權(quán)利要求書： 1.一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有催化燃燒器的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)，所述催化燃燒器包括：

(a)上游區(qū)段，所述上游區(qū)段包括電加熱器，和(b)下游催化劑區(qū)段，其中，所述上游區(qū)段和所述下游催化劑區(qū)段設(shè)置成彼此相鄰并流體連通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述上游區(qū)段還包括上游催化劑。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述下游催化劑區(qū)段還包括下游催化劑。

4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，包括所述電加熱器的所述上游區(qū)段是所述催化燃燒器中的唯一引發(fā)源，并且不需要其他源或點(diǎn)火系統(tǒng)。

5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述上游區(qū)段和所述下游催化劑區(qū)段整合在單個單元中。

6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述上游區(qū)段和所述下游催化劑區(qū)段中的任一者或兩者為層流微通道矩陣。

7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述上游區(qū)段和所述下游催化劑區(qū)段各自包含孔或通道，所述孔或通道允許氣體或易燃混合物穿過所述上游區(qū)段和所述下游催化劑區(qū)段兩者。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述上游區(qū)段中的孔或通道大于所述下游催化劑區(qū)段中的孔或通道。

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其中，所述上游區(qū)段和所述下游催化劑區(qū)段中的所述孔或通道具有相關(guān)聯(lián)的表面積，并且所述上游區(qū)段的所述孔或通道表面積與所述下游催化劑區(qū)段的所述孔或通道表面積的比率在2％至50％、優(yōu)選地5％至20％的范圍內(nèi)。

10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述上游催化劑不同于所述下游催化劑。

11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述上游催化劑或所述下游催化劑中的一者或兩者獨(dú)立地包括包含呈金屬或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它們的組合的催化劑。

12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述催化燃燒器還包括定位在所述下游催化劑區(qū)段下游的一個或多個混合和/或火焰保持裝置。

13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括：燃料/空氣混合和/或蒸發(fā)裝置，所述燃料/空氣混合和/或蒸發(fā)裝置定位在所述催化燃燒器上游，被定位成將燃料/空氣混合物提供到所述催化燃燒器中或調(diào)節(jié)所述燃料/空氣混合物。

14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括：(a)壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)被布置成接收空氣并壓縮所述空氣；

(b)燃料系統(tǒng)，所述燃料系統(tǒng)能夠操作為將燃料供應(yīng)到所述壓縮機(jī)中，使得壓縮空氣和燃料的混合物能夠或從所述壓縮機(jī)排出；

(c)渦輪，所述渦輪被布置成從所述催化燃燒器接收如果存在的燃燒氣體并且使所述氣體膨脹以產(chǎn)生部分地驅(qū)動所述壓縮機(jī)的機(jī)械功率；

(d)熱交換器或“回?zé)崞鳌?，所述熱交換器或“回?zé)崞鳌北徊贾贸山邮諄碜运鰷u輪的排氣和從所述壓縮機(jī)排出的空氣或混合物，并且在兩者間引起熱交換，使得所述空氣或混合物能夠或在進(jìn)入所述催化燃燒器之前被預(yù)熱。

15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述壓縮機(jī)和所述渦輪由軸機(jī)械地聯(lián)接，并且/或者其中所述壓縮機(jī)是一級、二級或多級壓縮機(jī)。

16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的系統(tǒng)，其中，所述壓縮機(jī)是二級壓縮機(jī)，并且在壓縮機(jī)級之間具有間冷。

17.一種移動式陸地、工業(yè)、商業(yè)、海洋或空中功率發(fā)生器，所述移動式陸地、工業(yè)、商業(yè)、海洋或空中功率發(fā)生器包括根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)。

18.一種移動式陸地、海洋或空中車輛，所述移動式陸地、海洋或空中車輛包括根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)作為推進(jìn)裝置。

19.一種操作根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的方法，所述方法包括：

(a)將能量提供到所述電加熱器以將所述上游區(qū)段加熱到至少等于燃料和空氣混合物的混合物的催化反應(yīng)溫度的溫度，(b)將一定質(zhì)量流量的所述空氣和燃料的混合物引入到受熱上游區(qū)段，以便引發(fā)催化燃燒，以及

(c)維持或增加通過所述催化劑的所述空氣和燃料的混合物的所述質(zhì)量流量，以便將燃料和空氣的燃燒混合物提供到第二區(qū)段中，所述燃燒混合物具有相關(guān)聯(lián)的熱量。

20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括以下步驟：維持或增加通過受熱催化劑的所述空氣和燃料的混合物的所述質(zhì)量流量，使得與所述燃料和空氣的燃燒混合物相關(guān)聯(lián)的所述熱量在接觸所述下游催化劑區(qū)段時足以將所述下游催化劑區(qū)段的至少一部分的溫度升高至所述下游催化劑區(qū)段中的所述燃料和空氣的混合物的點(diǎn)火溫度。

21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括以下步驟：將所增加的質(zhì)量流量維持足以提供基本上整個所述下游催化劑區(qū)段被加熱到至少所述燃料和空氣的混合物的催化燃燒溫度的時間，使得穩(wěn)定的催化燃燒得以維持并且能夠增加。

22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括以下步驟：維持或增加所述質(zhì)量流量直到所述回?zé)崞鞅患訜岬娇諝饣蚩諝?燃料混合物在高于燃燒器芯部起燃溫度下被提供到所述燃燒器的程度。

23.根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟：調(diào)節(jié)所述質(zhì)量流量以及空氣和燃料的混合物以適應(yīng)所述回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷要求。

24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟：使所述電加熱器斷電，同時維持穩(wěn)定的催化燃燒。

25.根據(jù)權(quán)利要求19至24中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟：在入口混合物達(dá)到催化起燃溫度之前維持穩(wěn)定的燃燒。

26.根據(jù)權(quán)利要求19至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述燃料和空氣的混合物具有大于1、優(yōu)選地在1.5至8的范圍內(nèi)的λ值，其中，所述λ值為實(shí)際空氣/燃料比與化學(xué)計(jì)量空氣/燃料比的比率。

27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括：在燃燒過程中調(diào)節(jié)所述燃料和空氣的混合物的所述λ值。

28.一種操作根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)的方法，所述方法包括：

(a)壓縮所述壓縮機(jī)中的至少空氣；

(b)將能量提供到所述電加熱器以將所述上游區(qū)段加熱到至少等于燃料和空氣的混合物的點(diǎn)火溫度的溫度；

(c)將一定質(zhì)量流量的所述燃料和空氣的混合物引入到所述受熱上游區(qū)段，使得所述燃料和空氣的混合物在所述上游區(qū)段中燃燒；

(d)增加所述燃料和空氣的混合物的所述質(zhì)量流量，使得燃燒混合物的流動將所述下游催化區(qū)段加熱到高于所述下游催化劑區(qū)段的點(diǎn)火溫度；

(e)維持通過所述上游區(qū)段和所述下游催化劑區(qū)段的所述燃料和空氣的混合物的所述質(zhì)量流量，使得所述燃料和空氣的混合物在穿過所述下游催化劑區(qū)段時在其中燃燒，以形成離開所述下游催化劑區(qū)段的受熱燃燒氣體；

(f)引導(dǎo)離開所述下游催化劑區(qū)段和所述催化燃燒器的所述受熱燃燒氣體的至少一部分通過所述渦輪以產(chǎn)生機(jī)械功率，并且部分地使用所述機(jī)械功率來驅(qū)動所述壓縮機(jī)；

(g)將穿過所述渦輪的所述受熱燃燒氣體中的一些或全部引導(dǎo)到所述回?zé)崞鳎灰约?h)使用所述回?zé)崞髦械乃鍪軣崛紵龤怏w來預(yù)熱被引入到所述受熱上游區(qū)段的所述燃料和空氣的混合物。

29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，還包括：調(diào)節(jié)被引入到所述上游區(qū)段的所述燃料和空氣的混合物的所述質(zhì)量流量。

30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的方法，其中，所述燃料和空氣的混合物具有大于1的λ值，所述方法還包括：在燃燒過程中調(diào)節(jié)所述燃料和空氣的混合物的所述λ值。

31.根據(jù)權(quán)利要求19至30中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括：使所述電加熱器斷電。

說明書： 電加熱的催化燃燒器技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本公開涉及用于點(diǎn)燃和控制催化燃燒室中、尤其是回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)的燃燒室內(nèi)的空氣/燃料混合物的裝置和方法，其中此類發(fā)動機(jī)可用于功率發(fā)生和推進(jìn)應(yīng)用。

背景技術(shù)[0002] 氣體渦輪用于固定應(yīng)用和移動應(yīng)用兩者，以用于在陸地、海洋和空中進(jìn)行功率發(fā)生和車輛推進(jìn)。減少來自所有類型的熱發(fā)動機(jī)的有害排放廢氣的需求是公認(rèn)的，并且許多

解決方案的基本部分是更高效且更清潔的燃燒系統(tǒng)。在氣體渦輪發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，出現(xiàn)了用于

