Способ эксплуатации газового двигателя

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способу эксплуатации газового двигателя, в частности стационарного, причем предусматривается присоединенный к газовому двигателю (3) выхлопной тракт (29), через который протекают выхлопные газы (30) газового двигателя (3). Газовый двигатель (3) работает на бедной газовой смеси (6) горючего газа и воздуха, причем газовый двигатель (3) эксплуатируется согласно циклу Миллера, предпочтительно таким образом, что момент закрытия по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя (3) приходится на диапазон угла поворота коленчатого вала от около 50° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой до около 10° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой. Согласно изобретению выхлопной тракт (29) имеет по меньшей мере один SCR-каталитический элемент (31), с помощью которого содержание оксидов азота (NO_x) в протекающих через SCR-каталитический элемент (31) выхлопных газах (30) снижается посредством углеводорода (C_yH_z) в качестве восстановителя, причем по меньшей мере часть протекающего через SCR-каталитический элемент (31) углеводорода (C_yH_z) представляет собой компонент выхлопных газов (30) газового двигателя (3). Изобретение позволяет увеличить КПД газового двигателя и снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах газового двигателя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к способу эксплуатации газового двигателя, в частности, стационарного газового двигателя, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, к устройству с газовым двигателем, в частности, стационарным газовым двигателем, согласно ограничительной части пункта 14 формулы изобретения, а также к транспортному средству, в частности, транспортному средству промышленного назначения, для осуществления способа и/или с устройством по пункту 15 формулы изобретения.

Известна эксплуатация работающего на углеродсодержащем горючем газе газового двигателя при очень бедной газовой смеси горючего газа и воздуха (например, значение коэффициента избытка воздуха λ=1,7). Этим путем поддерживается на низком уровне количество выделяемых газовым двигателем оксидов азота (NO_x). Однако режим работы газового двигателя на очень обедненной смеси может иметь результатом термодинамически обусловленное явственное снижение коэффициента полезного действия газового двигателя. К тому же при работающем на бедной смеси газовом двигателе может быть так, что в последующем от газового двигателя выхлопном тракте нужно предусматривать дополнительную обработку выхлопных газов для восстановления оксидов азота, например, когда количество выделяемых газовым двигателем оксидов азота (NO_x) превышает законодательно предписанные предельные значения. Как правило, при работающем на бедной смеси двигателе применяется активный NH₃-SCR-катализатор (Selective Catalytic Reduction, селективное каталитическое восстановление) в качестве элемента дополнительной обработки выхлопных газов для восстановления NOx, с помощью которого содержание оксидов азота (NO_x) в протекающих через SCR-катализатор выхлопных газах снижается действием аммиака (NH₃) в качестве восстановителя. При этом аммиак обычно вводится в выхлопной тракт, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, между газовым двигателем и SCR-катализатором в виде водного раствора мочевины, так как выходящие непосредственно из газового двигателя выхлопные газы обычно не содержат аммиак. Однако подобная подача аммиака является дорогостоящей ввиду необходимости в дополнительных инжекторах, дополнительном баке и регулировании дозирования (в том числе с использованием датчиков), и, в частности, требует больших затрат вследствие постоянного расхода аммиака.

Кроме того, также известна эксплуатация работающего на углеродсодержащем горючем газе газового двигателя соответственно циклу Миллера. При этом цикле Миллера впускные клапаны газового двигателя закрываются очень рано. Благодаря этому находящаяся в цилиндре газового двигателя рабочая смесь сначала расширяется, вследствие чего снижается температура в камере сгорания цилиндра. Снижение температуры в камере сгорания обусловливает повышение устойчивости газового двигателя к детонации. Благодаря этому можно повысить степень сжатия газового двигателя и тем самым коэффициент полезного действия газового двигателя.

При применении цикла Миллера обычно необходимо подавать подводимый в газовый двигатель воздух для горения и, соответственно, подводимую в газовый двигатель газовую смесь горючего газа и воздуха для горения при высоком давлении наддува. Это высокое давление наддува и, соответственно, определенный перепад давления в продувочном трубопроводе перед камерой сгорания в случае газовых двигателей с внешним смесеобразованием приводит к увеличению проскока несгоревших углеводородов (C_yH_z), вследствие чего из газового двигателя выбрасывается большое количество углеводородов (C_yH_z). Этот проскок несгоревших углеводородов (C_yH_z) может быть снижен сокращением перекрытия клапанов (промежутка времени, в котором открыты как впускные клапаны, так и выпускные клапаны газового двигателя). Однако сокращение перекрытия клапанов обычно вызывает снижение коэффициента полезного действия газового двигателя.

Тем самым, резюмируя, можно сделать вывод, что работающий на бедной смеси и согласно циклу Миллера газовый двигатель вследствие сокращенного перекрытия клапанов не может эксплуатироваться с максимально возможным коэффициентом полезного действия. Кроме того, применение NH₃-SCR-катализатора для сокращения выделяемых двигателем внутреннего сгорания оксидов азота (NO_x) имеет уже указанные недостатки.

Поэтому задача изобретения состоит в разработке способа эксплуатации газового двигателя, в частности, стационарного, а также устройства с газовым двигателем, в частности, стационарным, с помощью которого газовый двигатель может эксплуатироваться с высоким коэффициентом полезного действия, и может быть эффективным и простым путем снижено количество содержащихся в выхлопных газах газового двигателя вредных веществ.

