用于火花点燃式气体燃料发动机的排气系统技术方案

内燃发动机系统(200)包括由气体燃料提供动力的火花点燃式内燃发动机(210)。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(232)。此外，发动机系统包括与内燃发动机连通以接收废气的排气系统(220)。排气系统包括甲烷氧化催化器(270)和废气再循环管路(224)，其中至少部分废气流过甲烷氧化催化器，废气再循环管路与进气口连通以提供废气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于火花点燃式气体燃料发动机的排气系统
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。
技术介绍
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-waycatalyst)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。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。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。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。此外，如专利技术者所认识到的，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、CO2、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CO2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。
技术实现思路
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。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。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。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。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。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(passiveexhaustorifice)，并且进气口包括进气节流阀。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。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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内燃发动机系统，包括：火花点燃式内燃发动机，所述火花点燃式内燃发动机由气体燃料提供动力；进气口，所述进气口与所述内燃发动机连通以提供空气；以及排气系统，所述排气系统与所述内燃发动机连通以接收废气，所述排气系统包括甲烷氧化催化器和废气再循环管路，其中，至少一部分废气流过所述甲烷氧化催化器，且所述废气再循环管路与所述进气口连通以提供废气。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.09.13 US 13/614,0841.一种内燃发动机系统，包括：火花点燃式内燃发动机，所述火花点燃式内燃发动机由气体燃料提供动力；进气口，所述进气口与所述内燃发动机连通以提供空气；排气系统，所述排气系统与所述内燃发动机连通以接收废气，所述排气系统包括：甲烷氧化催化器，至少一部分废气流过所述甲烷氧化催化器，第一废气再循环管路，所述第一废气再循环管路与所述进气口连通以提供废气，第二废气再循环管路，所述第二废气再循环管路与所述第一废气再循环管路连通以提供废气，和氮氧化物还原催化器，所述氮氧化物还原催化器位于所述第二废气再循环管路下游的所述第一废气再循环管路内；以及涡轮增压器，所述涡轮增压器具有与压缩机共旋耦合的涡轮机，所述涡轮机与所述内燃发动机连通以接收废气并且与所述甲烷氧化催化器连通以提供废气，并且所述压缩机与所述进气口连通以接收空气并且与所述内燃发动机连通以提供充入空气，其中所述第二废气再循环管路位于所述涡轮机的上游。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一废气再循环管路位于所述甲烷氧化催化器的上游和所述涡轮机的下游。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述排气系统还包括泵，所述泵与所述第一废气再循环管路和所述第二废气再循环管路连通以接收废气，并且与所述进气口连通以提供废气。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述氮氧化物还原催化器是第一氮氧化物还原催化器，并且其中，所述排气系统还包括位于所述泵下游的第二氮氧化物还原催化器。5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述氮氧化物还原催化器是第一氮氧化物还原催化器，并且其...

【专利技术属性】
技术研发人员：利昂·A·莱伯因特，爱德华·J·莱福德派克，丹尼尔·J·莫尔，阿希什·古普塔，阿力克斯·叶泽列茨，尼尔·W·柯里尔，塔马斯·塞勒，托马斯·约努谢尼斯，
申请(专利权)人：康明斯知识产权公司，
类型：发明
国别省市：美国;US