液體燃料和氣態(tài)燃料的燃燒技術(shù)，諸如干式低NOx(DLN)燃燒、富油?淬熄?貧油(RQL)燃燒和

催化燃燒。催化的解決方案對于氮氧化物的還原仍然是不可超越的，但通常需要某種形式

的預(yù)燃燒器來維持催化劑高于起燃溫度，從而損害排放性能。

[0003] 在地面運(yùn)輸領(lǐng)域，正在向電氣化和“零排放”車輛發(fā)展，產(chǎn)生了對用于混合動力和增程式電動車輛的小型超凈發(fā)動機(jī)的需求。具有排放后處理的活塞發(fā)動機(jī)不能匹配配備有

催化燃燒器的氣體渦輪的近零NOx性能，也不能匹配具有DLN或RQL燃燒器的氣體渦輪的近

零NOx性能。DLN燃燒器通?？蓪?shí)現(xiàn)約8ppm至10ppm的NOx，而催化燃燒的渦輪將產(chǎn)生約1ppm

至2ppm的NOx讀數(shù)，并且這通常歸因于燃料攜帶的氮，使得催化燃燒器基本上為零NOx。因?yàn)?br>
回?zé)釟怏w渦輪以比簡單循環(huán)氣體渦輪更貧的燃料/空氣混合物運(yùn)行，所以它們可實(shí)現(xiàn)更低

的CO排放和未燃燒烴類排放。出于這些原因，當(dāng)燃燒HC燃料時，回?zé)釟怏w渦輪和催化燃燒的

組合提供近零排放(不包括H2O和CO2)。

[0004] 通常，一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài)操作條件，催化燃燒系統(tǒng)就非常有效地減少由不完全燃燒引起的非期望排放的量。然而，在渦輪或發(fā)動機(jī)的初始啟動期間，排放的量可能高于期望極

限。非期望排放的量在啟動條件期間通常較高，是因?yàn)榇呋紵且蕾囉跍囟鹊?，在較高溫

度下更高效，并且在啟動期間，催化劑不在其最有效的溫度下。已經(jīng)采用了多個策略來解決

這個問題，但每個策略在復(fù)雜性或有效性方面都是不足的。催化燃燒器的實(shí)現(xiàn)方式相對復(fù)

雜。

[0005] 回?zé)釟怏w渦輪諸如凱普斯通(Capstone)增程器使用DLN燃燒器，并且當(dāng)以天然氣操作時實(shí)現(xiàn)低于10ppm的NOx排放。在液體燃料的情況下實(shí)現(xiàn)類似排放，但僅添加空氣輔助

霧化噴嘴，這需要添加單獨(dú)的空氣壓縮機(jī)。

[0006] 預(yù)壓縮機(jī)燃料噴射在具有常規(guī)(非催化)燃燒器的氣體渦輪中是不可行的，因?yàn)榭諝?燃料比太貧而不能維持燃燒。燃料通常以使得局部富油區(qū)支持連續(xù)燃燒的方式噴射到

壓縮機(jī)之后的室中，盡管全局空氣/燃料比太貧而不能支持燃燒。另一方面，催化燃燒器可

以非常貧的空氣/燃料比維持燃燒，使得可在氣體渦輪中完全預(yù)混合燃料和空氣。這使得提

供簡化和成本降低的新型燃料系統(tǒng)成為可能。

[0007] US6,302,683公開了一種系統(tǒng)，其中兩種催化劑與被加熱(包括電加熱)的上游催化劑串聯(lián)聯(lián)接。應(yīng)注意，上游單元僅用于啟動模式，并且可比下游單元小得多。這減少了系

統(tǒng)的電功率需求，但產(chǎn)生了附加復(fù)雜性和體積，因?yàn)樾枰獌蓚€催化劑芯部之間的錐形擴(kuò)散

器區(qū)段。

[0008] 本公開解決了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷中的至少一些缺陷。發(fā)明內(nèi)容[0009] 本公開涉及一種采用催化燃燒的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。更具體地，本公開涉及一種具有催化結(jié)構(gòu)的燃燒器，該燃燒器可在渦輪或與其一起使用的任何其他系統(tǒng)啟動之

前被電加熱到預(yù)定溫度，以便降低復(fù)雜性并在系統(tǒng)啟動期間實(shí)現(xiàn)減少的排放。電加熱可通

過以下方式實(shí)現(xiàn)：a)電阻元件；b)磁感應(yīng)渦電流；或c)高頻電磁加熱(微波)。

[0010] 在一些方面，包括催化燃燒器的系統(tǒng)包括：[0011] (a)上游區(qū)段，該上游區(qū)段包括電加熱器，和[0012] (b)下游催化劑區(qū)段，其中該上游區(qū)段和該下游催化劑區(qū)段設(shè)置成彼此相鄰并流體連通。

[0013] 在一些方面，電阻加熱器用作電加熱器，并且它是催化燃燒器中或系統(tǒng)中其他地方的唯一點(diǎn)火源。在一些情況下，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段整合在單個單元中。催化矩陣

(芯部)可為單片(層流)、微晶或湍流設(shè)計(jì)。通常，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段各自包含孔或

通道，該孔或通道允許氣體或蒸氣穿過該上游區(qū)段和該下游催化劑區(qū)段兩者，并且從該上

游區(qū)段穿過到該下游催化劑區(qū)段。在某些方面，上游區(qū)段針對低流量啟動條件進(jìn)行優(yōu)化，并

且下游催化劑區(qū)段針對運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化。在一些方面，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段中的

孔或通道彼此流體連通并且被構(gòu)造成使得當(dāng)處于使用中時，大部分燃燒發(fā)生在該下游催化

劑區(qū)段中。

[0014] 上游區(qū)段可不需要催化特性，因此不包含上游催化劑；而下游催化劑區(qū)段可包含下游催化劑。

[0015] 上游區(qū)段還可包含上游催化劑和/或下游催化劑區(qū)段，該下游催化劑區(qū)段還可包含下游催化劑。上游催化劑和下游催化劑可以是相同或不同的。上游催化劑或下游催化劑

中的一者或兩者可包含呈金屬或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、

Rh、Sc、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它們的組合。

[0016] 回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)還可包括附加元件，例如以下中的一者或多者：[0017] (a)一個或多個混合或火焰保持裝置，該一個或多個混合或火焰保持裝置定位在上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段的下游；

[0018] (b)燃料/空氣混合和/或蒸發(fā)裝置，該燃料/空氣混合和/或蒸發(fā)裝置定位在催化燃燒器上游，被定位成將燃料/空氣混合物提供到催化燃燒器中或調(diào)節(jié)該燃料/空氣混合

物；

[0019] (c)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)任選地是具有間冷的二級壓縮機(jī)，被布置成接收空氣并壓縮該空氣；

[0020] (d)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作為將燃料供應(yīng)到壓縮機(jī)中，使得壓縮空氣和燃料的混合物能夠或從該壓縮機(jī)排出；

[0021] (e)渦輪，該渦輪被布置成從催化燃燒器接收如果存在的燃燒氣體并且使該氣體膨脹以產(chǎn)生機(jī)械功率，該機(jī)械功率任選地通過一個或多個機(jī)械軸驅(qū)動壓縮機(jī)；

[0022] (f)回?zé)崞鳎摶責(zé)崞鞅徊贾贸山邮諄碜詼u輪的排氣和從壓縮機(jī)排出的空氣或混合物，并且在兩者間引起熱交換，使得該空氣或混合物能夠或在進(jìn)入催化燃燒器之前被預(yù)

熱。

[0023] 本公開還描述了操作所公開的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的方法。在某些方面，該方法可包括：

[0024] (a)將能量提供到電加熱器(例如，電阻加熱器)以將上游區(qū)段加熱到至少等于燃料和空氣的混合物的起燃溫度的溫度，

[0025] (b)將一定質(zhì)量流量的空氣和燃料的混合物引入到受熱上游區(qū)段，以便在該受熱上游區(qū)段中引發(fā)催化燃燒，以及

[0026] (c)增加通過受熱上游催化劑的空氣和燃料的混合物的質(zhì)量流量，以便將燃料和空氣的燃燒混合物噴射到第二催化劑區(qū)段中，該燃燒混合物具有相關(guān)聯(lián)的熱量。

[0027] (d)在燃燒器入口溫度達(dá)到催化起燃溫度之后轉(zhuǎn)變到正常運(yùn)行模式。[0028] 這些方法的附加方面包括：維持通過受熱上游催化劑的空氣和燃料的混合物的增加的質(zhì)量流量，使得與燃料和空氣的燃燒混合物相關(guān)聯(lián)的熱量在接觸下游催化劑區(qū)段時足

以將該下游催化劑區(qū)段的至少一部分的溫度升高至該下游催化劑區(qū)段中的燃料和空氣的

混合物的點(diǎn)火溫度。在此類情況下，維持增加的質(zhì)量流量可提供基本上整個下游催化劑區(qū)

段加熱到燃料和空氣的混合物的點(diǎn)火溫度，使得該燃料和空氣的混合物在穿過其中時在整

個下游催化劑區(qū)段中燃燒。一旦引發(fā)了該燃燒，就可根據(jù)系統(tǒng)的要求以組成和/或流速中的

一者或兩者來調(diào)節(jié)空氣/燃料的流動。一旦實(shí)現(xiàn)了自持燃燒，即使燃燒器入口溫度低于起燃

溫度，也可使電加熱器斷電。

[0029] 這些方法的又一些方面包括：維持通過受熱上游非催化劑矩陣層的空氣和燃料的混合物的增加的質(zhì)量流量，使得與燃料和空氣的混合物相關(guān)聯(lián)的熱量在接觸下游催化劑區(qū)

