專利名稱：用于運行以甲烷作燃料的發(fā)動機并用甲烷氧化催化劑處理排放氣體的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于運行以甲烷作燃料的發(fā)動機并用甲烷氧化催 化劑處理排放氣體的方法和設(shè)備。本發(fā)明可應(yīng)用于車輛發(fā)動機或其他 以可變負荷循環(huán)運行的發(fā)動機，以減少一氧化碳、曱烷和其他未燃燒 的碳氫化合物的排放。
背景技術(shù)：
天然氣主要由曱烷組成。天然氣作為燃料在內(nèi)燃機中燃燒，因為 在世界各地的許多市場，天然氣從能源角度而言與柴油或汽油相比花 費較少。此外，天然氣與柴油或汽油相比，燃燒更清潔，這可以幫助 改善空氣質(zhì)量，從而提供另一將燃燒柴油或汽油的車輛發(fā)動機用燃燒 天然氣的車輛發(fā)動機取代的動機。然而，在從內(nèi)燃機的燃燒室排出的 排放氣體中，會殘留未燃燒的燃料，對于以天然氣為燃料的發(fā)動機也 是如此。因為甲烷是一種導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體，人們希望在排放氣體 離開車輛的排氣管之前將未燃曱烷氧化。
有多種方法用于燃燒在發(fā)動機中的天然氣。所謂的化學(xué)計量天然
氣發(fā)動機使用的實際空燃比為約14. 6:1,其對應(yīng)于K,因為k是通 過將實際空燃比除以14.6 (這是理論上的化學(xué)計量理想空燃比)來計 算的。如本文中所定義的，在化學(xué)計量模式下運行的發(fā)動機不必以嚴 格等于1.0的k運行，而是以處于或接近l. 0的k運行即可，這樣， 在發(fā)動機的燃燒室中被燃燒的空氣和燃料的充氣(charge)中基本沒 有過剩的氧氣。美國專利No. 5，131， 224公開了一種減少來自以天然氣 為燃料的發(fā)動機的曱烷排氣排放量的方法。該，224專利教導(dǎo)，采用平 均略微富燃料的(也即，k平均小于1. 0)空氣燃料混合物在化學(xué)計量 運行模式下運行天然氣發(fā)動機，并使用鉑或鉑-鈀(非銠)催化轉(zhuǎn)化器 來進行排放氣體處理。如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，可以通過使用排放氣體 再循環(huán)和三效催化劑來減少N0x和曱烷的排放，但這些技術(shù)會大大增
加系統(tǒng)總成本。
所謂的貧燃火花點火("LBSI")天然氣發(fā)動機，由火花塞觸發(fā)點火 來燃燒天然氣的貧燃料混合物(leanmixture)。貧燃料混合物意為， 在燃燒室中有過剩的氧氣，于是X大于1。與不利用三效催化劑和排 放氣體再循環(huán)而運行的化學(xué)計量天然氣發(fā)動機相比，LBSI天然氣發(fā)動 機較為不復(fù)雜且成本較低，同時產(chǎn)生更低的氮氧化物(NOx)排放，因為 較高的空燃比導(dǎo)致較低的燃燒溫度。與化學(xué)計量天然氣發(fā)動機相比， LBSI天然氣發(fā)動機還產(chǎn)生較低的二氧化碳排放。從而，與不采用排放 氣體再循環(huán)或三效催化劑的化學(xué)計量天然氣發(fā)動機相比，LBSI發(fā)動機 具有成本和性能優(yōu)勢。然而，LBSI天然氣發(fā)動機的一個問題是，曱烷 氧化催化劑會由于暴露于硫氧化物(S0x)而遭到抑制，即使硫氧化物濃 度極低亦會如此，從而導(dǎo)致曱烷氧化轉(zhuǎn)化效率下降。人們認為，S0x 被化學(xué)吸收到催化劑修補基面涂層(wash coat)上，從而有效阻擋住 曱烷的轉(zhuǎn)化部位。舉例而言，實驗結(jié)果已經(jīng)表明，僅為lppm(w/w) 的S0x濃度水平，在小于50小時的運行時間內(nèi)，可以導(dǎo)致曱烷轉(zhuǎn)化效 率降低25%，且這樣的濃度可由存在于天然氣和發(fā)動機潤滑油中的硫 引入到發(fā)動機排放氣體中。例如，對排放氣體中S0x的貢獻者可以是 通常加入天然氣中用于嗅覺檢測的添味劑。
Engelhard公司為氣體研究所(Gas Research Institute)編寫 的一份題為 "Catalyst Development for Methane Emissions Abatement From Lean Burn Natural Gas Vehicles (用于從貧燃天 然氣車輛減小曱烷排放的催化劑開發(fā))"、注明日期為1997年11月 的報告，報告了于1994年1月到1997年5月之間完成的、目的是開 發(fā)一種貧燃天然氣車輛的催化轉(zhuǎn)化器的工作，該催化轉(zhuǎn)化器將在車輛 的整個使用壽命期間持續(xù)地氧化甲烷。含鈀(Pd)的催化劑，如鈀/氧化 鋁(A1203)，被發(fā)現(xiàn)是用于從天然氣發(fā)動機消減甲烷排放的最活潑的催 化劑。Engelhard公司在其最終報告中報告，其未能達到其目的，因 為存在于發(fā)動機的排放氣體中的S0x抑制了催化劑活性。Engelhard 公司的研究集中于開發(fā)一種耐硫催化劑以及在接近地類似真實天然氣
車輛排氣的實驗室條件下調(diào)查鈀氧化催化劑的去活機理。
已出版的SAE技術(shù)論文961971,題為"Methane Emissions
Abatement from Lean Burn Natural Gas Vehicle Exhaust: Sulfur，s Impact on Catalyst Performance (從貧燃天然氣車輛的排氣中消減 曱烷排放硫?qū)Υ呋瘎┬阅艿挠绊?"，其作者為Engelhard公司的雇 員。在該SAE技術(shù)論文的第18頁，作者公開了一種周期性熱還原再生 的策略，使得催化劑在存在硫的情況下保持可接受的活性。具體而言， 所公開的策略包括，運行天然氣發(fā)動機以在持續(xù)14.5分鐘的貧燃、高 空間速度模式和持續(xù)30秒的富燃、低空間速度模式之間循環(huán)催化劑。 催化劑溫度從在貧燃模式期間的550攝氏度升高到富燃模式期間的大 約650攝氏度。作者從它們的實驗結(jié)果得出，該策略僅僅延遲了催化 劑甲烷活性的最終衰減。
已公布的日本專利申請JP20002000058777號(公布號 JP2003254117A2)，題為"Exhaust Emission Controlling Method (排 氣排放控制方法)"('58777申請)，類似于SAE技術(shù)論文961971,該 申請公開了一種交替地在過量空氣的貧燃氣氛下和過量燃料的富燃氣 氛下燃燒燃料的方法。源自在富燃氣氛下燃燒燃料的排放氣體，使得 受抑制的催化劑部位受到還原氣氛影響，這種還原氣氛使受抑制的催 化劑部位再生，從而恢復(fù)曱烷氧化催化劑活性和恢復(fù)甲烷氧化轉(zhuǎn)化率。 根據(jù)'58777申請，可以通過計算何時催化劑的甲烷轉(zhuǎn)化效率下降一預(yù) 定量，來確定使受抑制的催化劑部位再生的定時，而這種計算基于多 個參數(shù)，包括排放氣體中的硫濃度、空燃比和排放氣體溫度。這種方 法的問題在于，其增加了控制該發(fā)動機的復(fù)雜程度，因為該方法包括 計算使甲烷氧化催化劑脫硫的定時，以及在貧燃或富燃模式下運行發(fā) 動機的兩種控制策略的定時，因為對應(yīng)于在富燃模式下運行的定時取 決于可以在發(fā)動機特性曲線圖(engine map)上的任意一點發(fā)生的、 所計算的定時。
因此，存在對改進的控制策略的需求，該改進的控制策略運行以 甲烷作燃料的發(fā)動機，以簡單、有效地實現(xiàn)一些與以甲烷作燃料的LBSI
