电加热的催化燃烧器

权利要求书： 1.一种系统，所述系统包括具有催化燃烧器的回热气体涡轮发动机，所述催化燃烧器包括：

(a)上游区段，所述上游区段包括电加热器，和(b)下游催化剂区段，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述上游区段还包括上游催化剂。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，所述下游催化剂区段还包括下游催化剂。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，包括所述电加热器的所述上游区段是所述催化燃烧器中的唯一引发源，并且不需要其他源或点火系统。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段整合在单个单元中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段中的任一者或两者为层流微通道矩阵。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段各自包含孔或通道，所述孔或通道允许气体或易燃混合物穿过所述上游区段和所述下游催化剂区段两者。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述上游区段中的孔或通道大于所述下游催化剂区段中的孔或通道。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段中的所述孔或通道具有相关联的表面积，并且所述上游区段的所述孔或通道表面积与所述下游催化剂区段的所述孔或通道表面积的比率在2％至50％、优选地5％至20％的范围内。

10.根据权利要求3所述的系统，其中，所述上游催化剂不同于所述下游催化剂。

11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游催化剂或所述下游催化剂中的一者或两者独立地包括包含呈金属或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它们的组合的催化剂。

12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述催化燃烧器还包括定位在所述下游催化剂区段下游的一个或多个混合和/或火焰保持装置。

13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括：燃料/空气混合和/或蒸发装置，所述燃料/空气混合和/或蒸发装置定位在所述催化燃烧器上游，被定位成将燃料/空气混合物提供到所述催化燃烧器中或调节所述燃料/空气混合物。

14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括：(a)压缩机，所述压缩机被布置成接收空气并压缩所述空气；

(b)燃料系统，所述燃料系统能够操作为将燃料供应到所述压缩机中，使得压缩空气和燃料的混合物能够或从所述压缩机排出；

(c)涡轮，所述涡轮被布置成从所述催化燃烧器接收如果存在的燃烧气体并且使所述气体膨胀以产生部分地驱动所述压缩机的机械功率；

(d)热交换器或“回热器”，所述热交换器或“回热器”被布置成接收来自所述涡轮的排气和从所述压缩机排出的空气或混合物，并且在两者间引起热交换，使得所述空气或混合物能够或在进入所述催化燃烧器之前被预热。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述压缩机和所述涡轮由轴机械地联接，并且/或者其中所述压缩机是一级、二级或多级压缩机。

16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述压缩机是二级压缩机，并且在压缩机级之间具有间冷。

17.一种移动式陆地、工业、商业、海洋或空中功率发生器，所述移动式陆地、工业、商业、海洋或空中功率发生器包括根据权利要求1至16中任一项所述的系统。

18.一种移动式陆地、海洋或空中车辆，所述移动式陆地、海洋或空中车辆包括根据权利要求1至16中任一项所述的系统作为推进装置。

19.一种操作根据权利要求1至16中任一项所述的回热气体涡轮发动机系统的方法，所述方法包括：

(a)将能量提供到所述电加热器以将所述上游区段加热到至少等于燃料和空气混合物的混合物的催化反应温度的温度，(b)将一定质量流量的所述空气和燃料的混合物引入到受热上游区段，以便引发催化燃烧，以及

(c)维持或增加通过所述催化剂的所述空气和燃料的混合物的所述质量流量，以便将燃料和空气的燃烧混合物提供到第二区段中，所述燃烧混合物具有相关联的热量。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：维持或增加通过受热催化剂的所述空气和燃料的混合物的所述质量流量，使得与所述燃料和空气的燃烧混合物相关联的所述热量在接触所述下游催化剂区段时足以将所述下游催化剂区段的至少一部分的温度升高至所述下游催化剂区段中的所述燃料和空气的混合物的点火温度。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：将所增加的质量流量维持足以提供基本上整个所述下游催化剂区段被加热到至少所述燃料和空气的混合物的催化燃烧温度的时间，使得稳定的催化燃烧得以维持并且能够增加。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：维持或增加所述质量流量直到所述回热器被加热到空气或空气?燃料混合物在高于燃烧器芯部起燃温度下被提供到所述燃烧器的程度。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，还包括以下步骤：调节所述质量流量以及空气和燃料的混合物以适应所述回热气体涡轮发动机系统的负荷要求。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的方法，还包括以下步骤：使所述电加热器断电，同时维持稳定的催化燃烧。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在入口混合物达到催化起燃温度之前维持稳定的燃烧。

26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法，其中，所述燃料和空气的混合物具有大于1、优选地在1.5至8的范围内的λ值，其中，所述λ值为实际空气/燃料比与化学计量空气/燃料比的比率。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括：在燃烧过程中调节所述燃料和空气的混合物的所述λ值。

28.一种操作根据权利要求14至16中任一项所述的回热气体涡轮发动机的方法，所述方法包括：

(a)压缩所述压缩机中的至少空气；

(b)将能量提供到所述电加热器以将所述上游区段加热到至少等于燃料和空气的混合物的点火温度的温度；

(c)将一定质量流量的所述燃料和空气的混合物引入到所述受热上游区段，使得所述燃料和空气的混合物在所述上游区段中燃烧；

(d)增加所述燃料和空气的混合物的所述质量流量，使得燃烧混合物的流动将所述下游催化区段加热到高于所述下游催化剂区段的点火温度；

(e)维持通过所述上游区段和所述下游催化剂区段的所述燃料和空气的混合物的所述质量流量，使得所述燃料和空气的混合物在穿过所述下游催化剂区段时在其中燃烧，以形成离开所述下游催化剂区段的受热燃烧气体；

(f)引导离开所述下游催化剂区段和所述催化燃烧器的所述受热燃烧气体的至少一部分通过所述涡轮以产生机械功率，并且部分地使用所述机械功率来驱动所述压缩机；

(g)将穿过所述涡轮的所述受热燃烧气体中的一些或全部引导到所述回热器；以及(h)使用所述回热器中的所述受热燃烧气体来预热被引入到所述受热上游区段的所述燃料和空气的混合物。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括：调节被引入到所述上游区段的所述燃料和空气的混合物的所述质量流量。

30.根据权利要求28或29所述的方法，其中，所述燃料和空气的混合物具有大于1的λ值，所述方法还包括：在燃烧过程中调节所述燃料和空气的混合物的所述λ值。

31.根据权利要求19至30中任一项所述的方法，所述方法还包括：使所述电加热器断电。

说明书： 电加热的催化燃烧器技术领域[0001] 本公开涉及用于点燃和控制催化燃烧室中、尤其是回热气体涡轮发动机的燃烧室内的空气/燃料混合物的装置和方法，其中此类发动机可用于功率发生和推进应用。

背景技术[0002] 气体涡轮用于固定应用和移动应用两者，以用于在陆地、海洋和空中进行功率发生和车辆推进。减少来自所有类型的热发动机的有害排放废气的需求是公认的，并且许多

解决方案的基本部分是更高效且更清洁的燃烧系统。在气体涡轮发动机领域，出现了用于

液体燃料和气态燃料的燃烧技术，诸如干式低NOx(DLN)燃烧、富油?淬熄?贫油(RQL)燃烧和

催化燃烧。催化的解决方案对于氮氧化物的还原仍然是不可超越的，但通常需要某种形式

的预燃烧器来维持催化剂高于起燃温度，从而损害排放性能。

[0003] 在地面运输领域，正在向电气化和“零排放”车辆发展，产生了对用于混合动力和增程式电动车辆的小型超净发动机的需求。具有排放后处理的活塞发动机不能匹配配备有

