用于火花点燃式气体燃料发动机的排气系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及火花点燃式气体燃料内燃发动机，并且更特别涉及使用这种内燃发动机的排气系统来控制废气排放物和功率密度。
[0002]背景
[0003]近年来，内燃发动机的排放物法规已经变得越来越严格。环境问题的担忧已经促使全世界许多国家对内燃发动机实施更严格的排放物要求。政府机构，诸如，美国的环境保护局(EPA)，认真监控发动机的排放物质量和设置所有发动机必须遵从的、可接受的排放物标准。通常，排放物要求根据发动机的种类而变化。对火花点燃式汽油(例如，非气体)发动机的排放物的测试通常监控一氧化碳、氮氧化物(NOx)和未燃的碳氢化合物(UHC)的释放。废气后处理系统中所实施的催化转化器(例如，氧化催化器)已经被用于消除存在于汽油提供动力的发动机所产生的废气中的许多所规定的污染物质。例如，一些熟知的三元催化器(three-way catalyst)包括针对专门氧化一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物、以及还原氮氧化物所认真选择的催化材料的配方以使废气中存在较少有害成分。传统的三元催化器被设计为更有效地氧化或还原运行在高于化学当量的空气燃料比(例如，富空气燃料比条件)的发动机的这类污染物质。
[0004]近来，至少部分由于高原油价格、环境方面的担忧和未来燃料供应，许多内燃发动机设计师已经寻求至少部分地替换原油化石燃料(例如，汽油和柴油)，用所谓的代用燃料给内燃发动机提供动力。所期望的是，通过用代用燃料替换化石燃料、或减少化石燃料的使用，来降低给内燃发动机加注燃料的成本、来减少对环境有害的污染物质、和/或增加未来燃料的供应。熟知的代用燃料包括气体燃料或气体碳氢化合物燃料，诸如，天然气、石油气体(丙烷)和氢气。由火花点燃式气体提供动力的发动机所产生的废气中存在的燃烧副产品类似于由火花点燃式非气体燃料提供动力的发动机所产生的废气中存在的燃烧副产品。因此，传统的气体所提供动力的发动机系统利用在非气体提供动力的发动机系统中所发现的相同的催化剂来氧化由气体提供动力的发动机所产生的所规定的污染物质。
[0005]然而，气体提供动力的发动机也产生相当大量的带有目前未规定的污染物质(诸如，甲烷)的废气。传统意义上，气体提供动力的发动机是在富空气燃料比处(例如，比化学当量更高)操作以便减少废气中的氧气浓度，并且因此减少一氧化碳和氮氧化物的形成。在这种富空气燃料比的条件下的操作，最终产生非常高水平的未燃碳氢化合物(例如，甲烷)。传统的气体提供动力的发动机系统不包括能够氧化甲烷的氧化催化剂。因此，气体提供动力的发动机系统允许大量甲烷逃逸到大气中。
[0006]此外，在化学当量或更高的空气燃料比的条件下操作气体提供动力的发动机系统导致发动机处于相对低的制动热效率。此外，在这样的空气燃料比下的操作引起高的燃烧温度，这导致发动机中的高部件温度，并且需要减少输出功率以避免部件失效。然而，鉴于着眼于满足废气排放法规的强制要求，传统的气体提供动力的发动机被设计为以牺牲热效率和功率密度来满足废气排放法规。
[0007]此外，如发明者所认识到的，一些使用废气再循环(EGR)策略的内燃发动机经常遭受空气和充气进气管路内的有害冷凝物的形成。例如，循环废气中的特定排放物(例如，CO、C02、NOx和UHC)的存在可能引起发动机进气回路的冷凝物中的侵蚀性酸的形成，因此应该将进气系统中任何位置的温度控制到处于露点以下。CO和C02可以导致在进气系统中形成碳酸，并且NOx可以导致冷凝物内的硝酸的形成。这两种酸中，硝酸是更有侵蚀性的，并且更可能不利地影响进气系统部件的使用寿命。
[0008]概要
[0009]已经对本申请的主题进行了开发以响应目前技术发展水平，并且尤其是，响应还未由当前可用的气体提供动力的内燃机发动机的排气系统完全解决的技术中的问题和需要。因此，本申请的主题已经开发以提供气体提供动力的排气系统，该系统具有后处理催化器(例如，可能能够氧化甲烷的三元催化器)和用于克服现有技术系统的至少一些缺点的废气再循环策略。
[0010]例如，根据一个实施方式，内燃发动机系统包括由气体燃料提供动力的火花点燃式内燃发动机。发动机系统还包括与内燃发动机连通以提供空气的进气口。发动机系统还包括与内燃发动机连通以接收废气的排气系统。排气系统包括后处理催化器(例如，甲烷氧化催化器)和废气再循环管路，其中至少一部分废气流经后处理催化器，而废气再循环管路与进气口连通以提供废气。气体燃料可以基本上完全是天然气。
