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CN116971900A - 氨燃料发动机 - Google Patents

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CN116971900A
CN116971900A CN202310474413.2A CN202310474413A CN116971900A CN 116971900 A CN116971900 A CN 116971900A CN 202310474413 A CN202310474413 A CN 202310474413A CN 116971900 A CN116971900 A CN 116971900A
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CN
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ammonia
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catalyst
combustion chamber
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CN202310474413.2A
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D·M·希顿
M·J·肯尼迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Perkins Engines Co Ltd
Original Assignee
Perkins Engines Co Ltd
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Publication date
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Abstract

一种内燃机组件，包括燃料重整器、燃烧室和控制器。燃料重整器包括第一通道和第二通道，第二通道的一部分邻近第一通道的一部分，以便于第一通道和第二通道之间的热交换。第一通道包括选择用于将氨重整为氢和氮的催化剂。第一通道配置成接收氨，使氨经过催化剂，并输出包含氨、氢和氮的第一混合物。第一混合物的组成取决于第一通道的第一重整器温度。燃烧室配置成接收来自燃料重整器的第一混合物；接收氧化剂；在氧化剂中燃烧第一混合物以产生热和第一产物；并且输出第一产物。燃料重整器的第二通道配置成接收第一产物。

Description

氨燃料发动机
技术领域
本发明涉及发动机领域。
背景技术
作为传统的以碳氢化合物(HC)为燃料的发动机的替代，对以氢(H2)为燃料的发动机的兴趣增加。氢具有良好的燃烧特性，并且氢气与氧气的燃烧仅产生水蒸气产物。
尽管氢的燃烧是无碳的，但是制氢的方法也是燃料的碳足迹的一个因素。适于使用可再生能源(例如通过太阳能或风能)制氢的位置通常是遥远的，因此氢被长距离地运输到需要燃料的地方。压缩氢气需要高能量，并且即使是液体形式，能量密度也相对较低，使得氢气的输送效率相对较低。此外，氢气的小分子尺寸使得难以防止其泄漏。如果有氢气逸出，它可能与空气形成潜在地爆炸的混合物。
燃烧氢气不产生任何含碳污染物。然而，氢气在空气中的燃烧确实产生具有不希望的环境影响的氮氧化物(NOx)。
氨(NH3)是用于内燃机的替代可再生燃料，并且比氢更容易运输。这是因为在较高的能量密度和较低的压力下，氨气比氢气更容易在压力下作为液体储存。氨气比氢气还需要更少的能量来压缩成液体。尽管泄漏的可能性小于氢气，但是如果有泄漏的话，氨气的气味降低了泄漏未被检测到的风险。此外，氨气的可燃性远低于氢气。然而，氨气的燃烧特性不如氢气有利，因为它在窄范围的混合物下相对缓慢地燃烧，并且未燃烧的氨气排放可能是高的。也可以制NOx。
发明内容