催化燃烧器的气体涡轮的近零NOx性能，也不能匹配具有DLN或RQL燃烧器的气体涡轮的近

零NOx性能。DLN燃烧器通常可实现约8ppm至10ppm的NOx，而催化燃烧的涡轮将产生约1ppm

至2ppm的NOx读数，并且这通常归因于燃料携带的氮，使得催化燃烧器基本上为零NOx。因为

回热气体涡轮以比简单循环气体涡轮更贫的燃料/空气混合物运行，所以它们可实现更低

的CO排放和未燃烧烃类排放。出于这些原因，当燃烧HC燃料时，回热气体涡轮和催化燃烧的

组合提供近零排放(不包括H2O和CO2)。

[0004] 通常，一旦达到稳态操作条件，催化燃烧系统就非常有效地减少由不完全燃烧引起的非期望排放的量。然而，在涡轮或发动机的初始启动期间，排放的量可能高于期望极

限。非期望排放的量在启动条件期间通常较高，是因为催化燃烧是依赖于温度的，在较高温

度下更高效，并且在启动期间，催化剂不在其最有效的温度下。已经采用了多个策略来解决

这个问题，但每个策略在复杂性或有效性方面都是不足的。催化燃烧器的实现方式相对复

杂。

[0005] 回热气体涡轮诸如凯普斯通(Capstone)增程器使用DLN燃烧器，并且当以天然气操作时实现低于10ppm的NOx排放。在液体燃料的情况下实现类似排放，但仅添加空气辅助

雾化喷嘴，这需要添加单独的空气压缩机。

[0006] 预压缩机燃料喷射在具有常规(非催化)燃烧器的气体涡轮中是不可行的，因为空气/燃料比太贫而不能维持燃烧。燃料通常以使得局部富油区支持连续燃烧的方式喷射到

压缩机之后的室中，尽管全局空气/燃料比太贫而不能支持燃烧。另一方面，催化燃烧器可

以非常贫的空气/燃料比维持燃烧，使得可在气体涡轮中完全预混合燃料和空气。这使得提

供简化和成本降低的新型燃料系统成为可能。

[0007] US6,302,683公开了一种系统，其中两种催化剂与被加热(包括电加热)的上游催化剂串联联接。应注意，上游单元仅用于启动模式，并且可比下游单元小得多。这减少了系

统的电功率需求，但产生了附加复杂性和体积，因为需要两个催化剂芯部之间的锥形扩散

器区段。

[0008] 本公开解决了现有技术的缺陷中的至少一些缺陷。发明内容[0009] 本公开涉及一种采用催化燃烧的回热气体涡轮发动机系统。更具体地，本公开涉及一种具有催化结构的燃烧器，该燃烧器可在涡轮或与其一起使用的任何其他系统启动之

前被电加热到预定温度，以便降低复杂性并在系统启动期间实现减少的排放。电加热可通

过以下方式实现：a)电阻元件；b)磁感应涡电流；或c)高频电磁加热(微波)。

[0010] 在一些方面，包括催化燃烧器的系统包括：[0011] (a)上游区段，该上游区段包括电加热器，和[0012] (b)下游催化剂区段，其中该上游区段和该下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。

[0013] 在一些方面，电阻加热器用作电加热器，并且它是催化燃烧器中或系统中其他地方的唯一点火源。在一些情况下，上游区段和下游催化剂区段整合在单个单元中。催化矩阵

(芯部)可为单片(层流)、微晶或湍流设计。通常，上游区段和下游催化剂区段各自包含孔或

通道，该孔或通道允许气体或蒸气穿过该上游区段和该下游催化剂区段两者，并且从该上

游区段穿过到该下游催化剂区段。在某些方面，上游区段针对低流量启动条件进行优化，并

且下游催化剂区段针对运行条件进行优化。在一些方面，上游区段和下游催化剂区段中的

孔或通道彼此流体连通并且被构造成使得当处于使用中时，大部分燃烧发生在该下游催化

剂区段中。

[0014] 上游区段可不需要催化特性，因此不包含上游催化剂；而下游催化剂区段可包含下游催化剂。

[0015] 上游区段还可包含上游催化剂和/或下游催化剂区段，该下游催化剂区段还可包含下游催化剂。上游催化剂和下游催化剂可以是相同或不同的。上游催化剂或下游催化剂

中的一者或两者可包含呈金属或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、

Rh、Sc、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它们的组合。

[0016] 回热气体涡轮发动机系统还可包括附加元件，例如以下中的一者或多者：[0017] (a)一个或多个混合或火焰保持装置，该一个或多个混合或火焰保持装置定位在上游区段和下游催化剂区段的下游；

[0018] (b)燃料/空气混合和/或蒸发装置，该燃料/空气混合和/或蒸发装置定位在催化燃烧器上游，被定位成将燃料/空气混合物提供到催化燃烧器中或调节该燃料/空气混合

物；

[0019] (c)压缩机，该压缩机任选地是具有间冷的二级压缩机，被布置成接收空气并压缩该空气；

[0020] (d)燃料系统，该燃料系统可操作为将燃料供应到压缩机中，使得压缩空气和燃料的混合物能够或从该压缩机排出；

[0021] (e)涡轮，该涡轮被布置成从催化燃烧器接收如果存在的燃烧气体并且使该气体膨胀以产生机械功率，该机械功率任选地通过一个或多个机械轴驱动压缩机；

[0022] (f)回热器，该回热器被布置成接收来自涡轮的排气和从压缩机排出的空气或混合物，并且在两者间引起热交换，使得该空气或混合物能够或在进入催化燃烧器之前被预

热。

[0023] 本公开还描述了操作所公开的回热气体涡轮发动机系统的方法。在某些方面，该方法可包括：

[0024] (a)将能量提供到电加热器(例如，电阻加热器)以将上游区段加热到至少等于燃料和空气的混合物的起燃温度的温度，

[0025] (b)将一定质量流量的空气和燃料的混合物引入到受热上游区段，以便在该受热上游区段中引发催化燃烧，以及

[0026] (c)增加通过受热上游催化剂的空气和燃料的混合物的质量流量，以便将燃料和空气的燃烧混合物喷射到第二催化剂区段中，该燃烧混合物具有相关联的热量。

[0027] (d)在燃烧器入口温度达到催化起燃温度之后转变到正常运行模式。[0028] 这些方法的附加方面包括：维持通过受热上游催化剂的空气和燃料的混合物的增加的质量流量，使得与燃料和空气的燃烧混合物相关联的热量在接触下游催化剂区段时足

以将该下游催化剂区段的至少一部分的温度升高至该下游催化剂区段中的燃料和空气的

混合物的点火温度。在此类情况下，维持增加的质量流量可提供基本上整个下游催化剂区

段加热到燃料和空气的混合物的点火温度，使得该燃料和空气的混合物在穿过其中时在整

个下游催化剂区段中燃烧。一旦引发了该燃烧，就可根据系统的要求以组成和/或流速中的

一者或两者来调节空气/燃料的流动。一旦实现了自持燃烧，即使燃烧器入口温度低于起燃

温度，也可使电加热器断电。

[0029] 这些方法的又一些方面包括：维持通过受热上游非催化剂矩阵层的空气和燃料的混合物的增加的质量流量，使得与燃料和空气的混合物相关联的热量在接触下游催化剂区