段時足以將該下游催化劑區(qū)段的至少一部分的溫度升高至該下游催化劑區(qū)段中的燃料和

空氣的混合物的點(diǎn)火溫度。在此類情況下，維持增加的質(zhì)量流量可提供基本上整個下游催

化劑區(qū)段加熱到燃料和空氣的混合物的點(diǎn)火溫度，使得該燃料和空氣的混合物在穿過其中

時在整個下游催化劑區(qū)段中燃燒。一旦引發(fā)了該燃燒，就可根據(jù)系統(tǒng)的要求以組成和/或流

速中的一者或兩者來調(diào)節(jié)空氣/燃料的流動。一旦實(shí)現(xiàn)了自持燃燒，即使燃燒器入口溫度低

于起燃溫度，也可使電加熱器斷電。

[0030] 本公開的這些和其他方面在本文其他地方更全面地進(jìn)行解釋。附圖說明[0031] 當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，將進(jìn)一步理解本申請。為了說明主題，在附圖中示出了主題的示例性實(shí)施方案。然而，本發(fā)明所公開的主題不限于已公開的具體方法、裝置和系統(tǒng)。此外，

附圖未必是按比例繪制的。在附圖中：

[0032] 圖1提供了本發(fā)明的整個催化發(fā)動機(jī)/發(fā)生器的一個實(shí)施方案的系統(tǒng)的示意圖。[0033] 圖2根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案提供了第二示意圖，示出了催化燃燒器的一個實(shí)施方案的顯著特征。

[0034] 圖3提供了燃燒器的典型啟動序列。具體實(shí)施方式[0035] 本公開的系統(tǒng)和方法涉及回?zé)釟怏w渦輪和電加熱的催化燃燒器的組合。此類系統(tǒng)和方法可用于混合動力和增程式電動車輛以提供近零排放。申請人已經(jīng)展示了系統(tǒng)實(shí)施方

案，其中催化燃燒器可以低質(zhì)量流量運(yùn)行，入口溫度低并且僅需要電加熱較短時間。此類系

統(tǒng)和方法允許回?zé)崞黝A(yù)熱啟動(warm?up)，從而將燃燒器入口溫度升高至高于起燃/點(diǎn)火溫

度，之后流量可迅速得到增加。

[0036] 本發(fā)明涉及通過使用催化燃燒，更具體地使用氣體渦輪發(fā)動機(jī)中所用的燃燒而具有低有害排放的液體燃料或氣態(tài)燃料的燃燒。催化燃燒系統(tǒng)已經(jīng)可商購獲得，但是很復(fù)雜

并且僅在兆瓦級是可行的。在較小的氣體渦輪上，降低的成本和便攜性要求更簡單的燃燒

器解決方案。較小的渦輪發(fā)動機(jī)具有有限的壓力比，并且僅可通過使用排氣熱回收或“回

熱”來實(shí)現(xiàn)高效率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在回?zé)釟怏w渦輪中所用的根本上不同的熱力學(xué)循環(huán)產(chǎn)生了簡

化實(shí)現(xiàn)催化燃燒原理、特別是消除預(yù)熱燃燒器的機(jī)會。

[0037] 本文描述了實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的排放性能和簡單的低成本設(shè)計(jì)與構(gòu)造的新型氣體渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和方法。

[0038] 通過結(jié)合附圖參考以下描述，可更容易地理解本發(fā)明，所有附圖構(gòu)成本公開的一部分。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于本文所述或所示的具體產(chǎn)品、方法、條件或參數(shù)，并且本文所

用的術(shù)語僅用于以舉例的方式描述具體實(shí)施方案，而非旨在限制任何受權(quán)利要求書保護(hù)的

發(fā)明。類似地，除非另外特別說明，否則關(guān)于可能的機(jī)制或作用模式或改善原因的任何描述

僅意在是示例性的，并且本文的發(fā)明不受任何此類建議的機(jī)制或作用模式或改善原因的正

確性或不正確性的約束。貫穿本文，認(rèn)識到，描述是指系統(tǒng)、操作此類系統(tǒng)的方法以及采用

此類系統(tǒng)的功率發(fā)生和運(yùn)輸設(shè)備。在本公開描述或要求保護(hù)與系統(tǒng)、操作此類系統(tǒng)的方法

或采用此類系統(tǒng)的設(shè)備相關(guān)聯(lián)的特征或?qū)嵤┓桨傅那闆r下，應(yīng)當(dāng)理解，此類描述或權(quán)利要

求旨在將這些特征或?qū)嵤┓桨笖U(kuò)展到這些語境中的每一者中的實(shí)施方案(即，系統(tǒng)、操作此

類系統(tǒng)的方法和使用此類系統(tǒng)的設(shè)備)。

[0039] 系統(tǒng)[0040] 在一些實(shí)施方案中，本公開的系統(tǒng)包括采用催化燃燒的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有上游端和下游端的催化燃燒器，該催化燃燒器包括：

[0041] (a)上游區(qū)段，該上游區(qū)段包括電加熱器，和[0042] (b)下游催化劑區(qū)段，其中該上游區(qū)段和該下游催化劑區(qū)段設(shè)置成彼此相鄰并流體連通。

[0043] 這些系統(tǒng)還可包括本文其他地方所述的附加元件。[0044] 除非另外指明，否則術(shù)語“相鄰”是指一個對象相對于另一個對象在該詞的標(biāo)準(zhǔn)意義上的定位，包括由接近定義或暗示接近的那些含義，優(yōu)選地彼此物理接觸；即，具有鄰接

表面。

[0045] 在一些實(shí)施方案中，兩個對象，例如，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段，可包括位于兩者間的部分或整個相鄰表面中的氣隙，該氣隙是特意設(shè)置的或偶然地由鄰接表面的不完全

配合引起。在存在氣隙的情況下，其可為大約1mm厚或更小，這與美國專利6,302,683中所述

的中間室形成對比。在某些實(shí)施方案中，氣隙可以是5mm或更小、4mm或更小、3mm或更小、2mm

或更小、1mm或更小、0.5mm或更小，或者不存在。在某些實(shí)施方案中，氣隙可有利地提供受熱

區(qū)段和下游區(qū)段之間的電絕緣。

[0046] 在其他獨(dú)立實(shí)施方案中，兩個對象，例如，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段，可包括位于它們之間的物理間隔件(例如，密封件)。

[0047] 在其他優(yōu)選實(shí)施方案中，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段整合成單個單元，例如，作為單片或微晶構(gòu)造(例如，如美國專利5,051,241和5,306,470中所述，這兩個專利以引用方式

并入本文)。將該兩個區(qū)段緊密聯(lián)接在一個殼體中可使熱損失最小化，并且可使下游催化劑

區(qū)段提前預(yù)熱啟動。此外，在“啟動”或“引燃”模式下，兩個區(qū)段之間的輻射熱交換有助于在

沒有電功率的情況下維持催化燃燒。這樣，即使當(dāng)燃燒器入口溫度處于過低溫度時，上游區(qū)

段和下游催化劑區(qū)段的上游面也可維持高于燃料的起燃溫度。在該模式下，當(dāng)以％、ppm或

一些其他比率測量時，燃燒器可轉(zhuǎn)變?yōu)榈团欧?，但因?yàn)樵撃Ｊ狡陂g的質(zhì)量流量低，所以就典

型汽車驅(qū)動循環(huán)而言，僅產(chǎn)生少量有害氣體排放。

[0048] 同樣如本文所用，術(shù)語“上游”和“下游”可分別被視為“第一”和“第二”的同義詞，其描述了元件之間在使用之前的串聯(lián)布置，其中這些術(shù)語是指兩端或區(qū)段相對于從中穿過

的氣體或蒸氣流動的相對串聯(lián)位置。

[0049] 所公開系統(tǒng)的許多特征中的一個特征在于，包括電加熱器的上游區(qū)段可以是催化燃燒器中的唯一引發(fā)源，并且不需要其他源或點(diǎn)火系統(tǒng)。雖然在某些實(shí)施方案中，系統(tǒng)可具

有或可不具有單獨(dú)點(diǎn)火源，但優(yōu)選的是在催化燃燒器內(nèi)或系統(tǒng)中的其他地方不存在電加熱

器之外的點(diǎn)火源。在這一點(diǎn)上，術(shù)語“點(diǎn)火器”被理解為具有其公認(rèn)的用于產(chǎn)生火花或電弧

的裝置的含義。此外，如本文其他地方所公開的，燃料/空氣混合物可任選地在進(jìn)入催化燃

燒器的上游端之前被加熱。但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些混合物維持在高于其可點(diǎn)燃貧油極限的空

氣/燃料比。

[0050] 該系統(tǒng)提供低成本和簡單性，因?yàn)槠淇稍跊]有任何其他點(diǎn)火源的情況下進(jìn)行操作，從而降低資本成本和維護(hù)要求。

[0051] 上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段各自包含允許流體(例如，氣體、液體、蒸氣或它們的混合物)進(jìn)入、穿過和離開上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段兩者的孔或通道。在其構(gòu)造中，上游

