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

摘要

提供一种用于在贫燃运行模式或化学计量运行模式下运行以甲烷作燃料的发动机的方法和设备。当甲烷氧化催化剂被用来处理来自在贫燃运行模式下运转的发动机的排放气体时，催化剂会因SOx降低催化剂的甲烷转化效率而被抑制。当发动机在化学计量运行模式下运行时，可以发生对催化剂的脱硫，从而恢复催化剂的甲烷转化效率。所公开的方法涉及当在发动机特性曲线图上的预定第一点集中的一点运行发动机时，为该发动机供给贫燃料混合物作燃料，以及当在所述发动机特性曲线图上的预定第二点集中的一点运行该发动机时，为该发动机供给富燃料混合物作燃料。来自发动机的排放气体流过甲烷氧化催化剂，在优选实施方案中该甲烷氧化催化剂适于当该发动机在化学计量运行模式下运行时促进NOx的还原。该设备包括用于检测和控制λ的装置以及电子控制器，该电子控制器被编程为在发动机特性曲线图上的相应的预定点以贫燃模式和富燃料模式之一运行该发动机。

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(leanmixture)。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。

已出版的SAE技术论文961971，题为“Methane Emissions Abatement from Lean Burn Natural Gas Vehicle Exhaust:Sulfur’s Impact on Catalyst Performance(从贫燃天然气车辆的排气中消减 甲烷排放:硫对催化剂性能的影响)”，其作者为Engelhard公司的雇 员。在该SAE技术论文的第18页，作者公开了一种周期性热还原再生 的策略，使得催化剂在存在硫的情况下保持可接受的活性。具体而言， 所公开的策略包括，运行天然气发动机以在持续14.5分钟的贫燃、高 空间速度模式和持续30秒的富燃、低空间速度模式之间循环催化剂。 催化剂温度从在贫燃模式期间的550摄氏度升高到富燃模式期间的大 约650摄氏度。作者从它们的实验结果得出，该策略仅仅延迟了催化 剂甲烷活性的最终衰减。

已公布的日本专利申请JP20002000058777号(公布号 JP2003254117A2)，题为“Exhaust Emission Controlling Method(排 气排放控制方法)”(′58777申请)，类似于SAE技术论文961971，该 申请公开了一种交替地在过量空气的贫燃气氛下和过量燃料的富燃气 氛下燃烧燃料的方法。源自在富燃气氛下燃烧燃料的排放气体，使得 受抑制的催化剂部位受到还原气氛影响，这种还原气氛使受抑制的催 化剂部位再生，从而恢复甲烷氧化催化剂活性和恢复甲烷氧化转化率。 根据′58777申请，可以通过计算何时催化剂的甲烷转化效率下降一预 定量，来确定使受抑制的催化剂部位再生的定时，而这种计算基于多 个参数，包括排放气体中的硫浓度、空燃比和排放气体温度。这种方 法的问题在于，其增加了控制该发动机的复杂程度，因为该方法包括 计算使甲烷氧化催化剂脱硫的定时，以及在贫燃或富燃模式下运行发 动机的两种控制策略的定时，因为对应于在富燃模式下运行的定时取 决于可以在发动机特性曲线图(engine map)上的任意一点发生的、 所计算的定时。

因此，存在对改进的控制策略的需求，该改进的控制策略运行以 甲烷作燃料的发动机，以简单、有效地实现一些与以甲烷作燃料的LBSI 发动机相关的低排放的优点，同时通过管理甲烷氧化催化剂的性能和 脱硫来减少未燃甲烷的排放。

发明内容

提供了一种方法，该方法用于运行以甲烷作燃料的发动机并处理 来自该发动机的排放气体，以减少甲烷和氮氧化物的排放。在该方法 的优选实施方案中，发动机以天然气为燃料。所公开的方法包括，当 在发动机特性曲线图上的预定第一点集中的一点运行发动机时，为该 发动机供给贫燃料混合物作燃料；当在发动机特性曲线图上的预定第 二点集中的一点运行发动机时，为该发动机供给富燃料混合物作燃料； 以及使来自该发动机的排放气体流过甲烷氧化催化剂。

