用于操作氨内燃机的方法、氨内燃机及移动或固定系统与流程

本发明涉及一种用于操作氨内燃机的方法、氨内燃机以及包括该氨内燃机的移动或固定系统。

背景技术：

1、氨内燃机是使用氨作为燃料的内燃机，并且是使用烃类如天然气、汽油或柴油作为燃料的“传统”内燃机的替代选择。如果来自化石来源的烃类至少部分地被氨代替，且具有较少co2足迹作为燃料，则氨内燃机的使用是特别期望的。这是有利的，即使除了氨之外的燃料仍然用于氨的点燃或燃烧。另外，许多氨内燃机能够利用各种燃料，也就是说除了氨之外，还可以使用其他燃料来继续运行。

2、然而，氨内燃机生成的废气流与传统内燃机生成的废气流根本不同。这里出现的问题是，根据氨内燃机的操作点、设计和调谐，生成的废气流可能具有过量的氮氧化物(nox)或氨气(nh3)。这对下游废气后处理系统提出了很高的要求，因为这些系统必须针对这两种情况进行设计，其结果是氨内燃机的废气后处理的复杂性和成本很高。

3、本发明的目的是提供一种选择，用于降低氨内燃机中生成的废气流的废气后处理的复杂性和/或成本。

4、根据本发明，该目的通过一种用于操作氨内燃机的方法来实现，该氨内燃机具有燃烧室和与该燃烧室流体连接的喷射装置，并且利用喷射装置能够将氨计量到燃烧室中，其中氨被计量到燃烧室中，使得氨内燃机生成的废气流具有氨与氮氧化物的预定摩尔比，而与氨内燃机的当前操作点无关。

5、氨内燃机的“操作点”表示特定氨内燃机的特性图中的某个点。因此，当前操作点是氨内燃机的特性图中在当前时间点存在的点。因此，当前操作点也表示氨内燃机中的燃烧条件。

6、这里和下文中的术语“摩尔比”是指氨与氮氧化物的摩尔比，除非另有说明。

技术实现思路

1、本发明基于主动控制或调节所生成的废气流中的摩尔比的基本思想，使得在任何时候在废气流中生成预先定义并因此充分已知的摩尔比的氨与氮氧化物。以这种方式，氨内燃机下游的废气后处理系统必须单独调谐或调整到预定摩尔比，其结果是废气后处理系统的复杂性和设计并且因此成本可以最小化。

2、氨与氮氧化物的预定摩尔比特别地表示氨内燃机出口处(例如在与燃烧室流体连接的氨内燃机的排放管线的末端处)的废气流中氨与氮氧化物的摩尔比。换句话说，预定摩尔比特别是在利用氨内燃机下游的废气后处理系统处理之前氨内燃机生成的废气流所具有的氨与氮氧化物的摩尔比。

3、然而，氨与氮氧化物的摩尔比也可以用作在氨内燃机下游的废气后处理系统的主动控制部件中处理废气流之前废气流所具有的氨与氮氧化物的预定摩尔比。因此，废气后处理系统的被动操作部件可能已经处理了废气流。

4、在一种变体中，氨与氮氧化物的预定摩尔比(r)在r:1至1.1×r:1的范围内，其中r是设置的nox还原速率。换句话说，预定摩尔比至多是所设置的nox还原速率的1.1倍。如果所设置的nox还原速率是例如80％，则预定摩尔比可以在0.8:1至0.88:1的范围内。因此，所设置的nox还原速率r可以小于100％，例如在80％至小于100％的范围内。

5、在另一种变体中，氨与氮氧化物的预定摩尔比为1:1或更高。特别地，预定摩尔比在1:1至1.5:1的范围内。

6、在该变体中，因此与废气流中氮氧化物的含量相比，选择过量的氨，或者至少选择氨和要还原的氮氧化物之间的平衡。换句话说，可以有针对性地使用所谓的“氨泄漏”。已经发现，如果废气流中的氨泄漏是可接受的，则可以使用氨内燃机的特别有利的操作点。