區(qū)段優(yōu)選地針對低流量啟動條件進(jìn)行優(yōu)化，并且下游催化劑區(qū)段針對運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化。

這可通過提供孔或通道的尺寸或構(gòu)型和/或催化劑配方的一些優(yōu)化組合來實(shí)現(xiàn)。例如，上游

區(qū)段中的孔或通道的尺寸可大于下游催化劑區(qū)段中的孔或通道的尺寸。另選地或另外，上

游區(qū)段中的孔或通道可被構(gòu)造成提供比下游催化劑區(qū)段更流線型或筆直的流體穿過(例

如，上游區(qū)段隧道化，而下游催化劑區(qū)段包括多孔互連矩陣)。在一些實(shí)施方案中，上游區(qū)段

和下游催化劑區(qū)段可通過在下游催化劑區(qū)段的前部和后部中包括不同水平的鉑族金屬來

進(jìn)行優(yōu)化，諸如U.S.7,998,424或US9,341,098中所述的，這些專利中的每個專利整體并入

本文。在一些實(shí)施方案中，上游催化劑區(qū)段每平方英寸具有5至200個單元將為最佳的，而下

游催化劑區(qū)段具有更小單元諸如每平方英寸具有200?1000個單元可以是最佳的。在一些實(shí)

施方案中，上游區(qū)段的最佳流動長度介于5mm和20mm之間。在一些實(shí)施方案中，下游催化劑

區(qū)段的流動長度為40mm至150mm。催化劑區(qū)段的此類優(yōu)化可提供更高效的電加熱。

[0052] 預(yù)期上游區(qū)段主要在啟動操作期間進(jìn)行操作，能量消耗最小，并且下游催化劑區(qū)段在全流量運(yùn)行操作期間是主導(dǎo)催化主體。在這一點(diǎn)上，就孔或通道尺寸以及向穿過的氣

體提供的停留時間而言，上游區(qū)段的相對尺寸通常可小于下游催化劑區(qū)段的相對尺寸(即，

具有更低的單元密度)。例如，在一些實(shí)施方案中，與兩個區(qū)段相關(guān)聯(lián)的內(nèi)表面積應(yīng)當(dāng)使得

上游區(qū)段的孔或通道表面積與下游催化劑區(qū)段的孔或通道表面積的比率在0.5％至5％的

范圍內(nèi)。

[0053] 就構(gòu)造而言，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段中的一者或兩者可包含金屬和/或陶瓷材料，例如軋制金屬元素或多孔陶瓷材料，或它們的復(fù)合物。上游區(qū)段應(yīng)表現(xiàn)出適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱

性和/或?qū)щ娦?，以允許高效地使用附接到其的電阻加熱器。用于區(qū)段中的一者或兩者的示

例性材料包括含鉻和鋁的合金或氧化物，以及任選地由氧化釔、氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定的

氧化硅、氧化鋁、氧化鈦或氧化鋯、氧化鈦中的一種或多種。

[0054] 上游區(qū)段可不具有上游催化劑，而下游催化劑區(qū)段可包括下游催化劑。[0055] 上游區(qū)段可包括上游催化劑并且/或者下游催化劑區(qū)段可包括下游催化劑。上游催化劑可與下游催化劑是相同或不同的，將催化劑施加到相應(yīng)區(qū)段的量和方法也可如此。

在一些實(shí)施方案中，上游催化劑或下游催化劑中的一者或兩者包含呈金屬或氧化物形式的

Ag、Au、Ce、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Sn、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它們的組合。在

一些實(shí)施方案中，上游催化劑和下游催化劑獨(dú)立地包含III族貴金屬、鉑族金屬、包含Ag、

Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh或Zn或它們的組合的金屬或合金，或包含Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ti、

、W、Y或Zr或它們的組合的氧化物。在一些實(shí)施方案中，上游催化劑和下游催化劑各自獨(dú)立

地包含III族貴金屬或包含鈀、釕、銠、鉑、鋨和銥或它們的組合的鉑族金屬。對于甲烷或包

含甲烷的燃料，鈀或鉑或鈀和鉑的混合物可以是優(yōu)選的。對于其他燃料諸如汽油、柴油燃

料、醇燃料或多種其他烴燃料，鈀和鉑可以是優(yōu)選的催化劑。對于其他燃料，也可使用較低

活性的催化劑，包括賤金屬氧化物催化劑，諸如銅、鈷、錳、鉻、鎳或其他活性的賤金屬氧化

物催化劑，呈純氧化物、與其他元素?fù)胶突蚍稚⒂诘诙趸锷系男问健?br>
[0056] 催化劑可例如通過化學(xué)或氣相沉積技術(shù)直接沉積在催化劑區(qū)段襯底上，或者可使用洗涂層(washcoat)方法施加。適用于洗涂層的材料包括但不限于任選地包含添加劑諸如

鋇、鑭、鎂的氧化鋁或氧化硅，或具有或不具有添加劑諸如硅的氧化鋯。洗涂層優(yōu)選地具有

2 2

中等至高的表面積，例如，2m/g至200m/g?？蓪θ剂吓c氧氣反應(yīng)具有活性的催化劑沉積

在多孔洗涂層的表面上或多孔洗涂層內(nèi)。

[0057] 在下游催化劑區(qū)段內(nèi)，下游催化劑可在催化劑襯底的整個長度或軸向定位上均勻或不均勻地分布。在一些實(shí)施方案中，貴金屬催化劑與襯底的比率可通過在催化劑襯底的

整個長度上分區(qū)而發(fā)生變化。在一些優(yōu)選實(shí)施方案中，該分區(qū)包括：在蜂窩襯底的上游軸向

區(qū)域中較高載量的催化劑(例如，鉑族催化劑)，以及在襯底的下游軸向區(qū)域中較低載量的

催化劑(同樣例如，鉑族催化劑)。在其他實(shí)施方案中，催化劑分區(qū)相反地分布(即，相對于前

部區(qū)域，后部區(qū)域中載量更高)。

[0058] 優(yōu)化催化劑分區(qū)的基本原理是獲得所用貴金屬催化劑的最大效果。本發(fā)明人已觀察到，催化劑襯底的下游端在燃燒期間通常經(jīng)歷最高溫度；因此，催化劑的該區(qū)域?qū)⒑芸赡?br>
通過燒結(jié)而經(jīng)歷最高水平的熱失活。在這種情況下，催化劑：襯底的低初始比率將減少高溫

燒結(jié)時性能的變化。相反地，在催化劑的上游端，催化劑與襯底的較高比率將改善起燃行

為，并且被熱燒結(jié)的程度將低于催化劑襯底的下游端，從而維持所用催化劑諸如貴金屬的

有效性。

[0059] 催化劑促進(jìn)劑材料(如本文其他地方所述)也可有利地以不相等的量用于催化劑襯底的軸向分區(qū)中，以促進(jìn)起燃活性或使熱燒結(jié)最小化。

[0060] 除了上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段之外，催化燃燒器可包括補(bǔ)充這些區(qū)段的另外的元件。例如，在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)還包括定位在催化劑區(qū)段下游的一個或多個混合或火

焰保持裝置或鈍體。此類裝置的目的是容納在環(huán)境中穿過催化劑區(qū)段以便允許在催化劑的

內(nèi)部體積之外進(jìn)一步燃燒的任何氣體。在部分燃燒過程在催化劑襯底的下游完成的情況

下，催化劑襯底所經(jīng)受的最高溫度可得以顯著降低。這些裝置的另一優(yōu)點(diǎn)在于它們允許HC

排放和CO排放的進(jìn)一步減少并減少由于催化劑襯底的存在而導(dǎo)致的壓降。

[0061] 在一些實(shí)施方案中，該系統(tǒng)還可包括以下部件中的一者或多者：[0062] (a)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)被布置成接收空氣并壓縮該空氣；[0063] (b1)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作為將燃料供應(yīng)到壓縮機(jī)中，使得空氣和燃料的混合物能夠或從該壓縮機(jī)排出；

[0064] (b2)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作為將氣態(tài)燃料供應(yīng)到壓縮機(jī)中；[0065] (b3)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作為將適當(dāng)霧化的液體燃料供應(yīng)到壓縮機(jī)中；[0066] (c)渦輪，該渦輪被布置成從催化燃燒器接收如果存在的燃燒氣體并且使用熱氣體來產(chǎn)生驅(qū)動壓縮機(jī)的機(jī)械功率；

[0067] (d)回?zé)崞鳎摶責(zé)崞鞅徊贾贸山邮諄碜詼u輪的排氣和從壓縮機(jī)排出的混合物或空氣，并且兩者間引起熱交換，使得該混合物或空氣能夠或在進(jìn)入催化燃燒器之前被預(yù)熱。

[0068] 通常，壓縮機(jī)和渦輪由至少一個軸機(jī)械地聯(lián)接，但本公開設(shè)想到為此目的使用包括兩個或三個軸的系統(tǒng)。

[0069] 在一些實(shí)施方案中，壓縮機(jī)是二級或多級壓縮機(jī)(例如，具有三個或更多個級)，任選地在壓縮機(jī)級之間具有間冷。

[0070] 系統(tǒng)還可包括一個或多個燃料/空氣噴射器或混合裝置，任選地定位在上游區(qū)段的上游，并且在一些實(shí)施方案中定位在催化燃燒器的上游，被定位成將燃料/空氣混合物提

