CN107257884B - 内燃机和用于使内燃机运行的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于使具有气体燃烧系统(11)和废气后处理系统(16)的内燃机(10)运行的方法，其中，离开气体燃烧系统(10)的废气(15)为了净化被导引到废气后处理系统(16)的至少一个CH4‑氧化催化器(18)上，并且其中，废气(15)中的CH4/NO2‑摩尔比例通过在至少一个CH4氧化催化器(18)上游的至少一个气体燃烧系统方面和/或废气后处理系统方面的措施来限定地调整。

Description

内燃机和用于使内燃机运行的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使具有气体燃烧系统和废气后处理系统的内燃机运行的方法。此外，本发明涉及一种内燃机，其具有气体燃烧系统和废气后处理系统。
背景技术
由实践已知如下内燃机，其燃烧气态燃料，例如天然气。这种内燃机例如可以是往复式内燃机或还可以是流体机器如燃气涡轮。如此例如由造船业已知一种内燃机，其燃烧天然气并且为此包括燃气发动机来作为气体燃烧系统。此外，这种内燃机包括废气后处理系统，以便于将离开气体燃烧系统的废气净化。燃烧天然气的内燃机可由于天然气的未完全燃烧而导致非期望的CH4(甲烷)排放。由于甲烷是严重的温室气体，应使甲烷到环境中的排放保持尽可能低。在由实践已知的例如燃烧天然气的内燃机的情况中，相应的废气后处理系统包括用于分解CH4的催化器。在此，根据实践使用如下催化器，其尤其包括金属或铂系金属、例如铂和/或钯来作为催化活化物质，其中，铂系金属的金属对这样的CH4分解催化器的装载通常超过每升催化器容积7克贵金属。由此引起高昂的成本。外次，这样的催化器的运行时间相对短，因为该催化器由于可经由燃料和/或发动机油达到废气后处理系统中的硫氧化物而失活。
在由实践已知的燃烧气态燃料的内燃机的情况中，相应地限制了减少CH4排放的可能性。因此，存在对新型内燃机和用于使这样的内燃机运行的方法的需求，在其中可强有力地减少或降低CH4排放。
发明内容
本发明由此出发所基础的目的是，实现一种用于使具有气体燃烧系统和废气后处理系统的内燃机运行的新型的方法，并且实现相应的内燃机。
该目的通过根据本发明的方法来实现。根据本发明，废气被导引经过废气后处理系统的至少一个CH4氧化催化器，其中，废气中的NO2份额通过在至少一个CH4氧化催化器上游的至少一个气体燃烧系统方面的措施和/或废气后处理系统方面的措施来限定地调整。经由调整在该或每个CH4氧化催化器上游的废气中NO2的份额可改善CH4的分解，由此可行的是，减少内燃机的CH4排放。
优选地，废气中的NO2份额调整成，使得在至少一个CH4氧化催化器上游，废气中总氮氧化物的NO2份额为至少15%、优选地至少30%、尤其优选地至少50%。废气中总氮氧化物中这样的NO2份额尤其有利于有效地较少在燃烧气态燃料、例如天然气的内燃机处的CH4排放。
根据一有利的改进方案，废气中NO2份额经由废气后处理系统的至少一个NO氧化催化器来调整，该NO氧化催化器布置在该或每个CH4氧化催化器上游。由此可通过废气后处理系统方面的措施来简单地调整废气中的NO2份额。
根据另一有利的改进方案，通过改变用于气体燃烧系统的至少一个运行参数来调整废气中的NO2份额。由此可通过气体燃烧系统方面的措施来尤其有利地调整废气中的NO2份额。
优选地，内燃机的废气在该或每个CH4氧化催化器下游被引导经过SCR催化器，其中，在SCR催化器下游将NH3或NH3前体物质带入废气中。经由SCR催化器可在紧接着分解CH4之后且相应地接近着减少CH4排放之后降低NO2的排放。
附图说明
本发明的优选的改进方案由接下来的说明得出。根据附图详细阐述本发明的实施例，且本发明不受限于此。其中：
图1示出根据本发明的第一内燃机的示意图；
图2示出了根据本发明的第二内燃机的示意图；
图3示出了根据本发明的第三内燃机的示意图；
图4示出了根据本发明的第四内燃机的示意图；
图5示出了根据本发明的第五内燃机的示意图；
图6示出了根据本发明的第六内燃机的示意图；
图7示出了根据本发明的第七内燃机的示意图；
图8示出了根据本发明的第八内燃机的示意图；