Эта задача решается соответственно признакам независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения, предлагается способ эксплуатации газового двигателя, в частности, стационарного, причем предусматривается присоединенный к газовому двигателю выхлопной тракт, через который протекают выхлопные газы газового двигателя, причем газовый двигатель работает на бедной газовой смеси горючего газа и воздуха, причем газовый двигатель эксплуатируется согласно циклу Миллера, предпочтительно таким образом, что момент закрытия по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя приходится на диапазон угла поворота коленчатого вала от приблизительно 50° угла поворота коленчатого вала перед UT (нижняя мертвая точка) до приблизительно 10° угла поворота коленчатого вала перед UT. Согласно изобретению, выхлопной тракт имеет по меньшей мере один SCR-каталитический элемент, с помощью которого содержание оксидов азота (NO_x) в протекающих через SCR-каталитический элемент и, соответственно, над ним, выхлопных газах снижается посредством углеводорода (C_yH_z) в качестве восстановителя, причем по меньшей мере часть протекающего через SCR-каталитический элемент углеводорода (C_yH_z) представляет собой компонент выхлопных газов газового двигателя.

Подобный образом газовый двигатель может работать с особенно высоким коэффициентом полезного действия, так как несгоревшие углеводороды (C_yH_z) в выхлопных газах теперь используются как восстановитель для снижения количества содержащихся в выхлопных газах оксидов азота (NO_x). Например, благодаря этому газовый двигатель может эксплуатироваться с повышенным углом фаз газораспределения, что позволяет повысить коэффициент полезного действия газового двигателя. К тому же газовый двигатель, например, может также работать на более богатой газовой смеси горючего газа и воздуха, благодаря чему, в свою очередь, может быть повышен коэффициент полезного действия газового двигателя. Кроме того, газовый двигатель, например, может также работать при повышенном давлении наддува, что также может содействовать повышению коэффициента полезного действия газового двигателя. Кроме того, момент зажигания может быть выставлен в сторону опережения, в результате чего также может быть повышен коэффициент полезного действия газового двигателя. К тому же по меньшей мере один впускной клапан газового двигателя также может закрываться раньше, благодаря чему может быть повышен коэффициент полезного действия газового двигателя. Опять же, количество выбрасываемых углеводородов (C_yH_z), повышенное в результате увеличенного перекрытия клапанов, и/или обогащенной газовой смеси горючего газа и воздуха, и/или повышенного давления наддува, и/или более раннего момента зажигания, и/или более раннего момента закрытия впускного клапана, снижается в результате реакции выпускаемых углеводородов (C_yH_z) с содержащимися в выхлопных газах оксидами азота (NO_x). Кроме того, с помощью соответствующего изобретению проведения способа также особенно просто и эффективно снижается содержание вредных веществ в выхлопных газах, поскольку для снижения количества содержащихся в выхлопных газах оксидов азота (NO_x) теперь не нужно вводить аммиак в выхлопной тракт. Снижение содержания оксидов азота (NO_x) теперь производится посредством уже содержащихся в выхлопных газах газового двигателя углеводородов (C_yH_z).

SCR-каталитические элементы, с помощью которых количество оксидов азота (NO_x) сокращается действием углеводорода (C_yH_z) как восстановителя, уже известны из уровня техники. При этом оксиды азота (NO_x) обычно реагируют и, соответственно, преобразуются согласно следующему уравнению реакции:

2NO_x+C_yH_z+(y+z/4-x)O₂ → N₂+yCO₂+(z/2)H₂O

(х=1 или 2)

С метаном в качестве восстановителя уравнение реакции может быть записано, например, следующим образом:

2NO+CH₄+O₂ → N₂+CO₂+2H₂O

2NO₂+CH₄ → N₂+CO₂+2H₂O

Параллельные/побочные реакции в SCR-каталитическом элементе и/или основные реакции в необязательно предусмотренном элементе каталитического окисления могут быть, например, такими:

2NO+O₂ ↔ 2NO₂ (окисление NO)

C_yH_z+(y+z/4)O₂ → yCO₂+(z/2)H₂O (окисление C_yH_z в целом)

CH₄+2O₂ → CO₂+2H₂O (окисление метана)

В одном предпочтительном соответствующем изобретению варианте исполнения способа газовый двигатель эксплуатируется с газовой смесью горючего газа и воздуха, которая имеет коэффициент избытка воздуха (ламбда) от 1,2 до 1,6.

Кроме того, момент зажигания в газовом двигателе предпочтительно устанавливается на диапазон угла поворота коленчатого вала от 40° угла поворота коленчатого вала перед OT (верхняя мертвая точка) до 10° угла поворота коленчатого вала перед OT. При этом особенно предпочтительно предусматривается, что момент зажигания в газовом двигателе приходится на диапазон угла поворота коленчатого вала от 30° угла поворота коленчатого вала перед OT до 15° угла поворота коленчатого вала перед OT. Посредством подобного регулирования момента зажигания газовый двигатель может работать с особенно высоким коэффициентом полезного действия.

