CN107642393B - 内燃机及用于操作该内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于操作内燃机（10）的方法，该内燃机（10）包括气体燃烧系统（11）和废气后处理系统（16），其中，离开气体燃烧系统（10）的废气（15）被引导经过废气后处理系统（16）以用于净化，其中，为了减少废气（15）中的NO2比例，废气（15）被引导经过废气后处理系统（16）的至少一个NO2分解催化转化器（17），以及其中，被引导经过该NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）的废气随后被引导经过SCR催化转化器（18）。

Description

内燃机及用于操作该内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于操作内燃机（特别是利用气体操作的内燃机）的方法，该内燃机包括气体燃烧系统和废气后处理系统。另外，本发明涉及一种内燃机（特别是利用气体操作的内燃机），该内燃机包括气体燃烧系统和废气后处理系统。
背景技术
通过实践，燃烧气体燃料（诸如例如，天然气）的内燃机是已知的。例如，这样的内燃机能够是往复运动的活塞内燃机或者是诸如燃气涡轮机的涡轮机械。因此，例如通过船舶建造，燃烧天然气的内燃机是已知的，并且为此目的该内燃机包括气体发动机作为气体燃烧系统。另外，这样的内燃机包括废气后处理系统以便净化离开气体燃烧系统的废气。
当这些内燃机用过量空气操作时，总氮氧化物中的NO2比例能够显著增加。当这些内燃机作为双燃料内燃机操作（即，同时用液体和气体燃料操作）时，NO2比例额外地增加。
如已经描述的，在气体燃料的燃烧期间，除了其他的以外，氮氧化物被形成。为了减少废气中的氮氧化物，通过实践已知在废气后处理系统中主要采用所谓的SCR催化转化器。在SCR催化转化器中，发生氮氧化物的选择性催化还原，其中，氮氧化物的还原需要氨（NH3）作为还原剂。氨（NH3）或氨前体物质（诸如例如，尿素）为此目的以液体形式被引入至SCR催化转化器上游的废气中，氨或氨前体物质与SCR催化转化器上游的废气混合。
尽管已经能够利用从本领域中已知的SCR催化转化器成功地减少废气中氮氧化物，但是对于用气体燃料操作的内燃机，需要进一步改进废气后处理。除了其他的以外，这是必需的，因为在这样的内燃机的情况下，总氮氧化物中的NO2比例能够超过50％，这导致SCR反应显著减慢并且氨或氨前体物质的消耗增加。与标准的SCR反应（方程式1）相比，该情形被描述为所谓的慢SCR反应（方程式2）。
2NO + 2NH3 + 0.5*O2 --> 2N2 + 3H2O　　　　 方程式 1
6NO2 + 8NH3 --> 7N2 + 12H2O　　　　　　　　　　　　 方程式 2。
发明内容
从这开始，本发明基于创建一种用于操作包括气体燃烧系统和废气后处理系统的内燃机的新型方法以及对应的内燃机的目标。
该目标通过根据权利要求1所述的方法而实现。根据本发明，为了减少废气中的NO2比例，废气被引导经过废气后处理系统的至少一个NO2分解催化转化器，其中，被引导经过该NO2分解催化转化器或者每个NO2分解催化转化器的废气随后被引导经过SCR催化转化器。
如上面已经描述的，本发明基于以下认识：为了在SCR催化转化器中的最佳氮氧化物还原，SCR催化转化器上游的废气中的限定的NO2比例是有利的。为了调整废气中的限定的NO2比例，废气被引导经过SCR催化转化器上游的NO2分解催化转化器，以便确保在NO2分解催化转化器下游以及因此在SCR催化转化器上游的废气后处理系统中的期望的限定的NO2比例。
优选地，该NO2分解催化转化器或者每个NO2分解催化转化器在2 巴（bar）和20 巴之间的压力下和/或在大于400°C的温度下操作。NO2分解催化转化器的这样的工作参数允许NO2分解催化转化器中的NO2的特定分解，以便有效调整SCR催化转化器上游的限定的期望的NO2比例。这是由于在高温下热动力平衡位于NO侧上的事实，使得借助于催化转化器，在不添加还原剂的情况下，平衡的快速调整以及因此NO2比例的下降变得可能。
借助于此，NO2和NO之间的比率可以偏移至NO侧：
2NO2 -<-> 2NO + 2O2　　　 方程式 3。
