用于操作发动机的方法、排气系统以及氧化催化器的制造方法
【专利摘要】一种用于操作涡轮增压的内燃发动机（1）的方法，在该方法中，气体燃料被顺序地引入氧化催化器（3）中的不同位置，以每次都再生该氧化催化器（3）的一部分。本发明还涉及一种用于内燃发动机（1）的排气系统和氧化催化器（3）。
【专利说明】用于操作发动机的方法、排气系统以及氧化催化器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于操作内燃发动机的方法。如其它独立权利要求的前序部分所限定的，本发明还涉及用于内燃发动机的排气系统以及用于内燃发动机的氧化催化器。
【背景技术】
[0002]与其它类型的发动机相比，来自稀燃气体发动机的碳氢排放通常相对较高。所排放的碳氢化合物主要包括未燃燃料，在天然气的情况下该未燃燃料主要为甲烷。由于甲烷是一种强烈的温室气体，因此有必要降低甲烷的排放。
[0003]通过重新优化稀燃过程能够将甲烷排放降低到一定程度，但通常代价为燃料消耗以及氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)排放增大。甲烷排放还能够借助氧化催化器来降低。然而，氧化催化器仅在废气温度足够高(即近似500°C)时才工作。发动机之后的废气温度对于甲烷的氧化来说通常太低(通常大约400°C)。然而，在涡轮增压器的涡轮机之前，温度水平较高，从而能够使氧化催化器中的甲烷氧化。
[0004]氧化催化器在使用期间灭活化，并且必须不时地被再生。尤其是硫磺使得催化器材料快速灭活化。氧化催化器的再生通过将燃料引入发动机的在氧化催化器上游的排气管道中来进行。当燃料燃烧时，其提高了排气温度，从而使氧化催化器再生。通常，对于再生需要近似650至750°C的温度。问题在于涡轮增压器的涡轮机能够经受的最大温度和速度由于机械约束而被限制。用于涡轮机的最大温度通常为620至650°C。速度限制取决于涡轮增压器的尺寸和类型。当将氧化催化器布置在涡轮增压器的涡轮机的上游时，存在涡轮增压器在氧化催化器的再生期间受损的风险。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种用于操作内燃发动机的改进的方法。根据本发明的方法的表征特征在权利要求1的特征部分中给出。本发明的其它目的在于提供一种用于内燃发动机的改进的排气系统和用于内燃发动机的氧化催化器。
[0006]根据本发明，在用于操作内燃发动机机的方法中，气体燃料被顺序地引入氧化催化器中的不同位置，以每次都再生所述氧化催化器的一部分。
[0007]根据本发明的排气系统包括涡轮增压器和氧化催化器，所述氧化催化器包括用于引入气体燃料的装置，以将气体燃料引入氧化催化器中的至少两个位置，从而使所述氧化催化器能被部分再生。
[0008]根据本发明的氧化催化器包括:外壳；布置在所述外壳内的至少一个催化元件；以及用于引入气体燃料的装置，以将气体燃料引入氧化催化器中的至少两个位置，从而使所述氧化催化器能被部分再生。
[0009]当将燃料顺序地引入氧化催化器内的不同位置时，在再生期间位于氧化催化器的下游的排气温度能够被保持得较低。这降低了涡轮增压器由于排气温度太高以及涡轮增压器的旋转速度太高而损坏的风险。
[0010]根据本发明的实施方式，在用于操作内燃发动机的方法中，燃料被引入位于所述氧化催化器的催化元件的上游的隔间中。这些隔间将燃料流更精确地引向氧化催化器的某一部分并且能够更好地进行温度控制。
[0011]根据本发明的另一实施方式，来自所述发动机的排气通过位于所述氧化催化器的所述催化元件之后的混合装置被混合。布置在催化元件的下游的混合装置确保排气局部流在进入涡轮增压器的涡轮机之前被混合并且使温度梯度最小。
[0012]根据本发明的另一实施方式，在所述氧化催化器和涡轮增压器的涡轮机之间将水引入排气管道，以降低所述涡轮增压器之前的排气温度。在水被注射到排气管道的情况下，排气温度能够被进一步降低。