举例而言，发动机特性曲线图上的预定第二点集，可关联于何时 该发动机在预定的高发动机转速范围内且在预定的低发动机负荷范围 内运行。在一个优选的方法中，通过何时该发动机以少于最大发动机 负荷的20％的负荷运行，来定义该预定的低发动机负荷范围，通过何 时该发动机以为最大发动机转速的至少80％的速度运行，来定义该预 定的高发动机转速范围。优选地，发动机特性曲线图上的预定第二点 集，关联于何时该发动机在预定的发动机转速范围内且在预定的发动 机负荷范围内运行，其中发动机可以，并被控制为，在化学计量运行 模式下运行，并使得在该发动机和甲烷氧化催化剂之间的排放气体温 度为至少600摄氏度，更优选地在650摄氏度和800摄氏度之间。在 一个实施方案中，以富燃料混合物运行的预定的发动机负荷范围对应 于何时进气歧管压力小于大约85kPa的绝对压力(大约12psia)。

当发动机正在以化学计量运行模式运行时，可以通过减少经过进 气歧管进入发动机的燃烧室的空气质量单位流量，来产生富燃料混合 物。在一些实施方案中，可以通过对通过进气通路的空气流进行节流， 来降低空气质量单位流量。装配有涡轮增压器的以甲烷作燃料的发动 机，可以通过开启废气门阀使得排放气体中的一部分绕过该涡轮增压 器的涡轮，来降低空气质量单位流量。如果涡轮增压器是可变几何形 状涡轮增压器或可变喷嘴涡轮增压器，则相应的几何形状或喷嘴均可 以被控制，以减小空气质量单位流量。

在一个优选的方法中，当发动机以贫燃料混合物运行时，在燃烧 室中形成的充气的平均λ是至少1.3，且优选地在1.3和1.7之间。 该方法还可以包括:为以甲烷作燃料的发动机供给包括甲烷和氢气的 燃料混合物作燃料，并控制贫燃料混合物使之具有在1.3和2.0之间 的平均λ。当发动机以富燃料混合物运行时，在燃烧室内形成的充气 的平均λ小于或等于1.0，优选地在0.95和1.0之间。

该优选的方法还包括，启动一火花塞，以促进贫燃料和富燃料混 合物的点火，并且当为发动机供给贫燃料混合物作燃料时，将启动该 火花塞的定时提前到一个更早的时间。

该方法优选地包括:在存在由甲烷氧化催化剂提供的钯的情况下， 使排放气体内的所述甲烷氧化。在一个实施方案中，可以将钯渗入包 含氧化铝的修补基面涂层中，且该修补基面涂层可被沉积在包含碳化 硅或硅酸铝镁(称为“堇青石”)的陶瓷载体上。在一些实施方案中， 该方法可包括将修补基面涂层沉积在金属载体上。

在一些优选的方法中，甲烷氧化催化剂在发动机以贫燃料混合物 为燃料时，促进甲烷的氧化，且在发动机以富燃料混合物为燃料时， 促进将氮氧化物还原成氮气。

该方法还可以包括命令发动机在为发动机特性曲线图上的预定第 二点集中的一个点的点运行一段预定时间，作为发动机的启动序列中 的一个步骤。如果发动机是车辆或机器的原动机，控制器可被编程为， 识别当所述车辆或机器静止时的预定义状况，且命令发动机在为发动 机特性曲线图上的预定第二点集中的一个点的点运行一段预定时间或 直到该车辆不再静止，以先到的时间为准。

公开了一种以甲烷作燃料的发动机，该以甲烷作燃料的发动机包 括进气歧管，其限定一通路，空气可通过该通路流入发动机的燃烧室； 燃料计量阀，其可操作以调节通过燃料供应管道引入燃烧室的、包含 甲烷的燃料的质量单位流量；布置在进气歧管内的节流阀，用于调节 引入燃烧室的空气的质量单位流量；排气歧管，其限定与燃烧室连通 的通路，用于从燃烧室接收燃烧产物，并将燃烧产物导引到排气管； 置于该排气管中的甲烷氧化催化剂；与以甲烷作燃料的发动机相关联 的至少一个传感器，用于计算或测量排气歧管或进气歧管中的λ；以 及电子控制器，其被编程以在发动机特性曲线图上的相应的预定点以 贫燃模式和富燃料模式之一运行发动机。

在一优选实施方案中，所述至少一个传感器是λ传感器，其带有 置于排气歧管或排气管中所述甲烷氧化催化剂上游的传感探头，且该 λ传感器可操作以向电子控制器发送表示所测λ值的信号。

在另一优选实施方案中，所述至少一个传感器包括与进气歧管相 关联的第一质量流量传感器和与燃料供应管道相关联的第二质量流量 传感器，且该第一和第二质量流量传感器可操作以向电子控制器发送 表示相应的空气和燃料质量单位流量的信号，且该电子控制器可编程 以计算在燃烧室中形成的充气的λ。

