовленной в нем смеси воздуха с топливом и запуск процесса горения.

Следуя за предварительной камерой сгорания 18 в направлении продольной центральной оси A и, значит, располагаясь с напорной стороны относительно нее, предусмотрено устройство катализатора, обозначенное в общем случае 32. Оно может быть обтянуто материалом катализатора или окружаться внешним корпусом. Для увеличения каталитически эффективной поверхности в этом корпусе может быть выполнено большое количество отверстий, например, в направлении продольной центральной оси А. Устройство катализатора 32, т.е. материал катализатора, предусмотренный на нем, образует CPOX-(Catalytic Partial Oxidation)-катализатор.

Следуя за устройством катализатора 32 в направлении продольной центральной оси А и, значит, располагаясь с напорной стороны относительно него, предусмотрена основная камера сгорания 34. В корпусе 12 предусмотрены сквозные отверстия, через которые оставшаяся часть L2 воздуха L, поступающего в канал 28, может поступать в основную камеру сгорания 34. Тем самым, в основной камере сгорания 34 может производиться смешивание этого воздуха L2 с газом, выходящим из устройства катализатора 32.

Например, со стороны открытой в осевом направлении концевой зоны корпуса 12 газы, проходящие через корпус 12, выходят из корпуса 12 и поступают в пространство с обратным направлением потока 38. В этом пространстве с обратным направлением потока 38 газы направляются к выходному отверстию 40, в основном, в направлении, противоположном направлению потока внутри корпуса 12. Пространство с обратным направлением потока 38 может быть окружено устройством теплообменника 42, обозначенным только в форме стенки, чтобы тепло, транспортируемое газами, выходящими из корпуса 12, передать теплопередающей среде.

На конструкции, описанной на фиг.1, устройство для подачи топлива 22 вместе с трубопроводом 24, главным образом, представляют собой устройство для подачи топлива 43, через которое топливо В подается в зону предварительной камеры сгорания 18. Устройство для подачи воздуха горения 26 вместе с каналом 28 и отверстиями, пропускающими часть воздуха L1 в предварительную камеру сгорания 18, представляют собой, главным образом, первичное устройство для подачи воздуха горения 44, в то время как устройство для подачи воздуха горения 26 вместе с каналом 28 и отверстиями, пропускающими часть воздуха L2 в основную камеру сгорания 34, представляют собой, главным образом, вторичное устройство для подачи воздуха горения 46. Отношение доли воздуха L1 к доле воздуха L2 можно регулировать, например, меняя диаметр отверстий, пропускающих, соответственно, эти доли воздуха, а также меняя диаметр канала 28. Альтернативно или дополнительно можно предусмотреть вентили, посредством которых также во время эксплуатации можно менять соотношение долей воздуха L1 и L2.

Для того чтобы в транспортном средстве, например в транспортном средстве, работающем на электроэнергии, обеспечить обогрев, на фазе пуска и прогрева двигателя, которая предварительно включается перед стандартным режимом горения, топливо В и воздух горения L подаются в таких количествах, то есть поступают в предварительную камеру сгорания 18, чтобы в предварительной камере сгорания 18 имелась обогащенная стехиометрическая смесь из воздуха, т.е. кислорода, и топлива. Эта смесь воспламеняется при включении устройства зажигания 30 и подается в направлении к выпускному отверстию 40 через устройство катализатора 32 и основную камеру сгорания 34. Посредством включения нагревательного прибора 10 с помощью обогащенной стехиометрической смеси из воздуха и топлива можно на фазе пуска и прогрева двигателя прогреть нагревательное устройство 10 и, в особенности, его устройство катализатора 32, чтобы установить достаточно высокую рабочую температуру и обеспечить каталитическое преобразование в последующем режиме горения. Если достаточный прогрев обеспечен, обогащенная стехиометрическая смесь из воздуха и топлива из состояния, в котором смесь была подготовлена, переходит в состояние, в котором в предварительной камере сгорания 18 устанавливается нестехиометрическое соотношение. При этом значение лямбда предпочтительно устанавливается в диапазоне от 0,3 до 0,5. При работе в нестехиометрическом диапазоне горение в предварительной камере сгорания 18 переходит в так называемое горение в холодном пламени. При этом топливо, содержащееся в смеси воздуха с топливом, окисляется не полностью. Более того, происходит только частичное, т.е. предварительное окисление, при котором молекулы углеводорода с длинными цепочками также разрушаются и преобразуются в молекулы с короткими цепочками. При таком горении в холодном пламени выполняется одновременно очень интенсивное перемешивание топлива, предварительно прошедшего выпаривание, с воздухом горения, в результате чего в последующих реакциях может выполняться очень эффективное преобразование веществ, участвующих в реакции.