针对该背景，提供一种内燃机组件，其包括燃料重整器、燃烧室和控制器。燃料重整器包括第一通道和第二通道，第二通道的一部分邻近第一通道的一部分，以便于第一通道和第二通道之间的热交换。第一通道包括第一重整器入口、选择用于将氨重整为氢和氮的催化剂，以及第一重整器出口。第二通道包括第二重整器入口和第二重整器出口。燃料重整器配置成(a)经由第一重整器入口接收氨；(b)使氨经过催化剂；以及(c)经由第一重整器出口输出包含氨、氢和氮的第一混合物，其中第一混合物的组成取决于第一通道的第一重整器温度。燃烧室包括第一燃烧室入口和第一燃烧室出口；其中燃烧室配置成(a)经由第一燃烧室入口接收来自第一重整器出口的第一混合物；(b)接收氧化剂；(c)在氧化剂中燃烧第一混合物以产生热和第一产物；以及(d)经由第一燃烧室出口从燃烧室输出第一产物。燃料重整器进一步配置成经由第二重整器入口接收第一产物，使得第一通道的第一重整器温度取决于第二通道中的第一产物的温度。控制器配置成控制内燃机组件的操作，使得发动机负荷超过负荷阈值。
这样，内燃机组件可以依靠氢和氨的混合物上运行，混合物的组成可哟通过调节燃料重整器的温度来控制。
还提供一种操作包括燃料重整器、燃烧室和控制器的内燃机的方法。燃料重整器包括第一通道和第二通道，第二通道的一部分邻近第一通道的一部分，以便于第一通道和第二通道之间的热交换。第一通道包括第一重整器入口、选择用于将氨重整为氢和氮的催化剂，以及第一重整器出口。第二通道包括第二重整器入口和第二重整器出口。燃烧室包括第一燃烧室入口和第一燃烧室出口。所述方法包括：
经由第一重整器入口接收氨；
使氨经过催化剂；以及
经由第一重整器出口输出包含氨、氢和氮的第一混合物，其中第一混合物的组成取决于第一通道的第一重整器温度；
经由第一燃烧室入口接收来自第一重整器出口的第一混合物；
在燃烧室中接收氧化剂；
在氧化剂中燃烧第一混合物以产生热和第一产物；
经由第一燃烧室出口从燃烧室输出第一产物；以及
经由第二重整器入口接收第一产物，使得第一通道的第一重整器温度取决于第二通道中的第一产物的温度。
控制器配置成控制内燃机组件的操作，使得发动机负荷超过负荷阈值。
附图说明
现在将参照附图仅以实例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的内燃组件的示意图。
图2示出了根据本发明的实施例的内燃组件的示意图。
图3示出了进一步包括根据本发明的实施例的蒸发器的内燃组件的示意图。
图4示出了指示相对于温度绘制的氨气至氢气和氮气的转化率的示意图。
图5示出了根据本发明的实施例的燃料重整器的第一通道和第二通道的顶视示意图。
图6示出了根据本发明的实施例的燃料重整器的第一通道和第二通道的示意图，其中移除了一部分以允许示出内部。图6A示出了顶视图，图6B示出了透视图，图6C示出了透视图。
图7示出了根据本发明的实施例的燃料重整器的第一通道和第二通道的示意图。
图8示出了根据本发明的实施例的内燃组件的示意图。
图9示出了说明根据本发明的实施例的方法的流程图。
图10示出了根据本发明的实施例的后处理系统的示意性框图。
图11示出了根据本发明的实施例的通过后处理系统的气体的温度和浓度相对于时间的曲线图。图11中的所有曲线示出了温度随时间的变化。图11A示出了温度和质量流率。图11B显示了氨气在入口、离开第一催化剂区、离开第二催化剂区以及离开第三催化剂区的浓度。图11C示出了NOx在入口、离开第一催化剂区、离开第二催化剂区以及离开第三催化剂的浓度。图11D示出了N2在入口、离开第一催化剂区、离开第二催化剂区以及离开第三催化剂区的浓度。图11E示出了H2O在入口、离开第一催化剂区、离开第二催化剂区以及离开第三催化剂区的浓度。
图12示出了根据本发明的实施例的后处理系统的截面的示意性框图。图12A示出了第一催化剂区中的第一氨氧化催化剂的涂层，第二催化剂区中的第一选择性催化还原(SCR)催化剂的涂层以及第三催化剂区中的第二氨氧化催化剂的涂层。图12B示出了第一催化剂区中的第一氨氧化催化剂的涂层，第三催化剂区中的第二氨氧化催化剂的涂层，以及第一、第二和第三催化剂区上的第一SCR催化剂的涂层。
图13示出了根据本发明的实施例的层叠在氨氧化催化剂上的SCR催化剂的示意图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的内燃机组件100包括燃料重整器110、燃烧室120和控制器。燃料重整器110包括第一通道111和第二通道112。图1示出了由虚线分开的第一通道111和第二通道112。第一通道111和第二通道112可以具有与所示出的几何形状不同的几何形状。在燃料重整器110中的第一通道111和第二通道112之间可以没有流体交换。第二通道112的一部分邻近第一通道111的一部分，以便于第一通道111和第二通道112之间的热交换。第一通道111包括第一重整器入口113和第一重整器出口114。第一通道还包括选择用于将氨重整为氢和氮的催化剂。第二通道112包括第二重整器入口115和第二重整器出口116。