[0013]根据本发明的另一实施方式，所述氧化催化器和所述涡轮增压器的所述涡轮机之间的排气温度被监控，并且当超过预定的排气温度时执行注水。根据本发明的另一实施方式，所述涡轮增压器的旋转速度被监控，并且当超过预定的旋转速度时执行注水。通过监控排气温度和涡轮增压器的旋转速度，对存在过量温度和/或旋转速度的实际风险的情况限制注水。
[0014]根据本发明的另一实施方式，所述氧化催化器的下游的碳氢化合物的总浓度或甲烷浓度被监控，并且当浓度超过预定极限时所述氧化催化器被再生。在碳氢化合物的浓度被监控的情况下，能够精确地确定氧化催化器的灭活化程度。
[0015]根据本发明的另一实施方式，所述氧化催化器上的温差被监控，并且当该温差降到预定值以下时所述氧化催化器被再生。这是确定氧化催化器的灭活化的另选方式。
[0016]根据本发明的另一实施方式，所述氧化催化器包括至少一个分隔壁，所述分隔壁布置在所述催化元件的上游以将所述氧化催化器分成至少两个隔间，并且每个隔间均包括用于引入气体燃料的装置。
[0017]根据本发明的另一实施方式，所述氧化催化器包括多个催化元件，并且在所述催化元件中的每个催化元件的上游布置有一个隔间。根据本发明的另一实施方式，所述分隔壁在所述催化元件之间延伸。如果在每个隔间中布置单独的催化元件，则燃料流能够被精确地引向每个催化元件。因此能够实现有效的再生和最小的温升。
[0018]根据本发明的另一实施方式，在氧化催化器的下游布置有混合装置，以混合来自所述发动机的排气。
[0019]根据本发明的另一实施方式，所述排气系统包括用于将水引入位于所述氧化催化器的下游的排气管道的装置。
[0020]根据本发明的另一实施方式，该排气系统包括用于测量所述氧化催化器和所述涡轮增压器的涡轮机之间的排气温度的装置。
[0021]根据本发明的另一实施方式，该排气系统包括用于测量所述涡轮增压器的旋转速度的装置。
[0022]根据本发明的另一实施方式，该排气系统包括用于测量所述氧化催化器的下游的碳氢化合物的总浓度或甲烷浓度的装置。
[0023]根据本发明的另一实施方式，所述排气系统包括用于测量所述氧化催化器上的温
差的装置。【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1示意地示出了根据本发明的具有氧化催化器的涡轮增压的内燃发动机。
[0025]图2示出了氧化催化器。
[0026]图3示出了图2的氧化催化器的横截面图。
[0027]图4示出了另一氧化催化器的一部分。
[0028]图5示出了图4的氧化催化器的横截面图。
【具体实施方式】
[0029]现在参照附图更详细地描述本发明的一些实施方式。
[0030]在图1中示出了内燃发动机1，该内燃发动机能够借助气体燃料来操作。在这里所述的实施方式中，发动机I是双燃料发动机，该双燃料发动机也能够借助液体燃料来操作。然而，发动机I还可以是仅借助气体燃料来操作的燃气发动机。在发动机I中能够使用液体引燃燃料，以引燃气体燃料。发动机I的进气由涡轮增压器2增压。涡轮增压器2包括涡轮机2a和压缩机2b，所述涡轮机连接到发动机I的排气管道4，所述压缩机连接到进气管道5。氧化催化器3布置在发动机I和涡轮增压器2的涡轮机2a之间，以降低一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)的排放，尤其是发动机I的甲烷排放。在氧化催化器3中，贵金属(诸如钼或钯)充当催化剂，以通过排气的残余氧而允许CO和HC的氧化。催化材料布置在支撑结构上以形成至少一个催化元件18，如图2中所示。催化元件布置在外壳19内。
[0031]发动机I设置有燃料管道12，以在催化元件18的上游将气体引入氧化催化器3。燃料管道12包括用于控制气体的排放的燃料阀13。燃料阀13是允许对燃料流动进行调节的调节阀。穿过燃料管道12将燃料引入氧化催化器3，排气的温度可以升高以使氧化催化器3再生。当氧化催化器3是冷的时和/或当催化器被部分灭活化时，燃料也可以被引入氧化催化器3。这确保氧化催化器3适当地起作用。