段时足以将该下游催化剂区段的至少一部分的温度升高至该下游催化剂区段中的燃料和

空气的混合物的点火温度。在此类情况下，维持增加的质量流量可提供基本上整个下游催

化剂区段加热到燃料和空气的混合物的点火温度，使得该燃料和空气的混合物在穿过其中

时在整个下游催化剂区段中燃烧。一旦引发了该燃烧，就可根据系统的要求以组成和/或流

速中的一者或两者来调节空气/燃料的流动。一旦实现了自持燃烧，即使燃烧器入口温度低

于起燃温度，也可使电加热器断电。

[0030] 本公开的这些和其他方面在本文其他地方更全面地进行解释。附图说明[0031] 当结合附图阅读时，将进一步理解本申请。为了说明主题，在附图中示出了主题的示例性实施方案。然而，本发明所公开的主题不限于已公开的具体方法、装置和系统。此外，

附图未必是按比例绘制的。在附图中：

[0032] 图1提供了本发明的整个催化发动机/发生器的一个实施方案的系统的示意图。[0033] 图2根据本发明的一个实施方案提供了第二示意图，示出了催化燃烧器的一个实施方案的显著特征。

[0034] 图3提供了燃烧器的典型启动序列。具体实施方式[0035] 本公开的系统和方法涉及回热气体涡轮和电加热的催化燃烧器的组合。此类系统和方法可用于混合动力和增程式电动车辆以提供近零排放。申请人已经展示了系统实施方

案，其中催化燃烧器可以低质量流量运行，入口温度低并且仅需要电加热较短时间。此类系

统和方法允许回热器预热启动(warm?up)，从而将燃烧器入口温度升高至高于起燃/点火温

度，之后流量可迅速得到增加。

[0036] 本发明涉及通过使用催化燃烧，更具体地使用气体涡轮发动机中所用的燃烧而具有低有害排放的液体燃料或气态燃料的燃烧。催化燃烧系统已经可商购获得，但是很复杂

并且仅在兆瓦级是可行的。在较小的气体涡轮上，降低的成本和便携性要求更简单的燃烧

器解决方案。较小的涡轮发动机具有有限的压力比，并且仅可通过使用排气热回收或“回

热”来实现高效率。已经发现，在回热气体涡轮中所用的根本上不同的热力学循环产生了简

化实现催化燃烧原理、特别是消除预热燃烧器的机会。

[0037] 本文描述了实现优异的排放性能和简单的低成本设计与构造的新型气体涡轮发动机系统和方法。

[0038] 通过结合附图参考以下描述，可更容易地理解本发明，所有附图构成本公开的一部分。应当理解，本发明不限于本文所述或所示的具体产品、方法、条件或参数，并且本文所

用的术语仅用于以举例的方式描述具体实施方案，而非旨在限制任何受权利要求书保护的

发明。类似地，除非另外特别说明，否则关于可能的机制或作用模式或改善原因的任何描述

仅意在是示例性的，并且本文的发明不受任何此类建议的机制或作用模式或改善原因的正

确性或不正确性的约束。贯穿本文，认识到，描述是指系统、操作此类系统的方法以及采用

此类系统的功率发生和运输设备。在本公开描述或要求保护与系统、操作此类系统的方法

或采用此类系统的设备相关联的特征或实施方案的情况下，应当理解，此类描述或权利要

求旨在将这些特征或实施方案扩展到这些语境中的每一者中的实施方案(即，系统、操作此

类系统的方法和使用此类系统的设备)。

[0039] 系统[0040] 在一些实施方案中，本公开的系统包括采用催化燃烧的回热气体涡轮发动机系统，该系统包括具有上游端和下游端的催化燃烧器，该催化燃烧器包括：

[0041] (a)上游区段，该上游区段包括电加热器，和[0042] (b)下游催化剂区段，其中该上游区段和该下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。

[0043] 这些系统还可包括本文其他地方所述的附加元件。[0044] 除非另外指明，否则术语“相邻”是指一个对象相对于另一个对象在该词的标准意义上的定位，包括由接近定义或暗示接近的那些含义，优选地彼此物理接触；即，具有邻接

表面。

[0045] 在一些实施方案中，两个对象，例如，上游区段和下游催化剂区段，可包括位于两者间的部分或整个相邻表面中的气隙，该气隙是特意设置的或偶然地由邻接表面的不完全

配合引起。在存在气隙的情况下，其可为大约1mm厚或更小，这与美国专利6,302,683中所述

的中间室形成对比。在某些实施方案中，气隙可以是5mm或更小、4mm或更小、3mm或更小、2mm

或更小、1mm或更小、0.5mm或更小，或者不存在。在某些实施方案中，气隙可有利地提供受热

区段和下游区段之间的电绝缘。

[0046] 在其他独立实施方案中，两个对象，例如，上游区段和下游催化剂区段，可包括位于它们之间的物理间隔件(例如，密封件)。

[0047] 在其他优选实施方案中，上游区段和下游催化剂区段整合成单个单元，例如，作为单片或微晶构造(例如，如美国专利5,051,241和5,306,470中所述，这两个专利以引用方式

并入本文)。将该两个区段紧密联接在一个壳体中可使热损失最小化，并且可使下游催化剂

区段提前预热启动。此外，在“启动”或“引燃”模式下，两个区段之间的辐射热交换有助于在

没有电功率的情况下维持催化燃烧。这样，即使当燃烧器入口温度处于过低温度时，上游区

段和下游催化剂区段的上游面也可维持高于燃料的起燃温度。在该模式下，当以％、ppm或

一些其他比率测量时，燃烧器可转变为低排放，但因为该模式期间的质量流量低，所以就典

型汽车驱动循环而言，仅产生少量有害气体排放。

[0048] 同样如本文所用，术语“上游”和“下游”可分别被视为“第一”和“第二”的同义词，其描述了元件之间在使用之前的串联布置，其中这些术语是指两端或区段相对于从中穿过

的气体或蒸气流动的相对串联位置。

[0049] 所公开系统的许多特征中的一个特征在于，包括电加热器的上游区段可以是催化燃烧器中的唯一引发源，并且不需要其他源或点火系统。虽然在某些实施方案中，系统可具

有或可不具有单独点火源，但优选的是在催化燃烧器内或系统中的其他地方不存在电加热

器之外的点火源。在这一点上，术语“点火器”被理解为具有其公认的用于产生火花或电弧

的装置的含义。此外，如本文其他地方所公开的，燃料/空气混合物可任选地在进入催化燃

烧器的上游端之前被加热。但应当认识到，这些混合物维持在高于其可点燃贫油极限的空

气/燃料比。

[0050] 该系统提供低成本和简单性，因为其可在没有任何其他点火源的情况下进行操作，从而降低资本成本和维护要求。

[0051] 上游区段和下游催化剂区段各自包含允许流体(例如，气体、液体、蒸气或它们的混合物)进入、穿过和离开上游区段和下游催化剂区段两者的孔或通道。在其构造中，上游