燃料重整器110配置成经由第一重整器入口113接收氨(由箭头131指示)。燃料重整器110配置成使氨131经过催化剂，并通过第一重整器出口114输出氨、氢和氮的第一混合物(由箭头132指示)。第一混合物132的组成取决于第一通道111的第一重整器温度。
燃烧室120包括第一燃烧室入口121和第一燃烧室出口122。燃烧室120配置成经由第一燃烧室入口121接收来自第一重整器出口114的第一混合物132。燃烧室120还配置成接收氧化剂(由箭头133指示)，并且在氧化剂133中燃烧第一混合物132以产生热和第一产物。燃烧室120配置成经由第一燃烧室出口122从燃烧室输出第一产物(由箭头134指示)。
燃料重整器110进一步配置成经由第二重整器入口115接收第一产物134，使得第一通道111的第一重整器温度取决于第二通道112中的第一产物134的温度。燃料重整器110可配置成经由第二重整器出口116输出第一产物134。控制器(图1中未示出)配置成控制内燃机组件的操作，使得发动机负荷超过负荷阈值。
在图1所示的实施例中，燃烧室120配置成经由第一燃烧室入口121接收第一混合物132和氧化剂133。在图2所示的内燃机组件200的另一实施例中，燃烧室120还包括第二燃烧室入口123。燃烧室120配置成经由第一燃烧室入口121接收第一混合物132并且经由第二燃烧室入口123接收氧化剂133。
在燃料重整器110的第一通道111中，氨经过催化剂以促进氨重整为氮和氢。经过催化剂的氨包括气态氨。由内燃机组件100接收的氨可以包括液态氨，并且液态氨可以在到达催化剂之前蒸发。可以使用蒸发器蒸发液态氨。参照图3，内燃机组件300还可包括蒸发器310。在一个实施例中，蒸发器310可配置成经由第一蒸发器入口311接收液态氨321。蒸发器310可进一步配置为蒸发液态氨并且输出气态氨322，其中燃料重整器110配置为接收气态氨322。蒸发器310可以包括热交换器或任何其它类型的蒸发器。在一个实例中，蒸发器310可以包括第一蒸发器通道，氨可以通过该第一蒸发器通道。可以加热第一蒸发器通道以蒸发液态氨321。可以通过加热围绕第一蒸发器通道的气体或液体来加热第一蒸发器通道。第一蒸发器通道通道可以经由第一蒸发器通道的一部分与配置成容纳气体或液体的第二蒸发器通道之间的热交换来加热。在一个实施例中，第二蒸发器通道可配置成容纳第一产物。在环境压力(101.325kPa)下，氨的沸点为－33℃。液态氨因此可以在蒸发器被加热之前开始蒸发。
在另一实施例中，燃料重整器110还可配置成蒸发液态氨。例如，可以加热催化剂上游的第一通道111的一部分。第一通道111在催化剂上游的的部分可以通过与第二通道112的部分进行热交换而被加热。
第一通道111包括催化剂，该催化剂被选择成根据以下总方程式催化氨分解成氢和氮：
2NH3→3H2+N2
氨的分解可以以逐步的脱氢反应顺序发生。反应可以从氨吸附到催化剂表面开始。然后将氨重整为氮气和氢气(一种也称为脱氢、裂化或分解的方法)，并从催化剂中解吸氮和氢。重整步骤可以包括一个反应步骤或可以包括多于一个的反应步骤，在第一反应步骤之后形成中间体。
催化剂可以包含活性部。可以选择活性部使得氨转化为氮和氢的速率增加。通常，催化剂的活性部可以包含金属。优选地，催化剂的活性部包含钌。按活性的顺序(从最高到最低)，催化剂的活性部可以包括以下任一种：
Ru>Ni>Rh>Co>Ir>Fe>Pt>Cr>Pd>Cu>>Te，Se，Pb
对于包含贵金属如Ru、Rh、Ir、Pt或Pd的催化剂，氨的氮氢键的裂解可以是速率决定步骤。对于包含非贵金属如Fe、Co或Ni的催化剂，从催化剂的解吸氮可以是速率决定步骤。
催化剂可以进一步包含结构部，其中结构部配置为支撑活性部。在一个实施例中，结构部可以包括铝硅酸盐材料或其它材料。在一个实施例中，结构部可以包括Al2O3。
该结构部可以配置成用于支撑结构部。结构部可以设置在结构部上。例如，结构部可以包括支撑在结构部表面上的层。结构部可以配置成增加结构部的暴露表面的表面积，其中暴露表面配置成暴露于反应物。在一个实施例中，结构部可以包括高表面积支撑介质。高表面积支撑介质可包括在给定体积内优化或增加表面积的任何形状。例如，结构部可以包括燃料重整器的第一通道的内表面、无定形Al2O3、碳纳米管或任何其它高表面积载体介质。在一个实施例中，结构部可以包括反应物(在这种情况下为气态氨)可以通过的管，其中结构部设置在管的内表面上和/或管的外表面上。管可以包括第一通道，或者可以包括碳纳米管。在另一个实施例中，结构部可以包括楔形结构。结构部可以包括具有大表面积的其它形状的结构。
促进剂可用于在较低温度下增加活性。例如，促进剂可用于将活性提高至低于500℃。促进剂的实例可以是KNO3。
氨的分解是吸热的，并且分解速率是温度依赖性的。通常，分解速率随温度增加。第一混合物的组成可以通过调节经过催化剂的气体的温度来控制。
燃烧室120配置成燃烧氨、氢，或者氨和氢的混合物。通常，燃烧氨的热效率相对较低。当第一混合物中氢与氨的比率增加时，热效率趋于增加。为了实现氨转化为氮和氢的足够速率，目标温度或目标温度范围可以高于350℃或优选高于450℃。足够的转化率可以高于10％，或优选高于40％。
参考图4，显示了转化率(作为百分比)和温度的两条示意性曲线。该曲线旨在示出转化率和温度之间关系的示例性形状。该关系可以在形状或数值上不同于所示的关系。在所示实例中，转化率随温度的增加速率在低温和高温下最低。在用实线示出的实例中，在550℃以上氨到氮和氢的转化率是>80％并且在600℃是100％。使用钌催化剂可以获得类似的转化率。在由虚线曲线示出的实例中，转化率在350℃为约10％，在400℃为约20％，在450℃为约40％，在500℃为约80％，并且在550℃接近100％。类似的曲线可以通过在钌催化剂上重整氨来实现，钌催化剂可以负载在Al2O3上。转化率和温度之间的关系可以通过调节催化剂的量和表面积来调整。
如上所述，将氨重整为氮和氢的速率取决于温度。因此，第一混合物的组成取决于第一重整器。第一重整器温度可以包括催化剂的温度和/或经过催化剂的氨的温度。第一通道111的第一部分通过与第二通道112的一部分进行热交换而被加热。第一通道111的部分可以邻近第二通道112的部分，其中相邻可以意味着彼此靠近或接触。第一通道111和第二通道112的几何形状可配置成增加第一通道111的与第二通道112的部分相邻的部分的长度。第一通道111和第二通道112的几何形状可配置成增加第一通道111的与第二通道112的部分相邻的部分的表面积以及第二通道112的与第一通道111相邻的部分的表面积。参考图5，在示例性实施例中，第一通道510和第二通道520(用阴影示出)可以螺旋布置。图5示出了螺旋的顶视图的示意图。第一通道510配置成接收氨511并输出第一混合物512。第二通道520配置成接收第一产物521并且输出第一产物521。图6示出了第一通道610和第二通道620的螺旋布置的另一构造的示意图。图6A示出了示意性顶视图，图6B和6C示出了透视图。图6A、6B和6C示出了从螺旋移除的楔形截面，以示出截面。第一通道610配置成接收氨611并输出第一混合物612。第二通道620配置成接收第一产物621并且输出第一产物621。
第一通道111和第二通道112可以具有不同的几何形状。在图7中展示了另一个实例，该实例示出了第一通道710和第二通道720的截面示意图，其中第一通道710和第二通道720处于折叠构造。在图5至图7所示的实例中，第一通道与第二通道接触。在其他示例中，第一通道可以接近第二通道，但它们可以不接触。在第一通道和第二通道之间可以有材料。促进第一通道的一部分与第二通道的一部分之间的热交换的其他几何形状是可能的。
第一重整器温度可通过调节发动机负荷来控制。增加发动机负荷将增加第一产物的温度，而降低发动机负荷将降低第一产物的温度。控制器可配置成调节发动机负荷，以便将第一重整器温度的目标温度作为目标。
参见图8，内燃发动机组件800可以进一步包括排气再循环回路，该排气再循环回路包括排气再循环阀。排气再循环回路可以包括排气再循环通道810。排气再循环回路可配置成便于将第一产物的一部分返回到燃烧室，减少由重整器110的第二通道接收的第一产物的流量。控制器可配置成通过控制排气再循环阀来调节第一重整器温度。
内燃机组件还可包括废气门，其中控制器配置成通过控制废气门来调节第一重整器温度。
第一重整器温度多种上述方法或通过另一种方法控制第一重整器温度。
燃烧室配置成在高于阈值的负荷下操作。在一个实施例中，阈值可以是50％。
控制器还可配置成控制燃烧室的点火正时。可以调节点火正时，以控制燃料消耗，发动机性能、排放和爆震。可以监测内燃机组件的气缸压力以确定点火正时。在使用火花点火系统的情况下，点火正时可以包括火花正时。火花点火系统可以使用奥托循环。在其他实施例中，可以使用电晕点火系统或其他点火系统。
控制器还可配置成调节燃烧室中氧化剂与燃料的比率。
内燃机组件发动机组件可以用于具有电动机的混合动力车辆中，作为增程器，作为发电机组，或用于便携式的并且用于运输燃料的任何应用。在内燃机组件用于其不是主要动力源的车辆中的情况下，例如在混合动力车辆中或作为增程器，阈值负荷可以高于50％。