[0032]图2和图3的氧化催化器3设置有分隔壁22、23。壁22、23将氧化催化器3内的位于催化元件18上游的空间分成四个隔间20a至20d。隔间20a至20d中的每个均设置有燃料注射喷嘴21a至21d。也可以不将氧化催化器3分成隔间20a至20d，而是仅设置这样的喷嘴21a至21d，这些喷嘴布置在氧化催化器3内的不同位置中并且指向催化元件18的不同部分。燃料注射喷嘴21a至21d连接到燃料管道12。每个燃料注射喷嘴21a至21d均能够被独立地控制。每个隔间20a至20d也可设置多个喷嘴。在氧化催化器3的下游布置有静态混合器25。另选地，静态混合器25可以在催化元件18的下游被布置在氧化催化器3内部。
[0033]在图4和图5中，示出了根据本发明的另一实施方式的氧化催化器3。在该实施方式中，氧化催化器3内的空间被分隔壁22、23、24分成八个隔间20a至20h。氧化催化器3包括八个独立的催化元件18a至18h,并且这些催化元件18a至18h中的每个催化元件都被布置在相应的每个隔间20a至20h中。每个隔间20a至20h均设置有燃料注射喷嘴21a至21h。燃料注射喷嘴21a至21h连接到燃料管道12。每个燃料注射喷嘴21a至21h均能够被独立地控制。
[0034]转回到图1，水管14布置成在氧化催化器3和涡轮增压器2的涡轮机2a之间将水供应到排气管道4中。水管14设置有用于控制水的进入的水阀15。水阀15是允许水流动的调节的调节阀。发动机I还包括旁通管道6，排气可以通过该旁通管道6而被引导经过氧化催化器3。旁通管道6的入口在发动机I和氧化催化器3之间连接到排气管道4。旁通管道6的出口在氧化催化器3和涡轮增压器2的涡轮机2a之间连接到排气管道4。旁通管道6设置有用于控制流过管道6的排气的旁通阀7。排气管道4设置有隔离阀17，该隔离阀布置在旁通管道6的入口和氧化催化器3之间。
[0035]发动机I设置有用于测量不同位置的排气温度的温度传感器。第一温度传感器9在涡轮增压器2的涡轮机2a的上游和水管14的下游位于排气管道4中。第二温度传感器10布置成测量氧化催化器3中的温度。另选地，第二传感器10还可以布置成测量氧化催化器3紧后方的温度，即，氧化催化器3和水管14之间的温度。第三温度传感器11在发动机I和氧化催化器3之间位于排气管道4中。发动机I还设置有测量排气中的碳氢化合物的浓度的气体传感器26。气体传感器26位于氧化催化器3的下游。来自传感器9、10、11的温度数据以及来自气体传感器26的气体浓度数据被接收在控制单元8中。
[0036]当发动机I借助气体燃料操作时，来自发动机I的排气通常流过氧化催化器3，未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳在氧化催化器3处由排气中的残余氧氧化。
[0037]氧化催化器3的状态被监控以检测氧化催化器3的灭活化。可以通过测量氧化催化器3的下游的碳氢化合物的总浓度或甲烷浓度来进行监控。在图1的实施方式中，碳氢化合物的浓度由布置在涡轮增压器2的下游的气体传感器26来监控。当排气中的碳氢化合物的浓度超过预定极限时，其指示氧化催化器3需要再生。用于所允许的碳氢化合物浓度的极限值可以取决于发动机载荷和发动机速度以及其它操作条件。取代气体传感器26，是否需要再生可以通过监控氧化催化器3上的温差来确定。当由位于氧化催化器3的下游的第一温度传感器9测量的温度和由位于发动机I和氧化催化器3之间的第三温度传感器11测量的温度之间的差高时，指示出氧化催化器3适当地起作用。当氧化催化器3上的温差低时，指示出氧化催化器3的灭活化。当该温差降到预定极限值之下时，检测到需要进行再生。极限值可以取决于发动机载荷和发动机速度以及其它操作条件。
[0038]当检测到氧化催化器3被灭活化时，燃料被弓I入氧化催化器3中，以提高氧化催化器3内的温度。需要650至750°C的温度来再生该氧化催化器3。燃料通过喷嘴21a至21h被顺续地注入隔间20a至20h中。在图2和图3的实施方式中，每次仅催化元件18的一部分由此被再生。在图4和图5的实施方式中，每次催化元件18a至18h中仅一个催化元件被再生。如果排气温度允许的话，燃料也可以同时被引入两个或更多个隔间20a至20h中。顺序的燃料注射能够使排气温度高至足以再生氧化催化器3，但有助于将氧化催化器3之后的排气温度保持得较低，并且因此防止涡轮增压器2被损坏。如果在氧化催化器3的下游布置静态混合器25，则确保处于不同温度下的排气局部流的有效混合。所需的隔间20a至20h的数量取决于涡轮增压器2的温度和旋转速度极限。在较高数量的隔间20a至20h的情况下，涡轮增压器2的旋转速度和排气温度能够被保持得更低。如果涡轮增压器2能够经受高温和高的旋转速度，则两个隔间就足够了。