發(fā)動機相關(guān)的低排放的優(yōu)點，同時通過管理曱烷氧化催化劑的性能和 脫硫來減少未燃曱烷的排放。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種方法，該方法用于運行以甲烷作燃料的發(fā)動機并處理 來自該發(fā)動機的排放氣體，以減少甲烷和氮氧化物的排放。在該方法 的優(yōu)選實施方案中，發(fā)動機以天然氣為燃料。所公開的方法包括，當 在發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第一點集中的一點運行發(fā)動機時，為該
發(fā)動機供給貧燃料混合物作燃料；當在發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第 二點集中的一點運行發(fā)動機時，為該發(fā)動機供給富燃料混合物作燃料; 以及使來自該發(fā)動機的排放氣體流過曱烷氧化催化劑。
舉例而言，發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第二點集，可關(guān)聯(lián)于何時 該發(fā)動機在預(yù)定的高發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)且在預(yù)定的低發(fā)動機負荷范圍 內(nèi)運行。在一個優(yōu)選的方法中，通過何時該發(fā)動機以少于最大發(fā)動機 負荷的20%的負荷運行，來定義該預(yù)定的低發(fā)動機負荷范圍，通過何 時該發(fā)動機以為最大發(fā)動機轉(zhuǎn)速的至少80%的速度運行，來定義該預(yù) 定的高發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍。優(yōu)選地，發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第二點 集，關(guān)聯(lián)于何時該發(fā)動機在預(yù)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)且在預(yù)定的發(fā)動 機負荷范圍內(nèi)運行，其中發(fā)動機可以，并被控制為，在化學(xué)計量運行 模式下運行，并使得在該發(fā)動機和曱烷氧化催化劑之間的排放氣體溫 度為至少600攝氏度，更優(yōu)選地在650攝氏度和800攝氏度之間。在 一個實施方案中，以富燃料混合物運行的預(yù)定的發(fā)動機負荷范圍對應(yīng) 于何時進氣歧管壓力小于大約85kPa的絕對壓力(大約12psia)。
當發(fā)動機正在以化學(xué)計量運行模式運行時，可以通過減少經(jīng)過進 氣歧管進入發(fā)動機的燃燒室的空氣質(zhì)量單位流量，來產(chǎn)生富燃料混合 物。在一些實施方案中，可以通過對通過進氣通路的空氣流進行節(jié)流， 來降低空氣質(zhì)量單位流量。裝配有渦輪增壓器的以曱烷作燃料的發(fā)動 機，可以通過開啟廢氣門閥使得排放氣體中的一部分繞過該渦輪增壓 器的渦輪，來降低空氣質(zhì)量單位流量。如果渦輪增壓器是可變幾何形 狀渦輪增壓器或可變噴嘴渦輪增壓器，則相應(yīng)的幾何形狀或噴嘴均可 以被控制，以減小空氣質(zhì)量單位流量。
在一個優(yōu)選的方法中，當發(fā)動機以貧燃料混合物運行時，在燃燒 室中形成的充氣的平均X是至少1. 3，且優(yōu)選地在1. 3和1.7之間。 該方法還可以包括為以甲烷作燃料的發(fā)動機供給包括甲烷和氫氣的 燃料混合物作燃料，并控制貧燃料混合物使之具有在1. 3和2. 0之間
的平均k。當發(fā)動機以富燃料混合物運行時，在燃燒室內(nèi)形成的充氣
的平均X小于或等于1. 0，優(yōu)選地在0. 95和1. 0之間。
該優(yōu)選的方法還包括，啟動一火花塞，以促進貧燃料和富燃料混 合物的點火，并且當為發(fā)動機供給貧燃料混合物作燃料時，將啟動該 火花塞的定時提前到一個更早的時間。
該方法優(yōu)選地包括在存在由甲烷氧化催化劑提供的鈀的情況下， 使排放氣體內(nèi)的所述曱烷氧化。在一個實施方案中，可以將鈀滲入包 含氧化鋁的修補基面涂層中，且該修補基面涂層可被沉積在包含碳化 硅或硅酸鋁鎂(稱為"堇青石，，)的陶瓷載體上。在一些實施方案中， 該方法可包括將修補基面涂層沉積在金屬載體上。
在一些優(yōu)選的方法中，甲烷氧化催化劑在發(fā)動機以貧燃料混合物 為燃料時，促進甲烷的氧化，且在發(fā)動機以富燃料混合物為燃料時， 促進將氮氧化物還原成氮氣。
該方法還可以包括命令發(fā)動機在為發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第 二點集中的一個點的點運行一段預(yù)定時間，作為發(fā)動機的啟動序列中 的一個步驟。如果發(fā)動機是車輛或機器的原動機，控制器可被編程為， 識別當所述車輛或機器靜止時的預(yù)定義狀況，且命令發(fā)動機在為發(fā)動 機特性曲線圖上的預(yù)定第二點集中的一個點的點運行一段預(yù)定時間或 直到該車輛不再靜止，以先到的時間為準。
公開了一種以曱烷作燃料的發(fā)動機，該以曱烷作燃料的發(fā)動機包
括進氣歧管，其限定一通路，空氣可通過該通路流入發(fā)動機的燃燒室； 燃料計量閥，其可操作以調(diào)節(jié)通過燃料供應(yīng)管道引入燃燒室的、包含 曱烷的燃料的質(zhì)量單位流量；布置在進氣歧管內(nèi)的節(jié)流閥，用于調(diào)節(jié) 引入燃燒室的空氣的質(zhì)量單位流量；排氣歧管，其限定與燃燒室連通 的通路，用于從燃燒室接收燃燒產(chǎn)物，并將燃燒產(chǎn)物導(dǎo)引到排氣管； 置于該排氣管中的甲烷氧化催化劑；與以甲烷作燃料的發(fā)動機相關(guān)聯(lián) 的至少一個傳感器，用于計算或測量排氣歧管或進氣歧管中的1;以 及電子控制器，其被編程以在發(fā)動機特性曲線圖上的相應(yīng)的預(yù)定點以 貧燃模式和富燃料模式之一運行發(fā)動機。
在一優(yōu)選實施方案中,所述至少一個傳感器是k傳感器，其帶有 置于排氣歧管或排氣管中所述甲烷氧化催化劑上游的傳感探頭，且該
X傳感器可操作以向電子控制器發(fā)送表示所測5t值的信號。
在另一優(yōu)選實施方案中，所述至少一個傳感器包括與進氣歧管相 關(guān)聯(lián)的第 一質(zhì)量流量傳感器和與燃料供應(yīng)管道相關(guān)聯(lián)的笫二質(zhì)量流量 傳感器，且該第 一和第二質(zhì)量流量傳感器可操作以向電子控制器發(fā)送 表示相應(yīng)的空氣和燃料質(zhì)量單位流量的信號，且該電子控制器可編程 以計算在燃燒室中形成的充氣的X。
在又一優(yōu)選實施方案中，所述至少一個傳感器包括與進氣歧管 相關(guān)聯(lián)的第一溫度傳感器；與進氣歧管相關(guān)聯(lián)的第一壓力傳感器；與燃 料供應(yīng)管道相關(guān)聯(lián)的第二溫度傳感器；與燃料供應(yīng)管道相關(guān)聯(lián)的第二 壓力傳感器；并且電子控制器可編程以處理從第一和第二溫度傳感器 及第一和第二壓力傳感器收集到的數(shù)據(jù)，以計算在燃燒室內(nèi)形成的充 氣的丄。
在優(yōu)選的設(shè)備中，甲烷氧化催化劑包括鈀。鈀可以被滲入包含氧 化鋁的修補基面涂層中，且該#"補基面涂層可以沉積在包含碳化珪或 硅酸鋁鎂的陶資載體上。在另一實施方案中，該修補基面涂層可沉積 在金屬載體上。
曱烷氧化催化劑由多種成分組成。 一般而言，優(yōu)選地甲烷氧化催 化劑包括至少一種催化活性成分，即選自由鈀、鉑和銠組成的組的貴 金屬。甲烷氧化催化劑優(yōu)選地還包括至少一種儲氧成分，該儲氧成分 選自由二氧化鈰(稱為"鈰土")以及鈰和鋯的組合(combination)組