Момент закрытия по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя предпочтительно регулируется на диапазон угла поворота коленчатого вала от 45° угла поворота коленчатого вала перед UT до 20° угла поворота коленчатого вала перед UT. Благодаря этому раннему закрытию по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя оптимизируется процесс согласно циклу Миллера, и газовый двигатель работает с особенно высоким коэффициентом полезного действия.

В одном дополнительном предпочтительном рабочем режиме перекрытие клапанов для по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя и по меньшей мере одного выпускного клапана газового двигателя имеет значение перекрытия клапанов от 0° угла поворота коленчатого вала до 50° угла поворота коленчатого вала, предпочтительно значение перекрытия клапанов от 30° угла поворота коленчатого вала до 50° угла поворота коленчатого вала. Посредством регулирования перекрытия клапанов на значение от 30° угла поворота коленчатого вала до 50° угла поворота коленчатого вала газовый двигатель может эксплуатироваться с особенно высоким коэффициентом полезного действия, и в сочетании с SCR-катализатором могут быть особенно эффективно снижены количества вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах газового двигателя.

Газовый двигатель работает на горючем газе, который предпочтительно имеет содержание метана (СН₄) свыше 40 об.%, предпочтительно более 60 об.%, особенно предпочтительно более 80 об.%. При этом предпочтительно предусматривается, что горючий газ, по меньшей мере частично, образован из природного газа и/или биогаза.

В одном предпочтительном варианте исполнения выхлопной тракт имеет по меньшей мере одну приводимую в действие отработанными газами (выхлопными газами) турбину работающего на выхлопных газах турбокомпрессора. При этом предпочтительно предусматривается, что по меньшей мере один SCR-каталитический элемент, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, размещается в выхлопном тракте или на нем выше по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины. Подобная конфигурация является благоприятной потому, что в результате реакции углеводородов (C_yH_z) с оксидами азота (NO_x) и кислородом (О₂) выделяется тепловая энергия, и тем самым повышается энтальпия выхлопных газов. Благодаря этой повышенной энтальпии выхлопных газов возрастает эффективность и, соответственно, мощность сжатия работающего на выхлопных газах турбокомпрессора. Кроме того, подобное размещение SCR-каталитического элемента является выгодным, когда благодаря этому давление выхлопных газов и, соответственно, температура выхлопных газов ниже по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины являются более благоприятными для достижения желательной степени конверсии оксидов азота (NO_x) и углеводородов (C_yH_z).

Но альтернативно и/или дополнительно, по меньшей мере один SCR-каталитический элемент также может быть размещен в выхлопном тракте или на нем, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, ниже по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины. Подобное размещение является благоприятным, когда температура выхлопных газов выше по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины создает слишком высокую температурную нагрузку на SCR-каталитический элемент. Кроме того, подобная конфигурация также предпочтительна, когда высвобождение тепловой энергии в результате происходящих на SCR-каталитическом элементе реакций приводит к слишком высокой температурной нагрузке на приводимую в действие отработанными газами турбину. Кроме того, подобное размещение SCR-каталитического элемента является благоприятным, когда благодаря этому давление выхлопных газов и, соответственно, температура выхлопных газов ниже по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины являются благоприятными для достижения желательной степени конверсии оксидов азота (NO_x) и углеводородов (C_yH_z). (Например, на основе NO₂/NO_x-соотношения, которое при высоких температурах является термодинамически ограниченным).

Кроме того, предпочтительно предусматривается устройство рекуперации энергии, с помощью которого из тепловой энергии выхлопных газов может быть возвращена обратно и/или произведена полезная энергия, причем устройство рекуперации энергии имеет по меньшей мере один теплопоглощающий теплообменник, с помощью которого может поглощаться тепловая энергия выхлопных газов. При этом предпочтительно предусматривается, что по меньшей мере один теплопоглощающий теплообменник, если смотреть в направлении течения выхлопных газов, размещается ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента на выхлопном тракте или в нем. Это расположение теплопоглощающего теплообменника является выгодным, так как тем самым повышенная благодаря SCR-каталитическому элементу энтальпия выхлопных газов может быть использована для рекуперации полезной энергии. При этом полезная энергия, например, может быть получена в форме гидравлической, и/или пневматической, и/или электрической, и/или механической энергии. Рекуперация энергии может быть выполнена, например, с помощью термодинамического цикла.

Выхлопной тракт предпочтительно имеет по меньшей мере один элемент каталитического окисления. При этом предпочтительно предусматривается, что по меньшей мере один элемент каталитического окисления, если смотреть в направлении течения выхлопных газов, размещается на выхлопном тракте или в нем выше по потоку относительно SCR-каталитического элемента. Размещение элемента каталитического окисления выше по потоку относительно SCR-каталитического элемента имеет то преимущество, что с помощью элемента каталитического окисления прежде всего стимулируется окисление монооксида азота (NO) в диоксид азота (NO₂). Благодаря этому повышается соотношение «NO₂/NO_x» в поступающих в SCR-каталитический элемент выхлопных газах, и это благоприятствует восстановлению оксидов азота (NO_x) посредством SCR-каталитического элемента. Кроме того, элемент каталитического окисления предпочтительно размещается в выхлопном тракте или на нем, если смотреть в направлении течения выхлопных газов, выше по потоку относительно теплопоглощающего теплообменника устройства рекуперации энергии, чтобы с помощью элемента каталитического окисления использовать повышенную энтальпию выхлопных газов для рекуперации полезной энергии.