在又一优选实施方案中，所述至少一个传感器包括:与进气歧管 相关联的第一温度传感器；与进气歧管相关联的第一压力传感器；与燃 料供应管道相关联的第二温度传感器；与燃料供应管道相关联的第二 压力传感器；并且电子控制器可编程以处理从第一和第二温度传感器 及第一和第二压力传感器收集到的数据，以计算在燃烧室内形成的充 气的λ。

在优选的设备中，甲烷氧化催化剂包括钯。钯可以被渗入包含氧 化铝的修补基面涂层中，且该修补基面涂层可以沉积在包含碳化硅或 硅酸铝镁的陶瓷载体上。在另一实施方案中，该修补基面涂层可沉积 在金属载体上。

甲烷氧化催化剂由多种成分组成。一般而言，优选地甲烷氧化催 化剂包括至少一种催化活性成分，即选自由钯、铂和铑组成的组的贵 金属。甲烷氧化催化剂优选地还包括至少一种储氧成分，该储氧成分 选自由二氧化铈(称为“铈土”)以及铈和锆的组合(combination)组 成的组。此外，甲烷氧化催化剂优选地还包括针对硫化氢的清除剂。 甲烷氧化催化剂可以是为汽车应用而开发的那种类型的三效催化剂， 尽管这种催化剂的配方尚未被开发用于以甲烷作燃料的贫燃发动机。

在一优选实施方案中，当发动机在贫燃模式下运行时，甲烷氧化 催化剂包括用于氧化甲烷的钯，且当发动机在化学计量模式下运行时， 甲烷氧化催化剂还包括用于将氮氧化物还原成氮气的铑。甲烷氧化催 化剂还可以包括充当储氧成分的二氧化铈和针对硫化氢的清除剂。

燃料可以采用多种方式引入发动机的进气歧管。例如，发动机可 以包括端口燃料喷射阀，用于将燃料引入位于进气歧管和燃烧室之间 的进气端口。在另一实施方案中，可以采用喷头(sparger)来将来自 燃料供应管道的燃料引入进气歧管中节流阀的上游。代替喷头，发动 机可以包括设置在进气歧管的处于节流阀上游的壁中的多个端口，其 中来自燃料供应管道的燃料可从充气室流经所述多个端口而进入进气 歧管。该布置与喷头相比的优点在于，它不阻挡通过进气歧管的任何 流通面积。

在又一实施方案中，发动机可包括带有置于燃烧室内的喷嘴的燃 料喷射阀，用于将该燃料直接引入燃烧室。燃料可以在进气冲程期间 或在压缩冲程的早期燃烧室的压力仍然较低时被引入燃烧室。

公开的本发明与现有技术相比具有优点。与以天然气为燃料的化 学计量发动机或’244专利所教导的以更富燃料的混合物运行的发动机 相比，本文所公开的发动机和方法可以在大多数时间中以贫燃模式运 行，以实现较低的NOx和二氧化碳排放，同时当该发动机在发动机特 性曲线图的预定区域内运行时，仅以富燃料混合物运行。SAE技术论 文961971的作者描述了一种在贫燃模式下运行14.5分钟、在富燃料 模式下运行30秒钟的方法，但他们的结论是，该方法仅仅延迟了催化 剂性能的最终衰减。不同于SAE技术论文981971中所教导的方法，本 文所公开的方法和设备的实验结果表明，在最大加燃料水平下甲烷氧 化催化剂性能可以被恢复到85％到90％的甲烷转化率。本文所公开的方 法还比定时周期性催化剂脱硫循环更容易实现，因为并不需要针对贫 燃和富燃料模式的两种并行的发动机控制策略。在采用定时脱硫循环 的情况下，当处于是进行脱硫循环的时间时，发动机可能在发动机特 性曲线图上的任意位置的状况下运行，因此对于发动机特性曲线图上 的每个运行点都需要并行的控制策略。采用本文所公开的方法和设备， 当发动机在发动机特性曲线图的预定区域内运行时，该发动机仅以富 燃料模式运行。日本专利申请JP20002000058777号也公开了一种在贫 燃和富燃料运行模式之间周期性地切换的方法，但此方法具有和SAE 技术论文981971所教导的方法相同的缺点。

因此，本文所公开的方法和设备，提供了一种用于运行以甲烷作 燃料的发动机的途径，与以甲烷作燃料的化学计量发动机相比，其可 以减少NOx和二氧化碳的排放。实验结果已经表明，所公开的方法和 设备可以允许以甲烷作燃料的发动机在大多数时间以贫燃模式运行， 而同时当该发动机在发动机特性曲线图的预定区域内运行时通过以富 燃料模式运行而维持甲烷氧化催化剂的转化效率。