供到催化燃燒器中或調(diào)節(jié)該燃料/空氣混合物。燃料和空氣可獨(dú)立地計(jì)量加入到該混合裝

置或這些混合裝置中。對于氣態(tài)燃料諸如甲烷或天然氣，這些燃料噴射器/混合器可噴射燃

料并使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的任何設(shè)計(jì)使其與空氣混合。對于液體燃料諸如汽油、柴油

燃料或醇燃料，燃料噴射器/混合器可將燃料作為微粉化或霧化小滴的噴霧噴射，并且使燃

料蒸發(fā)或氣化以在催化劑入口處形成氣態(tài)混合物。

[0071] 在再其他實(shí)施方案中，系統(tǒng)可包括附加的端口或直列式裝置，用于將烴燃料噴射到壓縮機(jī)中以用于與空氣預(yù)混合，或者穿過回?zé)崞髦盎蛑髧娚涞酵ǖ乐?，但在進(jìn)入催

化燃燒器之前，這取決于氣態(tài)或液體燃料類型。在此類情況下，壓縮機(jī)和回?zé)崞骺梢远喾N方

式用作混合/霧化和蒸發(fā)裝置。

[0072] 在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)還可包括用于監(jiān)測和控制系統(tǒng)操作的多種傳感器和控制機(jī)構(gòu)。熱電偶或電阻溫度測量裝置可位于催化燃燒器中各個位置，以及整個系統(tǒng)中的其他

位置，包括附接到上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段，或者僅位于催化劑區(qū)段的下游以測量離開

催化劑區(qū)段或燃燒器的氣體溫度。然后可將這些傳感器連接到監(jiān)測并控制整個系統(tǒng)的一個

或多個控制器。

[0073] 通過參考圖1和圖2可更好地設(shè)想所公開實(shí)施方案中的若干實(shí)施方案。圖1示出包括壓縮機(jī)1、催化燃燒室2和渦輪3的回?zé)釟怏w渦輪的示意圖。將空氣4供應(yīng)到壓縮機(jī)1，該壓

縮機(jī)產(chǎn)生具有預(yù)定較高壓力和較高溫度的壓縮空氣。該壓縮空氣與燃料混合區(qū)段5(A、B或

C)中的合適的含烴燃料混合。如圖1所示，燃料混合區(qū)段5可位于燃燒器的正前方(5A)、回?zé)?br>
器的上游(5B)或壓縮機(jī)的正前方(5C)。在燃料和空氣混合之后，將其傳遞到根據(jù)本公開進(jìn)

行電加熱的燃燒器2。在壓縮空氣和燃料在催化劑存在下一起反應(yīng)之后，所得較高溫度燃燒

產(chǎn)物氣體混合物被傳遞到渦輪3，在該渦輪處該氣體的能量被轉(zhuǎn)換成渦輪軸6的旋轉(zhuǎn)能量。

該渦輪軸6的旋轉(zhuǎn)能量用于驅(qū)動壓縮機(jī)1以及任何其他輸出裝置諸如發(fā)生器7。發(fā)生器7也可

啟動氣體渦輪。

[0074] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的催化燃燒器組件的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。空氣?燃料混合物(17)首先穿過受熱上游區(qū)段(10)，然后穿過下游催化劑區(qū)段(11)，作為熱氣體(18)出

來。兩個區(qū)段(10和11)可通過殼體(12)保持在一起，并且在兩個區(qū)段(10和11)之間可存在

間隙(13)。陶瓷支撐銷(15)用于橋接該間隙(13)。電連接件(16)可在殼體外部位于上游區(qū)

段(10)中。如圖2所示，下游催化劑區(qū)段的正面(14)與上游區(qū)段(10)分離。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖

然圖2中的單元具有圓形橫截面，但燃燒器組件可體現(xiàn)為其他橫截面形狀諸如卵形、橢圓

形、多邊形或環(huán)形或者任何其他棱柱形狀，以適合實(shí)際工程和應(yīng)用限制。

[0075] 例如，在叫做EmicatTM的購自Emitec的實(shí)施方案中，單個單元(組件)可包括蜂窩單片區(qū)段，該蜂窩單片區(qū)段攜帶電流，該電流以電阻方式加熱箔以提高流經(jīng)襯底芯部(11)的

氣體的溫度。電阻片(10)(上游區(qū)段)用陶瓷銷(15)固定到下游襯底(11)，該下游襯底固定

到下游單元(組件)的外部套膜(殼體)(12)。單個單元的主要矩陣(下游催化劑區(qū)段)(11)通

常被設(shè)計(jì)成相比電阻加熱片(10)(上游區(qū)段)具有更大的單元密度，以便：使主要矩陣(下游

催化劑區(qū)段)中的催化性能最大化，并且上游區(qū)段有利于并簡化上游帶頭部矩陣(芯部)。

[0076] 金屬襯底(矩陣或芯部)的結(jié)構(gòu)可通過采用非層流結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)，諸如：[0077] 1.Emitec的TSTM箔、LSTM箔、PETM箔、LSPETM箔。[0078] 2.PCI公司的[0079] 在該系統(tǒng)中選擇非層流技術(shù)可能導(dǎo)致對等效體積的催化劑而言的燃燒器背壓增加。此類選擇將需要實(shí)現(xiàn)更高性能、更低成本或更低燃燒催化劑體積或它們的組合，以便避

免對系統(tǒng)效率的負(fù)面影響。

[0080] 應(yīng)用[0081] 另外的實(shí)施方案包括結(jié)合本文所述的系統(tǒng)的任何設(shè)備。例如，包括本文所述的任何具體體現(xiàn)的系統(tǒng)的任何固定式工業(yè)、商業(yè)、海洋、汽車或空中功率發(fā)生器被認(rèn)為在本公開

的范圍內(nèi)，包括作為輔助用途的“原動機(jī)”或輔助功率源或者作為增程器。

[0082] 類似地，包括本文所公開的任何系統(tǒng)實(shí)施方案作為推進(jìn)裝置的任何移動式陸地、海洋或空中車輛被認(rèn)為在本公開的范圍內(nèi)。具體地，汽車、卡車或越野車輛被認(rèn)為是感興趣

的具體實(shí)施方案。當(dāng)需要擴(kuò)展耐力里程時，例如在系統(tǒng)用于擴(kuò)展E的里程或用作插電式混

合動力車輛的燃燒發(fā)動機(jī)的情況下，此類系統(tǒng)特別有吸引力。

[0083] 使用系統(tǒng)的方法[0084] 除了本文其他地方所述的系統(tǒng)和用途之外，本公開還包括用于使用這些系統(tǒng)的那些實(shí)施方案。本發(fā)明的實(shí)施方案的系統(tǒng)可被視為包括兩種主要操作模式，即啟動操作和運(yùn)

行操作。

[0085] 某些實(shí)施方案提供操作回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的方法，每種方法包括以下步驟中的一者或多者：

[0086] (a)將能量提供到電加熱器以將上游區(qū)段加熱到至少等于燃料和空氣的起燃溫度的溫度，

[0087] (b)將一定質(zhì)量流量的空氣和燃料的混合物引入到受熱上游區(qū)段，以便在該受熱上游區(qū)段中引發(fā)催化燃燒，以及

[0088] (c)增加通過受熱上游區(qū)段的空氣和燃料的混合物的質(zhì)量流量，以便將燃料和空氣的燃燒混合物噴射到第二催化劑區(qū)段中，該燃燒混合物具有相關(guān)聯(lián)的熱量。在本文其他

論述的內(nèi)容中，可根據(jù)啟動條件來描述方法的這一方面。如本文所用，術(shù)語“點(diǎn)火”可與術(shù)語

“起燃”溫度同義。據(jù)設(shè)想，基于所感測操作參數(shù)來自動地控制這些啟動條件。

[0089] 燃料/空氣混合物的催化反應(yīng)溫度由多種因素清晰限定，包括空氣/燃料共混比、燃料類型(例如，包括氫和烴)，以及催化劑的性質(zhì)，但在每種情況下，溫度可針對給定條件

來預(yù)定。另外，將能量提供到電阻加熱器的時間長度可由引入含燃料/氧的混合物之后的預(yù)

定時間限定，或響應(yīng)于基于催化劑區(qū)段的操作(例如，當(dāng)催化反應(yīng)的熱量足以將下游催化劑

區(qū)段維持在其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件時)的傳感器反饋。一旦實(shí)現(xiàn)這些條件，或者操作者單獨(dú)決定手

動這樣做，或者在任何其他時間，方法還可包括：使電加熱器斷電，同時維持催化燃燒。

[0090] 在其他實(shí)施方案中，方法還可包括：維持通過受熱上游區(qū)段的空氣和燃料的混合物的增加的質(zhì)量流量，使得與燃料和空氣的燃燒混合物相關(guān)聯(lián)的熱量在接觸下游催化劑區(qū)

段時足以將下游催化劑區(qū)段的至少一部分的溫度升高至下游催化劑區(qū)段中的燃料和空氣

的混合物的催化點(diǎn)火溫度。在其他實(shí)施方案中，方法還包括：將增加的質(zhì)量流量維持一段時

間，該時間足以提供基本上整個下游催化劑區(qū)段被加熱到燃料和空氣的混合物的催化點(diǎn)火

溫度，使得燃料和空氣的混合物在穿過其中時基本上在整個下游催化劑區(qū)段中燃燒。在優(yōu)