Но альтернативно и/или дополнительно, по меньшей мере один элемент каталитического окисления, если смотреть в направлении течения выхлопных газов, размещается на выхлопном тракте или в нем ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента. С помощью элемента каталитического окисления, размещенного ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента, могут быть превращены и, соответственно, преобразованы углеводороды (C_yH_z), протекающие ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента.

Кроме того, SCR-каталитический элемент и элемент каталитического окисления предпочтительно образованы одним единым каталитическим элементом для достижения особенно компактной конструкции. При этом предпочтительно предусматривается, что носитель каталитического элемента покрыт таким каталитическим материалом, который имеет как восстанавливающее оксид азота действие, так и окислительное действие.

Носитель каталитического элемента предпочтительно имеет по меньшей мере одну зону восстановления оксидов азота, на которой носитель покрыт каталитическим материалом для восстановления оксидов азота, причем носитель имеет по меньшей мере одну примыкающую к зоне восстановления оксидов азота или отдаленную от зоны восстановления оксидов азота окислительную зону, на которой носитель покрыт окислительным каталитическим материалом.

В альтернативном варианте, носитель каталитического элемента также может быть покрыт многочисленными размещенными друг над другом и/или друг на друге слоями каталитических материалов, причем по меньшей мере один слой имеет каталитический материал, действующий в качестве восстановителя оксидов азота, и причем по меньшей мере один слой каталитического материала проявляет окислительное действие.

В одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения предусматривается устройство подачи, с помощью которого сохраняемый в топливном резервуаре горючий газ подается в зону введения горючего газа выхлопного тракта в выхлопной системе, причем зона введения горючего газа, если смотреть в направлении течения выхлопных газов, размещается ниже по потоку относительно зоны поступления выхлопных газов, в которой выхлопные газы газового двигателя поступают в выхлопной тракт, и выше по потоку относительно SCR-каталитического элемента на выхлопном тракте. С помощью подобного устройства подачи, например, в выхлопной тракт могут быть введены углеводороды (C_yH_z), когда количество содержащихся в выхлопных газах газового двигателя углеводородов (C_yH_z) является слишком малым, чтобы эффективно и, соответственно, в достаточной степени снижать содержание оксидов азота (NO_x) в выхлопных газах. При этом предпочтительно предусматривается регулирующее и/или управляющее устройство, с помощью которого регулируется и/или управляется количество подводимого устройством подачи горючего газа. При этом посредством регулирующего и/или управляющего устройства количество подводимого устройством подачи горючего газа предпочтительно регулируется и/или управляется таким образом, что содержащиеся в выхлопных газах оксиды азота, независимо от эксплуатационного режима газового двигателя, постоянно выдерживаются ниже заданного предельного уровня содержания оксидов азота. При этом заданный предельный уровень содержания оксидов азота может быть установлен, например, предписаниями относительно выхлопных газов. Подобное регулирование прежде всего является благоприятным в случае газовых двигателей, которые эксплуатируются в пределах широких диапазонов характеристик рабочих режимов. Подобные газовые двигатели обычно предусматриваются на транспортном средстве.

Кроме того, каталитический материал SCR-каталитического элемента предпочтительно содержит в качестве активного компонента серебро, и/или медь, и/или платину, и/или индий, и/или СеО₂, и/или кобальт, и/или палладий. С помощью таких активных компонентов может быть особенно эффективно снижено количество содержащихся в выхлопных газах оксидов азота, в особенности с метаном в качестве восстановителя. Кроме того, каталитический материал SCR-каталитического элемента предпочтительно содержит в качестве материала носителя Al₂О₃, и/или TiО₂, и/или SiО₂, и/или ZrО₂. Альтернативно и/или дополнительно, каталитический материал SCR-каталитического элемента также может содержать цеолит и/или модифицированный цеолит (например, модифицированный путем ионного обмена и/или посредством введения металлических частиц).

В особенности предпочтительно слой каталитического материала SCR-каталитического элемента, по меньшей мере на отдельных участках, состоит из Ag-Al₂О₃, предпочтительно из Ag-Al₂О₃ с 1-3 вес% Ag. При таком составе каталитического материала достигается особенно высокая степень конверсии содержащихся в выхлопных газах оксидов азота. В частности, с помощью подобного каталитического материала высокая степень преобразования оксидов азота также достигается, когда присутствуют большие количества воды. Альтернативно и/или дополнительно, слой каталитического материала SCR-каталитического элемента, по меньшей мере на отдельных участках, может состоять также из Pt/In-ZSM-5, и/или из CeO₂-In-ZSM, и/или из Co-ZSM-5. С помощью подобным образом сформированных слоев каталитических материалов также достигается высокая степень конверсии содержащихся в выхлопных газах оксидов азота. Кроме того, альтернативно и/или дополнительно, слой каталитического материала SCR-каталитического элемента, по меньшей мере на отдельных участках, может состоять также из Cu-Al₂О₃, предпочтительно из Cu-Al₂О₃ с 6-10 вес% Cu. Кроме того, слой каталитического материала SCR-каталитического элемента, по меньшей мере на отдельных участках, может состоять также из Pd-ZrО₂, предпочтительно из Pd-ZrО₂ с Pd в количестве от 0,1 до 0,5 вес%.

Кроме того, для решения уже названной задачи заявляется устройство с газовым двигателем, в частности, стационарным, с присоединенным к газовому двигателю выхлопным трактом, через который протекают выхлопные газы газового двигателя, причем газовый двигатель может работать на бедной газовой смеси горючего газа и воздуха, причем газовый двигатель может эксплуатироваться согласно циклу Миллера, предпочтительно таким образом, что момент закрытия по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя приходится на диапазон угла поворота коленчатого вала от около 50° угла поворота коленчатого вала перед UT (нижняя мертвая точка) до около 10° угла поворота коленчатого вала перед UT. Согласно изобретению, выхлопной тракт имеет по меньшей мере один SCR-каталитический элемент, с помощью которого содержание оксидов азота (NO_x) в протекающих через SCR-каталитический элемент и, соответственно, над ним, выхлопных газах снижается посредством углеводорода (C_yH_z) в качестве восстановителя, причем по меньшей мере часть протекающего через SCR-каталитический элемент углеводорода (C_yH_z) представляет собой компонент выхлопных газов газового двигателя.

Обеспечиваемые соответствующим изобретению устройством преимущества идентичны уже отмеченным достоинствам соответствующего изобретению технологического режима, так что в этом месте они не будут повторяться.

Кроме того, заявляется стационарная тепловая электростанция и/или транспортное средство, в частности, транспортное средство промышленного назначения, для осуществления соответствующего изобретению способа и/или с соответствующим изобретению устройством. Обусловливаемые этим преимущества также идентичны уже отмеченным достоинствам соответствующего изобретению технологического режима, так что в этом месте они тоже не будут повторяться.

Разъясненные выше и/или приведенные в зависимых пунктах формулы изобретения предпочтительные варианты осуществления и/или усовершенствования изобретения могут быть – кроме, например, явных зависимостей или несовместимых альтернатив – применены по отдельности или же также в произвольной комбинации друг с другом.

Далее изобретение и его предпочтительные варианты осуществления и/или усовершенствования, а также их достоинства, более подробно разъясняются с помощью чертежей только в качестве примера.

Как показано:

Фиг. 1 представляет схематическое изображение конструкции соответствующего изобретению устройства в первом варианте исполнения;

Фиг. 2 представляет схематическое изображение конструкции SCR-каталитического элемента устройства;

Фиг. 3 в изображении согласно Фиг. 1 представляет второй вариант исполнения устройства;

Фиг. 4 в изображении согласно Фиг. 1 представляет третий вариант исполнения устройства;

Фиг. 5 в изображении согласно Фиг. 1 представляет четвертый вариант исполнения устройства;

Фиг. 6 в изображении согласно Фиг. 1 представляет пятый вариант исполнения устройства;

Фиг. 7 в изображении согласно Фиг. 1 представляет шестой вариант исполнения устройства;

Фиг. 8 в изображении согласно Фиг. 1 представляет седьмой вариант исполнения устройства; и

Фиг. 9 в изображении согласно Фиг. 1 представляет восьмой вариант исполнения устройства.

В Фиг. 1 показана конструкция соответствующего изобретению устройства в первом варианте исполнения. Устройство 1 имеет газовый двигатель 3, который работает на углеродсодержащем горючем газе 4 в качестве топлива. Горючий газ 4 предпочтительно имеет содержание метана (СН₄) свыше 80 об.%, и может быть сформирован, например, природным газом. Газовая смесь 6 горючего газа и воздуха для горения здесь может быть образована, например, вне газового двигателя 3, соответственно, внешним смесеобразованием.

Как следует из Фиг. 1, по время работы газового двигателя 3 воздух 5 для горения поступает во впускной тракт 7 устройства 1. Впускной тракт 7 имеет, если смотреть по направлению течения воздуха для горения, компрессор 9 работающего на выхлопных газах турбокомпрессора 11, датчик 13 давления, охладитель 15 наддувочного воздуха, датчик 17 давления, дроссельную заслонку 19 и устройство 21 для смешения горючего газа и воздуха для горения. К устройству 21 для смешения горючего газа и воздуха для горения здесь, например, подсоединен подводящий трубопровод 23, с помощью которого в устройство 21 для смешения горючего газа и воздуха для горения подается сохраняемый в топливном резервуаре 25 устройства 1 горючий газ 4. Горючий газ 4 здесь подается, например, с помощью насоса 27, исходя от топливного резервуара 25 в устройство 21 для смешения горючего газа и воздуха для горения.

Согласно Фиг. 1, устройство 1 кроме того имеет также выхлопной тракт 29, через который протекают выхлопные газы 30 газового двигателя 3. Выхлопной тракт 29 имеет SCR-каталитический элемент 31, с помощью которого содержание оксидов азота (NO_x) в протекающих через SCR-каталитический элемент выхлопных газах снижается посредством углеводорода (C_yH_z) как восстановителя. Протекающий через SCR-каталитический элемент 31 углеводород (C_yH_z) здесь представляет собой компонент выхлопных газов 30 газового двигателя 3.

В Фиг. 2 показана структура SCR-каталитического элемента 31. SCR-каталитический элемент 31 имеет подложку или, соответственно, носитель 33, который покрыт каталитическим материалом 35. Каталитический материал и, соответственно, слой 35 каталитического материала имеет компонент 37 носителя и активный компонент 39. В качестве активного компонента 39 каталитический материал 39 преимущественно содержит серебро, и/или медь, и/или платину, и/или индий, и/или СеО₂, и/или кобальт, и/или палладий. В качестве компонента 37 носителя каталитический материал 35 предпочтительно содержит Al₂О₃, и/или TiО₂, и/или SiО₂, и/или ZrО₂. Альтернативно и/или дополнительно, каталитический материал 39 также может содержать цеолит и/или модифицированный цеолит.

Согласно Фиг. 1, выхлопной тракт 29 здесь также имеет, например, элемент каталитического окисления 41, размещенный, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, между газовым двигателем 3 и SCR-каталитическим элементом 31. Кроме того, приводимая в действие отработанными газами турбина 42 работающего на выхлопных газах турбокомпрессора 11 размещена здесь, например, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента 31 в выхлопном тракте 29 или на нем.

Кроме того, газовый двигатель 3 здесь работает, например, на газовой смеси горючего газа и воздуха, которая имеет коэффициент избытка воздуха (лямбда) от 1,2 до 1,6. Кроме того, момент зажигания в газовом двигателе 3 здесь устанавливается, например, на диапазон угла поворота коленчатого вала от 40° угла поворота коленчатого вала перед OT (верхняя мертвая точка) до 10° угла поворота коленчатого вала перед OT. Кроме того, момент закрытия, здесь, например, двух впускных клапанов газового двигателя 3, здесь в порядке примера, регулируется на диапазон угла поворота коленчатого вала от 50° угла поворота коленчатого вала перед UT (нижняя мертвая точка) до 10° угла поворота коленчатого вала перед UT. Кроме того, перекрытие клапанов для одного впускного клапана газового двигателя 3 и, здесь, например, двух выпускных клапанов газового двигателя 3 имеет значение, здесь в качестве примера, перекрытия клапанов от 0° до 50° угла поворота коленчатого вала. Благодаря этому рабочему режиму газового двигателя 3 в сочетании с SCR-каталитическим элементом 31 выхлопного тракта 29 достигаются особенно высокий коэффициент полезного действия газового двигателя 3 и эффективное снижение количества содержащихся в выхлопных газах газового двигателя 3 вредных веществ.

В Фиг. 3 показано устройство 1 во втором варианте исполнения. В отличие от показанного в Фиг. 1 первого варианта исполнения, второй вариант исполнения устройства 1 имеет устройство 43 подачи, с помощью которого сохраняемый в топливном резервуаре 25 горючий газ 4 может подаваться в зону 45 подачи горючего газа выхлопного тракта 29 в выхлопном тракте 29. Зона 45 подачи горючего газа выхлопного тракта 29 здесь расположена, например, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, между элементом 41 каталитического окисления и SCR-каталитическим элементом 31. Устройство 43 подачи здесь имеет, к примеру, соединительный трубопровод 47, с помощью которого топливный резервуар 25 и выхлопной тракт 29 аэродинамически соединены друг с другом. Кроме того, устройство 43 подачи, здесь в качестве примера, также имеет насос 49, посредством которого горючий газ 4 подводится через соединительный трубопровод 47. Насос 49, здесь в качестве примера, регулируется и, соответственно, управляется регулировочным и/или управляющим устройством 51 устройства 43 подачи. С помощью устройства 43 подачи, здесь в порядке примера, горючий газ 4 подается в выхлопной тракт 29, когда содержащихся в выхлопных газах 30 газового двигателя 3 углеводородов недостаточно, чтобы в необходимой степени восстанавливать оксиды азота в выхлопных газах 30. Тем самым с помощью устройства 30 подачи надежно обеспечивается высокая степень превращения и, соответственно, степень конверсии содержащихся в выхлопных газах 30 оксидов азота.

Кроме того, как показано в Фиг. 3, устройство 1 во втором варианте исполнения дополнительно имеет также устройство 53 рекуперации энергии, с помощью которого из тепловой энергии выхлопных газов 30 может быть возвращена обратно и/или произведена полезная энергия. При этом рекуперация энергии может быть, например, выполнена в условиях термодинамического цикла, например, с помощью цикла Клаузиуса-Ренкина. Устройство 53 рекуперации энергии имеет теплопоглощающий теплообменник 55, с помощью которого может отводиться тепловая энергия выхлопных газов 30. Теплопоглощающий теплообменник 55, здесь в качестве примера, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, размещается ниже по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины 42 работающего на выхлопных газах турбокомпрессора 11 в выхлопном тракте 29 или на нем.

В Фиг. 4 показан третий вариант исполнения устройства 1. По сравнению с показанным в Фиг. 1 первым вариантом исполнения, здесь элемент 41 каталитического окисления размещается в выхлопном тракте 29 или на нем, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента 31.

В Фиг. 5 показан четвертый вариант исполнения устройства 1. По сравнению с показанным в Фиг. 1 первым вариантом исполнения, здесь SCR-каталитический элемент 31 и элемент 41 каталитического окисления расположены, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, ниже по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины 42 работающего на выхлопных газах турбокомпрессора 11 в выхлопном тракте 29 или на нем.