附图说明

图1是用于实施所公开的方法的设备的示意图。该设备包括燃料 喷射系统、发动机燃烧室、催化转化器以及电子控制器。在该实施方 案中，端口喷射器被用来将燃料引入进气端口，置于排气管中甲烷氧 化催化剂的上游的λ传感器被用来控制传送到燃烧室的充气的空燃 比。

图2是用于实施所公开的方法的设备的第二实施方案的示意图。 图2的设备类似于图1中的设备，只是采用了喷头来将燃料引入进气 歧管，并且用于进入的空气和燃料的质量流量传感器被用来替代λ传 感器以控制传送到燃烧室的充气的空燃比。

图3是用于实施所公开的方法的设备的第三实施方案的示意图。 图3的设备和图1与图2中的设备类似，只是燃料可通过多个端口引 入进气歧管，且采用温度和压力传感器测量进入的空气和燃料的温度 和压力，使得电子控制器可以计算空气和燃料的质量流量，从而控制 传送到燃烧室的充气的空燃比。图3还示出了具有包括涡轮增压器和 废气门的涡轮增压系统的实施方案。具有涡轮增压系统的发动机可以 用该涡轮增压系统控制传送到燃烧室的充气的空燃比。

图4是一幅发动机特性曲线图，示出了该特性曲线图上的、发动 机可以贫燃料混合物运行的区域以及发动机可以富燃料混合物运行的 区域。

图5是针对不同发动机转速的、λ与发动机负荷的曲线图。绘出 了多条线，每条线对应于一个不同的发动机转速。此图以举例方式示 出了所述方法的应用，显示了可如何在贫燃状况下以大多数发动机转 速和发动机负荷运行发动机，且表明目标λ可被确定为发动机转速和 负荷的函数。

图6是甲烷浓度与时间的曲线图，示出了通过应用所公开的方法 而造成的对甲烷氧化催化剂的再生效应。所标示出的数据来自实验结 果，其显示出了所公开的方法在使甲烷氧化催化剂再生方面的效果。

具体实施方式

参照附图，带有相隔100的倍数的相似附图标记的、名称相似的 部件，在不同的实施方案中指相似的部件。

图1是用于实施所公开的方法的设备100的示意图。该设备包括 燃料喷射系统110、发动机燃烧室120、催化转化器140和电子控制器 150。在该实施方案中，燃料喷射系统110包括端口喷射器112，端口 喷射器112将来自燃料供应管道114的燃料引入进气端口116。空气 通过进气歧管118流入燃烧室120，节流阀119调节经过进气歧管118 的空气流动。燃烧室120由汽缸体122、活塞124以及汽缸盖126限 定。发动机可以包括火花塞128，火花塞128用于触发在燃烧室120 内的充气的点火。如对于内燃机所公知的，进气阀门130可操作以控 制从进气歧管118进入燃烧室120的空气和燃料混合物的流动，排气 阀门132可操作以控制燃烧产物从燃烧室120至排气歧管134的流动。 排放气体从排气歧管134流到设置在催化转化器140内部的甲烷氧化 催化剂。上述排放气体从催化转化器140流向发动机排气管142。

在由图1示出的实施方案中，λ传感器152被置于处于甲烷氧化 催化剂上游的排气歧管134中。来自传感器152的λ测量被用来控制 传送到燃烧室的充气的空燃比。根据所公开的本发明，采用从λ传感 器152接收到的数据，电子控制器150可编程以在大多数运行状况下 以贫燃模式运行发动机，其中传送到燃烧室120的充气具有大于1.1 的平均λ。在某些预定义的发动机特性曲线图上的预定运行状况—— 例如发动机转速的预定义范围以及发动机转矩的预定义范围——下， 发动机被控制为以较富的空气-燃料混合物运行，其中传送到燃烧室 120的充气所具有的λ小于或等于约1.0，且优选地介于0.95和1.0 之间。在图1的实施方案中，电子控制器150处理来自λ传感器152 的λ测量，并根据发动机特性曲线图确定对于给定的发动机转速和发 动机转矩的当前值，目标λ是什么。在该实施方案中，因为难于测量 燃烧室内的λ，且由于燃料喷射系统采用端口喷射器而难于测量燃烧 室上游的λ，所以λ传感器位于排气歧管134中。然而，根据在排气 歧管134中或在排气管中催化转化器140上游的任意点获得的λ测量， 电子控制器150可以确定燃烧室120内的λ。因此，使用通过传感器 152获得的λ测量，电子控制器150可以使用节流阀119和端口喷射 器112来根据发动机特性曲线图控制λ，使得发动机大多数时间以贫 燃模式运行(平均λ介于1.3和1.7之间)，而在发动机特性曲线图的 预定区域中以化学计量模式运行(λ小于或等于约1.0，且优选地介于 0.95和1.0之间)，且通过该方法，甲烷氧化催化剂周期性地再生以 从催化剂的活性部位驱走硫，并恢复甲烷转化效率。