成的組。此外，甲烷氧化催化劑優(yōu)選地還包括針對硫化氫的清除劑。 甲烷氧化催化劑可以是為汽車應(yīng)用而開發(fā)的那種類型的三效催化劑， 盡管這種催化劑的配方尚未被開發(fā)用于以曱烷作燃料的貧燃發(fā)動機。
在一優(yōu)選實施方案中，當發(fā)動機在貧燃模式下運行時，曱烷氧化 催化劑包括用于氧化曱烷的鈀，且當發(fā)動機在化學(xué)計量模式下運行時， 甲烷氧化催化劑還包括用于將氮氧化物還原成氮氣的銠。曱烷氧化催 化劑還可以包括充當儲氧成分的二氧化鈰和針對>^化氫的清除劑。
燃料可以采用多種方式引入發(fā)動機的進氣歧管。例如，發(fā)動機可 以包括端口燃料噴射閥，用于將燃料引入位于進氣歧管和燃燒室之間 的進氣端口。在另一實施方案中，可以采用噴頭(sparger)來將來自 燃料供應(yīng)管道的燃料引入進氣歧管中節(jié)流閥的上游。代替噴頭，發(fā)動 機可以包括設(shè)置在進氣歧管的處于節(jié)流閥上游的壁中的多個端口 ，其 中來自燃料供應(yīng)管道的燃料可從充氣室流經(jīng)所述多個端口而進入進氣 歧管。該布置與噴頭相比的優(yōu)點在于，它不阻擋通過進氣歧管的任何 流通面積。
在又一實施方案中，發(fā)動機可包括帶有置于燃燒室內(nèi)的噴嘴的燃 料噴射閥，用于將該燃料直接引入燃燒室。燃料可以在進氣沖程期間 或在壓縮沖程的早期燃燒室的壓力仍然較低時被引入燃燒室。
公開的本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)點。與以天然氣為燃料的化
學(xué)計量發(fā)動機或，244專利所教導(dǎo)的以更富燃料的混合物運行的發(fā)動機 相比，本文所公開的發(fā)動機和方法可以在大多數(shù)時間中以貧燃模式運 行，以實現(xiàn)較低的N0x和二氧化碳排放，同時當該發(fā)動機在發(fā)動機特 性曲線圖的預(yù)定區(qū)域內(nèi)運行時，僅以富燃料混合物運行。SAE技術(shù)論 文961971的作者描述了一種在貧燃模式下運行14. 5分鐘、在富燃料 模式下運行30秒鐘的方法，但他們的結(jié)論是，該方法僅僅延遲了催化 劑性能的最終衰減。不同于SAE技術(shù)論文981971中所教導(dǎo)的方法，本 文所公開的方法和設(shè)備的實驗結(jié)果表明，在最大加燃料水平下甲烷氧 化催化劑性能可以被恢復(fù)到85%到90。/。的甲烷轉(zhuǎn)化率。本文所公開的方 法還比定時周期性催化劑脫硫循環(huán)更容易實現(xiàn)，因為并不需要針對貧 燃和富燃料模式的兩種并行的發(fā)動機控制策略。在采用定時脫硫循環(huán) 的情況下，當處于是進行脫硫循環(huán)的時間時，發(fā)動機可能在發(fā)動機特 性曲線圖上的任意位置的狀況下運行，因此對于發(fā)動機特性曲線圖上 的每個運行點都需要并行的控制策略。采用本文所公開的方法和設(shè)備， 當發(fā)動機在發(fā)動機特性曲線圖的預(yù)定區(qū)域內(nèi)運行時，該發(fā)動機僅以富 燃料模式運行。日本專利申請JP20002000058777號也公開了一種在貧 燃和富燃料運行模式之間周期性地切換的方法，但此方法具有和SAE 技術(shù)論文981971所教導(dǎo)的方法相同的缺點。
因此，本文所公開的方法和設(shè)備，提供了一種用于運行以甲烷作 燃料的發(fā)動機的途徑，與以曱烷作燃料的化學(xué)計量發(fā)動機相比，其可 以減少NOx和二氧化碳的排放。實驗結(jié)果已經(jīng)表明，所公開的方法和 設(shè)備可以允許以曱烷作燃料的發(fā)動機在大多數(shù)時間以貧燃模式運行， 而同時當該發(fā)動機在發(fā)動機特性曲線圖的預(yù)定區(qū)域內(nèi)運行時通過以富
燃料模式運行而維持甲烷氧化催化劑的轉(zhuǎn)化效率。


圖l是用于實施所公開的方法的設(shè)備的示意圖。該設(shè)備包括燃料 噴射系統(tǒng)、發(fā)動機燃燒室、催化轉(zhuǎn)化器以及電子控制器。在該實施方 案中，端口噴射器被用來將燃料引入進氣端口，置于排氣管中甲烷氧 化催化劑的上游的l傳感器被用來控制傳送到燃燒室的充氣的空燃 比。
圖2是用于實施所公開的方法的設(shè)備的第二實施方案的示意圖。 圖2的設(shè)備類似于圖1中的設(shè)備，只是采用了噴頭來將燃料引入進氣 歧管，并且用于進入的空氣和燃料的質(zhì)量流量傳感器被用來替代X傳 感器以控制傳送到燃燒室的充氣的空燃比。
圖3是用于實施所公開的方法的設(shè)備的第三實施方案的示意圖。 圖3的設(shè)備和圖l與圖2中的設(shè)備類似，只是燃料可通過多個端口引 入進氣歧管，且采用溫度和壓力傳感器測量進入的空氣和燃料的溫度 和壓力，使得電子控制器可以計算空氣和燃料的質(zhì)量流量，從而控制 傳送到燃燒室的充氣的空燃比。圖3還示出了具有包括渦輪增壓器和 廢氣門的渦輪增壓系統(tǒng)的實施方案。具有渦輪增壓系統(tǒng)的發(fā)動機可以 用該渦輪增壓系統(tǒng)控制傳送到燃燒室的充氣的空燃比。
圖4是一幅發(fā)動機特性曲線圖，示出了該特性曲線圖上的、發(fā)動 機可以貧燃料混合物運行的區(qū)域以及發(fā)動機可以富燃料混合物運行的 區(qū)域。
圖5是針對不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速的、X與發(fā)動機負荷的曲線圖。繪出 了多條線，每條線對應(yīng)于一個不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。此圖以舉例方式示 出了所述方法的應(yīng)用，顯示了可如何在貧燃狀況下以大多數(shù)發(fā)動機轉(zhuǎn) 速和發(fā)動機負荷運行發(fā)動機，且表明目標k可被確定為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和 負荷的函數(shù)。
圖6是甲烷濃度與時間的曲線圖，示出了通過應(yīng)用所公開的方法 而造成的對甲烷氧化催化劑的再生效應(yīng)。所標示出的數(shù)據(jù)來自實驗結(jié) 果，其顯示出了所公開的方法在使曱烷氧化催化劑再生方面的效果。
具體實施例方式
參照附圖，帶有相隔100的倍數(shù)的相似附圖標記的、名稱相似的
部件，在不同的實施方案中指相似的部件。
圖i是用于實施所公開的方法的設(shè)備ioo的示意圖。該設(shè)備包括
燃料噴射系統(tǒng)110、發(fā)動機燃燒室120、催化轉(zhuǎn)化器140和電子控制器 150。在該實施方案中，燃料噴射系統(tǒng)110包括端口噴射器112,端口 噴射器112將來自燃料供應(yīng)管道114的燃料引入進氣端口 116?？諝?通過進氣歧管118流入燃燒室120,節(jié)流閥119調(diào)節(jié)經(jīng)過進氣歧管118 的空氣流動。燃燒室120由汽缸體122、活塞124以及汽缸蓋126限 定。發(fā)動機可以包括火花塞128，火花塞128用于觸發(fā)在燃燒室120 內(nèi)的充氣的點火。如對于內(nèi)燃機所公知的，進氣閥門130可操作以控 制從進氣歧管118進入燃燒室120的空氣和燃料混合物的流動，排氣 閥門132可操作以控制燃燒產(chǎn)物從燃燒室120至排氣歧管134的流動。 排放氣體從排氣歧管134流到設(shè)置在催化轉(zhuǎn)化器140內(nèi)部的曱烷氧化 催化劑。上述排放氣體從催化轉(zhuǎn)化器140流向發(fā)動機排氣管142。