В Фиг. 6 показан пятый вариант исполнения устройства 1. По сравнению с показанным в Фиг. 3 вторым вариантом исполнения, здесь зона 45 подачи горючего газа выхлопного тракта 29 размещена, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, между газовым двигателем 3 и элементом 41 каталитического окисления. Как обозначено в Фиг. 6 пунктирными линиями, горючий газ 4 мог бы с помощью устройства 43 подачи дополнительно подаваться в выхлопной тракт 29 также, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, между элементом 41 каталитического окисления и SCR-каталитическим элементом 31.

В Фиг. 7 показан шестой вариант исполнения устройства 1. По сравнению с показанным в Фиг. 5 четвертым вариантом исполнения, здесь элемент 41 каталитического окисления размещается в выхлопном тракте 29 или на нем, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента 31.

В Фиг. 8 показан седьмой вариант исполнения устройства 1. По сравнению с показанным в Фиг. 5 четвертым вариантом исполнения, здесь устройство 1 дополнительно имеет устройство 43 подачи. Здесь в качестве примера, зона 45 введения выхлопных газов, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, размещается между приводимой в действие отработанными газами турбиной 42 и элементом 41 каталитического окисления.

В Фиг. 9 показан восьмой вариант исполнения устройства 1. По сравнению с показанным в Фиг. 8 седьмым вариантом исполнения, здесь зона 45 подачи горючего газа выхлопного тракта 29 размещена, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, между элементом 41 каталитического окисления и SCR-каталитическим элементом 31. Как обозначено в Фиг. 9 пунктирными линиями, горючий газ 4 мог бы с помощью устройства 43 подачи дополнительно подаваться в выхлопной тракт 29 также, если смотреть по направлению течения выхлопных газов, между приводимой в действие отработанными газами турбиной 42 и элементом 41 каталитического окисления с помощью устройства 43 подачи.

Список условных обозначений

1	Устройство
3	Газовый двигатель
4	Горючий газ
5	Воздух для горения
6	Газовая смесь горючего газа и воздуха для горения
7	Впускной тракт
9	Компрессор
11	Работающий на выхлопных газах турбокомпрессор
13	Датчик давления
15	Охладитель наддувочного воздуха
17	Датчик давления
19	Дроссельная заслонка
21	Устройство для смешения горючего газа и воздуха для горения
23	Подводящий трубопровод
25	Топливный резервуар
27	Насос
29	Выхлопной тракт
30	Выхлопные газы
31	SCR-каталитический элемент
33	Носитель
35	Каталитический материал
37	Компонент носителя
39	Активный компонент
41	Элемент каталитического окисления
42	Приводимая в действие отработанными газами турбина
43	Устройство подачи
45	Зона подачи горючего газа
47	Подводящий трубопровод
49	Насос
51	Регулировочное и/или управляющее устройство
53	Устройство рекуперации энергии
55	Теплопоглощающий теплообменник.

1. Способ эксплуатации газового двигателя, причем предусмотрен присоединенный к газовому двигателю (3) выхлопной тракт (29), через который протекают выхлопные газы (30) газового двигателя (3), причем газовый двигатель (3) работает на бедной газовой смеси (6) горючего газа и воздуха,

причем газовый двигатель (3) эксплуатируют согласно циклу Миллера таким образом, что момент закрытия по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя (3) приходится на диапазон угла поворота коленчатого вала от приблизительно 50° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой (UT) до приблизительно 10° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой, отличающийся тем,

что выхлопной тракт (29) имеет по меньшей мере один SCR-каталитический элемент (31), с помощью которого содержание оксидов азота (NO_x) в протекающих через SCR-каталитический элемент (31) выхлопных газах (30) снижается посредством углеводорода (C_yH_z) в качестве восстановителя, причем по меньшей мере часть протекающего через SCR-каталитический элемент (31) углеводорода (C_yH_z) представляет собой компонент выхлопных газов (30) газового двигателя (3),

причем выхлопной тракт (29) имеет по меньшей мере одну приводимую в действие отработанными газами турбину (42) работающего на выхлопных газах турбокомпрессора (11), и причем предусмотрено, что по меньшей мере один SCR-каталитический элемент (31), если смотреть по направлению течения выхлопных газов, размещен на выхлопном тракте (29) или в нем выше по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины (42).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовый двигатель (3) эксплуатируют на газовой смеси (6) горючего газа и воздуха, которая имеет коэффициент избытка воздуха от 1,2 до 1,6.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что момент зажигания в газовом двигателе (3) устанавливается на диапазон угла поворота коленчатого вала от 40° угла поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой (ОT) до 10° угла поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой, причем предпочтительно предусмотрено, что момент зажигания в газовом двигателе (3) устанавливается на диапазон угла поворота коленчатого вала от 30° угла поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой до 15° угла поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что момент закрытия по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя (3) лежит в диапазоне угла поворота коленчатого вала от 45° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой до 20° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перекрытие клапанов по меньшей мере для одного впускного клапана газового двигателя (3) и по меньшей мере одного выпускного клапана газового двигателя (3) имеет значение перекрытия клапанов от 0° угла поворота коленчатого вала до 50° угла поворота коленчатого вала, предпочтительно значение перекрытия клапанов от 30° угла поворота коленчатого вала до 50° угла поворота коленчатого вала.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовый двигатель (3) эксплуатируют на горючем газе (4), который имеет долю метана (СН₄) свыше 40 об.%, предпочтительно более 60 об.%, особенно предпочтительно более 80 об.%, причем предпочтительно предусмотрено, что горючий газ (4), по меньшей мере частично, образован природным газом и/или биогазом.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один SCR-каталитический элемент (31), если смотреть по направлению течения выхлопных газов, размещен на выхлопном тракте (29) или в нем ниже по потоку относительно приводимой в действие отработанными газами турбины (42).