图9示出了根据本发明的第九内燃机的示意图；以及
图10示出了根据本发明的第十内燃机的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种内燃机，其具有气体燃烧系统和废气后处理系统，并且本发明涉及一种用于使这种内燃机运行的方法。
接下来参考图1至图10以内燃机10为示例说明本发明，内燃机10包括带有气缸12的燃气发动机来作为气体燃烧系统，其中，尤其将天然气作为燃料14输送至气缸12并且附加于用于燃烧的气态燃料14将燃烧用控制13输送至气缸12。
在此，所产生的废气15从燃气发动机导出并且被引导经过废气后处理系统16。
在这点上，应指出，虽然优选地在使用往复式燃气发动机或汽油燃气发动机12来作为气体燃烧系统的内燃机的情况中使用本发明，然而，也可在如下内燃机的情况中使用本发明，其气体燃烧系统11由流体机器如燃气涡轮来提供。
图1显示了内燃机10的第一实施例，其中，在图1的实施例中，废气后处理系统16包括CH4氧化催化器18和在CH4氧化催化器18上游的NO氧化催化器17。离开内燃机10的燃气发动机的气缸12的废气15首先被引导经过NO氧化催化器17并且紧接着被引导经过CH4氧化催化器18，其中，借助于NO氧化催化器17通过废气后处理系统方面的措施、即通过将废气15引导经过NO氧化催化器17来限定地调整废气15中的NO2份额。于是由此，尤其当经由NO氧化催化器17如此调整在CH4氧化催化器18上游的废气15中的NO2份额，即，使得废气的NO2份额占废气的总氮氧化物的至少15%、优选地至少30%、尤其优选地至少50%时，那么可在CH4氧化催化器18中实现尤其有效的CH4分解。如以下详细说明的那样，备选或附加于这样的废气后处理系统方面的措施，还可经由燃气发动机方面的措施来调整废气15中总氮氧化物的NO2份额。
NO氧化催化器17优选地使用铂系金属的贵金属例如铂和/或钯来作为催化活化物质，其中，利用该贵金属对NO氧化催化器17的装载为最大2.85g/l、优选地小于2.5g/l、尤其优选地小于1.75g/l催化器容积。
在NO氧化催化器17中，根据以下反应式将氧化氮转换成二氧化氮：
2NO+O2→NO2
接下来在CH4氧化催化器18中根据以下反应实现CH4的分解：
NO2+CH4+O2→CO+NO+2H2O
在运行内燃机10的情况中，待分解的CH4相对总氮氧化物的比例调整成，使得比例CH4/NO2小于2、优选小于1.5、更优选小于1。
如已实施地那样，NO氧化催化器17优选地含有贵金属如铂作为催化活化物质，尤其以0.5克(g)/升催化器容积(l)与2.85g/l之间的份额，优选地以0.5g/l与2.5g/l之间的份额，最为优选地0.5g/l与1.75g/l之间。
这样的NO氧化催化器17优选地含有Al2O3和/或TiO2作为中间层材料。
在CH4氧化催化器18中优选地使用铈和/或钴和/或铜和/或铁作为活化成分。其优选地接合到MOR、FER、PER、MFI(ZSME-5)、LTL、LAU、CHI或CHA结构的沸石基质中。
图2显示了图1的内燃机的一改进方案，其中，图2的内燃机10与图1的内燃机10的区别在于，内燃机10的废气后处理系统16在CH4氧化催化器18下游包括SCR催化器19，其用于降低NO2排放。在SCR催化器19上游定位有装置20，经由其可将NH3(氨气)或NH3前体物质、例如尿素带入到在SCR催化器19上游的废气15中。氨气在SCR催化器19中用作用于降低氮氧化物的还原剂。
于是，当将NH3前体物质、例如尿素带入废气中时，通常根据以下反应反应式将废气中的尿素转换成NH3：
(NH2)CO+c→2NH3+CO2
因为，尿素到NH3的转换根据以上反应反应式通常在以450℃数量级的废气温度的情况下才有效地实现，因此可在SCR催化器19上游使用水解催化器，以便于辅助将氨前体物质例如尿素转换成HN3。
在水解催化器中通常根据以下反应反应式实现尿素到NH3的转换：
(NH2)CO→NH3+HNCO
HNCO+HNCO→NH3+CO2
在此，在使用NH3作为还原剂的情况下根据以下反应反应式在SCR催化器19中实现氮氧化物的转换：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