根据另外的改进例，通过在NO2分解催化转化器上游添加还原剂（特别是CH4）而改进该分解，其中，废气中的实际的NO2比例被确定并且NO2分解催化转化器中使用的CH4的量被调整以使得实际的NO2比例近似为设定的NO2比例或者与设定的NO2比例一致。为此，测量或计算废气后处理系统中的实际的NO2比例。以此方式，在NO2分解催化转化器上游或者在SCR催化转化器上游的废气中的NO2比例的特别有利的调整是可能的。在NO2分解催化转化器中使用的CH4还原剂的量能够被调节以使得废气中的实际的NO2比例近似为设定的NO2比例或者与设定的NO2比例一致。
NO2+ CH4 + O2 --> NO + 2H2O + CO　　　　　 方程式 4。
根据另外的有利改进例，在该NO2分解催化转化器或者每个NO2分解催化转化器上游以及在SCR催化转化器上游的废气被引导经过CH2O分解催化转化器。该另外的改进例基于以下认识：在使用CH4作为还原剂的NO2分解催化转化器中，能够经由副反应而产生甲醛CH2O。在NO2分解催化转化器的下游，废气优选地被引导经过CH2O分解催化转化器以便分解已经形成的甲醛，即在为SCR催化转化器添加还原剂（氨或氨前体物质）的位置的上游或者在SCR催化转化器的下游。
附图说明
通过从属权利要求和以下描述获得本发明的优选的另外的改进例。通过附图的方式更详细地解释了本发明的示例性实施例，但其不限于此。其中：
图1是根据本发明的第一内燃机的示意表示；
图2是根据本发明的第二内燃机的示意表示；
图3是根据本发明的第三内燃机的示意表示；以及
图4是根据本发明的第四内燃机的示意表示。
具体实施方式
本发明涉及内燃机，该内燃机包括气体燃烧系统和废气后处理系统；并且本发明涉及用于操作该内燃机的方法。
在下文中，基于参照图1至图4的内燃机10的示例描述本发明，如该内燃机的气体燃烧系统包括具有气缸12的气体发动机11，其中，气缸12特别地被提供有天然气作为燃料14，并且除了气体燃料14之外被提供有燃烧空气13以用于气体燃料14的燃烧。在该过程中产生的废气15从气体发动机11排出并且被引导经过废气后处理系统16。在此指出的是，本发明优选地与内燃机一起使用，如该内燃机的气体燃烧系统利用往复式气体发动机或奥托（Otto）气体发动机12，然而，本发明也可以与下述内燃机一起使用：该内燃机的气体燃烧系统由诸如例如燃气涡轮机的涡轮机械提供。
废气后处理系统16包括NO2分解催化转化器17，以及在NO2分解催化转化器17下游的SCR催化转化器18，使得离开气体发动机10的气缸12的废气15经由NO2分解催化转化器17被初始引导以用于还原废气15中的NO2比例，并且因此用于调整废气15中限定的NO2比例以及仅允许其经由SCR催化转化器18。
NO2分解催化转化器17优选地是利用CH4作为还原剂以便分解NO2的NO2分解催化转化器。如上所述，使用CH4作为还原剂的NO2分解催化转化器17中的反应根据方程式4进行。
为了能够实现NO2的特别有利的分解，NO2分解催化转化器17优选地在2 巴和20 巴之间的绝对压力以及大于400°C的温度下操作。在废气涡轮增压的内燃机中，这些条件通常存在于至少一个废气涡轮增压器的涡轮的上游，即，在该情况下可恰好将NO2分解催化转化器附接在废气涡轮增压器的至少一个涡轮机的上游。
在优选地被实施为CH4氧化催化转化器的NO2分解催化转化器17中，沸石或钙钛矿（Perowskit）和/或铂金属族中的至少一种元素（特别是钯）和/或铜和/或铈和/或钙和/或钛和/或铝被用作活性成分。
特别地，当所实施的NO2分解催化转化器中使用铂金属族中的至少一种元素作为活性成分时，其填充有铂金属族的元素合计为最大1,765 g/m3 (50 g/ft3)，优选地最大882.5 g/m3 (25 g/ft3)，特别优选地最大353 g/m3 (10 g/ft3)。
除了NO2分解催化转化器17和设置在其下游的SCR催化转化器18之外，图1示出了引入装置19，在该引入装置的帮助下，氨或氨前体物质（诸如例如，尿素）被引入至NO2分解催化转化器17下游的废气中，其中，在SCR催化转化器18中使用氨作为还原剂。
图2示出了图1的内燃机10的另外的改进例，其中，除了废气后处理系统16之外，该改进例包括具有废气涡轮增压器22的废气涡轮增压器系统。在此，根据图2，离开气体发动机11的气缸12的废气15经由废气涡轮增压器22的涡轮20被初始地引导，并且仅允许其经由废气后处理系统16。有利的版本（在此未示出）包括在涡轮机20的上游设置NO2分解催化转化器17以便利用存在于此的高温和压力。在涡轮机20中的废气15的膨胀期间提取的能量被用在废气涡轮增压器22的压缩机21中以便压缩待进给至气体发动机11的气缸12的填充空气13。图2的内燃机10使用单级废气涡轮增压器系统。与此相反的是，内燃机10能够使用由低压废气涡轮增压器和高压废气涡轮增压器构成的两级废气涡轮增压器系统。在该情形中，废气后处理系统16随后优选地被置于高压废气涡轮增压器的涡轮机与低压废气涡轮增压器的涡轮机之间。