[0039]例如，当氧化催化器3是冷的时和/或当催化器略微被灭活化时，氧化催化器3内的通常排气温度对于氧化来说可能太低。而且，在该情况下，燃料能够被引入氧化催化器3中。第二温度传感器10用于控制氧化催化器3内的温度。如果该温度在特定极限值以下，则气体燃料通过燃料管道12被引入氧化催化器3中，以提高氧化催化器3内的温度。所注射的燃料有助于起动(“点燃”)氧化催化器3中的甲烷燃料过程。还可能需要燃料注射以将温度保持得高至足以进行甲烷的燃烧过程，尤其是当催化器被局部地灭活化时。需要近似500 V的温度来氧化甲烧。
[0040]为了确保涡轮增压器2之前的排气温度不超过该涡轮增压器2所允许的最大温度，则涡轮增压器2之前的排气温度由第一温度传感器9持续监控。而且，涡轮增压器2的旋转速度由旋转速度传感器16监控以确保不超过所允许的最大速度。如果排气温度和/或旋转速度超过预定的第一极限值，则水从涡轮增压器2的涡轮机2a的上游开始注射到排气管道4中。用于排气温度的极限值通常被设定在620至650°C。用于旋转速度的极限值取决于涡轮增压器2的类型和尺寸。可选地或者另外，每当氧化催化器3被再生时能够开始水的注射。水连续地注射，直到排气温度和涡轮增压器2的速度降到设定在第一极限值以下的第二极限值以下时为止。
[0041]当发动机I借助液体燃料被操作时，通过打开旁通阀7并关闭隔离阀17，而将排气引导到旁通管道6中。由于氧化催化器3对于硫磺非常敏感，因此，即使硫磺含量低的燃料的排气也将使氧化催化器3快速地灭活化。通过使用穿过氧化催化器3的旁通管道6，能够降低催化器3的再生的需要。
[0042]本领域技术人员将理解的是，本发明不局限于上述的实施方式，而是可以在所附的权利要求的范围内进行变化。例如，发动机可以包括串联连接的两个涡轮增压器。在该情况下，氧化催化器能够沿排气流动的方向被布置在发动机和第一涡轮增压器之间。
【权利要求】
1.一种用于操作涡轮增压的内燃发动机(I)的方法，在该方法中，将气体燃料引入氧化催化器(3)中，以再生该氧化催化器(3)，其特征在于，燃料被顺序地引入所述氧化催化器(3)中的不同位置，以每次都再生所述氧化催化器(3)的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料被引入位于所述氧化催化器(3)的催化元件(18，18a-18h)的上游的隔间(20a_20h)中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，来自所述发动机(I)的排气通过位于所述氧化催化器(3)的所述催化元件(18，18a-18h)之后的混合装置(25)混合。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述氧化催化器(3)和涡轮增压器(2)的涡轮机(2a)之间将水引入排气管道(4)，以降低所述涡轮增压器(2)之前的排气温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧化催化器(3)和所述涡轮增压器(2)的所述涡轮机(2a)之间的排气温度被监控，并且当超过预定的排气温度时执行注水。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述涡轮增压器(2)的旋转速度被监控，并且当超过预定的旋转速度时执行注水。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化催化器(3)的下游的碳氢化合物的总浓度或甲烷浓度被监控，并且当浓度超过预定极限时所述氧化催化器(3)被再生。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化催化器(3)上的温差被监控，并且当该温差降到预定值以下时所述氧化催化器(3)被再生。