区段优选地针对低流量启动条件进行优化，并且下游催化剂区段针对运行条件进行优化。

这可通过提供孔或通道的尺寸或构型和/或催化剂配方的一些优化组合来实现。例如，上游

区段中的孔或通道的尺寸可大于下游催化剂区段中的孔或通道的尺寸。另选地或另外，上

游区段中的孔或通道可被构造成提供比下游催化剂区段更流线型或笔直的流体穿过(例

如，上游区段隧道化，而下游催化剂区段包括多孔互连矩阵)。在一些实施方案中，上游区段

和下游催化剂区段可通过在下游催化剂区段的前部和后部中包括不同水平的铂族金属来

进行优化，诸如U.S.7,998,424或US9,341,098中所述的，这些专利中的每个专利整体并入

本文。在一些实施方案中，上游催化剂区段每平方英寸具有5至200个单元将为最佳的，而下

游催化剂区段具有更小单元诸如每平方英寸具有200?1000个单元可以是最佳的。在一些实

施方案中，上游区段的最佳流动长度介于5mm和20mm之间。在一些实施方案中，下游催化剂

区段的流动长度为40mm至150mm。催化剂区段的此类优化可提供更高效的电加热。

[0052] 预期上游区段主要在启动操作期间进行操作，能量消耗最小，并且下游催化剂区段在全流量运行操作期间是主导催化主体。在这一点上，就孔或通道尺寸以及向穿过的气

体提供的停留时间而言，上游区段的相对尺寸通常可小于下游催化剂区段的相对尺寸(即，

具有更低的单元密度)。例如，在一些实施方案中，与两个区段相关联的内表面积应当使得

上游区段的孔或通道表面积与下游催化剂区段的孔或通道表面积的比率在0.5％至5％的

范围内。

[0053] 就构造而言，上游区段和下游催化剂区段中的一者或两者可包含金属和/或陶瓷材料，例如轧制金属元素或多孔陶瓷材料，或它们的复合物。上游区段应表现出适当的导热

性和/或导电性，以允许高效地使用附接到其的电阻加热器。用于区段中的一者或两者的示

例性材料包括含铬和铝的合金或氧化物，以及任选地由氧化钇、氧化钙和/或氧化镁稳定的

氧化硅、氧化铝、氧化钛或氧化锆、氧化钛中的一种或多种。

[0054] 上游区段可不具有上游催化剂，而下游催化剂区段可包括下游催化剂。[0055] 上游区段可包括上游催化剂并且/或者下游催化剂区段可包括下游催化剂。上游催化剂可与下游催化剂是相同或不同的，将催化剂施加到相应区段的量和方法也可如此。

在一些实施方案中，上游催化剂或下游催化剂中的一者或两者包含呈金属或氧化物形式的

Ag、Au、Ce、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Sn、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它们的组合。在

一些实施方案中，上游催化剂和下游催化剂独立地包含III族贵金属、铂族金属、包含Ag、

Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh或Zn或它们的组合的金属或合金，或包含Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ti、

、W、Y或Zr或它们的组合的氧化物。在一些实施方案中，上游催化剂和下游催化剂各自独立

地包含III族贵金属或包含钯、钌、铑、铂、锇和铱或它们的组合的铂族金属。对于甲烷或包

含甲烷的燃料，钯或铂或钯和铂的混合物可以是优选的。对于其他燃料诸如汽油、柴油燃

料、醇燃料或多种其他烃燃料，钯和铂可以是优选的催化剂。对于其他燃料，也可使用较低

活性的催化剂，包括贱金属氧化物催化剂，诸如铜、钴、锰、铬、镍或其他活性的贱金属氧化

物催化剂，呈纯氧化物、与其他元素掺和或分散于第二氧化物上的形式。

[0056] 催化剂可例如通过化学或气相沉积技术直接沉积在催化剂区段衬底上，或者可使用洗涂层(washcoat)方法施加。适用于洗涂层的材料包括但不限于任选地包含添加剂诸如

钡、镧、镁的氧化铝或氧化硅，或具有或不具有添加剂诸如硅的氧化锆。洗涂层优选地具有

2 2

中等至高的表面积，例如，2m/g至200m/g。可将对燃料与氧气反应具有活性的催化剂沉积

在多孔洗涂层的表面上或多孔洗涂层内。

[0057] 在下游催化剂区段内，下游催化剂可在催化剂衬底的整个长度或轴向定位上均匀或不均匀地分布。在一些实施方案中，贵金属催化剂与衬底的比率可通过在催化剂衬底的

整个长度上分区而发生变化。在一些优选实施方案中，该分区包括：在蜂窝衬底的上游轴向

区域中较高载量的催化剂(例如，铂族催化剂)，以及在衬底的下游轴向区域中较低载量的

催化剂(同样例如，铂族催化剂)。在其他实施方案中，催化剂分区相反地分布(即，相对于前

部区域，后部区域中载量更高)。

[0058] 优化催化剂分区的基本原理是获得所用贵金属催化剂的最大效果。本发明人已观察到，催化剂衬底的下游端在燃烧期间通常经历最高温度；因此，催化剂的该区域将很可能

通过烧结而经历最高水平的热失活。在这种情况下，催化剂：衬底的低初始比率将减少高温

烧结时性能的变化。相反地，在催化剂的上游端，催化剂与衬底的较高比率将改善起燃行

为，并且被热烧结的程度将低于催化剂衬底的下游端，从而维持所用催化剂诸如贵金属的

有效性。

[0059] 催化剂促进剂材料(如本文其他地方所述)也可有利地以不相等的量用于催化剂衬底的轴向分区中，以促进起燃活性或使热烧结最小化。

[0060] 除了上游区段和下游催化剂区段之外，催化燃烧器可包括补充这些区段的另外的元件。例如，在一些实施方案中，系统还包括定位在催化剂区段下游的一个或多个混合或火

焰保持装置或钝体。此类装置的目的是容纳在环境中穿过催化剂区段以便允许在催化剂的

内部体积之外进一步燃烧的任何气体。在部分燃烧过程在催化剂衬底的下游完成的情况

下，催化剂衬底所经受的最高温度可得以显著降低。这些装置的另一优点在于它们允许HC

排放和CO排放的进一步减少并减少由于催化剂衬底的存在而导致的压降。

[0061] 在一些实施方案中，该系统还可包括以下部件中的一者或多者：[0062] (a)压缩机，该压缩机被布置成接收空气并压缩该空气；[0063] (b1)燃料系统，该燃料系统可操作为将燃料供应到压缩机中，使得空气和燃料的混合物能够或从该压缩机排出；

[0064] (b2)燃料系统，该燃料系统可操作为将气态燃料供应到压缩机中；[0065] (b3)燃料系统，该燃料系统可操作为将适当雾化的液体燃料供应到压缩机中；[0066] (c)涡轮，该涡轮被布置成从催化燃烧器接收如果存在的燃烧气体并且使用热气体来产生驱动压缩机的机械功率；

[0067] (d)回热器，该回热器被布置成接收来自涡轮的排气和从压缩机排出的混合物或空气，并且两者间引起热交换，使得该混合物或空气能够或在进入催化燃烧器之前被预热。

