[发明专利]用于运行以甲烷作燃料的发动机并用甲烷氧化催化剂处理排放气体的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于运行以甲烷作燃料的发动机并用甲烷氧化催 化剂处理排放气体的方法和设备。本发明可应用于车辆发动机或其他 以可变负荷循环运行的发动机，以减少一氧化碳、甲烷和其他未燃烧 的碳氢化合物的排放。

背景技术

天然气主要由甲烷组成。天然气作为燃料在内燃机中燃烧，因为 在世界各地的许多市场，天然气从能源角度而言与柴油或汽油相比花 费较少。此外，天然气与柴油或汽油相比，燃烧更清洁，这可以帮助 改善空气质量，从而提供另一将燃烧柴油或汽油的车辆发动机用燃烧 天然气的车辆发动机取代的动机。然而，在从内燃机的燃烧室排出的 排放气体中，会残留未燃烧的燃料，对于以天然气为燃料的发动机也 是如此。因为甲烷是一种导致温室效应的气体，人们希望在排放气体 离开车辆的排气管之前将未燃甲烷氧化。

有多种方法用于燃烧在发动机中的天然气。所谓的化学计量天然 气发动机使用的实际空燃比为约14.6∶1，其对应于λ＝1，因为λ是通 过将实际空燃比除以14.6(这是理论上的化学计量理想空燃比)来计 算的。如本文中所定义的，在化学计量模式下运行的发动机不必以严 格等于1.0的λ运行，而是以处于或接近1.0的λ运行即可，这样， 在发动机的燃烧室中被燃烧的空气和燃料的充气(charge)中基本没 有过剩的氧气。美国专利No.5,131,224公开了一种减少来自以天然气 为燃料的发动机的甲烷排气排放量的方法。该’224专利教导，采用平 均略微富燃料的(也即，λ平均小于1.0)空气燃料混合物在化学计量 运行模式下运行天然气发动机，并使用铂或铂-钯(非铑)催化转化器 来进行排放气体处理。如现有技术中已知的，可以通过使用排放气体 再循环和三效催化剂来减少NOx和甲烷的排放，但这些技术会大大增 加系统总成本。

所谓的贫燃火花点火(″LBSI″)天然气发动机，由火花塞触发点火 来燃烧天然气的贫燃料混合物(lean mixture)。贫燃料混合物意为， 在燃烧室中有过剩的氧气，于是λ大于1。与不利用三效催化剂和排 放气体再循环而运行的化学计量天然气发动机相比，LBSI天然气发动 机较为不复杂且成本较低，同时产生更低的氮氧化物(NOx)排放，因为 较高的空燃比导致较低的燃烧温度。与化学计量天然气发动机相比， LBSI天然气发动机还产生较低的二氧化碳排放。从而，与不采用排放 气体再循环或三效催化剂的化学计量天然气发动机相比，LBSI发动机 具有成本和性能优势。然而，LBSI天然气发动机的一个问题是，甲烷 氧化催化剂会由于暴露于硫氧化物(SOx)而遭到抑制，即使硫氧化物浓 度极低亦会如此，从而导致甲烷氧化转化效率下降。人们认为，SOx 被化学吸收到催化剂修补基面涂层(wash coat)上，从而有效阻挡住 甲烷的转化部位。举例而言，实验结果已经表明，仅为1ppm(w/w) 的SOx浓度水平，在小于50小时的运行时间内，可以导致甲烷转化效 率降低25％，且这样的浓度可由存在于天然气和发动机润滑油中的硫 引入到发动机排放气体中。例如，对排放气体中SOx的贡献者可以是 通常加入天然气中用于嗅觉检测的添味剂。

Engelhard公司为气体研究所(Gas Research Institute)编写 的一份题为“Catalyst Development for Methane Emissions Abatement From Lean Burn Natural Gas Vehicles(用于从贫燃天 然气车辆减小甲烷排放的催化剂开发)”、注明日期为1997年11月 的报告，报告了于1994年1月到1997年5月之间完成的、目的是开 发一种贫燃天然气车辆的催化转化器的工作，该催化转化器将在车辆 的整个使用寿命期间持续地氧化甲烷。含钯(Pd)的催化剂，如钯/氧化 铝(Al₂O₃)，被发现是用于从天然气发动机消减甲烷排放的最活泼的催 化剂。Engelhard公司在其最终报告中报告，其未能达到其目的，因 为存在于发动机的排放气体中的SOx抑制了催化剂活性。Engelhard 公司的研究集中于开发一种耐硫催化剂以及在接近地类似真实天然气 车辆排气的实验室条件下调查钯氧化催化剂的去活机理。