图2是可用于实施所公开的方法的设备的第二实施方案的示意 图。设备200与设备100类似，只是喷头212被用来将燃料引入进气 歧管，且分别用于测量进入的空气和燃料的质量流量的质量流量传感 器254和256被用来取代λ传感器，以控制传送到燃烧室的充气的空 燃比。

设备200包括燃料喷射系统210、发动机燃烧室220、催化转化器 240和电子控制器250。喷头212将来自燃料供应管道214的燃料引 入进气歧管218中节流阀219的上游。燃料和空气在被引入燃烧室 220之前，在进气歧管218内混合。节流阀219调节进入燃烧室220 的空气-燃料混合物的流动。燃烧室220由汽缸体222、活塞224以及 汽缸盖226限定。发动机可包括火花塞228，火花塞228用于触发在 燃烧室220内部的充气的点火。设备200还包括:进气阀门230，其 可操作以允许空气和燃料混合物进入燃烧室120；和排气阀门232，其 可操作以允许燃烧产物从燃烧室220流到排气歧管234。排放气体从 排气歧管234流到设置在催化转化器240内部的甲烷氧化催化剂。所 述排放气体从催化转化器240流向发动机排气管242。

设备200可用来以与设备100相同的方式实施所讨论的方法，只 是确定燃烧室中的λ的方式有所不同。控制器250使用来自传感器254 和256的质量流量测量确定λ，而非使用λ测量。于是电子控制器可 以运行燃料计量阀215和节流阀219以使得λ大于1.1，以在大多数 状况下以贫燃模式运行，且使得在发动机特性曲线图上的预定区域中， λ小于或等于1.0并优选地介于0.95和1.0之间。

图3是可用于实施所公开的方法的设备的第三实施方案的示意 图。设备300使用从燃料供应管道314通向进气歧管318的端口环312， 且采用温度和压力传感器测量进入的空气和燃料的温度和压力，使得 电子控制器可以计算空气和燃料的质量流量，从而控制传送到燃烧室 的充气的空燃比。

设备300包括燃料喷射系统310、发动机燃烧室320、催化转化器 340和电子控制器350。一环形充气室向端口212供应燃料，且燃料流 入进气歧管318内节流阀319的上游。类似于设备200，在空气-燃料 混合物被引入燃烧室320以在其中形成充气之前，空气和燃料可以在 进气歧管318中进行一定程度的混合。节流阀319可以被用来调节进 入燃烧室320的空气-燃料混合物的流动。

燃烧室320由汽缸体322、活塞324以及汽缸盖326限定。发动 机可包括火花塞328，火花塞328用于触发在燃烧室320内部的充气 的点火。设备300还包括:进气阀门330，其可操作以允许空气和燃 料混合物进入燃烧室320；和排气阀门332，其可操作以允许燃烧产物 从燃烧室320流入排气歧管334。

在此实施方案中，从排气歧管334流出的排放气体可被导向涡轮 增压器338的涡轮，或者可通过操作废气门阀336，被引导绕开该涡 轮。进气口316将进气引导到涡轮增压器338，然后通过空气通路317 到进气歧管318。如发动机技术领域的技术人员所知，涡轮增压器338 由排放气体驱动，且可以被用来增大进气的压力。在排放气体流出该 涡轮之后，排气管339将排放气体导向催化转化器340。当废气门阀 336打开时，排放气体流经排气管337至催化转化器340。涡轮增压器 338的涡轮可为可变几何形状涡轮或可变喷嘴涡轮。通过控制废气门 以控制通过该涡轮的排放气体的量，和/或通过控制该涡轮的可变几何 形状或喷嘴，经过进气歧管118的空气质量流量得到控制，由此可以 与燃料计量阀315协同运作控制λ。也即，可以通过控制燃料计量阀 315和节流阀119，并结合如下之一对λ进行控制:废气门336，或涡 轮增压器338的可变几何形状或可变喷嘴涡轮，或废气门336和涡轮 增压器338的可变几何形状或可变喷嘴涡轮。