第一混合物中NH3与H2比率可进一步通过选择重整器的适当尺寸或催化剂的尺寸来控制。通常，催化剂的表面积越大，第一混合物中H2与NH3的比率越高。
NH3与H2的比率影响燃烧室的燃料消耗。NH3与H2的低比率通常增加燃料消耗
参考图9，提供了一种操作包括燃料重整器、燃烧室和控制器的内燃机的方法。燃料重整器包括第一通道和第二通道，第二通道的一部分邻近第一通道的一部分，以便于第一通道和第二通道之间的热交换。第一通道包括第一重整器入口、选择用于将氨重整为氢和氮的催化剂，以及第一重整器出口。第二通道包括第二重整器入口和第二重整器出口。燃烧室包括第一燃烧室入口和第一燃烧室出口。在步骤910，通过第一重整器入口接收氨。在步骤920，使氨经过催化剂。在步骤930，经由第一重整器出口输出包含氨、氢和氮的第一混合物，其中第一混合物的组成取决于第一通道的第一重整器温度。在步骤940，经由第一燃烧室入口接收来自第一重整器出口的第一混合物。在步骤950，在燃烧室中接收氧化剂。在步骤960，第一混合物在氧化剂中燃烧以产生热量和第一产物。在步骤970，第一产物经由第一燃烧室出口从燃烧室输出。在步骤980，经由第二重整器入口接收第一产物，使得第一通道的第一重整器温度取决于第二通道中第一产物的温度。控制器配置成控制内燃机组件的操作，使得发动机负荷超过负荷阈值。
第一产物包括来自燃烧室的排放物。排放物包括氨(NH3)。排放物还可包括氮氧化物(NOx)。排放物还可以包括氢、水、氧和氮中的一种或多种。
参见图10，后处理系统1000可以被提供用于配置成在包含氨的燃料上运行的内燃发动机组件。后处理系统1000包括后处理入口1010；后处理入口1010下游的第一催化剂区1020；第一催化剂区1020下游的第二催化剂区1030；第二催化剂区1030下游的第三催化剂区1040；以及后处理出口1050。从后处理入口1010经由第一催化剂区1020、第二催化剂区1030和第三催化剂区1040到后处理出口1050形成用于气流的通道。
第一后处理入口1010配置成接收包含氨的排放物。第一催化剂区1020包含配置成将氨氧化成氮气和水的第一氨氧化催化剂，其中第一氧化速率取决于第一催化剂区1020的第一温度。第一催化剂区1020下游的第二催化剂区1030包括配置成吸附氨的第一选择性催化还原(SCR)催化剂，其中第一选择性催化还原催化剂保持吸附的氨的能力取决于第二催化剂区1030的第二温度。第三催化剂区1040包含配置成将氨氧化成氮气和水的第二氨氧化催化剂，其中第二氧化速率取决于第三催化剂区1040的第三温度。后处理出口1050可配置成输出氮气和水。标记为1001、1002、1003和1004的箭头将在后面的描述中用于图11的说明。箭头1001表示在后处理系统1000的示意图中气体进入入口1010的位置，箭头1002表示气体离开第一催化剂区1020的位置，箭头1003表示气体离开第二催化剂区1030的位置，箭头1004表示气体离开第三催化剂区1040的位置。
氨的氧化可以根据以下总方程式发生：
4NH3+3O2→2N2+6H2O
该反应可以包括中间步骤。
第一选择性催化还原催化剂可以进一步配置成使氮氧化物与氨反应。产物可以包含氮气和水。作为实例，氮氧化物可根据以下总方程式与氨反应：
NOx+aNH3→bN2+xH2O
对于给定的x值，NH3和N2的相对摩尔量可以是a＝2x/3和b＝(1+a)/2＝(1/2+x/3)。该反应可以包括中间步骤。NOx与氨在第一SCR催化剂上的反应速率可取决于第二温度(通常随第二温度增加)，但反应甚至可在低温下发生。NOx与氨在第一SCR催化剂上的三种关键反应机理可以如下：
(标准SCR)
(快速SCR)
(慢速SCR)
对于“标准SCR”等式，x＝1，对于“慢速SCR”，x＝2，对于“快速SCR”，存在x＝1和x＝2的NOx。氨氧化可以在上述反应(4NH3+3O2→2N2+6H2O)之后进行，NO氧化可在之后进行
第一氧化速率可以随着第一温度在第一温度范围内增加。第一选择性催化还原催化剂保持所吸附的氨的能力可以随着第二温度在第二温度范围内而降低。第二氧化速率可以在第三温度范围内随着第三温度而增加。
在使用中，当内燃机组件启动时，后处理系统冷启动(或在环境温度下)。在冷启动时，内燃机组件开始接收主要为NH3的燃料，导致NH3高排放。第一和第二氧化速率(分别在第一和第二氨氧化催化剂上)低，并且第一选择性催化还原催化剂保持所吸附的氨的能力高。