[0068] 通常，压缩机和涡轮由至少一个轴机械地联接，但本公开设想到为此目的使用包括两个或三个轴的系统。

[0069] 在一些实施方案中，压缩机是二级或多级压缩机(例如，具有三个或更多个级)，任选地在压缩机级之间具有间冷。

[0070] 系统还可包括一个或多个燃料/空气喷射器或混合装置，任选地定位在上游区段的上游，并且在一些实施方案中定位在催化燃烧器的上游，被定位成将燃料/空气混合物提

供到催化燃烧器中或调节该燃料/空气混合物。燃料和空气可独立地计量加入到该混合装

置或这些混合装置中。对于气态燃料诸如甲烷或天然气，这些燃料喷射器/混合器可喷射燃

料并使用本领域技术人员熟悉的任何设计使其与空气混合。对于液体燃料诸如汽油、柴油

燃料或醇燃料，燃料喷射器/混合器可将燃料作为微粉化或雾化小滴的喷雾喷射，并且使燃

料蒸发或气化以在催化剂入口处形成气态混合物。

[0071] 在再其他实施方案中，系统可包括附加的端口或直列式装置，用于将烃燃料喷射到压缩机中以用于与空气预混合，或者穿过回热器之前或之后喷射到通道中，但在进入催

化燃烧器之前，这取决于气态或液体燃料类型。在此类情况下，压缩机和回热器可以多种方

式用作混合/雾化和蒸发装置。

[0072] 在一些实施方案中，系统还可包括用于监测和控制系统操作的多种传感器和控制机构。热电偶或电阻温度测量装置可位于催化燃烧器中各个位置，以及整个系统中的其他

位置，包括附接到上游区段和下游催化剂区段，或者仅位于催化剂区段的下游以测量离开

催化剂区段或燃烧器的气体温度。然后可将这些传感器连接到监测并控制整个系统的一个

或多个控制器。

[0073] 通过参考图1和图2可更好地设想所公开实施方案中的若干实施方案。图1示出包括压缩机1、催化燃烧室2和涡轮3的回热气体涡轮的示意图。将空气4供应到压缩机1，该压

缩机产生具有预定较高压力和较高温度的压缩空气。该压缩空气与燃料混合区段5(A、B或

C)中的合适的含烃燃料混合。如图1所示，燃料混合区段5可位于燃烧器的正前方(5A)、回热

器的上游(5B)或压缩机的正前方(5C)。在燃料和空气混合之后，将其传递到根据本公开进

行电加热的燃烧器2。在压缩空气和燃料在催化剂存在下一起反应之后，所得较高温度燃烧

产物气体混合物被传递到涡轮3，在该涡轮处该气体的能量被转换成涡轮轴6的旋转能量。

该涡轮轴6的旋转能量用于驱动压缩机1以及任何其他输出装置诸如发生器7。发生器7也可

启动气体涡轮。

[0074] 图2示出根据本发明的一个实施方案的催化燃烧器组件的关键细节。空气?燃料混合物(17)首先穿过受热上游区段(10)，然后穿过下游催化剂区段(11)，作为热气体(18)出

来。两个区段(10和11)可通过壳体(12)保持在一起，并且在两个区段(10和11)之间可存在

间隙(13)。陶瓷支撑销(15)用于桥接该间隙(13)。电连接件(16)可在壳体外部位于上游区

段(10)中。如图2所示，下游催化剂区段的正面(14)与上游区段(10)分离。应当指出的是，虽

然图2中的单元具有圆形横截面，但燃烧器组件可体现为其他横截面形状诸如卵形、椭圆

形、多边形或环形或者任何其他棱柱形状，以适合实际工程和应用限制。

[0075] 例如，在叫做EmicatTM的购自Emitec的实施方案中，单个单元(组件)可包括蜂窝单片区段，该蜂窝单片区段携带电流，该电流以电阻方式加热箔以提高流经衬底芯部(11)的

气体的温度。电阻片(10)(上游区段)用陶瓷销(15)固定到下游衬底(11)，该下游衬底固定

到下游单元(组件)的外部套膜(壳体)(12)。单个单元的主要矩阵(下游催化剂区段)(11)通

常被设计成相比电阻加热片(10)(上游区段)具有更大的单元密度，以便：使主要矩阵(下游

催化剂区段)中的催化性能最大化，并且上游区段有利于并简化上游带头部矩阵(芯部)。

[0076] 金属衬底(矩阵或芯部)的结构可通过采用非层流结构来增强，诸如：[0077] 1.Emitec的TSTM箔、LSTM箔、PETM箔、LSPETM箔。[0078] 2.PCI公司的[0079] 在该系统中选择非层流技术可能导致对等效体积的催化剂而言的燃烧器背压增加。此类选择将需要实现更高性能、更低成本或更低燃烧催化剂体积或它们的组合，以便避

免对系统效率的负面影响。

[0080] 应用[0081] 另外的实施方案包括结合本文所述的系统的任何设备。例如，包括本文所述的任何具体体现的系统的任何固定式工业、商业、海洋、汽车或空中功率发生器被认为在本公开

的范围内，包括作为辅助用途的“原动机”或辅助功率源或者作为增程器。

[0082] 类似地，包括本文所公开的任何系统实施方案作为推进装置的任何移动式陆地、海洋或空中车辆被认为在本公开的范围内。具体地，汽车、卡车或越野车辆被认为是感兴趣

的具体实施方案。当需要扩展耐力里程时，例如在系统用于扩展E的里程或用作插电式混

合动力车辆的燃烧发动机的情况下，此类系统特别有吸引力。

[0083] 使用系统的方法[0084] 除了本文其他地方所述的系统和用途之外，本公开还包括用于使用这些系统的那些实施方案。本发明的实施方案的系统可被视为包括两种主要操作模式，即启动操作和运

行操作。

[0085] 某些实施方案提供操作回热气体涡轮发动机系统的方法，每种方法包括以下步骤中的一者或多者：

[0086] (a)将能量提供到电加热器以将上游区段加热到至少等于燃料和空气的起燃温度的温度，

[0087] (b)将一定质量流量的空气和燃料的混合物引入到受热上游区段，以便在该受热上游区段中引发催化燃烧，以及

[0088] (c)增加通过受热上游区段的空气和燃料的混合物的质量流量，以便将燃料和空气的燃烧混合物喷射到第二催化剂区段中，该燃烧混合物具有相关联的热量。在本文其他

论述的内容中，可根据启动条件来描述方法的这一方面。如本文所用，术语“点火”可与术语

“起燃”温度同义。据设想，基于所感测操作参数来自动地控制这些启动条件。

[0089] 燃料/空气混合物的催化反应温度由多种因素清晰限定，包括空气/燃料共混比、燃料类型(例如，包括氢和烃)，以及催化剂的性质，但在每种情况下，温度可针对给定条件

来预定。另外，将能量提供到电阻加热器的时间长度可由引入含燃料/氧的混合物之后的预

定时间限定，或响应于基于催化剂区段的操作(例如，当催化反应的热量足以将下游催化剂

区段维持在其稳态运行条件时)的传感器反馈。一旦实现这些条件，或者操作者单独决定手

动这样做，或者在任何其他时间，方法还可包括：使电加热器断电，同时维持催化燃烧。

[0090] 在其他实施方案中，方法还可包括：维持通过受热上游区段的空气和燃料的混合物的增加的质量流量，使得与燃料和空气的燃烧混合物相关联的热量在接触下游催化剂区