7、废气流中氨泄漏的优点还在于，用于将氨计量到废气流中的附加计量系统可以在下游废气后处理系统中省去，或者可以至少将附加计量系统的废气后处理系统的计量面积最小化。如果废气流中存在过量的氮氧化物，则需要这样的计量系统将氮氧化物转化为氮气和水。由于计量系统可以完全省去，或者至少可以设置具有更小的计量面积和/或更简单的部件的更具成本效益的计量系统，因此可以进一步降低废气后处理系统的复杂性、成本和空间需求。

8、此外，可以将摩尔比选择为预定摩尔比，调节该预定摩尔比以优化一氧化二氮的降解，因为除了氨气之外，在废气流中还包含一氧化二氮(n2o)。

9、一氧化二氮是在氨内燃机的至少一些操作点上出现的副产物，其温室气体潜势在100年的时间范围内相当于二氧化碳温室气体潜势的250倍以上。因此，关键是，在废气后处理系统中可靠地从废气流中转化废气流中所包含的一氧化二氮。

10、为此，可以选择预定摩尔比，使得预定摩尔比不是针对氨和氮氧化物废气后处理而优化的，而是针对从废气流中去除一氧化二氮而优化的。这可以通过在废气流中具有氨与氮氧化物的摩尔比来实现，该摩尔比被调节到布置在废气后处理系统中的n2o分解催化转化器，使得n2o分解催化转化器实现优化的反应速率和选择性。

11、在一种变体中，该方法包括以下步骤：

12、a)确定氨内燃机的当前操作点,

13、b)确定在当前操作点处生成的废气流中氨与氮氧化物的预期摩尔比,

14、c)将预期摩尔比与预定摩尔比进行比较,以及

15、d)如果预期摩尔比偏离预定摩尔比超过阈值,则调适经由喷射装置计量到燃烧室中的氨的量。

16、阈值被特别定义为使得在预期摩尔比与预定摩尔比之间的偏差超过5％的情况下对氨的计量量进行调节。

17、步骤a)至d)可以在氨内燃机的控制单元中执行，其中阈值存储在控制单元中。

18、优选地连续重复步骤a)至d)，以便可以迅速检测到任何与预定摩尔比的过量偏差，并且仍然以最小的时间延迟对这些偏差进行补偿。

19、“连续重复”在本文中是指，在相应方法步骤的两次重复之间，仅保持执行其他方法步骤绝对必要的时间。

20、预期摩尔比特别地基于存储在氨内燃机的控制单元中的数据集来确定，其中该数据集基于关于氨内燃机的行为的至少一条操作信息。

21、以下信息中的至少一条可以包括在关于氨内燃机的行为的操作信息(也称为发动机操作参数)中：每单位时间内计量到燃烧室中的氨的量、在燃烧循环中计量到燃烧室中的氨的总量、计量到燃烧室中的氨的量的时间分布、增压空气压力、温度、相对湿度、空燃比和点火压力。

22、因此，存储的数据记录表示氨内燃机的行为的“映射”。设计的存储数据记录越广泛，基于数据集确定的预期摩尔比就越精确。

23、特别地，预期摩尔比可以基于存储的数据集完全被动地确定，即不需要将附加的主动测量的参数结合到预期摩尔比的确定中。这是有利的，特别是如果氨内燃机的行为在所有相关的操作点处都是充分已知的并且可以通过存储在所存储的数据集中的操作信息被充分准确地描述。

24、另选地或除此之外，氨内燃机可以具有至少一个传感器，该至少一个传感器对所生成的废气流进行采样，其中预期摩尔比基于由该传感器在采样期间生成的传感器测量数据来确定。以这种方式，通过主动检查所生成的废气流的成分，可以获得关于氨与氮氧化物的预期摩尔比的特别精确的陈述。特别地，进入废气后处理系统的燃烧室的氨的计量可以基于生成的传感器测量数据以“闭环”方法进行调适。