排放物在经过通道时加热后处理系统。排放物还加热燃料重整器，因此第一混合物中H2与NH3的比率增加。排放物中NH3与NOx的比率通常随着第一混合物中H2与NH3的比率增加而降低。后处理的温度随着第一、第二和第三温度以排放物分别到达第一、第二和第三催化剂区的顺序增加而增加。
随着第一温度升高，通过第一氨氧化催化剂的氨氧化速率增加。通过第一催化剂区从排放物中除去的氨的比例增加，因此到达第二催化剂区的氨的比例降低。随着第二温度升高，第一SCR催化剂的容量降低，因此氨开始从第一SCR催化剂离开。第一SCR催化剂的NOx与氨的反应速率可以随着第二温度在第三温度范围内增加。随着第三温度升高，第二氨氧化催化剂对氨的氧化速率增大，因此从第一SCR催化剂离开的氨可被第二氨氧化催化剂氧化。
参考图11，示出了说明随时间经过后处理系统的温度和气体流量的曲线图。当内燃发动机组件启动时，曲线图起始(在时间＝0时)，因此展示了后处理系统在其预热时的行为。曲线图是模拟的输出，并且是如本文所述的后处理系统的行为的示例。行为可以与所示的不同，并且可以使用不同的起始条件(例如，排放物组成和温度)。图11A、11B、11C、11D和11E的以下描述涉及所示的示例。
图11A示出了以℃为单位的温度(实线1111，绘制在左y轴上)和以kg/h为单位的排气质量流量(虚线1112，绘制在右y轴上)相对于以秒为单位的时间的关系。温度和流速在后处理系统的入口处。温度在稳态下变化相对较小，保持在约120℃。约35秒后，温度随时间增加。在约30秒增加之前，质量流速也以大致恒定的速率(约95kg/hr)开始，然后在约50秒保持稳定。
图11B示出了氨(NH3)的百万分之一(ppm)计的浓度与时间的关系，NH3的浓度绘制在左y轴上。将温度标绘在右y轴上(点划线1125)。虚线1121示出了进入后处理系统的入口1010的排放物中NH3的浓度，如图10中的箭头1001所示。在该模拟中，进入入口1010的NH3的浓度是恒定的10000ppm。实线1122示出了离开第一催化剂区1020的气体中NH3的浓度，如图10中箭头1002所示。离开第一催化剂区1020的NH3浓度最初增加，然后恒定在约10000pm，因为第一催化剂区的温度对于第一氨氧化催化剂来说太低而不能氧化氨。随着温度升高，第一氨氧化催化剂开始氧化NH3并且离开第一催化剂区1020的NH3浓度降低。虚线1123显示了离开第二催化剂区1030的气体中NH3的浓度，如图10中箭头1003所示。在低温下，第一SCR催化剂吸附并储存所有或大部分进入第二催化剂区1030的NH3，因此没有或很少的NH3离开第二催化剂区。随着温度升高，第一SCR催化剂储存NH3的能力降低,并且离开第二催化剂区1030的NH3浓度增加。随着离开第一催化剂区1020(和进入第二催化剂区1030)的NH3浓度降低，离开第二催化剂区1030的NH3浓度也可降低。随着温度升高，NOx与NH3的反应速率增加，因此离开第二催化剂区1030的NH3浓度降低。虚线1124表示离开第三催化剂区1040的气体中NH3的浓度，如图10中箭头1004所示。离开第三催化剂区1040的NH3浓度通常为零或接近零，但当更高浓度的NH3离开第二催化剂区(并因此进入第三催化剂区)时略微增加。
图11C示出了NOx的以百万分之一(ppm)计的浓度与时间的关系，其中NOx的浓度绘制在左y轴上。将温度标绘在右侧y轴上(点划线1135)。虚线1131示出了进入后处理系统的入口1010的排放物中的NOx浓度，如图10中的箭头1001所示。在该模拟中，进入入口1010的NOx的浓度是恒定的4000ppm。实线1132示出了离开第一催化剂区1020的气体中的NOx浓度，如图10中的箭头1002所示。虚线1133示出了离开第二催化剂区1030的气体中NOx的浓度，如图10中箭头1003所示。虚线1134表示离开第三催化剂区1040的气体中的NOx浓度，由图10中的箭头1004表示。在所有三个催化剂区域中氨与NOx的反应随着温度增加而增加，因此离开每个催化剂区域的NOx的浓度随着温度增加而降低。离开第二和第三催化剂区的NOx的初始减少然后增加可能是由于氨的可用性。
图11D显示了N2的百分比浓度与时间的关系，N2的浓度绘制在左y轴上。将温度标绘在右y轴上(点划线1145)。虚线1141示出了进入后处理系统的入口1010的排放物中的N2浓度，如图10中的箭头1001所示。在该模拟中，进入入口1010的N2的浓度在大约前43秒内最初为大约79％，然后在大约90秒内增加到大约82％。实线1142示出了离开第一催化剂区1020的气体中的N2浓度，如图10中箭头1002所示。虚线1143示出了离开第二催化剂区1030的气体中的N2浓度，如图10中箭头1003所示。虚线1144表示离开第三催化剂区1040的气体中的N2浓度，如图10中箭头1004所示。图11B和11C示出了通过后处理系统去除的物质，因此离开第二催化剂区的浓度低于离开第一催化剂区的浓度，并且离开第三催化剂区的浓度低于离开第二催化剂区的浓度。N2是在后处理系统中发生的反应的产物，因此在大约105秒后，离开每个催化剂区的N2浓度高于入口处的N2浓度。
图11E示出了H2O的百分比浓度与时间的关系，其中H2O的浓度绘制在左y轴上。将温度标绘在右y轴上(点划线1155)。虚线1151示出了进入后处理系统的入口1010的排放物中的H2O浓度，如图10中的箭头1001所示。在该模拟中，进入入口1010的H2O的浓度在大约前35秒内最初为大约1.3％，然后在约90秒内增加至大约11％。实线1152示出了离开第一催化剂区1020的气体中的H2O浓度，如图10中的箭头1002所示。虚线1153示出了离开第二催化剂区1030的气体中的H2O浓度，如图10中箭头1003所示。虚线1154示出了离开第三催化剂区1040的气体中的H2O浓度，如图10中箭头1004所示。
如上所述，第一混合物中H2与NH3的比率影响排放物中NH3与NOx的比率。排放物中NH3与NOx的比率通常随着第一混合物中H2与NH3的比率增加而降低。可以调节第一混合物的组成(通过控制第一产物的温度，如上所述)以控制排放物中NH3与NOx的比率。控制排放物中NH3与NOx的比率可以使NOx与NH3在第一SCR上的反应的反应物平衡。
控制器可以配置为调节内燃机组件的空燃比以将排放物中的氮氧化物与氨的比率作为目标。浓混合气(低空燃比)可导致排放物中低水平的NOx。稀薄混合物(高空气燃料比)可导致排放物中高水平的NOx。排放物中的氨水平对于富和贫混合物是相似的。
第一氨氧化催化剂和第二氨氧化催化剂可以包含Pt-Al2O3。第一SCR催化剂可以包含金属-沸石。第一SCR催化剂可以包含铜沸石或铁沸石。合成沸石包括定制结构和孔隙率的铝硅酸盐材料。沸石可包括菱沸石(Cu-CHA)如SSZ-13。沸石可以包含β沸石或ZSM-5。
在一个实施方案中，第一催化剂区、第二催化剂区和第三催化剂区可以是单独的催化剂。在另一个实施例中，参见图12，后处理系统可以包括具有多个涂层的基材1210。后处理系统可以包括第一催化剂区中的第一氨氧化催化剂1220的涂层、第二催化剂区中的第一SCR催化剂1230的涂层以及第三催化剂区中的第二氨氧化催化剂1240的涂层。参见图12B，第一SCR催化剂1230的涂层可以在第一氨氧化催化剂1220和第二氨氧化催化剂1240上延伸。图13示出了在基材1310上的氨氧化催化剂1320上分层的SCR催化剂1330的反应。SCR催化剂1330和氨氧化催化剂1320都接收氨。氨氧化催化剂1320用氧气氧化氨以产生NO。SCR催化剂1330使氨与来自氨氧化催化剂1320的NO反应以产生N2。
第一后处理入口可以包括接收气体的第一端和输出气体的第二端。第一端的表面积可以大于第二端的表面积，使得可以增加所接收的气体，并且进入到第一催化剂区上的气体以更均匀分布的方式进入。例如，第一后处理入口可以包括圆锥形状。
可以提供一种用于内燃机组件的后处理方法，内燃机组件配置成利用包含氨的燃料运行。后处理系统包括后处理入口。后处理系统还包括后处理入口下游的第一催化剂区，第一催化剂区包括第一氨氧化催化剂。后处理系统进一步包括在第一催化剂区下游的第二催化剂区，第二催化剂区包括配置成吸附氨的第一选择性催化还原催化剂。后处理系统还包括在第二催化剂区下游的第三催化剂区，第三催化剂区包括第二氨氧化催化剂。后处理系统还包括后处理出口。从第一后处理入口经由第一催化剂区、第二催化剂区和第三催化剂区到后处理出口形成用于气流的通道。该方法包括经由后处理入口接收包含氨的排放物。该方法还包括使用第一氨氧化催化剂将氨氧化成氮气和水，其中第一氧化速率取决于第一催化剂区的第一温度。该方法进一步包括使用第一选择性催化还原催化剂吸附氨，其中第一选择性催化还原催化剂保持所吸附的氨的能力取决于第二催化剂区的第二温度。该方法还包括使用第二氨氧化催化剂将氨氧化成氮气和水，其中第二氧化速率取决于第三催化剂区的第三温度。

Claims (15)

1.一种内燃机组件，其包括燃料重整器、燃烧室和控制器，其中：