段时足以将下游催化剂区段的至少一部分的温度升高至下游催化剂区段中的燃料和空气

的混合物的催化点火温度。在其他实施方案中，方法还包括：将增加的质量流量维持一段时

间，该时间足以提供基本上整个下游催化剂区段被加热到燃料和空气的混合物的催化点火

温度，使得燃料和空气的混合物在穿过其中时基本上在整个下游催化剂区段中燃烧。在优

选实施方案中，方法包括：调节质量流量，使得基本上整个燃烧发生在下游催化剂区段中。

在本文其他论述的内容中，可根据运行条件来描述方法的这些方面。

[0091] 在一些实施方案中，催化剂的正常稳态操作温度可在约300℃至约1000℃的范围内。这些操作温度在很大程度上取决于催化剂和催化剂区段的性质和构型。在一些实施方

案中，首先将电功率施加到电阻加热器以将上游区段预热至期望的稳态操作温度的约100

℃之内、或优选地约50℃之内，或者预热至更高的温度。同样，电加热器(例如，电阻加热器)

可在发生以下条件中的任一个条件时被断电：(i)由上游催化区段中的燃料和空气的反应

释放的反应热足以将下游催化剂区段的至少一部分的温度升高至下游催化剂区段中的燃

料和空气的混合物的点火温度；和/或(ii)燃烧器出口处的含燃料/空气的混合物达到预定

温度极限；和/或(iii)已经过预定时间段；和/或(iv)进入上游区段的燃料/空气混合物高

于催化剂起燃温度。

[0092] 在另一个实施方案中，首先将电功率施加到电加热器(例如，电阻加热器)以将上游非催化区段预热至期望的稳态操作温度的约100℃之内、或优选地约50℃之内，或者预热

至更高的温度。同样，电加热器(例如，电阻加热器)可在发生以下条件中的任一个条件时被

断电：(i)由下游催化剂区段中的燃料和空气的反应释放的反应热足以使反应在下游催化

剂区段的增加的部分中传播。(ii)燃烧器出口处的含燃料/空气的混合物达到预定温度极

限；和/或(iii)已经过预定时间段；和/或(iv)进入上游区段的燃料/空气混合物高于催化

剂起燃温度。

[0093] 同样，方法还可包括：调节空气和燃料的混合物中空气和燃料的质量流量或比率以适应回热气体涡轮发动机系统的负荷要求。这些可手动地进行调节，但在一些实施方案

中，通过涡轮系统内的控制系统进行调节更为高效。

[0094] 一般来讲回热气体涡轮系统的操作，并且具体地上游区段和下游催化剂区段的操作也可取决于所采用燃料的性质，例如，被引入到区段的燃料和空气的混合物的组成的性

质。供应到催化燃烧室的空气和燃料的量之间的比率被指定为λ值。该λ值为相对空气/燃料

比的量度，并且构成实际空气/燃料比与化学计量空气/燃料比之间的比率。低λ值意指相对

于空气的量而言具有大比例的燃料的“富”燃料混合物，而高λ值意指在混合物中具有相对

较高空气的量的“贫”空气/燃料混合物。在操作所公开系统时，通常空气/燃料混合物具有

大于1、优选地在1.5至8的范围内、更优选地在4至8的范围内的λ值，其中λ值为实际空气/燃

料比与化学计量空气/燃料比的比率。该λ值可在燃烧过程中根据系统的需要进行调节。

[0095] 当被用作回热气体涡轮的一部分时，尽管入口温度低，催化剂仍可维持燃烧。这通过使用低速度来实现，该低速度通常比在发动机运行条件下发生的速度低5至10倍。在该启

动模式下，λ通常维持在1.5和7之间，而回热气体涡轮将根据回热程度在λ介于4和8之间的

情况下运行。通过将流量和λ维持在这些极限内，仅需要较短时间段的电功率。这允许回热

器预热启动并将燃烧器入口温度升高至高于点火温度，之后可将流量快速增加到气体涡轮

操作条件。

[0096] 本公开的一些实施方案包括如本文所述的操作回热气体涡轮发动机的方法，该方法包括以下一个或多个步骤：

[0097] (a)使至少空气流经压缩机；[0098] (b)将能量提供到电加热器以将上游区段加热到至少等于燃料和空气的混合物的点火温度的温度；

[0099] (c)将一定质量流量的燃料和空气的混合物引入到受热上游区段，使得该燃料和空气的混合物在上游区段中燃烧；

[0100] (d)增加燃料和空气的混合物的质量流量，使得燃烧混合物的流动将下游催化剂区段加热到高于该下游催化剂区段的点火温度的温度；

[0101] (e)维持通过上游区段和下游催化剂区段的燃料和空气的混合物的质量流量，使得该燃料和空气的混合物在穿过下游催化剂区段时在其中燃烧，以形成离开该下游催化剂

区段的受热燃烧气体；

[0102] (f)引导离开下游催化剂区段和催化燃烧器的受热燃烧气体的至少一部分通过涡轮以产生机械功率，并且部分地使用该机械功率来驱动压缩机；

[0103] (g)将穿过涡轮的受热燃烧气体中的一些或全部引导到回热器；以及[0104] (h)使用回热器中的受热燃烧气体来将被引入到受热上游区段的空气或燃料和空气的混合物预热至通常高于催化剂的起燃温度的温度。

[0105] 燃烧器的典型启动序列在图3中示出，该图取自将燃烧器用作回热气体涡轮的一部分的测试。示出了相对于时间的若干参数，包括空气和燃料流量以及电功率和若干温度。

在启动序列期间发生三个阶段：电模式、引燃模式和正常运行模式。最初，在(20)处，将功率

施加到上游加热器层或受热催化层并施加少量空气流。一旦下游催化剂的上游端达到催化

起燃温度，就施加初始加燃料(21)。一旦催化燃烧得以建立并在下游催化剂中增加(22)，就

关闭功率(23)。然后，空气和燃料在引燃模式下以优化序列以受控方式斜升(24)，直到达到

目标燃烧器出口(涡轮入口)温度(26)为止。控制斜升以使气态排放最小化，同时使气体涡

轮的主热块(即，回热器)的温度升高。在(25)处，回热器达到其可向燃烧器供应高于催化起

燃温度的空气的温度。就此而言，燃料和空气可以最佳比率更迅速地斜升(27)，从而产生期

望的涡轮入口温度(26)。这一直持续到实现稳态功率发生为止。从迹线可看出，在切断电功

率之后但在入口温度低于催化燃烧元件的起燃温度时，可以“引燃模式”实现持续燃烧。

[0106] 术语[0107] 在本公开中，除非内容另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代，并且对特定数值的指代包括至少该特定值。因此，例如，提及“材料”是指此类材

料中的至少一种以及本领域技术人员已知的其等同物等。

[0108] 当通过使用描述符“约”将值表示为近似值时，应当理解，该特定值形成另一个实施方案。一般来讲，术语“约”的使用表示近似值，这些近似值可根据本发明所公开的主题试

