[发明专利]用于火花点燃式气体燃料发动机的排气系统

说明书

技术领域

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。

背景技术

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。

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、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。

发明内容

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。