10NH3+6NO2+3O2→8N2+15H2O
可使用含有V2O5的SCR催化器19来作为催化器19，其例如含有V2O5/WO3/TiO2混合氧化物来作为活化成分。通常在SCR催化器19中的V2O5在此位于0.2%至3%之间。SCR催化器19还可使用TiO2和/或SiO2和/或Al2O3和/或沸石来作为活化成分。
在高废气温度的情况中，V2O5作为SCR活化成分的使用变得苛刻。对此，原因是较低的热稳定性。如此，在废气温度高于650℃的情况中引起V2O5的升华。对于该高温应用而言，使用无V2O5的含过渡金属、尤其含铁、钴或铜的SCR催化器19。就此而言被证实为尤其有利的是，通过离子交换将这些过渡金属集成到沸石中。基于沸石的非常大的表面积由此实现活化表面的显著增大并且由此实现可实现的SCR利用率的显著提高。
图3显示了图2的内燃机10的一改进方案，其中，图3的内燃机10与图2的内燃机10的区别在于，图3的内燃机10的废气后处理系统16包括更多的NO氧化催化器17以及更多的CH4氧化催化器18。
如此，在第一NO氧化催化器17下游存在第一CH4氧化催化器18，而在第一CH4氧化催化器18下游存在第二NO氧化催化器17连同后置于其的第二CH4氧化催化器18。通过该实施方案，使在CH4氧化催化器18中被还原成NO的NO2又被氧化成NO2并且由此被提供在后接的第二CH4氧化催化器中。
经由CH4的这样地多级氧化可有利地进一步降低CH4排放。在此有利的是，在CH4氧化催化器上游分别使用NO氧化催化器17，以便于在每个CH4氧化催化器18上游调整废气15中总氮氧化物的限定的NO2份额。
NO氧化催化器和CH4氧化催化器的交替的顺序可经由单独的催化器支架或共同的催化器支架来实现，如在其在后者的情况中形成结构单元。在蜂巢式的催化器的情况中可将NO氧化催化器和CH4氧化催化器交替地布置在通道周缘上。
对于图1至图3的实施例而言共同的是，在相应的CH4氧化催化器18上游，废气15中总氮氧化物的NO2份额经由废气后处理系统方面的措施来限定的调整。
图4相应地示出了内燃机10的一实施例，在其中，废气15中NO2份额在CH4氧化催化器18上游经由气体燃烧系统方面的措施、即燃气发动机方面的措施来限定地调整，更确切地说优选地又如此来调整，即，使得废气15中总氮氧化物的NO2份额为至少15%、优选地至少30%、尤其优选地至少50%。
为此，优选地匹配燃气发动机的至少一个运行参数、尤其拉姆达值和/或点火时刻和/或气门控制时间和/或发动机压缩和/或发动机的燃烧室中的废气份额。
于是，当拉姆达值降低，废气中NO2份额趋向于升高。此外可通过朝更早时刻方向移动点火时刻和/或通过提高发动机燃烧室中的废气份额来使废气中的NO2份额趋向于提高。此外可行的是，通过更迟地打开气缸12的进气门并且通过更迟地关闭气缸12的排气门来提高废气中的NO2份额。通过发动机压缩的提高使得废气中的NO2份额趋向于减少。
为了可经由燃气发动机方面的措施来适宜地调整废气15中的NO2份额，优选地借助于传感器21确定废气15中的NO2废气实际值，其中，发动机控制装置22将该NO2废气实际值与NO2废气理论值作对比并且取决于此地如此改变用于燃气发动机的至少一个运行参数，即，使得NO2废气实际值接近NO2废气理论值。在此，发动机控制装置22优选地根据燃气发动机的至少一个运行参数、优选地负荷点相关地确定NO2废气理论值。
根据图4的变型方案相应地提出，通过改变用于内燃机10的燃气发动机的至少一个运行参数来在CH4氧化催化器18上游限定地调整废气15中的NO2份额，以便于如此在CH4氧化催化器18中实现CH4的最佳转换。
用于燃气发动机的应基于其变化来限定地设置的在废气15中的NO2份额的运行参数在此在调节的意义上作为调节技术上的调整参数基于理论值-实际值对比来确定，其中，实际值是NO2废气实际值而理论值是NO2废气理论值。在此，NO2废气理论值运行点相关地、尤其负荷点相关地由发动机控制装置22来自动确定，其中，控制装置22作为调整参数且相应地作为用于发动机的运行参数、优选地拉姆达值和/或点火时刻值和/或气门控制时间和/或发动机压缩和/或发动机燃烧室中的废气份额来变化，以便于使NO2实际值接近NO2理论值。