类似于其他实施方案，设备300可以用来实施所讨论的方法。电 子控制器350可以根据通过空气温度传感器358和空气压力传感器 360获得的测量来计算空气质量单位流量。类似地，电子控制器350 可根据通过燃料温度传感器362和燃料压力传感器364获得的测量来 计算燃料质量单位流量。然后电子控制器350可以参照发动机特性曲 线图，基于当前发动机运行状况来确定所需的运行模式(贫燃或化学计 量)。当发动机在发动机特性曲线图的预定区域内运行时，电子控制器 350控制燃料计量阀315和节流阀319以将较富的燃料混合物传送到 燃烧室，优选地λ介于0.95和1.0之间。当发动机在以较富的燃料混 合物运行的预定区域以外的一点运行时，电子控制器350控制燃料计 量阀315和节流阀319以传送贫燃料混合物到燃烧室，优选地平均λ 介于1.1和1.7之间。

图1到3说明了用于实施所公开的方法的设备的不同实施方案。

本领域技术人员将能理解，可以不偏离所公开的设备的精神和范 围而对所示出的实施方案作出改变。例如，在图3中所示的用于将燃料 引入进气歧管的端口环312，可代替图2中的具有同样效果的喷头212。 在其他的变化中，图1的λ传感器可代替图2和图3中示出的实施方 案中的传感器，或图2中的燃料质量流量传感器256可代替图3的实 施方案中的压力和温度传感器362和364。所公开的设备的重要特征 在于:与以甲烷作燃料的发动机相关联的至少一个传感器——其测量 可由电子发动机控制器用来直接计算或测量排气歧管或进气歧管中的 λ的参数；和这样一个或多个传感器与电子发动机控制器的组合，其 可以命令并控制发动机在大多数运行状况下以贫燃模式运行，并且在 由发动机特性曲线图定义的预定状况下以较接近于化学计量的较富的 燃料混合物运行，使得λ小于或等于大约1.0。

图4是发动机特性曲线图的例示，其中发动机转矩在y轴上而发 动机转速在x轴上。线400限定了发动机的转矩上限，使得在线400 和x轴之间的空间是发动机的运行范围。图4中的轴并未示出单位， 因为此图例示了该目前公开的方法所教导的途径，该方法可应用于任 何发动机的发动机特性曲线图。根据该方法，发动机被控制以在大多 数运行状况下以贫燃模式运行，而在某些预定运行状况下以化学计量 模式运行。在图4中，区域401是示出的发动机特性曲线图上的、发 动机被控制以贫燃模式运行的空间。也即，当发动机转矩和发动机转 速限定发动机特性曲线图上区域401中的一点时，发动机控制器控制 进气歧管中的空燃比，以按照大于1.1的平均λ向发动机的燃烧室传 送充气。线402限定区域403的边界，区域403是发动机特性曲线图 上的、发动机被控制以较接近于化学计量的较富的燃料混合物运行的 预定区域。也即，当发动机转矩和发动机转速限定发动机特性曲线图 上区域403中的一点时，发动机控制器控制空燃比，以按照介于约0.95 和1.0之间的平均λ向发动机的燃烧室传送充气。

在图4中，由线402限定的、燃烧较富的燃料混合物的预定区域， 在某种程度上是任意的。该预定区域可以是发动机特性曲线图上的任 意区域，但是优选地处于被频繁使用但代表预期的正常工作循环的一 个小比例的区域中，使得发动机主要以贫燃模式运行。此外，如下文 关于图6更详细描述的，为在脱硫循环结束时减少对催化剂进行氧化 的时间，优选地，在发动机特性曲线图上选择进行化学计量运行的区 域，使得当发动机在化学计量运行模式下运行时该区域中排放气体温 度通常高于600摄氏度，更优选地，高于650摄氏度。

图5示出了针对不同发动机转速的、λ与发动机负荷的曲线图， 其可以用来实现图4所示的发动机特性曲线图。在图5中右手侧的图 例给出了用来绘制与以rpm为单位的不同发动机运转速度相对应的线 的独特记号。根据所公开的方法，对于发动机运行特性曲线图上的大 多数点，发动机在平均λ大于1.1的贫燃模式下运行。被编程到发动 机特性曲线图中的理想的λ，随着发动机转速改变，随着发动机负荷 增高而逐渐增大，而且对于较高的发动机转速理想的λ通常较高。该 模式的例外情况是，当发动机在“化学计量”运行模式下运行时(这 在该实施例中是当λ小于或等于1.0时)该发动机正在预定义的发动 机转速和负荷范围内运行之时，或发动机正在从化学计量运行模式转 到正常的贫燃运行模式之时。在图5的实施例中，对于化学计量运行 模式，该预定义的发动机转速范围是在2500和2800rpm之间，且该预 定义的发动机负荷范围是从0到最大负荷的大约20％。当发动机转速 是3000rpm且发动机负荷小于最大发动机负荷的50％时，λ被控制为有 助于从化学计量运行模式转换到贫燃运行模式的值，反之亦然。