在由圖1示出的實施方案中，k傳感器152被置于處于甲烷氧化 催化劑上游的排氣歧管134中。來自傳感器152的X測量被用來控制 傳送到燃燒室的充氣的空燃比。根據(jù)所公開的本發(fā)明，采用從l傳感 器152接收到的數(shù)據(jù)，電子控制器150可編程以在大多數(shù)運行狀況下 以貧燃模式運行發(fā)動機，其中傳送到燃燒室120的充氣具有大于1.1 的平均L在某些預(yù)定義的發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定運行狀況一一 例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速的預(yù)定義范圍以及發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的預(yù)定義范圍——下， 發(fā)動機被控制為以較富的空氣-燃料混合物運行，其中傳送到燃燒室 120的充氣所具有的1小于或等于約1. 0,且優(yōu)選地介于0. 95和1. 0 之間。在圖l的實施方案中，電子控制器150處理來自X傳感器152 的1測量，并根據(jù)發(fā)動機特性曲線圖確定對于給定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā) 動機轉(zhuǎn)矩的當前值，目標1是什么。在該實施方案中，因為難于測量 燃燒室內(nèi)的X，且由于燃料噴射系統(tǒng)采用端口噴射器而難于測量燃燒 室上游的k,所以X傳感器位于排氣歧管134中。然而，根據(jù)在排氣 歧管134中或在排氣管中催化轉(zhuǎn)化器140上游的任意點獲得的k測量, 電子控制器150可以確定燃燒室120內(nèi)的3u因此，使用通過傳感器
152獲得的X測量，電子控制器150可以使用節(jié)流閥119和端口噴射 器112來根據(jù)發(fā)動機特性曲線圖控制X，使得發(fā)動機大多數(shù)時間以貧 燃模式運行(平均X介于1. 3和1. 7之間)，而在發(fā)動機特性曲線圖的 預(yù)定區(qū)域中以化學(xué)計量模式運行(X小于或等于約1.0，且優(yōu)選地介于 0. 95和1. O之間)，且通過該方法，曱烷氧化催化劑周期性地再生以 從催化劑的活性部位驅(qū)走硫，并恢復(fù)曱烷轉(zhuǎn)化效率。
圖2是可用于實施所公開的方法的設(shè)備的第二實施方案的示意 圖。設(shè)備200與設(shè)備100類似，只是噴頭212被用來將燃料引入進氣 歧管，且分別用于測量進入的空氣和燃料的質(zhì)量流量的質(zhì)量流量傳感 器254和256被用來取代1傳感器，以控制傳送到燃燒室的充氣的空 燃比。
設(shè)備200包括燃料噴射系統(tǒng)210、發(fā)動機燃燒室220、催化轉(zhuǎn)化器 240和電子控制器250。噴頭212將來自燃料供應(yīng)管道214的燃料引 入進氣歧管218中節(jié)流閥2 19的上游。燃料和空氣在被引入燃燒室 220之前，在進氣歧管218內(nèi)混合。節(jié)流閥219調(diào)節(jié)進入燃燒室220 的空氣-燃料混合物的流動。燃燒室220由汽缸體222、活塞224以及 汽缸蓋226限定。發(fā)動機可包括火花塞228,火花塞228用于觸發(fā)在 燃燒室220內(nèi)部的充氣的點火。設(shè)備200還包括進氣閥門230，其 可操作以允許空氣和燃料混合物進入燃燒室120;和排氣閥門232,其 可操作以允許燃燒產(chǎn)物從燃燒室220流到排氣歧管234。排放氣體從 排氣歧管234流到設(shè)置在催化轉(zhuǎn)化器240內(nèi)部的甲烷氧化催化劑。所 述排放氣體從催化轉(zhuǎn)化器240流向發(fā)動機排氣管242。
設(shè)備200可用來以與設(shè)備100相同的方式實施所討論的方法，只 是確定燃燒室中的1的方式有所不同?？刂破?50使用來自傳感器254 和256的質(zhì)量流量測量確定X,而非使用X測量。于是電子控制器可 以運行燃料計量閥215和節(jié)流閥219以使得k大于1.1，以在大多數(shù) 狀況下以貧燃模式運行，且使得在發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定區(qū)域中， X小于或等于1. 0并優(yōu)選地介于0. 95和1. 0之間。
圖3是可用于實施所公開的方法的設(shè)備的第三實施方案的示意 圖。設(shè)備300使用從燃料供應(yīng)管道314通向進氣歧管318的端口環(huán)312, 且采用溫度和壓力傳感器測量進入的空氣和燃料的溫度和壓力，使得 電子控制器可以計算空氣和燃料的質(zhì)量流量，從而控制傳送到燃燒室 的充氣的空燃比。
設(shè)備300包括燃料噴射系統(tǒng)310、發(fā)動機燃燒室320、催化轉(zhuǎn)化器 340和電子控制器350。 一環(huán)形充氣室向端口 212供應(yīng)燃料，且燃料流 入進氣歧管318內(nèi)節(jié)流閥319的上游。類似于設(shè)備200，在空氣-燃料 混合物被引入燃燒室320以在其中形成充氣之前，空氣和燃料可以在 進氣歧管318中進行一定程度的混合。節(jié)流閥319可以被用來調(diào)節(jié)進 入燃燒室320的空氣-燃料混合物的流動。
燃燒室320由汽缸體322、活塞324以及汽缸蓋326限定。發(fā)動 機可包括火花塞328，火花塞328用于觸發(fā)在燃燒室320內(nèi)部的充氣 的點火。設(shè)備300還包括進氣閥門330,其可操作以允許空氣和燃 料混合物進入燃燒室320;和排氣閥門332,其可操作以允許燃燒產(chǎn)物 從燃燒室320流入排氣歧管334。
在此實施方案中，從排氣歧管334流出的排放氣體可被導(dǎo)向渦輪 增壓器338的渦輪，或者可通過操作廢氣門閥336,被引導(dǎo)繞開該渦 輪。進氣口 316將進氣引導(dǎo)到渦輪增壓器338，然后通過空氣通路317 到進氣歧管318。如發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，渦輪增壓器338 由排放氣體驅(qū)動，且可以被用來增大進氣的壓力。在排放氣體流出該 渦輪之后，排氣管339將排放氣體導(dǎo)向催化轉(zhuǎn)化器340。當廢氣門閥 336打開時，排放氣體流經(jīng)排氣管337至催化轉(zhuǎn)化器340。渦輪增壓器 338的渦輪可為可變幾何形狀渦輪或可變噴嘴渦輪。通過控制廢氣門 以控制通過該渦輪的排放氣體的量，和/或通過控制該渦輪的可變幾何 形狀或噴嘴，經(jīng)過進氣歧管118的空氣質(zhì)量流量得到控制，由此可以 與燃料計量閥315協(xié)同運作控制X。也即，可以通過控制燃料計量閥 315和節(jié)流閥119，并結(jié)合如下之一對l進行控制廢氣門336,或渦 輪增壓器338的可變幾何形狀或可變噴嘴渦輪，或廢氣門336和渦輪 增壓器338的可變幾何形狀或可變噴嘴渦輪。
類似于其他實施方案，設(shè)備300可以用來實施所討論的方法。電 子控制器350可以根據(jù)通過空氣溫度傳感器358和空氣壓力傳感器 360獲得的測量來計算空氣質(zhì)量單位流量。類似地，電子控制器350 可根據(jù)通過燃料溫度傳感器362和燃料壓力傳感器364獲得的測量來
計算燃料質(zhì)量單位流量。然后電子控制器350可以參照發(fā)動機特性曲 線圖，基于當前發(fā)動機運行狀況來確定所需的運行模式(貧燃或化學(xué)計 量)。當發(fā)動機在發(fā)動機特性曲線圖的預(yù)定區(qū)域內(nèi)運行時，電子控制器 350控制燃料計量閥315和節(jié)流閥319以將較富的燃料混合物傳送到 燃燒室，優(yōu)選地X介于O. 95和1. O之間。當發(fā)動機在以較富的燃料混 合物運行的預(yù)定區(qū)域以外的一點運行時，電子控制器350控制燃料計 量閥315和節(jié)流閥319以傳送貧燃料混合物到燃燒室，優(yōu)選地平均X 介于l. 1和1.7之間。