Продукты сгорания, которые образуются в предварительной камере сгорания 18 во время горения в холодном пламени и содержат молекулы углеводорода с короткими цепочками и не преобразованный кислород воздуха, поступают в расположенный с напорной стороны устройство катализатора 32. В устройстве катализатора 32 выполняется процесс частично каталитического окисления, при котором углеводород и транспортируемый вместе с ним кислород, главным образом, преобразуется в окись углерода (CO) и водород (H₂). В результате очень хорошего смешивания топлива с кислородом воздуха и молекулами углеводорода с короткими цепочками здесь можно получить практически полное преобразование, так что газ, проходящий через устройство катализатора 32 в направлении к основной камере сгорания 34, главным образом, содержит только окись углерода и водород, то есть молекулярный водород (H₂).

В основной камере сгорания 34 газ, выходящий из устройства катализатора 32, смешивается с долей воздуха L2, поступающей в основную камеру сгорания 34, так что образованная таким образом смесь из водорода (H₂), окиси углерода и кислорода (O₂) воспламеняется самостоятельно в результате сравнительно высоких температур и, тем самым может, главным образом, полностью сгорать и образовывать воду, т.е. водяной пар и окись углерода. Продукты сгорания, выходящие из основной камеры сгорания 34 в направлении к пространству с обратным направлением потока 38, содержат, таким образом, воду, т.е. водяной пар и окись углерода.

Для того чтобы при обедненном стехиометрическом горении в предварительной камере сгорания 18 увеличить рабочий диапазон значений лямбда, можно предпочтительно предусмотреть, чтобы часть основных продуктов сгорания, выходящих из основной камеры сгорания 34, то есть часть газа, выходящая из выпускного отверстия 40, например, в направлении к системе выпуска отработанного газа или аналогичного, поступала по обратному трубопроводу 48, показанному на фиг.1 пунктирной линией, в предварительную камеру сгорания 18. Этот газ содержит воду, т.е. водяной пар. Тем самым, можно предотвратить опасность образования большого количества нагара при слишком низком значении лямбда или опасность теплового повреждения материала катализатора в устройстве катализатора 32 при слишком большом значении лямбда. Здесь, например, можно предусмотреть, чтобы трубопровод 48 был направлен в направлении к устройству для подачи воздуха для горения топлива 26, так чтобы подаваемая в предварительную камеру сгорания 18 доля отработанных газов отсасывалась устройством для подачи воздуха для горения топлива 26 и подавалась вместе с воздухом L в направлении к предварительной камере сгорания 18. Для того чтобы обеспечить возможность регулировки подаваемого количества этой возвратной доли отработанного газа, можно предусмотреть в трубопроводе 48 сменный или стационарный дроссель.

В предложенной в изобретении конструкции нагревательного устройства, т.е. в предложенном в изобретении способе, можно очень эффективно использовать топливо в виде углеводорода, необходимого для подготовки тепловой энергии, поскольку в предварительной камере сгорания 18 посредством протекающего в ней горения в холодном пламени, с одной стороны, достигается очень хорошее смешивание воздуха для горения топлива с топливом, а, с другой стороны, повышается эффективность реакции в устройстве катализатора 32 посредством расщепления молекул углеводорода с длинными цепочками. Поскольку, кроме того, в основной камере сгорания при горении, которое выполняется, в таком случае, первично для производства тепла, в качестве значительной составной части отработанного газа производится вода, т.е. водяной пар, одновременно при производстве тепла обеспечивается преобразование топлива в виде углеводорода, содержащее очень малое количество вредных веществ. Поскольку, в особенности, с помощью регулировки значения лямбда в предварительной камере сгорания 18, а также в основной камере сгорания 34, можно менять показатели состава отработанного газа, можно использовать предложенное в изобретении сконструированное, т.е. работающее нагревательное устройство 10 вместе с обычными средами-теплоносителями, которые используются в настоящее время в транспортных средствах, например, такими как вода или аналогичные.