遵循一系列的被确定为发动机负荷与发动机转速之函数的预定λ 值，所公开的方法可以用于在大多数时间中在贫燃状况下运行发动机 以降低发动机排放，同时当在预定义的状况下发动机在化学计量运行 模式下运行时自动地进行对甲烷氧化催化剂的周期性脱硫。

图6是实验数据的曲线图，其示出了所公开的方法在使已经因吸 收SOx而受到抑制的甲烷氧化催化剂再生方面的效果。该数据收集自 以天然气为燃料的Cummins^TM5.9升发动机。甲烷氧化催化剂包括渗 有钯的催化性氧化铝修补基面涂层，该修补基面涂层沉积在包含硅酸 铝镁的载体上。在其他实施方案中，载体可为金属或碳化硅。图6绘 出了在甲烷氧化催化剂下游的排放气体中的甲烷浓度，其中浓度以百 万分之...(ppm)为单位测量。图6中绘出的数据说明了从贫燃运行模 式切换到化学计量运行模式对甲烷浓度的影响。在左手侧，发动机正 在贫燃运行模式下运行，甲烷浓度为大约675ppm。在所示出的数据中， 已使甲烷氧化催化剂的转化效率显著下降，以更好地说明所公开的方 法的再生能力。也即，在图的左手侧，催化剂的甲烷转化效率为约65 ％，且因将SOx吸收到甲烷氧化催化剂的活性部位而导致催化活性被 严重抑制。在通过所公开的方法对甲烷氧化催化剂脱硫后，甲烷转化 效率恢复到85-90％。通过实施所公开的方法，无论何时发动机运行 在发动机特性曲线图的、发动机控制器被编程而以化学计量运行模式 运行发动机的部分，都会发生脱硫，并且根据发动机特性曲线图上的 化学计量区域的大小以及发动机的正常运行循环，脱硫可以足够的频 率进行，从而防止甲烷氧化催化剂被抑制到图6中所示的程度，并且 使得将甲烷转化效率恢复到85-90％所需的时间更少。

在图6中，如图例所示，对照相同的时间刻度绘制了三组数据。 以百万分之...(ppm)为单位测量的甲烷浓度和以Nm为单位测量的发动 机转矩共享在左手边的y轴上带单位的、从0到1000的相同刻度。以 每分钟转数(rpm)为单位测量的发动机转速，使用右手边的y轴上带单 位的、从0到3000的刻度。在所标示的时间刻度的大约1220秒处， 发动机运行模式从λ在1.4和1.5之间的贫燃模式，切换到平均λ约 为1的化学计量模式。在为收集该数据而进行的试验中，发动机转速 保持恒定直至脱硫循环结束，但发动机负荷减少，如所绘出的发动机 转速和发动机转矩所示。这模拟了在发动机特性曲线图的、发动机转 速被保持在2800rpm左右且发动机负荷远远小于最大负荷的20％的预 定区域中切换到化学计量运行模式。存在与发动机负荷的变化和为帮 助脱硫而进行的使甲烷氧化催化剂到较高温度的加热相关的一些瞬态 效应。在所绘出的甲烷浓度的数据中，因为甲烷传感器的位置在甲烷 氧化催化剂的下游，在测量的甲烷浓度和正从存放甲烷氧化催化剂的 催化转化器离开的排气流中的甲烷浓度之间可能存在延迟。

图6示出，采用所公开的方法，可以在很短的时段内发生通过脱 硫实现的甲烷氧化催化剂的再生。当排放气体中过剩的甲烷转化为一 氧化碳和氢气，且氢气通过与硫反应生成H₂S和H₂SO₄而从甲烷氧化催 化剂中去除SOx时，发生脱硫。在所进行的实验中，在化学计量运行 模式下运行的时段约60秒，但甲烷氧化催化剂脱硫是在约40秒后完 成。在该实验中，因为切换是手动执行，发动机在化学计量运行模式 下运行的时间比发生脱硫所需的时间长，而通过让运行发动机的时间 超过脱硫所需的时间，确认了脱硫是以最大可能限度完成的。也即， 在大约1260秒标记处甲烷浓度的增加表明脱硫完成。当发动机被切换 回贫燃运行模式，且瞬态效应已减退时，所测量的甲烷浓度证实，甲 烷转化效率恢复到了85-90％。