選實(shí)施方案中，方法包括：調(diào)節(jié)質(zhì)量流量，使得基本上整個燃燒發(fā)生在下游催化劑區(qū)段中。

在本文其他論述的內(nèi)容中，可根據(jù)運(yùn)行條件來描述方法的這些方面。

[0091] 在一些實(shí)施方案中，催化劑的正常穩(wěn)態(tài)操作溫度可在約300℃至約1000℃的范圍內(nèi)。這些操作溫度在很大程度上取決于催化劑和催化劑區(qū)段的性質(zhì)和構(gòu)型。在一些實(shí)施方

案中，首先將電功率施加到電阻加熱器以將上游區(qū)段預(yù)熱至期望的穩(wěn)態(tài)操作溫度的約100

℃之內(nèi)、或優(yōu)選地約50℃之內(nèi)，或者預(yù)熱至更高的溫度。同樣，電加熱器(例如，電阻加熱器)

可在發(fā)生以下條件中的任一個條件時被斷電：(i)由上游催化區(qū)段中的燃料和空氣的反應(yīng)

釋放的反應(yīng)熱足以將下游催化劑區(qū)段的至少一部分的溫度升高至下游催化劑區(qū)段中的燃

料和空氣的混合物的點(diǎn)火溫度；和/或(ii)燃燒器出口處的含燃料/空氣的混合物達(dá)到預(yù)定

溫度極限；和/或(iii)已經(jīng)過預(yù)定時間段；和/或(iv)進(jìn)入上游區(qū)段的燃料/空氣混合物高

于催化劑起燃溫度。

[0092] 在另一個實(shí)施方案中，首先將電功率施加到電加熱器(例如，電阻加熱器)以將上游非催化區(qū)段預(yù)熱至期望的穩(wěn)態(tài)操作溫度的約100℃之內(nèi)、或優(yōu)選地約50℃之內(nèi)，或者預(yù)熱

至更高的溫度。同樣，電加熱器(例如，電阻加熱器)可在發(fā)生以下條件中的任一個條件時被

斷電：(i)由下游催化劑區(qū)段中的燃料和空氣的反應(yīng)釋放的反應(yīng)熱足以使反應(yīng)在下游催化

劑區(qū)段的增加的部分中傳播。(ii)燃燒器出口處的含燃料/空氣的混合物達(dá)到預(yù)定溫度極

限；和/或(iii)已經(jīng)過預(yù)定時間段；和/或(iv)進(jìn)入上游區(qū)段的燃料/空氣混合物高于催化

劑起燃溫度。

[0093] 同樣，方法還可包括：調(diào)節(jié)空氣和燃料的混合物中空氣和燃料的質(zhì)量流量或比率以適應(yīng)回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷要求。這些可手動地進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在一些實(shí)施方案

中，通過渦輪系統(tǒng)內(nèi)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)更為高效。

[0094] 一般來講回?zé)釟怏w渦輪系統(tǒng)的操作，并且具體地上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段的操作也可取決于所采用燃料的性質(zhì)，例如，被引入到區(qū)段的燃料和空氣的混合物的組成的性

質(zhì)。供應(yīng)到催化燃燒室的空氣和燃料的量之間的比率被指定為λ值。該λ值為相對空氣/燃料

比的量度，并且構(gòu)成實(shí)際空氣/燃料比與化學(xué)計(jì)量空氣/燃料比之間的比率。低λ值意指相對

于空氣的量而言具有大比例的燃料的“富”燃料混合物，而高λ值意指在混合物中具有相對

較高空氣的量的“貧”空氣/燃料混合物。在操作所公開系統(tǒng)時，通常空氣/燃料混合物具有

大于1、優(yōu)選地在1.5至8的范圍內(nèi)、更優(yōu)選地在4至8的范圍內(nèi)的λ值，其中λ值為實(shí)際空氣/燃

料比與化學(xué)計(jì)量空氣/燃料比的比率。該λ值可在燃燒過程中根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

[0095] 當(dāng)被用作回?zé)釟怏w渦輪的一部分時，盡管入口溫度低，催化劑仍可維持燃燒。這通過使用低速度來實(shí)現(xiàn)，該低速度通常比在發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件下發(fā)生的速度低5至10倍。在該啟

動模式下，λ通常維持在1.5和7之間，而回?zé)釟怏w渦輪將根據(jù)回?zé)岢潭仍讦私橛?和8之間的

情況下運(yùn)行。通過將流量和λ維持在這些極限內(nèi)，僅需要較短時間段的電功率。這允許回?zé)?br>
器預(yù)熱啟動并將燃燒器入口溫度升高至高于點(diǎn)火溫度，之后可將流量快速增加到氣體渦輪

操作條件。

[0096] 本公開的一些實(shí)施方案包括如本文所述的操作回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)的方法，該方法包括以下一個或多個步驟：

[0097] (a)使至少空氣流經(jīng)壓縮機(jī)；[0098] (b)將能量提供到電加熱器以將上游區(qū)段加熱到至少等于燃料和空氣的混合物的點(diǎn)火溫度的溫度；

[0099] (c)將一定質(zhì)量流量的燃料和空氣的混合物引入到受熱上游區(qū)段，使得該燃料和空氣的混合物在上游區(qū)段中燃燒；

[0100] (d)增加燃料和空氣的混合物的質(zhì)量流量，使得燃燒混合物的流動將下游催化劑區(qū)段加熱到高于該下游催化劑區(qū)段的點(diǎn)火溫度的溫度；

[0101] (e)維持通過上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段的燃料和空氣的混合物的質(zhì)量流量，使得該燃料和空氣的混合物在穿過下游催化劑區(qū)段時在其中燃燒，以形成離開該下游催化劑

區(qū)段的受熱燃燒氣體；

[0102] (f)引導(dǎo)離開下游催化劑區(qū)段和催化燃燒器的受熱燃燒氣體的至少一部分通過渦輪以產(chǎn)生機(jī)械功率，并且部分地使用該機(jī)械功率來驅(qū)動壓縮機(jī)；

[0103] (g)將穿過渦輪的受熱燃燒氣體中的一些或全部引導(dǎo)到回?zé)崞?；以及[0104] (h)使用回?zé)崞髦械氖軣崛紵龤怏w來將被引入到受熱上游區(qū)段的空氣或燃料和空氣的混合物預(yù)熱至通常高于催化劑的起燃溫度的溫度。

[0105] 燃燒器的典型啟動序列在圖3中示出，該圖取自將燃燒器用作回?zé)釟怏w渦輪的一部分的測試。示出了相對于時間的若干參數(shù)，包括空氣和燃料流量以及電功率和若干溫度。

在啟動序列期間發(fā)生三個階段：電模式、引燃模式和正常運(yùn)行模式。最初，在(20)處，將功率

施加到上游加熱器層或受熱催化層并施加少量空氣流。一旦下游催化劑的上游端達(dá)到催化

起燃溫度，就施加初始加燃料(21)。一旦催化燃燒得以建立并在下游催化劑中增加(22)，就

關(guān)閉功率(23)。然后，空氣和燃料在引燃模式下以優(yōu)化序列以受控方式斜升(24)，直到達(dá)到

目標(biāo)燃燒器出口(渦輪入口)溫度(26)為止?？刂菩鄙允箽鈶B(tài)排放最小化，同時使氣體渦

輪的主熱塊(即，回?zé)崞?的溫度升高。在(25)處，回?zé)崞鬟_(dá)到其可向燃燒器供應(yīng)高于催化起

燃溫度的空氣的溫度。就此而言，燃料和空氣可以最佳比率更迅速地斜升(27)，從而產(chǎn)生期

望的渦輪入口溫度(26)。這一直持續(xù)到實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)功率發(fā)生為止。從跡線可看出，在切斷電功

率之后但在入口溫度低于催化燃燒元件的起燃溫度時，可以“引燃模式”實(shí)現(xiàn)持續(xù)燃燒。

[0106] 術(shù)語[0107] 在本公開中，除非內(nèi)容另有明確說明，否則單數(shù)形式“一個”、“一種”和“所述”包括復(fù)數(shù)指代，并且對特定數(shù)值的指代包括至少該特定值。因此，例如，提及“材料”是指此類材

料中的至少一種以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其等同物等。

[0108] 當(dāng)通過使用描述符“約”將值表示為近似值時，應(yīng)當(dāng)理解，該特定值形成另一個實(shí)施方案。一般來講，術(shù)語“約”的使用表示近似值，這些近似值可根據(jù)本發(fā)明所公開的主題試

圖獲得的所需特性而變化，并且基于其功能在使用該近似值的特定內(nèi)容中進(jìn)行解釋。本領(lǐng)

域的技術(shù)人員將能夠?qū)⒋私忉尀槔谐绦颉Ｔ谝恍┣闆r下，用于特定值的有效數(shù)字的數(shù)量

可以是確定字詞“約”的程度的一種非限制性方法。在其他情況下，在一系列值中使用的梯

度可用于確定可用于每個值的術(shù)語“約”的預(yù)期范圍。當(dāng)存在時，所有范圍是包括端值在內(nèi)