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрено устройство (53) рекуперации энергии, с помощью которого из тепловой энергии выхлопных газов (30) может быть возвращена обратно и/или произведена полезная энергия, причем устройство (53) рекуперации энергии имеет по меньшей мере один теплопоглощающий теплообменник (55), с помощью которого может отбираться тепловая энергия выхлопных газов (30), причем предпочтительно предусмотрено, что по меньшей мере один теплопоглощающий теплообменник (30), если смотреть по направлению течения выхлопных газов, размещен ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента (31) на выхлопном тракте (29) или в нем.

9. Способ по п. 1 или 7, отличающийся тем, что выхлопной тракт (29) имеет по меньшей мере один элемент (41) каталитического окисления, причем предпочтительно предусмотрено, что по меньшей мере один элемент (41) каталитического окисления, если смотреть в направлении течения выхлопных газов, размещается на выхлопном тракте (29) или в нем выше по потоку и/или ниже по потоку относительно SCR-каталитического элемента (31).

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что SCR-каталитический элемент (31) и элемент (41) каталитического окисления образованы одним единым каталитическим элементом, причем предпочтительно предусмотрено, что носитель каталитического элемента покрыт каталитическим материалом, который имеет как восстанавливающее оксид азота действие, так и окислительное действие.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрено устройство (43) подачи, с помощью которого сохраняемый в топливном резервуаре (25) горючий газ (4) подается в зону (45) подачи горючего газа выхлопного тракта (29) в выхлопном тракте (29), причем зона (45) подачи горючего газа выхлопного тракта (29) расположена, если смотреть в направлении течения выхлопных газов, ниже по потоку относительно зоны введения выхлопных газов, в которой выхлопные газы (30) газового двигателя (3) поступают в выхлопной тракт (29), и выше по потоку относительно SCR-каталитического элемента (31) на выхлопном тракте (29), причем предпочтительно предусмотрено регулировочное и/или управляющее устройство (51), с помощью которого регулируют и/или управляют количеством подводимого устройством (43) подачи горючего газа (4).

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каталитический материал (35) SCR-каталитического элемента (31) в качестве активного компонента (39) содержит серебро, и/или медь, и/или платину, и/или индий, и/или СеО₂, и/или кобальт, и/или палладий, и/или что каталитический материал (35) SCR-каталитического элемента (31) в качестве несущего компонента (37) содержит Al₂О₃, и/или TiО₂, и/или SiО₂, и/или ZrО₂.

13. Способ по п. 1 или 12, отличающийся тем, что слой каталитического материала (35) SCR-каталитического элемента (31), по меньшей мере на отдельных участках, состоит из Ag-Al₂О₃, предпочтительно из Ag-Al₂О₃ с 1-3 вес.% Ag, и/или что слой каталитического материала (35) SCR-каталитического элемента (31), по меньшей мере на отдельных участках, состоит из Pt/In-ZSM-5, или из CeO₂-In-ZSM, или из Co-ZSM-5, и/или что слой каталитического материала (35) SCR-каталитического элемента (31), по меньшей мере на отдельных участках, состоит из Cu-Al₂О₃, предпочтительно из Cu-Al₂О₃ с 6-10 вес.% Cu, и/или что слой каталитического материала (35) SCR-каталитического элемента (31), по меньшей мере на отдельных участках, состоит из Pd-ZrО₂, предпочтительно из Pd-ZrО₂ с Pd в количестве от 0,1 до 0,5 вес.%.

14. Устройство для осуществления способа по одному из предшествующих пунктов, с газовым двигателем (3), с присоединенным к газовому двигателю (3) выхлопным трактом (29), через который протекают выхлопные газы (30) газового двигателя (3), причем газовый двигатель (3) выполнен с возможностью эксплуатации на бедной газовой смеси (6) горючего газа и воздуха,

причем газовый двигатель (3) выполнен с возможностью эксплуатации согласно циклу Миллера таким образом, что момент закрытия по меньшей мере одного впускного клапана газового двигателя (3) приходится на диапазон угла поворота коленчатого вала от приблизительно 50° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой (UT) до приблизительно 10° угла поворота коленчатого вала перед нижней мертвой точкой, отличающееся тем,

что выхлопной тракт (29) имеет по меньшей мере один SCR-каталитический элемент (31), с помощью которого содержание оксидов азота (NO_x) в протекающих через SCR-каталитический элемент (31) выхлопных газах (30) может снижаться посредством углеводорода (C_yH_z) в качестве восстановителя, причем по меньшей мере часть протекающего через SCR-каталитический элемент (31) углеводорода (C_yH_z) представляет собой компонент выхлопных газов (30) газового двигателя (3).

15. Транспортное средство для осуществления способа по одному из пп. 1-13, и/или с устройством по п. 14.