虽然在图6中未示出，但是当发动机切换到化学计量运行模式时， 被引导至甲烷氧化催化剂的排放气体的温度升高。在产生图6所示数 据的测试中，在1220秒标记之前的贫燃运行模式下，即使采用相对于 脱硫时段来说较高的发动机转矩，进入催化转化器的排放气体的温度 也为约645摄氏度。当发动机切换到化学计量运行模式时，发动机转 矩低得多，但进入催化转化器的排放气体的温度增大至约700摄氏度。 排放气体温度优选地保持低于800摄氏度，因为高于此温度的温度会 损害甲烷氧化催化剂。当发动机在1275秒标记之后切换回贫燃运行模 式时，进入催化转化器的排放气体的温度降回约645摄氏度。可以相 信，当甲烷氧化催化剂的温度低于600摄氏度时，甲烷氧化催化剂的 脱硫较差，并且对于针对图6中绘出的实验数据而选择的、发动机特 性曲线图中的以化学计量运行模式运行的预定区域，当在化学计量运 行模式下以高发动机转速和低发动机转矩运行时，排放气体处于对甲 烷氧化催化剂进行脱硫的理想温度。

可以相信，当甲烷氧化催化剂处于氧化状态时，甲烷氧化催化剂 在氧化甲烷方面更为有效，且在通过所公开的脱硫循环将硫从该催化 剂的活性部位驱除之后，甲烷氧化催化剂未被氧化。因此，在以化学 计量运行模式运行发动机并完成脱硫循环后，当发动机切换回贫燃运 行模式时，催化剂的甲烷转化效率并未恢复，直到甲烷催化剂被氧化， 这解释了，在从脱硫模式切换到正常的贫燃运行模式之后，在所测量 的甲烷浓度中观察到的一些瞬态效应。

在正常运行状况下，在实践所公开的方法时，发动机可能会在随 机的时间间隔中在化学计量状况下运行。例如，当车辆正在调低速档 或沿山向下滑行时，发动机可能暂时在发动机特性曲线图上的被指定 进行化学计量运行的区域中运行。可以基于发动机的预期运行周期来 选择发动机特性曲线图上的预定发动机转速和负荷范围的大小，以提 供自动再生甲烷氧化催化剂的足够时段。无论何时发动机在和化学计 量运行模式相关联的预定义状况下运行，甲烷氧化催化剂都可以完全 再生或部分再生，这取决于发动机在化学计量运行模式下运行的时间 长度。

因为甲烷氧化催化剂可以在短时段内(在实验实施例中，当催化 剂被严重抑制时，大约40秒)完全再生，所以发动机的启动序列可以 可选地包括发动机暖机序列——该发动机暖机序列包括对甲烷氧化催 化剂的脱硫，这样，发动机可以通过借助于再生甲烷氧化催化剂而将 甲烷转化效率恢复到较高水平，来开始每个运行循环。也即，作为启 动序列的一部分，发动机控制器可以被编程以命令发动机在发动机特 性曲线图中的、发动机在化学计量运行模式下运行的区域内运行一段 预定时间。在另一实施方案中，当车辆静止时，发动机控制器可以被 编程以在其他预定时间在化学计量模式下运行。例如，如果所公开的 以甲烷作燃料的发动机是垃圾车的原动机，当该垃圾车静止且发动机 控制器识别出操作员已经停车来捡拾或倾倒装载物时，发动机控制器 可命令发动机在化学计量运行模式下运行一段预定的时间或运行至该 车辆被命令从其静止位置开始移动为止。在这些例子中(启动和车辆静 止时的预定时间)，同样的方法用于甲烷氧化催化剂的脱硫。也即，发 动机在发动机特性曲线图中的预定区域内在化学计量运行模式下运 行。唯一的区别在于，发动机控制器可被编程为，当发动机控制器识 别出预定的运行状况时，在该特性曲线图的那部分运行发动机，而不 是当在运行发动机的正常过程中发动机在该特性曲线图的那部分运行 时。

虽然已经示出并描述了本发明的具体要素、实施方案和应用，然 而可以理解的是，本发明并不限于此，因为本领域技术人员可以在不 偏离本公开内容的范围的前提下，尤其是根据前述教导，作出修改。