的并且是可組合的。也就是說，對范圍內(nèi)規(guī)定的值的引用包括該范圍內(nèi)的每個值。

[0109] 應(yīng)當(dāng)理解，為清楚起見，本文在不同實(shí)施方案的內(nèi)容中描述的本發(fā)明的某些特征也可在單個實(shí)施方案中以組合方式提供。也就是說，除非明顯不相容或明確排除在外，否則

認(rèn)為每個單獨(dú)實(shí)施方案可與任何其他實(shí)施方案組合，并且此類組合被認(rèn)為是另一個實(shí)施方

案。反之，為簡化起見，在單個實(shí)施方案的內(nèi)容中描述的本發(fā)明的多個特點(diǎn)也可以分別提供

或以任何子組合提供。最后，雖然實(shí)施方案可被描述為一系列步驟的一部分或更一般結(jié)構(gòu)

的一部分，但是每個所述步驟本身也可被認(rèn)為是可與其他步驟組合的獨(dú)立實(shí)施方案。

[0110] 過渡術(shù)語“包含”、“基本上由…組成”和“由…組成”旨在暗示它們在專利詞匯中的普遍接受的含義；也就是說，(i)與“包括”、“含有”或“特征在于”同義的“包含”是包含性的

或開放式的，并且不排除另外的未列舉的要素或方法步驟；(ii)“由…組成”不包括未在權(quán)

利要求中指定的任何要素、步驟或成分；以及(iii)“基本上由…組成”將權(quán)利要求的范圍限

制于指定的材料或步驟以及那些不會實(shí)質(zhì)上影響受權(quán)利要求書保護(hù)的本發(fā)明的基本特征

和新型特征的材料或步驟。以短語“包含”(或其等同形式)描述的實(shí)施方案還提供以“由…

組成”和“基本上由…組成”獨(dú)立描述的那些作為實(shí)施方案。對于以“基本上由…組成”提供

的那些實(shí)施方案，基本特征和新型特征是系統(tǒng)高效地燃燒燃料的能力，而不需要單獨(dú)的點(diǎn)

火器或在燃料混合物引入到催化劑中之前將其加熱到高于點(diǎn)火溫度。不減損此類可操作性

的材料或步驟將被認(rèn)為在此類實(shí)施方案的范圍內(nèi)。

[0111] 除非另行指出，否則當(dāng)呈現(xiàn)列表時，應(yīng)當(dāng)理解，該列表的每個單獨(dú)要素以及該列表的每個組合是不同的實(shí)施方案。例如，呈現(xiàn)為“A、B或C”的實(shí)施方案的列表將被解釋為包括

實(shí)施方案“A”、“B”、“C”、“A或B”、“A或C”、“B或C”或“A、B或C”。

[0112] 在整個說明書中，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，字詞被賦予它們的正常含義。然而，為了避免誤解，某些術(shù)語的含義將被具體地定義或闡明。

[0113] “任選的”或“任選地”是指隨后描述的情況可發(fā)生或可不發(fā)生，使得所述描述包括其中情況發(fā)生的實(shí)例和其中情況不發(fā)生的實(shí)例。類似地，涉及“任選地存在”組分或步驟的

實(shí)施方案，那些實(shí)施方案包括其中存在或不存在所述步驟或組分的單獨(dú)的獨(dú)立實(shí)施方案。

描述“任選的”允許但不需要發(fā)生任選的條件。

[0114] 實(shí)施方案的以下列表旨在補(bǔ)充而不是替換或代替先前的描述。[0115] 實(shí)施方案1一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有催化燃燒器的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)，該催化燃燒器包括：

[0116] (a)上游區(qū)段，該上游區(qū)段包括電加熱器，和[0117] (b)下游催化劑區(qū)段，其中該上游區(qū)段和該下游催化劑區(qū)段設(shè)置成彼此相鄰并流體連通。

[0118] 在該實(shí)施方案的某些方面，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段之間包括間隔件；在其他方面，這兩個區(qū)段彼此物理接觸；在再其他方面，這兩個區(qū)段之間包含限定的氣隙。該氣隙

對于避免金屬襯底中的短路可能是重要的。對于金屬?陶瓷組合襯底，可能避免在催化劑的

整個直徑上存在離散的“層間隙”。在其他方面，在構(gòu)成具有電絕緣的物理支撐的兩個區(qū)段

之間還可存在陶瓷絕緣連接件。

[0119] 實(shí)施方案2根據(jù)實(shí)施方案1所述的系統(tǒng)，其中，包括電加熱器的上游區(qū)段是催化燃燒器中的唯一點(diǎn)火源。在該實(shí)施方案的獨(dú)立方面，一些實(shí)施方案具有和不具有單獨(dú)的點(diǎn)火

源，但優(yōu)選的是不存在電加熱器之外的點(diǎn)火源。在其他方面，系統(tǒng)在系統(tǒng)中的任何地方都不

包含附加點(diǎn)火器。

[0120] 實(shí)施方案3根據(jù)實(shí)施方案1或2所述的系統(tǒng)，其中，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段整合在單個單元中。在該實(shí)施方案的某些獨(dú)立方面，這兩個區(qū)段因?yàn)槊總€區(qū)段內(nèi)包含的襯底材

料或催化劑材料而在組成上彼此是相同或不同的。

[0121] 實(shí)施方案4根據(jù)實(shí)施方案1至3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，單個單元/襯底/矩陣/芯部為“單片層流襯底”或?yàn)榫哂幸欢ǔ潭韧牧髟鰪?qiáng)的襯底。(示例，PCI公司的

“microlithic”)。

[0122] 實(shí)施方案5根據(jù)實(shí)施方案1至4中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段各自包含孔或通道，該孔或通道允許可點(diǎn)燃混合物(例如，氣體或蒸氣)穿過該上游區(qū)

段和該下游催化劑區(qū)段兩者。

[0123] 實(shí)施方案6根據(jù)實(shí)施方案5所述的系統(tǒng)，其中，上游區(qū)段中的孔或通道針對低流量啟動條件進(jìn)行優(yōu)化，并且下游催化劑區(qū)段針對運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化。在該實(shí)施方案的某些方

面，上游區(qū)段中的孔或通道大于下游催化劑區(qū)段中的孔或通道，或者以其他方式修改以在

上游區(qū)段中提供相比在下游催化劑區(qū)段中阻力更小的流動(例如，通過流動路徑的筆直

性)。

[0124] 實(shí)施方案7根據(jù)實(shí)施方案5或6所述的系統(tǒng)，其中，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段中的孔或通道具有相關(guān)聯(lián)的體積，并且上游區(qū)段的孔或通道表面積與下游催化劑區(qū)段的孔或通

道表面積的比率在約0.5％至50％的范圍內(nèi)。

[0125] 實(shí)施方案8根據(jù)實(shí)施方案1至7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，上游區(qū)段不包含上游催化劑，因此上游區(qū)段不具有任何催化功能。

[0126] 實(shí)施方案9根據(jù)實(shí)施方案1至7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，上游區(qū)段還包含上游催化劑。

[0127] 實(shí)施方案10根據(jù)實(shí)施方案1至9中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，下游催化劑區(qū)段還包含下游催化劑。

[0128] 實(shí)施方案11根據(jù)實(shí)施方案1至10中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，上游催化劑不同于下游催化劑。在該實(shí)施方案的某些方面，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段之間的催化劑襯底也可

以是不同的。

[0129] 實(shí)施方案12根據(jù)實(shí)施方案1至10中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，上游催化劑與下游催化劑是相同的。在該實(shí)施方案的某些方面，上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段之間的催化劑襯底

也可以是相同的。

[0130] 實(shí)施方案13根據(jù)實(shí)施方案1至12中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，上游催化劑和下游催化劑中的任一者或兩者獨(dú)立地包含呈金屬或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、

Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Ti、、W、Y、Zn、Zr或它們的組合。在該實(shí)施方案的獨(dú)立方面，催化劑獨(dú)立地

包含III族貴金屬。在該實(shí)施方案的獨(dú)立方面，催化劑獨(dú)立地包含鉑族金屬。在其他方面，

催化劑獨(dú)立地包含Ag、Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Zn或它們的組合。在再其他方面，催化劑

包含Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ti、、W、Y、Zr或它們的組合的氧化物。在再其他方面，所述催化劑包

含Ce和/或Sn。

[0131] 實(shí)施方案14根據(jù)實(shí)施方案1至13中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，催化燃燒器還包括定位在下游催化劑區(qū)段的下游的一個或多個混合或火焰保持裝置。

[0132] 實(shí)施方案15根據(jù)實(shí)施方案1至14中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括定位在催化燃燒器的上游的燃料/空氣混合裝置。在該實(shí)施方案的某些方面，該混合裝置被定位成將燃料/空

氣混合物提供到催化燃燒器中或調(diào)節(jié)該燃料/空氣混合物。

[0133] 實(shí)施方案16根據(jù)實(shí)施方案1至15中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括以下中的一者或多者：

[0134] (a)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)被布置成接收空氣并壓縮該空氣；[0135] (b1)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作為將燃料供應(yīng)到壓縮機(jī)中，使得空氣和燃料的混合物能夠或從該壓縮機(jī)排出；