圖l到3說明了用于實施所公開的方法的設(shè)備的不同實施方案。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，可以不偏離所公開的設(shè)備的精神和范 圍而對所示出的實施方案作出改變。例如，在圖3中所示的用于將燃料 引入進氣歧管的端口環(huán)312，可代替圖2中的具有同樣效果的噴頭212。 在其他的變化中，圖1的X傳感器可代替圖2和圖3中示出的實施方 案中的傳感器，或圖2中的燃料質(zhì)量流量傳感器256可代替圖3的實 施方案中的壓力和溫度傳感器362和364。所公開的設(shè)備的重要特征 在于與以甲烷作燃料的發(fā)動機相關(guān)聯(lián)的至少一個傳感器一一其測量 可由電子發(fā)動機控制器用來直接計算或測量排氣歧管或進氣歧管中的 k的參數(shù)；和這樣一個或多個傳感器與電子發(fā)動機控制器的組合，其 可以命令并控制發(fā)動機在大多數(shù)運行狀況下以貧燃模式運行，并且在 由發(fā)動機特性曲線圖定義的預(yù)定狀況下以較接近于化學(xué)計量的較富的 燃料混合物運行，使得X小于或等于大約1.0。
圖4是發(fā)動機特性曲線圖的例示，其中發(fā)動機轉(zhuǎn)矩在y軸上而發(fā) 動機轉(zhuǎn)速在x軸上。線4QQ限定了發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩上限，使得在線400 和x軸之間的空間是發(fā)動機的運行范圍。圖4中的軸并未示出單位， 因為此圖例示了該目前公開的方法所教導(dǎo)的途徑，該方法可應(yīng)用于任 何發(fā)動機的發(fā)動機特性曲線圖。根據(jù)該方法，發(fā)動機被控制以在大多 數(shù)運行狀況下以貧燃模式運行，而在某些預(yù)定運行狀況下以化學(xué)計量 模式運行。在圖4中，區(qū)域401是示出的發(fā)動機特性曲線圖上的、發(fā) 動機被控制以貧燃模式運行的空間。也即，當發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn) 速限定發(fā)動機特性曲線圖上區(qū)域401中的一點時，發(fā)動機控制器控制 進氣歧管中的空燃比，以按照大于1. 1的平均X向發(fā)動機的燃燒室傳
送充氣。線402限定區(qū)域403的邊界，區(qū)域403是發(fā)動機特性曲線圖 上的、發(fā)動機被控制以較接近于化學(xué)計量的較富的燃料混合物運行的 預(yù)定區(qū)域。也即，當發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)速限定發(fā)動機特性曲線閨 上區(qū)域403中的一點時，發(fā)動機控制器控制空燃比，以按照介于約0. 95 和1. O之間的平均X向發(fā)動機的燃燒室傳送充氣。
在圖4中，由線402限定的、燃燒較富的燃料混合物的預(yù)定區(qū)域， 在某種程度上是任意的。該預(yù)定區(qū)域可以是發(fā)動機特性曲線圖上的任 意區(qū)域，但是優(yōu)選地處于被頻繁使用但代表預(yù)期的正常工作循環(huán)的一 個小比例的區(qū)域中，使得發(fā)動機主要以貧燃模式運行。此外，如下文 關(guān)于圖6更詳細描述的，為在脫硫循環(huán)結(jié)束時減少對催化劑進行氧化 的時間，優(yōu)選地，在發(fā)動機特性曲線圖上選擇進行化學(xué)計量運行的區(qū) 域，使得當發(fā)動機在化學(xué)計量運行模式下運行時該區(qū)域中排放氣體溫 度通常高于600攝氏度，更優(yōu)選地，高于650攝氏度。
圖5示出了針對不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速的、3t與發(fā)動機負荷的曲線圖， 其可以用來實現(xiàn)圖4所示的發(fā)動機特性曲線圖。在圖5中右手側(cè)的圖 例給出了用來繪制與以rpm為單位的不同發(fā)動機運轉(zhuǎn)速度相對應(yīng)的線 的獨特記號。根據(jù)所公開的方法，對于發(fā)動機運行特性曲線圖上的大 多數(shù)點，發(fā)動機在平均X大于1.1的貧燃模式下運行。被編程到發(fā)動 機特性曲線圖中的理想的X,隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速改變，隨著發(fā)動機負荷 增高而逐漸增大，而且對于較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速理想的X通常較高。該 模式的例外情況是，當發(fā)動機在"化學(xué)計量"運行模式下運行時(這 在該實施例中是當X小于或等于1. 0時)該發(fā)動機正在預(yù)定義的發(fā)動 機轉(zhuǎn)速和負荷范圍內(nèi)運行之時，或發(fā)動機正在從化學(xué)計量運行模式轉(zhuǎn) 到正常的貧燃運行模式之時。在圖5的實施例中，對于化學(xué)計量運行 模式，該預(yù)定義的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍是在2500和2800rpm之間，且該預(yù) 定義的發(fā)動機負荷范圍是從O到最大負荷的大約20%。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速 是3000rpm且發(fā)動機負荷小于最大發(fā)動機負荷的50°/。時，X被控制為有 助于從化學(xué)計量運行模式轉(zhuǎn)換到貧燃運行模式的值，反之亦然。
遵循一系列的被確定為發(fā)動機負荷與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之函數(shù)的預(yù)定k
以降低發(fā)動機排放，同時當在預(yù)定義的狀況下發(fā)動機在化學(xué)計量運行
模式下運行時自動地進行對甲烷氧化催化劑的周期性脫硫。
圖6是實驗數(shù)據(jù)的曲線圖，其示出了所公開的方法在使已經(jīng)因吸 收S0x而受到抑制的曱烷氧化催化劑再生方面的效果。該數(shù)據(jù)收集自 以天然氣為燃料的CumminsTM 5. 9升發(fā)動機。甲烷氧化催化劑包括滲 有鈀的催化性氧化鋁修補基面涂層，該修補基面涂層沉積在包含硅酸 鋁鎂的載體上。在其他實施方案中，載體可為金屬或碳化硅。圖6繪 出了在曱烷氧化催化劑下游的排放氣體中的甲烷濃度，其中濃度以百 萬分之…(ppm)為單位測量。圖6中繪出的數(shù)據(jù)說明了從貧燃運行模 式切換到化學(xué)計量運行模式對曱烷濃度的影響。在左手側(cè)，發(fā)動機正 在貧燃運行模式下運行，曱烷濃度為大約675ppm。在所示出的數(shù)據(jù)中， 已使曱烷氧化催化劑的轉(zhuǎn)化效率顯著下降，以更好地說明所公開的方 法的再生能力。也即，在圖的左手側(cè)，催化劑的曱烷轉(zhuǎn)化效率為約65 % ，且因?qū)0x吸收到甲烷氧化催化劑的活性部位而導(dǎo)致催化活性被 嚴重抑制。在通過所公開的方法對甲烷氧化催化劑脫硫后，甲烷轉(zhuǎn)化 效率恢復(fù)到85-90 %。通過實施所公開的方法，無論何時發(fā)動機運行 在發(fā)動機特性曲線圖的、發(fā)動機控制器被編程而以化學(xué)計量運行模式 運行發(fā)動機的部分，都會發(fā)生脫硫，并且根據(jù)發(fā)動機特性曲線圖上的 化學(xué)計量區(qū)域的大小以及發(fā)動機的正常運行循環(huán)，脫硫可以足夠的頻 率進行，從而防止曱烷氧化催化劑被抑制到圖6中所示的程度，并且 使得將甲烷轉(zhuǎn)化效率恢復(fù)到85-90%所需的時間更少。