在NO2分解催化转化器17中的NO2分解期间，作为副反应，CH4可以被分解为甲醛CH2O，即根据以下反应方程式：
CH4 +O2 → CH2O + H2O
然而当NO2分解催化转化器17包括如上所述的具有铂金属族元素的填料时可以减少甲醛的形成。
在图3的示例性实施例中，提供的是CH2O分解催化转化器23位于NO2分解催化转化器17的下游和SCR催化转化器18的上游，以便以限定的方式分解在NO2分解催化转化器17中形成的甲醛。这样的CH2O分解催化转化器23能够与NO2分解催化转化器17和/或SCR催化转化器18整体形成在反应器室中。这样的CH2O分解催化转化器23也能够明显地与图2的内燃机10一起使用。
根据本发明的有利的另外的改进例，根据图4所提供的是，确定废气中的实际的NO2比例并且取决于此来调节被实施为CH4氧化催化转化器的NO2分解催化转化器17的操作，使得废气中的NO2比例近似为预定设定的NO2比例或者与其一致，其中，为了这个目的，取决于实际的NO2比例，调整在CH4氧化催化转化器中使用的CH4的量。
根据图4，在此提供的是，在传感器24的帮助下测量NO2分解催化转化器17下游的废气中的实际的NO2比例，并且取决于此调整在NO2分解催化转化器17中使用的CH4的量。在此提供的是，废气中设定的NO2比例合计在25％和55％之间，优选地在30％和50％之间，特别地近似为50％，例如50%±2%。
能够通过改变内燃机的操作参数而改变CH4的量。除了其他的以外，这些参数为点火正时，燃料/空气比率，阀正时（进气阀和/或排气阀/阀重叠，米勒循环），喷射正时，填料压力；填料空气温度，压缩比，气体和液体燃料之间的比率。
与通过借助于位于NO2分解催化转化器17下游的传感器24的测量来检测废气中的实际的NO2比例相反，还能够通过计算（例如，经由模型）而确定废气中的实际的NO2比例。
另外，还能够通过确定SCR催化转化器18中的SCR流通量、特别是经由借助于设置在SCR催化转化器18下游的NOX传感器来检测SCR催化转化器18下游的NOX的量，从而确定实际的NO2比例。存在于SCR催化转化器18下游的NOX的量能够作为参考变量考虑，因为在SCR催化转化器18下游的允许的NOX的量是通过排放规则的方式确定的并且不可以超过。
取决于气体发动机11和/或废气后处理系统16的操作参数而优选地确定废气中设定的NO2比例，例如取决于当前存在的废气温度，和/或在采用废气再循环的情况下所采用的废气再循环的点火正时和/或阀正时。
能够提供的是，在NO2分解催化转化器17下游的废气不仅被引导经过SCR催化转化器18，而且额外地被引导经过颗粒物过滤器和/或NOX存储催化转化器。特别是当不仅气体燃烧而且还有液体燃料（诸如柴油、原油或残余油料）燃烧时（双燃料发动机）。
在颗粒物过滤器中，含碳烟尘被保留。含碳烟尘能够借助于氮氧化物而转化为一氧化碳、二氧化碳、氮气和一氧化氮，即根据以下反应方程式：
2NO2 +C → 2NO + CO2
2NO2 +C → 2NO + CO
2C + 2NO2→ N2 + 2CO2
因此，本发明提出经由NO2分解催化转化器而特别地减小并且因此特别地调整SCR催化转化器18下游的废气15中的NO2比例，以便确保SCR催化转化器18中的最佳的SCR反应。
废气中限定的NO2比例对于能够连接在SCR催化转化器18下游的颗粒物过滤器和/或NOX存储催化转化器也是有利的。
附图标记列表
10 内燃机
11 气体燃烧系统
12 气缸
13 燃烧空气
14 燃料
15 废气
16 废气后处理系统
17 CH4氧化催化转化器
18 SCR催化转化器
19 引入装置
20 涡轮机
21 压缩机
22 废气涡轮增压器
23 CH2O分解催化转化器
24 传感器

Claims (13)

1.一种用于操作内燃机（10）的方法，所述内燃机（10）包括气体燃烧系统（11）和废气后处理系统（16），其中，离开所述气体燃烧系统（11）的废气（15）被引导经过所述废气后处理系统（16）以用于净化，其特征在于，为了减少所述废气（15）中的NO2比例，所述废气（15）被引导经过所述废气后处理系统（16）的至少一个NO2分解催化转化器（17），并且其特征在于，被引导经过所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）的废气随后被引导经过SCR催化转化器（18），经由所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）调整所述废气（15）中的NO2比例，使得在所述SCR催化转化器（18）的上游，所述废气（15）中的总氮氧化物中的NO2比例合计在25％和55％之间，