25、还可以将存储的数据集中存在的操作信息和由至少一个传感器生成的传感器测量数据相组合，用于确定氨与氮氧化物的预期摩尔比。

26、另外，控制单元可以具有机器学习模块，该机器学习模块被配置为基于由至少一个传感器生成的传感器测量数据来调适至少一条操作信息。以这种方式，当使用氨内燃机时，可以将检测到的偏差考虑在内，使得可以在任何时候可靠且精确地确定氨与氮氧化物的预期摩尔比。

27、至少一个传感器可以布置在废气流中氨与氮氧化物的预定摩尔比必须存在的点处，也可以布置在仅允许在废气流中氨与氮氧化物的预定摩尔比必须存在的不同位置处得出关于氨与氮氧化物的实际摩尔比的结论的点处。

28、例如，传感器中的至少一个传感器可以布置在与氨内燃机相关联的废气后处理系统中。

29、在一种变体中，计量到燃烧室中的氨的量经由燃烧室的充气和/或吹扫来选择，特别是经由氨内燃机的阀重叠来选择。

30、阀重叠可以由打开行为预先确定或改变：

31、a)氨内燃机的燃烧室的一个进气阀或多个进气阀和一个排气阀或多个排气阀,

32、b)经由氨内燃机的燃烧室的一个入口槽或多个入口槽和一个出口槽或多个出口槽,

33、c)氨内燃机的燃烧室的一个或多个入口槽和一个或多个排气阀的组合,或

34、d)一个或多个入口阀和一个或多个出口槽的组合。也可以使用废气再循环(egr)。

35、在又一变体中，喷射装置是直接喷射装置，并且氨以改进的喷射被计量到燃烧室中。

36、可以通过更长持续时间的主喷射、多次喷射或附加的后喷射来实现改进的喷射。

37、如果在后喷射中附加地将氨计量到燃烧室中，则将后喷射的时间选择成使得在氨内燃机的当前循环或燃烧循环中，即在氨内燃机的当前循环或燃烧循环中燃料的主燃烧完成或几乎完成的时间点处，至少在后喷射中计量的氨的总量不再被转化。因此，通过后喷射计量的氨至少部分地不再用作燃料，而是用作用于对燃烧室中生成的废气流的废气后处理进行优化或简化的化学品。类似的后喷射过程例如在柴油发动机中是充分已知的。

38、存在于燃烧室中的燃料被点燃，特别是通过点火射流点燃。以这种方式，可以省去替代性点火装置(诸如火花塞)的使用，同时可以实现可靠的点火和定义的燃烧行为。因此，通过使用点火射流可以更好地控制氨在燃烧室中的计量以及在当前操作点生成的废气流中存在的预定摩尔比。

39、根据本发明，该目的还通过氨内燃机来实现，该氨内燃机具有燃烧室和与该燃烧室流体连接的喷射装置，并且利用该喷射装置能够将氨计量到燃烧室中，其中该氨内燃机被配置为执行如上所述的方法。

40、根据本发明的方法的特征和性质相应地适用于根据本发明的氨内燃机，反之亦然。

41、根据本发明，该目的还通过移动或固定系统来实现，该移动或固定系统包括如上所述的氨内燃机和废气后处理系统，该废气后处理系统与氨内燃机流体连接，用于处理由氨内燃机生成的废气流。

42、移动系统可以是交通工具，诸如陆地交通工具或水运工具(例如轮船)。陆地交通工具可以是公路或铁路交通工具。然而，也有可能它不是公路或铁路交通工具，例如林业、农业或矿业部门的交通工具。

43、固定系统可以是用于生产电、热和/或制冷的发电厂。固定系统也可以是压缩系统、泵或用于机械过程的固定直接驱动的系统。