在圖6中，如圖例所示，對照相同的時間刻度繪制了三組數(shù)據(jù)。 以百萬分之...(ppm)為單位測量的曱烷濃度和以Nm為單位測量的發(fā)動 機轉(zhuǎn)矩共享在左手邊的y軸上帶單位的、從0到1000的相同刻度。以 每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)為單位測量的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，使用右手邊的y軸上帶單 位的、從0到3000的刻度。在所標示的時間刻度的大約1220秒處， 發(fā)動機運行模式從X在1.4和1.5之間的貧燃模式，切換到平均X約 為l的化學(xué)計量模式。在為收集該數(shù)據(jù)而進行的試驗中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速 保持恒定直至脫硫循環(huán)結(jié)束，但發(fā)動機負荷減少，如所繪出的發(fā)動機 轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩所示。這模擬了在發(fā)動機特性曲線圖的、發(fā)動機轉(zhuǎn) 速被保持在2800rpm左右且發(fā)動機負荷遠遠小于最大負荷的20%的預(yù) 定區(qū)域中切換到化學(xué)計量運行模式。存在與發(fā)動機負荷的變化和為幫
助脫硫而進行的使甲烷氧化催化劑到較高溫度的加熱相關(guān)的一些瞬態(tài) 效應(yīng)。在所繪出的甲烷濃度的數(shù)據(jù)中，因為甲烷傳感器的位置在甲烷 氧化催化劑的下游，在測量的甲烷濃度和正從存放甲烷氧化催化劑的 催化轉(zhuǎn)化器離開的排氣流中的曱烷濃度之間可能存在延遲。
圖6示出，采用所公開的方法，可以在很短的時段內(nèi)發(fā)生通過脫 硫?qū)崿F(xiàn)的曱烷氧化催化劑的再生。當排放氣體中過剩的甲烷轉(zhuǎn)化為一 氧化碳和氫氣，且氬氣通過與硫反應(yīng)生成H2S和H2S04而從甲烷氧化催 化劑中去除S0x時，發(fā)生脫硫。在所進行的實驗中，在化學(xué)計量運行 模式下運行的時段約60秒，但曱烷氧化催化劑脫硫是在約40秒后完 成。在該實驗中，因為切換是手動執(zhí)行，發(fā)動機在化學(xué)計量運行模式 下運行的時間比發(fā)生脫硫所需的時間長，而通過讓運行發(fā)動機的時間 超過脫硫所需的時間，確認了脫硫是以最大可能限度完成的。也即， 在大約1260秒標記處曱烷濃度的增加表明脫硫完成。當發(fā)動機被切換 回貧燃運行模式，且瞬態(tài)效應(yīng)已減退時，所測量的曱烷濃度證實，甲 烷轉(zhuǎn)化效率恢復(fù)到了 85-90 %。
雖然在圖6中未示出，但是當發(fā)動機切換到化學(xué)計量運行模式時， 被引導(dǎo)至?xí)跬檠趸呋瘎┑呐欧艢怏w的溫度升高。在產(chǎn)生圖6所示數(shù) 據(jù)的測試中，在1220秒標記之前的貧燃運行模式下，即使采用相對于 脫硫時段來說較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，進入催化轉(zhuǎn)化器的排放氣體的溫度 也為約645攝氏度。當發(fā)動機切換到化學(xué)計量運行模式時，發(fā)動機轉(zhuǎn) 矩低得多，但進入催化轉(zhuǎn)化器的排放氣體的溫度增大至約700攝氏度。 排放氣體溫度優(yōu)選地保持低于800攝氏度，因為高于此溫度的溫度會 損害曱烷氧化催化劑。當發(fā)動機在1275秒標記之后切換回貧燃運行模 式時，進入催化轉(zhuǎn)化器的排放氣體的溫度降回約645攝氏度?？梢韵?信，當甲烷氧化催化劑的溫度低于600攝氏度時，曱烷氧化催化劑的 脫硫較差，并且對于針對圖6中繪出的實驗數(shù)據(jù)而選擇的、發(fā)動機特 性曲線圖中的以化學(xué)計量運行模式運行的預(yù)定區(qū)域，當在化學(xué)計量運
行模式下以高發(fā)動機轉(zhuǎn)速和低發(fā)動機轉(zhuǎn)矩運行時，排放氣體處于對甲 烷氧化催化劑進行脫硫的理想溫度。
可以相信，當甲烷氧化催化劑處于氧化狀態(tài)時，曱烷氧化催化劑 在氧化甲烷方面更為有效，且在通過所公開的脫硫循環(huán)將硫從該催化
劑的活性部位驅(qū)除之后，甲烷氧化催化劑未被氧化。因此，在以化學(xué) 計量運行模式運行發(fā)動機并完成脫硫循環(huán)后，當發(fā)動機切換回貪燃運 行模式時，催化劑的甲烷轉(zhuǎn)化效率并未恢復(fù)，直到甲烷催化劑被氧化， 這解釋了，在從脫硫模式切換到正常的貧燃運行模式之后，在所測量
的甲烷濃度中觀察到的 一些瞬態(tài)效應(yīng)。
在正常運行狀況下，在實踐所公開的方法時，發(fā)動機可能會在隨 機的時間間隔中在化學(xué)計量狀況下運行。例如，當車輛正在調(diào)低速檔 或沿山向下滑行時，發(fā)動機可能暫時在發(fā)動機特性曲線圖上的被指定 進行化學(xué)計量運行的區(qū)域中運行?？梢曰诎l(fā)動機的預(yù)期運行周期來 選擇發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷范圍的大小，以提 供自動再生曱烷氧化催化劑的足夠時段。無論何時發(fā)動機在和化學(xué)計 量運行模式相關(guān)聯(lián)的預(yù)定義狀況下運行，甲烷氧化催化劑都可以完全 再生或部分再生，這取決于發(fā)動機在化學(xué)計量運行模式下運行的時間 長度。
因為曱烷氧化催化劑可以在短時段內(nèi)(在實驗實施例中，當催化
劑被嚴重抑制時，大約40秒)完全再生，所以發(fā)動機的啟動序列可以 可選地包括發(fā)動機暖機序列——該發(fā)動機暖機序列包括對甲烷氧化催 化劑的脫硫，這樣，發(fā)動機可以通過借助于再生曱烷氧化催化劑而將 甲烷轉(zhuǎn)化效率恢復(fù)到較高水平，來開始每個運行循環(huán)。也即，作為啟 動序列的一部分，發(fā)動機控制器可以被編程以命令發(fā)動機在發(fā)動機特 性曲線圖中的、發(fā)動機在化學(xué)計量運行模式下運行的區(qū)域內(nèi)運行一段 預(yù)定時間。在另一實施方案中，當車輛靜止時，發(fā)動機控制器可以被 編程以在其他預(yù)定時間在化學(xué)計量模式下運行。例如，如果所公開的 以曱烷作燃料的發(fā)動機是垃圾車的原動機，當該垃圾車靜止且發(fā)動機 控制器識別出操作員已經(jīng)停車來撿拾或傾倒裝載物時，發(fā)動機控制器 可命令發(fā)動機在化學(xué)計量運行模式下運行一段預(yù)定的時間或運行至該 車輛被命令從其靜止位置開始移動為止。在這些例子中(啟動和車輛靜 止時的預(yù)定時間)，同樣的方法用于甲烷氧化催化劑的脫硫。也即，發(fā) 動機在發(fā)動機特性曲線圖中的預(yù)定區(qū)域內(nèi)在化學(xué)計量運行模式下運 行。唯一的區(qū)別在于，發(fā)動機控制器可被編程為，當發(fā)動機控制器識 別出預(yù)定的運行狀況時，在該特性曲線圖的那部分運行發(fā)動機，而不
是當在運行發(fā)動機的正常過程中發(fā)動機在該特性曲線圖的那部分運行 時。
雖然已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的具體要素、實施方案和應(yīng)用，然 而可以理解的是，本發(fā)明并不限于此，因為本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不 偏離本公開內(nèi)容的范圍的前提下，尤其是根據(jù)前述教導(dǎo)，作出修改。
權(quán)利要求