图获得的所需特性而变化，并且基于其功能在使用该近似值的特定内容中进行解释。本领

域的技术人员将能够将此解释为例行程序。在一些情况下，用于特定值的有效数字的数量

可以是确定字词“约”的程度的一种非限制性方法。在其他情况下，在一系列值中使用的梯

度可用于确定可用于每个值的术语“约”的预期范围。当存在时，所有范围是包括端值在内

的并且是可组合的。也就是说，对范围内规定的值的引用包括该范围内的每个值。

[0109] 应当理解，为清楚起见，本文在不同实施方案的内容中描述的本发明的某些特征也可在单个实施方案中以组合方式提供。也就是说，除非明显不相容或明确排除在外，否则

认为每个单独实施方案可与任何其他实施方案组合，并且此类组合被认为是另一个实施方

案。反之，为简化起见，在单个实施方案的内容中描述的本发明的多个特点也可以分别提供

或以任何子组合提供。最后，虽然实施方案可被描述为一系列步骤的一部分或更一般结构

的一部分，但是每个所述步骤本身也可被认为是可与其他步骤组合的独立实施方案。

[0110] 过渡术语“包含”、“基本上由…组成”和“由…组成”旨在暗示它们在专利词汇中的普遍接受的含义；也就是说，(i)与“包括”、“含有”或“特征在于”同义的“包含”是包含性的

或开放式的，并且不排除另外的未列举的要素或方法步骤；(ii)“由…组成”不包括未在权

利要求中指定的任何要素、步骤或成分；以及(iii)“基本上由…组成”将权利要求的范围限

制于指定的材料或步骤以及那些不会实质上影响受权利要求书保护的本发明的基本特征

和新型特征的材料或步骤。以短语“包含”(或其等同形式)描述的实施方案还提供以“由…

组成”和“基本上由…组成”独立描述的那些作为实施方案。对于以“基本上由…组成”提供

的那些实施方案，基本特征和新型特征是系统高效地燃烧燃料的能力，而不需要单独的点

火器或在燃料混合物引入到催化剂中之前将其加热到高于点火温度。不减损此类可操作性

的材料或步骤将被认为在此类实施方案的范围内。

[0111] 除非另行指出，否则当呈现列表时，应当理解，该列表的每个单独要素以及该列表的每个组合是不同的实施方案。例如，呈现为“A、B或C”的实施方案的列表将被解释为包括

实施方案“A”、“B”、“C”、“A或B”、“A或C”、“B或C”或“A、B或C”。

[0112] 在整个说明书中，相关领域的技术人员将会理解，字词被赋予它们的正常含义。然而，为了避免误解，某些术语的含义将被具体地定义或阐明。

[0113] “任选的”或“任选地”是指随后描述的情况可发生或可不发生，使得所述描述包括其中情况发生的实例和其中情况不发生的实例。类似地，涉及“任选地存在”组分或步骤的

实施方案，那些实施方案包括其中存在或不存在所述步骤或组分的单独的独立实施方案。

描述“任选的”允许但不需要发生任选的条件。

[0114] 实施方案的以下列表旨在补充而不是替换或代替先前的描述。[0115] 实施方案1一种系统，该系统包括具有催化燃烧器的回热气体涡轮发动机，该催化燃烧器包括：

[0116] (a)上游区段，该上游区段包括电加热器，和[0117] (b)下游催化剂区段，其中该上游区段和该下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。

[0118] 在该实施方案的某些方面，上游区段和下游催化剂区段之间包括间隔件；在其他方面，这两个区段彼此物理接触；在再其他方面，这两个区段之间包含限定的气隙。该气隙

对于避免金属衬底中的短路可能是重要的。对于金属?陶瓷组合衬底，可能避免在催化剂的

整个直径上存在离散的“层间隙”。在其他方面，在构成具有电绝缘的物理支撑的两个区段

之间还可存在陶瓷绝缘连接件。

[0119] 实施方案2根据实施方案1所述的系统，其中，包括电加热器的上游区段是催化燃烧器中的唯一点火源。在该实施方案的独立方面，一些实施方案具有和不具有单独的点火

源，但优选的是不存在电加热器之外的点火源。在其他方面，系统在系统中的任何地方都不

包含附加点火器。

[0120] 实施方案3根据实施方案1或2所述的系统，其中，上游区段和下游催化剂区段整合在单个单元中。在该实施方案的某些独立方面，这两个区段因为每个区段内包含的衬底材

料或催化剂材料而在组成上彼此是相同或不同的。

[0121] 实施方案4根据实施方案1至3中任一项所述的系统，其中，单个单元/衬底/矩阵/芯部为“单片层流衬底”或为具有一定程度湍流增强的衬底。(示例，PCI公司的

“microlithic”)。

[0122] 实施方案5根据实施方案1至4中任一项所述的系统，其中，上游区段和下游催化剂区段各自包含孔或通道，该孔或通道允许可点燃混合物(例如，气体或蒸气)穿过该上游区

段和该下游催化剂区段两者。

[0123] 实施方案6根据实施方案5所述的系统，其中，上游区段中的孔或通道针对低流量启动条件进行优化，并且下游催化剂区段针对运行条件进行优化。在该实施方案的某些方

面，上游区段中的孔或通道大于下游催化剂区段中的孔或通道，或者以其他方式修改以在

上游区段中提供相比在下游催化剂区段中阻力更小的流动(例如，通过流动路径的笔直

性)。

[0124] 实施方案7根据实施方案5或6所述的系统，其中，上游区段和下游催化剂区段中的孔或通道具有相关联的体积，并且上游区段的孔或通道表面积与下游催化剂区段的孔或通

道表面积的比率在约0.5％至50％的范围内。

[0125] 实施方案8根据实施方案1至7中任一项所述的系统，其中，上游区段不包含上游催化剂，因此上游区段不具有任何催化功能。

[0126] 实施方案9根据实施方案1至7中任一项所述的系统，其中，上游区段还包含上游催化剂。

[0127] 实施方案10根据实施方案1至9中任一项所述的系统，其中，下游催化剂区段还包含下游催化剂。

[0128] 实施方案11根据实施方案1至10中任一项所述的系统，其中，上游催化剂不同于下游催化剂。在该实施方案的某些方面，上游区段和下游催化剂区段之间的催化剂衬底也可

以是不同的。

[0129] 实施方案12根据实施方案1至10中任一项所述的系统，其中，上游催化剂与下游催化剂是相同的。在该实施方案的某些方面，上游区段和下游催化剂区段之间的催化剂衬底

也可以是相同的。

[0130] 实施方案13根据实施方案1至12中任一项所述的系统，其中，上游催化剂和下游催化剂中的任一者或两者独立地包含呈金属或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、

Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它们的组合。在该实施方案的独立方面，催化剂独立地

包含III族贵金属。在该实施方案的独立方面，催化剂独立地包含铂族金属。在其他方面，

催化剂独立地包含Ag、Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Zn或它们的组合。在再其他方面，催化剂

包含Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ti、、W、Y、Zr或它们的组合的氧化物。在再其他方面，所述催化剂包

含Ce和/或Sn。

[0131] 实施方案14根据实施方案1至13中任一项所述的系统，其中，催化燃烧器还包括定位在下游催化剂区段的下游的一个或多个混合或火焰保持装置。

[0132] 实施方案15根据实施方案1至14中任一项所述的系统，还包括定位在催化燃烧器的上游的燃料/空气混合装置。在该实施方案的某些方面，该混合装置被定位成将燃料/空