1. Способ эксплуатации нагревательного устройства, в котором в качестве топлива может использоваться углеводород, предпочтительно, для транспортного средства, включающий следующие этапы:
a) для режима горения - подготовка обедненной стехиометрической смеси воздуха с топливом в предварительной камере сгорания (18),
b) выполнение сжигания в холодном пламени в предварительной камере сгорания (18),
c) подача продуктов сгорания, образующихся в предварительной камере сгорания (18) при сжигании в холодном пламени, в устройство катализатора (32) и выполнение частично каталитического окисления для производства газа, содержащего водород и окись углерода,
d) подача газа, образовавшегося при частично каталитическом окислении, в основную камеру сгорания (34) для производства смеси водород/окись углерода/воздух,
e) сжигание смеси водород/окись углерода/воздух в основной камере сгорания (34).

2. Способ по п.1, в котором этап а) включает подачу жидкого топлива в пористую среду испарителя (16) и отвод паров топлива из пористой среды испарителя (16) в предварительную камеру сгорания (18).

3. Способ по п.1 или 2, в котором этап a) включает подачу воздуха в предварительную камеру сгорания (18).

4. Способ по п.1, в котором во время этапа a) воздух и топливо подаются для поддержания значения лямбда в диапазоне от 0,3 до 0,5.

5. Способ по п.1, в котором во время этапа a) вода, предпочтительно водяной пар, поступает в предварительную камеру сгорания (18).

6. Способ по п.5, в котором часть основных продуктов сгорания, образующихся во время этапа e), направляют в предварительную камеру сгорания (18).

7. Способ по п.1, в котором на фазе пуска и прогрева двигателя перед режимом горения обогащенную стехиометрическую смесь воздуха с топливом подготавливают и сжигают в предварительной камере сгорания (18).

8. Способ по п.1, в котором процесс горения запускают с помощью устройства зажигания (30).

9. Нагревательное устройство, предпочтительно для транспортного средства, для осуществления способа по любому из пп.1-8, содержащее:
- предварительную камеру сгорания (18),
- устройство (43) для подачи топлива в виде углеводорода в предварительную камеру сгорания (18),
- первичное устройство (44) для подачи воздуха (L1) для горения топлива в предварительную камеру сгорания (18),
- расположенное с напорной стороны предварительной камеры сгорания (18) устройство катализатора (32) для приема продуктов предварительного сгорания из предварительной камеры сгорания (18) и для производства газа, содержащего водород и окись углерода с помощью частично каталитического окисления,
- расположенную с напорной стороны устройства катализатора (32) основную камеру сгорания (34) для приема газа от устройства катализатора (32),
- вторичное устройство (46) для подачи воздуха (L2) для горения топлива в основную камеру сгорания (34),
причем первичное устройство (44) для подачи воздуха для горения топлива или/и устройство (43) для подготовки обедненной стехиометрической смеси воздуха с топливом выполнено в предварительной камере сгорания для режима горения (18).

10. Нагревательное устройство по п.9, в котором устройство (43) для подачи топлива содержит устройство (22) для подачи жидкого топлива (B) и пористый материал испарителя (16), впитывающий жидкое топливо (B).

11. Нагревательное устройство по п.9 или 10, в котором первичное устройство (44) для подачи воздуха для горения топлива и вторичное устройство (46) для подачи воздуха для горения топлива имеют общую воздуходувку (26).

12. Нагревательное устройство по п.9, в котором перед предварительной камерой сгорания (18) установлено устройство зажигания (30).

13. Нагревательное устройство по п.9, в котором предусмотрено устройство (48) для подачи воды, предпочтительно водяного пара (W), в предварительную камеру сгорания (18).

14. Нагревательное устройство по п.13, в котором устройство (48) для подачи водяного пара выполнено с возможностью направления части основных продуктов сгорания, выходящих из основной камеры сгорания (34), в предварительную камеру сгорания (18).