1. 一種運行以甲烷作燃料的發(fā)動機并處理來自所述發(fā)動機的排放氣體以減少甲烷和氮氧化物排放的方法，所述方法包括:當在發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第一點集中的一點運行所述發(fā)動機時，為所述發(fā)動機供給貧燃料混合物作燃料；當在發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第二點集中的一點運行所述發(fā)動機時，為所述發(fā)動機供給富燃料混合物作燃料；以及使來自所述發(fā)動機的排放氣體流經(jīng)甲烷氧化催化劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)動機特性曲線圖上的 所述預(yù)定第二點集關(guān)聯(lián)于何時所述發(fā)動機在預(yù)定的高發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍 內(nèi)且在預(yù)定的低發(fā)動機負荷范圍內(nèi)運行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述預(yù)定的低發(fā)動機負荷范 圍通過何時所述發(fā)動機以小于最大發(fā)動機負荷的20%的負荷運4亍來定 義。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述預(yù)定的高發(fā)動機轉(zhuǎn)速范 圍通過何時所述發(fā)動機以為最大發(fā)動機轉(zhuǎn)速的至少80%的速度運行來 定義。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)動機特性曲線圖上的 所述預(yù)定第二點集關(guān)聯(lián)于何時所述發(fā)動機在預(yù)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) 且在預(yù)定的發(fā)動機負荷范圍內(nèi)運行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述預(yù)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍 是在2500rpm和2800rpm之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述預(yù)定的發(fā)動機負荷范圍 對應(yīng)于何時進氣歧管壓力小于大約85kPa的絕對壓力(大約12psia)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述預(yù)定的發(fā)動機負荷范圍 對應(yīng)于何時排出所述燃燒室的排放氣體的溫度是至少600攝氏度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述預(yù)定的發(fā)動機負荷范圍 對應(yīng)于何時排出所述燃燒室的排放氣體的溫度是至少650攝氏度且低 于800攝氏度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過降低通向所述發(fā)動機的 空氣質(zhì)量單位流量產(chǎn)生所述富燃料混合物。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過對通過進氣通路的空氣流進行節(jié)流降低所述空氣質(zhì)量單位流量。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中當所述以甲烷作燃料的發(fā) 動機裝配有渦輪增壓器時，通過開啟廢氣門閥來降低所述空氣質(zhì)量單 位流量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過控制可變幾何形狀渦 輪增壓器的幾何形狀來降低所述空氣質(zhì)量單位流量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過控制可變噴嘴渦輪增壓器的噴嘴來降低所述空氣質(zhì)量單位流量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述貧燃料混合物具有為至 少1.3的平均k。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述貧燃料混合物具有在 1.3和1.7之間的平均X。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括為所述以甲烷作燃料的 發(fā)動機供給包含甲烷和氫氣的燃料混合物作燃料，以及控制所述貧燃 料混合物使之具有在1. 3和2. 0之間的平均L
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述富燃料混合物具有小于 或等于1.0的平均X。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述富燃料混合物具有在 0. 90和1.0之間的平均5u
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括啟動一火花塞，以促進 所述貧燃料和富燃料混合物的點火，并且當為所述發(fā)動機供給所述貧 燃料混合物作燃料時，將啟動所述火花塞的定時提前到更早的時間。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當以所述富燃料混合物 運行所述發(fā)動機時，控制所述發(fā)動機以用大于600攝氏度的溫度將所 述排放氣體傳送到所述甲烷氧化催化劑。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當以所述富燃料混合物 運行所述發(fā)動機時，控制所述發(fā)動機以用大于650攝氏度且小于800 攝氏度的溫度將所述排放氣體傳送到所述甲烷氧化催化劑。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括為所述發(fā)動機供給天然 氣作燃料。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在存在由所述曱烷氧化 催化劑提供的鈀的情況下，對所述排放氣體中的甲烷進行氧化。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括將所述鈀滲入包含氧 化鋁的修補基面涂層中。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括將所述修補基面涂層 沉積在包含碳化硅或硅酸鋁鎂的陶t:載體上。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括將所述修補基面涂層 沉積在金屬載體上。
28. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述曱烷氧化催化劑，在 所迷發(fā)動機以貧燃料混合物作為燃料時，促進曱烷的氧化，且在所述 發(fā)動機以富燃料混合物作為燃料時，促進將氮氧化物還原成氮氣。
29. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)動機是車輛或機器的 原動機，且一控制器被編程以識別當所述車輛或機器靜止時的預(yù)定義 狀況，且命令所述發(fā)動機在為所述發(fā)動機特性曲線圖上的所述預(yù)定第 二點集中的一個點的點運行一段預(yù)定時間或直到所述車輛不再靜止， 以先到的時間為準。
30. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括命令所述發(fā)動機在為所 述發(fā)動機特性曲線圖上的所述預(yù)定第二點集中的 一個點的點運行一段 預(yù)定時間，作為所述發(fā)動機的啟動序列中的一個步驟。
31. —種以甲烷作燃料的發(fā)動機，包括進氣歧管，其限定一通路，空氣可通過該通路流入所述發(fā)動機的 燃燒室；燃料計量閥，其可操作以調(diào)節(jié)通過燃料供應(yīng)管道引入所述燃燒室 的、包含曱烷的燃料的質(zhì)量單位流量；節(jié)流閥，其設(shè)置在所述進氣歧管內(nèi)部，用于調(diào)節(jié)引入所述燃燒室 的空氣的質(zhì)量單位流量；排氣歧管，限定與所述燃燒室連通的通路，用于從所述燃燒室接 收燃燒產(chǎn)物，并將所述燃燒產(chǎn)物導(dǎo)引到排氣管；甲烷氧化催化劑，其設(shè)置于所述排氣管中；與所述以甲烷作燃料的發(fā)動機相關(guān)聯(lián)的至少一個傳感器，用于計 算或測量所述排氣歧管或所述進氣歧管中的k;以及 電子控制器，其被編程以在發(fā)動機特性曲線圖上的相應(yīng)的預(yù)定點 以貧燃模式與富燃料模式之一運行所述發(fā)動機。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，其中所述至少一個傳感器是 X傳感器，其帶有置于所述排氣歧管或所述排氣管中所述曱烷氧化催 化劑上游的傳感探頭，且所述l傳感器可操作以向所述電子控制器發(fā) 送表示所測k值的信號。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，其中所述至少一個傳感器包 括與所述進氣歧管相關(guān)聯(lián)的第 一質(zhì)量流量傳感器和與所述燃料供應(yīng)管 道相關(guān)聯(lián)的第二質(zhì)量流量傳感器，且所述第一和第二質(zhì)量流量傳感器 可操作以向所述電子控制器發(fā)送表示相應(yīng)的空氣和燃料質(zhì)量單位流量 的信號，且所述電子控制器可編程以計算在所述燃燒室中形成的充氣 的L
34. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，其中所述至少一個傳感器包括第一溫度傳感器，與所述進氣歧管相關(guān)聯(lián)； 第一壓力傳感器，與所述進氣歧管相關(guān)聯(lián)； 第二溫度傳感器，與所述燃料供應(yīng)管道相關(guān)聯(lián)； 第二壓力傳感器，與所述燃料供應(yīng)管道相關(guān)聯(lián)；并且 所述電子控制器可編程，以處理從所述第一和第二溫度傳感器及所述第一和第二壓力傳感器收集到的數(shù)據(jù)，以計算在所述燃燒室內(nèi)形成的充氣的k。
35. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，其中所述甲烷氧化催化劑包 含鈀。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的發(fā)動機，其中所述鈀被滲入包含氧化 鋁的修補基面涂層中。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的發(fā)動機，其中所述修補基面涂層被沉 積在包括碳化硅或硅酸鋁鎂的陶瓷載體上。
38. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的發(fā)動機，其中所述修補基面涂層被沉 積在金屬載體上。
39. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的發(fā)動機，其中所述甲烷氧化催化劑還 包括銠。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的發(fā)動機，其中所述甲烷氧化催化劑還 包括二氧4b鈰。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的發(fā)動機，其中所述甲烷氧化催化劑還 包括針對硫化氫的清除劑。
42. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，其中所述曱烷氧化催化劑是 三效催化劑。
43. 根據(jù)權(quán)利要求31所迷的發(fā)動機，其中所述甲烷氧化催化劑包 括選自由鈀、鉑和銠組成的組的至少一種貴金屬。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的發(fā)動機，其中所述甲烷氧化催化劑還 包括至少一個儲氧成分，該儲氧成分選自由二氧化鈰以及鈰和鋯的組 合纟且成的組。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的發(fā)動機，其中所述甲烷氧化催化劑還 包括針對硫化氫的清除劑。
46. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，還包括端口燃料噴射閥，用 于將所述燃料引入位于所述進氣歧管和所述燃燒室之間的進氣端口 。
47. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，還包括噴頭，用于將來自所 述燃料供應(yīng)管道的所述燃料引入所述進氣歧管中節(jié)流閥的上游。
48. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，還包括多個端口，所述多個 端口設(shè)置在所述進氣歧管的位于所述節(jié)流閥上游的壁中，其中來自所 述燃料供應(yīng)管道的所述燃料可流過所述多個端口進入所述進氣歧管 中。
49. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的發(fā)動機，包括燃料噴射閥，其帶有置 于所述燃燒室內(nèi)的噴嘴，用于將所述燃料直接引入所述燃燒室。
全文摘要
提供一種用于在貧燃運行模式或化學(xué)計量運行模式下運行以甲烷作燃料的發(fā)動機的方法和設(shè)備。當甲烷氧化催化劑被用來處理來自在貧燃運行模式下運轉(zhuǎn)的發(fā)動機的排放氣體時，催化劑會因SOx降低催化劑的甲烷轉(zhuǎn)化效率而被抑制。當發(fā)動機在化學(xué)計量運行模式下運行時，可以發(fā)生對催化劑的脫硫，從而恢復(fù)催化劑的甲烷轉(zhuǎn)化效率。所公開的方法涉及當在發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第一點集中的一點運行發(fā)動機時，為該發(fā)動機供給貧燃料混合物作燃料，以及當在所述發(fā)動機特性曲線圖上的預(yù)定第二點集中的一點運行該發(fā)動機時，為該發(fā)動機供給富燃料混合物作燃料。來自發(fā)動機的排放氣體流過甲烷氧化催化劑，在優(yōu)選實施方案中該甲烷氧化催化劑適于當該發(fā)動機在化學(xué)計量運行模式下運行時促進NOx的還原。該設(shè)備包括用于檢測和控制λ的裝置以及電子控制器，該電子控制器被編程為在發(fā)動機特性曲線圖上的相應(yīng)的預(yù)定點以貧燃模式和富燃料模式之一運行該發(fā)動機。
文檔編號B01J23/40GK101379279SQ200780004413
公開日2009年3月4日 申請日期2007年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月3日
發(fā)明者D·A·盧, J·哈里斯, M·鄧恩, O·勒博斯坦德, R·艾西莫 申請人:西港能源有限公司