气混合物提供到催化燃烧器中或调节该燃料/空气混合物。

[0133] 实施方案16根据实施方案1至15中任一项所述的系统，还包括以下中的一者或多者：

[0134] (a)压缩机，该压缩机被布置成接收空气并压缩该空气；[0135] (b1)燃料系统，该燃料系统可操作为将燃料供应到压缩机中，使得空气和燃料的混合物能够或从该压缩机排出；

[0136] (b2)燃料系统，该燃料系统可操作为将气态燃料供应到压缩机中；[0137] (b3)燃料系统，该燃料系统可操作为将适当雾化的液体燃料供应到压缩机中；[0138] (c)涡轮，该涡轮被布置成从催化燃烧器接收如果存在的燃烧气体并且使该气体膨胀以产生部分地驱动压缩机的机械功率；和

[0139] (d)回热器，该回热器被布置成接收来自涡轮的排气和从压缩机排出的空气或混合物，并且在两者间引起热交换，使得该混合物能够或在进入催化燃烧器之前被预热。

[0140] 在该实施方案的某些方面，如果系统需要，(b1)、(b2)和(b3)可为燃料系统的另选方案。

[0141] 实施方案17根据实施方案16所述的系统，其中，压缩机和涡轮由至少一个轴机械地联接。在该实施方案的一些独立方面，压缩机可以是一级、二级或多级压缩机。在独立方

面，二级压缩机联接在双轴机器上。在一些方面，低压压缩机连接到低压涡轮并且/或者高

压压缩机连接到高压机器。在一些方面，可引入第三轴以允许动力涡轮连接到发生器或其

他负载。来自该第三涡轮的排气可馈送到回热器。

[0142] 实施方案18根据实施方案16或17所述的系统，其中，压缩机是多级压缩机。在某些方面，压缩机是二级压缩机。在一些方面，二级或多级压缩机在压缩机级之间配备有间冷。

[0143] 实施方案19一种工业、商业、海洋或空中功率发生器，该工业、商业、海洋或空中功率发生器包括根据实施方案1至18中任一项所述的系统。

[0144] 实施方案20一种移动式陆地、海洋或空中车辆，该移动式陆地、海洋或空中车辆包括根据实施方案1至18中任一项所述的系统作为推进装置。在该实施方案的某些方面，移动

式车辆是汽车。

[0145] 实施方案21一种操作根据实施方案1至18中任一项所述的回热气体涡轮发动机系统的方法，该方法包括以下中的一者或多者：

[0146] (a)将能量提供到电加热器以将上游区段加热到至少等于燃料和空气的混合物的点火温度的温度，

[0147] (b)将一定质量流量的空气和燃料的混合物引入到受热上游区段，以便引发上游区段的催化燃烧，以及

[0148] (c)维持或增加通过上游区段的空气和燃料的混合物的质量流量，以便将燃料和空气的混合物喷射到下游催化剂区段中，从而增加催化反应。

[0149] 在该实施方案的某些方面，启动时混合物的质量流量处在比在发动机运行条件下发生的质量流速低5至10倍的范围内。

[0150] 实施方案22根据实施方案21所述的方法，其中，催化反应是在向下游传播到主(下游)催化矩阵之前在上游区段中引发的。

[0151] 实施方案23根据实施方案22所述的方法，还包括：将增加的质量流量维持足以提供基本上整个下游催化剂区段被加热到燃料和空气的混合物的催化温度或更高的温度的

时间，使得该燃料和空气的混合物在穿过其中时在整个下游催化剂区段中燃烧。优选地，由

于上游区段和下游催化剂区段的相对比例以及混合物的质量流速，大部分的(如果不是基

本上整个的)燃烧发生在下游催化剂区段中。

[0152] 实施方案24根据实施方案21至23中任一项所述的方法，还包括：调节空气和燃料的混合物的质量流量以适应回热气体涡轮发动机系统的负荷要求。

[0153] 实施方案25根据实施方案21至24中任一项所述的方法，还包括：使电加热器断电，同时维持至少下游催化剂区段中的燃烧。

[0154] 实施方案26根据实施方案21至25中任一项所述的方法，还包括：在入口混合物达到催化起燃温度之前以稳定的方式维持燃烧(引燃模式)。

[0155] 实施方案27根据实施方案21至26中任一项所述的方法，其中，燃料和空气的混合物具有大于1、优选地在启动期间在2至5的范围内和/或在稳态操作期间在4至8的范围内的

λ值，其中该λ值为实际空气/燃料比与化学计量空气/燃料比的比率。

[0156] 实施方案28根据实施方案27所述的方法，还包括：在燃烧过程中调节燃料和空气的混合物的λ值。在独立方面，该方法包括将λ值调节为更富燃料混合物；在独立方面，该方

法包括将λ值调节为更贫燃料混合物。在一些方面，该方法包括交替地增加和减少质量流量

的丰富度，任选地响应于监测系统的控制机构。

[0157] 实施方案29一种操作根据实施方案16至18中任一项所述的回热气体涡轮发动机的方法，该方法包括以下步骤中的至少一者：

[0158] (a)压缩压缩机中的至少空气；[0159] (b)将能量提供到电加热器以将上游区段加热到至少等于燃料和空气的混合物的起燃温度的温度；

[0160] (c)将一定质量流量的燃料和空气的混合物引入到受热上游区段，使得该燃料和空气的混合物在上游区段中燃烧；

[0161] (d)增加燃料和空气的混合物的质量流量，使得燃烧混合物的流动将下游催化剂区段加热到高于该下游催化剂区段的点火温度；

[0162] (e)维持通过上游区段和下游催化剂区段的燃料和空气的混合物的质量流量，使得该燃料和空气的混合物在穿过下游催化剂区段时在其中燃烧，以形成离开该下游催化剂

区段的受热燃烧气体；

[0163] (f)引导离开下游催化剂区段和催化燃烧器的受热燃烧气体的至少一部分通过涡轮以产生机械功率，并且部分地使用该机械功率来驱动压缩机；

[0164] (g)将穿过涡轮的受热燃烧气体中的一些或全部引导到回热器；以及[0165] (h)使用回热器中的受热燃烧气体来将被引入到受热上游区段的燃料和空气的混合物预热至高于催化剂的起燃温度。

[0166] 实施方案30根据实施方案29所述的方法，还包括：调节被引入到上游区段的燃料和空气的混合物的质量流量。在独立方面，该方法包括增加质量流量；在独立方面，该方法

包括减少质量流量；在一些方面，该方法包括交替地增加和减少质量流量，任选地响应于监

测所述系统的控制机构。

[0167] 实施方案31根据实施方案29或30所述的方法，其中，燃料和空气的混合物具有大于1的λ值，该方法还包括：在燃烧过程中调节该燃料和空气的混合物的λ值。

[0168] 实施方案32根据实施方案21至31中任一项所述的方法，该方法还包括使电加热器断电。

[0169] 实施方案33根据实施方案1?18中任一项所述的系统，其中，单个单元可具有圆形横截面或其他横截面形状诸如卵形、椭圆形、多边形或环形或者任何其他棱柱形状，以适合

实际工程和应用限制。

[0170] 如本领域技术人员将了解，根据这些教导内容，本发明的众多修改和变型是可能的，并且所有这些修改和变型均据此被设想到。

[0171] 本文档中引用或描述的每项专利、专利申请和公布的公开内容据此以引用方式各自整体并入本文以用于所有目的。