图5示出了图4的实施例的一改进方案，在其中在CH4氧化催化器18下游定位有SCR催化器19，以用于在该SCR催化器19中在使用经由装置20被带入到在SCR催化器19上游的废气中的还原剂的情况下将氮氧化物转换，即与图2,3的实施例一致。关于SCR催化器19和还原剂的细节方面，参照上述实施例。
图6示出了根据图5的内燃机的一改进方案，其中，在图6中示出了内燃机10，其为了调整废气15中的NO2份额，不仅使用在燃气发动机方面而且在废气后处理系统方面的措施。如此，在图6的内燃机的情况中，如同接合图5所说明的那样经由燃气发动机方面的措施调整在第一CH4氧化催化器18上游的废气15中的NO2份额，第二CH4氧化催化器18上游的废气15中的NO2份额的调整借助于位于两个CH4氧化催化器18之间的NO氧化催化器17的废气后处理系统方面的措施来实现。关于NO氧化催化器17的细节方面，参照对于图1至图3的实施例而言的实施方案。
图7至10示出了根据本发明的内燃机10的另外的实施例，其中，图7至图10的实施例与图1至图6的实施例的区别在于，燃气发动机构造成废气加载的或涡轮加载的燃气发动机，其于是关联有带有涡轮23和压缩机24的废气涡轮增压机25。
在废气涡轮增压机25的涡轮23中，离开燃气发动机的废气15可降压，以便于在此获用于使废气涡轮增压机25的压缩机24运行的能量，其中，在压缩机24中，将待输送给气缸12的燃烧用空气13压缩。
如此，图7中实施例大致相应于图2的实施例，带有如下区别，即，NO氧化催化器17上游的废气15被引导经过废气涡轮增压机25的涡轮23。
图8的实施例大致相应于图3的实施例，然而又带有如下区别，即，燃气发动机关联有废气涡轮增压机25。前置于第一CH4氧化催化器18的NO氧化催化器17在此布置在废气涡轮增压机25的涡轮23的上游，使得离开燃气发动机的气缸12的废气15相应地首先被引导经过第一NO氧化催化器17且紧接着才被引导经过废气涡轮增压机25的涡轮23。
图9的实施例大致相应于图5的实施例，然而又带有如下区别，即，燃气发动机关联有废气涡轮增压机25。
在图9中经由燃气发动机方面的作用来调整其NO2份额的废气15在其被引导到CH4氧化催化器18之前首先被导引经过废气涡轮增压机25的涡轮23。
图10的实施例大致相应于图6的实施例，然而又是在使用废气涡轮增压机25的情况下。
利用根据本发明的内燃机和上述用于使该内燃机运行的方法可使优选地利用天然气运行的内燃机处的CH4排放有利地降低。如此，经由至少一个燃气发动机方面的措施和/或经由至少一个废气系统方面的措施来限定地调整至少一个CH4氧化催化器上游的废气中的NO2份额，以便于如此确保最佳的CH4分解。
附图标记清单
10 内燃机
11 气体燃烧系统
12 气缸
13 燃烧用空气
14 燃料
15 废气
16 废气后处理系统
17 NO氧化催化器
18 CH4氧化催化器
19 SCR催化器
20 装置
21 传感器
22 发动机控制装置
23 涡轮
24 压缩机
25 废气涡轮增压机。

Claims (20)

1.一种用于使具有气体燃烧系统(11)和废气后处理系统(16)的内燃机(10)运行的方法，其中，离开所述气体燃烧系统(11)的废气(15)为了净化被导引经过所述废气后处理系统(16)，其特征在于，所述废气(15)被导引经过所述废气后处理系统(16)的至少一个CH4氧化催化器(18)，并且所述废气(15)中的CH4/NO2摩尔比例通过至少一个CH4氧化催化器(18)上游的至少一个气体燃烧系统方面和/或废气后处理系统方面的措施被调整成小于等于2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废气(15)中的NO2份额调整成，使得在至少一个CH4氧化催化器(18)上游，所述废气(15)中总氮氧化物的NO2份额为至少15%。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述废气(15)中的NO2份额经由所述废气后处理系统(16)的至少一个NO氧化催化器(17)来调整，所述NO氧化催化器布置在所述或每个CH4氧化催化器(18)上游。