至少一个NO2分解催化转化器（17）使用如下反应：
2NO2-->2NO + 2O2，
其中，在所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）的下游以及在所述SCR催化转化器（18）的还原剂（19）的添加处的上游和/或在所述SCR催化转化器（18）的下游，废气被引导经过CH2O分解催化转化器（23）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述SCR催化转化器（18）的上游，所述废气（15）中的总氮氧化物中的NO2比例合计在30％和50％之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，CH4作为还原剂被进给至所述NO2分解催化转化器(17)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述废气中的实际的NO2比例被确定并且在所述NO2分解催化转化器中使用的所述CH4的量被调整，使得实际的NO2比例近似为设定的NO2比例或者与设定的NO2比例一致。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述废气中的所述实际的NO2比例被测量或计算。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）在2 巴和20 巴之间的压力下操作。
7.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）在大于400℃的温度下操作。
8.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，在相应的NO2分解催化转化器（17）中使用下述成分中的至少一个作为用于NO2分解的活性成分：
沸石；
钙钛矿；
铁；
铜；
铈；
钙；
钛；
铝；
铂金属族中的至少一种元素。
9.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，所述NO2分解催化转化器（17）设置在废气涡轮增压器的至少一个涡轮机（20）的上游。
10.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述内燃机的操作参数而形成用于减少所述NO2比例的CH4。
11.一种内燃机（10），所述内燃机（10）包括气体燃烧系统（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）包括至少一个NO2分解催化转化器（17），并且在所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）下游包括SCR催化转化器（18），经由所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）调整所述废气（15）中的NO2比例，使得在所述SCR催化转化器（18）的上游，所述废气（15）中的总氮氧化物中的NO2比例合计在25％和55％之间，
至少一个NO2分解催化转化器（17）使用如下反应：
2NO2-->2NO + 2O2，
其中，在所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）下游，以及在所述SCR催化转化器（18）的还原剂（19）的添加处上游和/或在所述SCR催化转化器下游，所述废气后处理系统（16）包括CH2O分解催化转化器（23）。
12.根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，在所述NO2分解催化转化器（17）或者每个NO2分解催化转化器（17）下游，所述废气后处理系统（16）进一步包括颗粒物过滤器和/或NOX存储催化转化器。
13.根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述NO2分解催化转化器（17）设置在废气涡轮增压器的涡轮机（20）的上游。
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