9.一种用于内燃发动机(I)的排气系统，该排气系统包括涡轮增压器(2)和氧化催化器(3)，所述氧化催化器(3)包括至少一个催化元件(18，18a-18h)，其特征在于，所述排气系统还包括用于引入气体燃料的装置(21a-21h)，以将气体燃料引入所述氧化催化器(3)中的至少两个位置，从而使所述氧化催化器(3)能被部分再生。
10.根据权利要求9所述的排气系统，其特征在于，所述氧化催化器(3)包括至少一个分隔壁(22，23，24)，所述分隔壁布置在所述催化元件(18)的上游以将所述氧化催化器(3)分成至少两个隔间(20a-20g)，并且每个隔间(20a-20g)均包括用于引入气体燃料的装置(21a-21h)。
11.根据权利要求9或10所述的排气系统，其特征在于，所述氧化催化器(3)包括多个催化元件(18a_18h),并且在所述催化元件(18a_18h)中的每个催化元件的上游布置有一个隔间(20a_20h)。
12.根据权利要求11所述的排气系统，其特征在于，所述分隔壁(22，23，24)在所述催化元件(18a_18h)之间延伸。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的排气系统，其特征在于，在所述氧化催化器(3)的下游布置有混合装置(25)，以混合来自所述发动机(I)的排气。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的排气系统，其特征在于，该排气系统包括用于在所述氧化催化器(3)的下游将水引入排气管道(4)中的装置(14，15)。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的排气系统，其特征在于，该排气系统包括用于测量所述氧化催化器(3)和所述涡轮增压器(2)的涡轮机(2a)之间的排气温度的装置(9)。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的排气系统，其特征在于，该排气系统包括用于测量所述涡轮增压器(2)的旋转速度的装置(16)。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的排气系统，其特征在于，该排气系统包括用于测量所述氧化催化器(3)的下游的碳氢化合物的总浓度或甲烷浓度的装置(26)。
18.根据权利要求9至17中任一项所述的排气系统，其特征在于，该排气系统包括用于测量所述氧化催化器(3 )上的温差的装置(9，11)。
19.一种用于内燃发动机(I)的氧化催化器(3),该氧化催化器(3)包括外壳(19)和布置在所述外壳(19)内的至少一个催化元件(18，18a-18h)，其特征在于，所述氧化催化器(3)包括用于引入气体燃料的装置(21a-21h)，以将气体燃料引入所述氧化催化器(3)中的至少两个位置，从而使所述氧化催化器(3)能被部分再生。
20.根据权利要求19所述的氧化催化器(3)，其特征在于，所述氧化催化器(3)包括至少一个分隔壁(22，23，24)，所述分隔壁布置在所述催化元件(18)的上游，以将所述氧化催化器(3)分成至少两个隔间(20a-20g)，并且每个隔间(20a-20g)均包括用于引入气体燃料的装置(2 la-2 Ih)。
21.根据权利要求19或20所述的氧化催化器(3)，其特征在于，所述氧化催化器(3)包括多个催化元件(18a-18 h)，并且在所述催化元件(18a-18h)中的每个催化元件的上游布置有一个隔间(20a-20h)。
22.根据权利要求21所述的氧化催化器(3)，其特征在于，所述分隔壁(22，23，24)在所述催化元件(18a-18h)之间延伸。
【文档编号】F01N3/20GK103477044SQ201280013203
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年3月12日 优先权日:2011年3月14日
【发明者】G·海伦, 阿尔托·耶尔维, E·林德, T·莱克, K·维耶斯克 申请人:瓦锡兰芬兰有限公司