[0136] (b2)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作為將氣態(tài)燃料供應(yīng)到壓縮機(jī)中；[0137] (b3)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)可操作為將適當(dāng)霧化的液體燃料供應(yīng)到壓縮機(jī)中；[0138] (c)渦輪，該渦輪被布置成從催化燃燒器接收如果存在的燃燒氣體并且使該氣體膨脹以產(chǎn)生部分地驅(qū)動壓縮機(jī)的機(jī)械功率；和

[0139] (d)回?zé)崞?，該回?zé)崞鞅徊贾贸山邮諄碜詼u輪的排氣和從壓縮機(jī)排出的空氣或混合物，并且在兩者間引起熱交換，使得該混合物能夠或在進(jìn)入催化燃燒器之前被預(yù)熱。

[0140] 在該實(shí)施方案的某些方面，如果系統(tǒng)需要，(b1)、(b2)和(b3)可為燃料系統(tǒng)的另選方案。

[0141] 實(shí)施方案17根據(jù)實(shí)施方案16所述的系統(tǒng)，其中，壓縮機(jī)和渦輪由至少一個軸機(jī)械地聯(lián)接。在該實(shí)施方案的一些獨(dú)立方面，壓縮機(jī)可以是一級、二級或多級壓縮機(jī)。在獨(dú)立方

面，二級壓縮機(jī)聯(lián)接在雙軸機(jī)器上。在一些方面，低壓壓縮機(jī)連接到低壓渦輪并且/或者高

壓壓縮機(jī)連接到高壓機(jī)器。在一些方面，可引入第三軸以允許動力渦輪連接到發(fā)生器或其

他負(fù)載。來自該第三渦輪的排氣可饋送到回?zé)崞鳌?br>
[0142] 實(shí)施方案18根據(jù)實(shí)施方案16或17所述的系統(tǒng)，其中，壓縮機(jī)是多級壓縮機(jī)。在某些方面，壓縮機(jī)是二級壓縮機(jī)。在一些方面，二級或多級壓縮機(jī)在壓縮機(jī)級之間配備有間冷。

[0143] 實(shí)施方案19一種工業(yè)、商業(yè)、海洋或空中功率發(fā)生器，該工業(yè)、商業(yè)、海洋或空中功率發(fā)生器包括根據(jù)實(shí)施方案1至18中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)。

[0144] 實(shí)施方案20一種移動式陸地、海洋或空中車輛，該移動式陸地、海洋或空中車輛包括根據(jù)實(shí)施方案1至18中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)作為推進(jìn)裝置。在該實(shí)施方案的某些方面，移動

式車輛是汽車。

[0145] 實(shí)施方案21一種操作根據(jù)實(shí)施方案1至18中任一項(xiàng)所述的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的方法，該方法包括以下中的一者或多者：

[0146] (a)將能量提供到電加熱器以將上游區(qū)段加熱到至少等于燃料和空氣的混合物的點(diǎn)火溫度的溫度，

[0147] (b)將一定質(zhì)量流量的空氣和燃料的混合物引入到受熱上游區(qū)段，以便引發(fā)上游區(qū)段的催化燃燒，以及

[0148] (c)維持或增加通過上游區(qū)段的空氣和燃料的混合物的質(zhì)量流量，以便將燃料和空氣的混合物噴射到下游催化劑區(qū)段中，從而增加催化反應(yīng)。

[0149] 在該實(shí)施方案的某些方面，啟動時混合物的質(zhì)量流量處在比在發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件下發(fā)生的質(zhì)量流速低5至10倍的范圍內(nèi)。

[0150] 實(shí)施方案22根據(jù)實(shí)施方案21所述的方法，其中，催化反應(yīng)是在向下游傳播到主(下游)催化矩陣之前在上游區(qū)段中引發(fā)的。

[0151] 實(shí)施方案23根據(jù)實(shí)施方案22所述的方法，還包括：將增加的質(zhì)量流量維持足以提供基本上整個下游催化劑區(qū)段被加熱到燃料和空氣的混合物的催化溫度或更高的溫度的

時間，使得該燃料和空氣的混合物在穿過其中時在整個下游催化劑區(qū)段中燃燒。優(yōu)選地，由

于上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段的相對比例以及混合物的質(zhì)量流速，大部分的(如果不是基

本上整個的)燃燒發(fā)生在下游催化劑區(qū)段中。

[0152] 實(shí)施方案24根據(jù)實(shí)施方案21至23中任一項(xiàng)所述的方法，還包括：調(diào)節(jié)空氣和燃料的混合物的質(zhì)量流量以適應(yīng)回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷要求。

[0153] 實(shí)施方案25根據(jù)實(shí)施方案21至24中任一項(xiàng)所述的方法，還包括：使電加熱器斷電，同時維持至少下游催化劑區(qū)段中的燃燒。

[0154] 實(shí)施方案26根據(jù)實(shí)施方案21至25中任一項(xiàng)所述的方法，還包括：在入口混合物達(dá)到催化起燃溫度之前以穩(wěn)定的方式維持燃燒(引燃模式)。

[0155] 實(shí)施方案27根據(jù)實(shí)施方案21至26中任一項(xiàng)所述的方法，其中，燃料和空氣的混合物具有大于1、優(yōu)選地在啟動期間在2至5的范圍內(nèi)和/或在穩(wěn)態(tài)操作期間在4至8的范圍內(nèi)的

λ值，其中該λ值為實(shí)際空氣/燃料比與化學(xué)計(jì)量空氣/燃料比的比率。

[0156] 實(shí)施方案28根據(jù)實(shí)施方案27所述的方法，還包括：在燃燒過程中調(diào)節(jié)燃料和空氣的混合物的λ值。在獨(dú)立方面，該方法包括將λ值調(diào)節(jié)為更富燃料混合物；在獨(dú)立方面，該方

法包括將λ值調(diào)節(jié)為更貧燃料混合物。在一些方面，該方法包括交替地增加和減少質(zhì)量流量

的豐富度，任選地響應(yīng)于監(jiān)測系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)。

[0157] 實(shí)施方案29一種操作根據(jù)實(shí)施方案16至18中任一項(xiàng)所述的回?zé)釟怏w渦輪發(fā)動機(jī)的方法，該方法包括以下步驟中的至少一者：

[0158] (a)壓縮壓縮機(jī)中的至少空氣；[0159] (b)將能量提供到電加熱器以將上游區(qū)段加熱到至少等于燃料和空氣的混合物的起燃溫度的溫度；

[0160] (c)將一定質(zhì)量流量的燃料和空氣的混合物引入到受熱上游區(qū)段，使得該燃料和空氣的混合物在上游區(qū)段中燃燒；

[0161] (d)增加燃料和空氣的混合物的質(zhì)量流量，使得燃燒混合物的流動將下游催化劑區(qū)段加熱到高于該下游催化劑區(qū)段的點(diǎn)火溫度；

[0162] (e)維持通過上游區(qū)段和下游催化劑區(qū)段的燃料和空氣的混合物的質(zhì)量流量，使得該燃料和空氣的混合物在穿過下游催化劑區(qū)段時在其中燃燒，以形成離開該下游催化劑

區(qū)段的受熱燃燒氣體；

[0163] (f)引導(dǎo)離開下游催化劑區(qū)段和催化燃燒器的受熱燃燒氣體的至少一部分通過渦輪以產(chǎn)生機(jī)械功率，并且部分地使用該機(jī)械功率來驅(qū)動壓縮機(jī)；

[0164] (g)將穿過渦輪的受熱燃燒氣體中的一些或全部引導(dǎo)到回?zé)崞鳎灰约癧0165] (h)使用回?zé)崞髦械氖軣崛紵龤怏w來將被引入到受熱上游區(qū)段的燃料和空氣的混合物預(yù)熱至高于催化劑的起燃溫度。

[0166] 實(shí)施方案30根據(jù)實(shí)施方案29所述的方法，還包括：調(diào)節(jié)被引入到上游區(qū)段的燃料和空氣的混合物的質(zhì)量流量。在獨(dú)立方面，該方法包括增加質(zhì)量流量；在獨(dú)立方面，該方法

包括減少質(zhì)量流量；在一些方面，該方法包括交替地增加和減少質(zhì)量流量，任選地響應(yīng)于監(jiān)

測所述系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)。

[0167] 實(shí)施方案31根據(jù)實(shí)施方案29或30所述的方法，其中，燃料和空氣的混合物具有大于1的λ值，該方法還包括：在燃燒過程中調(diào)節(jié)該燃料和空氣的混合物的λ值。

[0168] 實(shí)施方案32根據(jù)實(shí)施方案21至31中任一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括使電加熱器斷電。

[0169] 實(shí)施方案33根據(jù)實(shí)施方案1?18中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，單個單元可具有圓形橫截面或其他橫截面形狀諸如卵形、橢圓形、多邊形或環(huán)形或者任何其他棱柱形狀，以適合

實(shí)際工程和應(yīng)用限制。

[0170] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，根據(jù)這些教導(dǎo)內(nèi)容，本發(fā)明的眾多修改和變型是可能的，并且所有這些修改和變型均據(jù)此被設(shè)想到。

[0171] 本文檔中引用或描述的每項(xiàng)專利、專利申請和公布的公開內(nèi)容據(jù)此以引用方式各自整體并入本文以用于所有目的。