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述废气(15)被导引经过多个相继定位的CH4氧化催化器(18)并且在各个所述CH4氧化催化器(18)上游被导引经过至少一个NO氧化催化器(17)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述废气(15)中的NO2份额通过改变用于所述气体燃烧系统(11)的至少一个运行参数来调整。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，作为用于所述气体燃烧系统(11)的运行参数，改变拉姆达值和/或点火时刻和/或气门控制时间和/或发动机压缩和/或发动机燃烧室中的废气份额。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定NO2废气实际值，并且如此改变用于所述废气燃烧系统(11)的至少一个运行参数，即，使得NO2废气实际值接近NO2废气理论值。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述废气在所述或每个CH4氧化催化器(18)下游被引导经过SCR催化器(19)，其中，将NH3或NH3前体物质在所述SCR催化器(19)下游带入所述废气中。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CH4/NO2摩尔比例被调整成小于1.5。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述CH4/NO2摩尔比例被调整成小于1。
11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述废气(15)中总氮氧化物的NO2份额为至少30%。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述废气(15)中总氮氧化物的NO2份额为至少50%。
13.一种内燃机(10)，其具有气体燃烧系统(11)和废气后处理系统(16)，其特征在于，所述废气后处理系统(16)具有至少一个CH4氧化催化器(18)，并且所述废气(15)中的CH4/NO2摩尔比例通过至少一个CH4氧化催化器(18)上游的至少一个气体燃烧系统方面和/或废气后处理系统方面的措施被调整成小于等于2。
14.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于，在所述或每个CH4氧化催化器(18)上游分别布置有所述废气后处理系统(16)的NO氧化催化器(17)。
15.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述废气后处理系统(16)具有多个相继联接的CH4氧化催化器(18)，其中，在各个所述CH4氧化催化器(18)上游布置有至少一个NO氧化催化器(17)。
16.根据权利要求14或15所述的内燃机，其特征在于，在带有废气涡轮增压机(25)的气体燃烧系统(11)的情况中在所述废气涡轮增压机(25)的涡轮(23)上游定位有至少一个NO氧化催化器(17)。
17.根据权利要求13至15中任一项所述的内燃机，其特征在于，在所述或每个CH4氧化催化器(18)下游布置有SCR催化器(19)，并且在所述SCR催化器(19)上游定位有将NH3或NH3前体物质带入所述废气中的装置(20)。
18.根据权利要求13至15中任一项所述的内燃机，其特征在于，传感器(21)确定在所述气体燃烧系统(11)下游且在所述废气后处理系统(16)上游的NO2废气实际值，并且发动机控制装置(22)如此改变用于所述气体燃烧系统(11)的至少一个运行参数，即，使得所述NO2废气实际值接近NO2废气理论值。
19.根据权利要求18所述的内燃机，其特征在于，所述发动机控制装置(22)根据所述气体燃烧系统(11)的至少一个运行参数确定所述NO2废气理论值。
20.根据权利要求19所述的内燃机，其特征在于，所述发动机控制装置(22)根据所述气体燃烧系统(11)的至少一个运行参数负荷点相关地确定所述NO2废气理论值。
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