所述燃料重整器包括第一通道和第二通道，所述第二通道的一部分邻近所述第一通道的一部分以便于所述第一通道和所述第二通道之间的热交换，其中
所述第一通道包括第一重整器入口、选择用于将氨气重整为氢气和氮气的催化剂，以及第一重整器出口；以及
所述第二通道包括第二重整器入口和第二重整器出口；以及
所述燃料重整器配置成：
经由所述第一重整器入口接收氨；
使所述氨经过所述催化剂；以及
经由所述第一重整器出口输出包含氨、氢和氮的第一混合物，其中所述第一混合物的组成取决于所述第一通道的第一重整器温度；
所述燃烧室包括第一燃烧室入口和第一燃烧室出口；其中所述燃烧室配置成：
经由所述第一燃烧室入口接收来自所述第一重整器出口的第一混合物；
接收氧化剂；
在所述氧化剂中燃烧所述第一混合物以产生热和第一产物；以及
经由所述第一燃烧室出口从所述燃烧室输出所述第一产物；
所述燃料重整器进一步配置成经由所述第二重整器入口接收所述第一产物，使得所述第一通道的所述第一重整器温度取决于所述第二通道中的所述第一产物的温度；以及
所述控制器配置成控制所述内燃机组件的操作，使得发动机负荷超过负荷阈值。
2.根据权利要求1所述的内燃机组件，还包括蒸发器，所述蒸发器配置成接收液态氨并蒸发所述液态氨。
3.根据权利要求2所述的内燃机组件，其中，所述燃料重整器配置成从所述蒸发器接收氨。
4.根据权利要求2所述的内燃机组件，其中，所述燃料重整器包括所述蒸发器，并且其中所述蒸发器通过与所述第二通道的热交换而被加热。
5.根据权利要求1所述的内燃机组件，其中，所述负载阈值为50％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，其中，所述控制器配置成调节所述发动机负荷，以便将所述第一重整器温度的目标温度作为目标。
7.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，还包括排气再循环回路，所述排气再循环回路包括排气再循环阀，其中所述控制器配置成通过控制所述排气再循环阀来调节所述第一重整器温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，还包括废气门，其中，所述控制器配置成通过控制所述废气门来调节所述第一重整器温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，还包括喷射器，所述喷射器配置成控制由所述第一重整器入口接收的氨的速率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，其中，所述催化剂包括金属。
11.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，其中，所述催化剂包括钌。
12.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，其中，所述燃料重整器温度的目标温度超过350℃。
13.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，其中，所述控制器配置成控制所述燃烧室的火花正时。
14.根据前述权利要求中任一项所述的内燃机组件，其中，所述控制器配置成调节所述燃烧室中的氧化剂与燃料的比率。
15.一种操作包括燃料重整器、燃烧室和控制器的内燃机的方法，其中：
所述燃料重整器包括第一通道和第二通道，所述第二通道的一部分邻近所述第一通道的一部分以便于所述第一通道和所述第二通道之间的热交换；
所述第一通道包括第一重整器入口、选择用于将氨重整为氢和氮的催化剂，以及第一重整器出口；以及
所述第二通道包括第二重整器入口和第二重整器出口；以及
所述燃烧室包括第一燃烧室入口和第一燃烧室出口；
所述方法包括：
经由所述第一重整器入口接收氨；
使所述氨经过所述催化剂；以及
经由所述第一重整器出口输出包含氨、氢和氮的第一混合物，其中所述第一混合物的组成取决于所述第一通道的第一重整器温度；
经由所述第一燃烧室入口接收来自所述第一重整器出口的第一混合物；
在所述燃烧室中接收氧化剂；
在所述氧化剂中燃烧所述第一混合物以产生热和第一产物；
经由所述第一燃烧室出口从所述燃烧室输出所述第一产物；以及
经由所述第二重整器入口接收所述第一产物，使得所述第一通道的所述第一重整器温度取决于所述第二通道中的所述第一产物的温度；以及
其中所述控制器配置成用于控制所述内燃发动机组件的使得发动机负荷超过负荷阈值。
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