[0011]在一些实现中，发动机系统包括具有涡轮机的涡轮增压器，该涡轮机与压缩机共旋耦合。涡轮机与内燃发动机连通以接收废气，并且与甲烷氧化催化器连通以提供废气。压缩机与进气口连通以接收空气，并且与发动机连通以提供充入空气。
[0012]根据发动机系统的特定实现，废气再循环管路位于后处理催化器的上游和涡轮机的下游。在这样的实现中，排气系统还包括位于废气再循环管路中的辅助后处理催化器(例如，能够还原氮氧化物的催化器)。废气再循环管路可以是第一废气再循环管路，并且排气系统还可以包括与第一废气再循环管路废气连通以提供废气的第二废气再循环管路。第二废气再循环管路可以位于涡轮机的上游。辅助催化器可以位于第二废气再循环管路内。排气系统还可以包括泵，其与第一和第二废气再循环管路连通以接收废气，并且与进气口连通以提供废气。在一些实现中，辅助后处理催化器可以位于泵的下游。
[0013]在发动机系统的又一些实现中，废气再循环管路位于后处理催化器的下游。废气再循环管路可以是第一废气再循环管路，并且排气系统还可包括与第一废气再循环管路连通以提供废气的第二废气再循环管路。第二废气再循环管路位于涡轮机的上游。辅助后处理催化器可以位于第二废气再循环管路内。在一些例子中，排气系统包括泵，其与第一和第二废气再循环管路连通以接收废气，并且与进气口连通以提供废气。在这样的例子中，辅助后处理催化器可以位于泵的下游。
[0014]根据发动机系统的一定的实现，排气系统还包括位于后处理催化器上游和废气再循环管路下游的废气节流阀。在又一个其它实现中，排气系统还包括位于后处理催化器下游的被动废气孔(passive exhaust orifice)，并且进气口包括进气节流阀。
[0015]在发动机系统的一些实现中，排气系统还包括至少一个辅助后处理催化器(例如，能够氧化一氧化碳的催化器和能够还原氮氧化物的催化器)，至少一部分废气流经辅助后处理催化器。
[0016]根据另一个实施方式，用于火花点燃式气体燃料内燃发动机的排气系统被公开。发动机包括带有涡轮机的涡轮增压器，和压缩机，其中，涡轮机与发动机连通以接收废气，而压缩机与发动机连通以提供充入空气。排气系统包括与涡轮机连通以接收废气的主废气管路。此外，排气系统包括位于主废气管路中的三元催化器。三元催化器被配置为氧化一氧化碳和甲烷，并且还原流过主废气管路的废气中存在的氮氧化物。排气系统也包括与主废气管路连通以接收废气并且与由压缩机所接收的气流连通以提供废气的废气再循环管路。
[0017]在又一个实施方式中，用于火花点燃式气体燃料内燃发动机的排气系统被公开，该发动机包括涡轮增压器和压缩机，其中，涡轮增压器具有涡轮机，其与发动机连通以接收废气，而压缩机与发动机连通以提供充入空气。该排气系统包括与涡轮机连通以接收废气的主废气管路。此外，排气系统包括位于主废气管路内的三元催化器，该三元催化器被配置为氧化一氧化碳和甲烷，并且还原流过主废气管路的废气中存在的氮氧化物。排气系统也包括与主废气管路连通以接收废气并且与由压缩机所接收的气流连通以提供废气的废气再循环管路。废气再循环管路位于三元催化器的下游。
[0018]贯穿本说明书对特征、优点的引用或相似的语言并不意味着可以由本公开的主题所实现的所有的特征和优点应该是或是在任意单个实施方式中。相反，涉及特征和优点的语言被理解为是指与实施方式有关的所描述的特定的特征、优点或特性被包括在本公开的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书对特征、优点的讨论和相似语言可能，但不一定，是指相同实施方式。
[0019]本公开的主题所描述的特征、结构、优点、和/或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施方式和/或实现中合并。在下面的描述中，提供大量的特定细节以给予本公开的主题的实施方式的全面的理解。相关技术领域的技术人员将认识到本公开的主题可以在没有特定实施方式或特定实现的一个或多个具体的特征、细节、成分、材料、和/或方法下实践。在其它例子中，可能并不在所有的实施方式或实现中出现的额外的特征和优点可以在某些实施方式和/或实现中认识到。此外，在一些例子中，熟知的结构、材料或操作并不示出或详细描述以避免对本发明的主题的各个方面造成模糊。根据下面的描述和所附加的权利要求，本公开的主题的特征和优点将变得更充分明显、或可以通过下文所阐述的主题的实践被获知。
[0020]附图简述
[0021]为了使本主题的优点可以被更容易的理解，上面所描述的主题的更详细的描述将通过参考附图中所说明的【具体实施方式】表达。应该理解的是，这些图仅描述本主题的典型实施方式，并且因此不被认为是对其范围的限定，本主题将通过使用附图对附加的特征和细节进行描述和解释，其中: