用于火花點(diǎn)燃式氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及火花點(diǎn)燃式氣體燃料內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更特別涉及使用這種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)來控制廢氣排放物和功率密度。
[0002]背景
[0003]近年來，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物法規(guī)已經(jīng)變得越來越嚴(yán)格。環(huán)境問題的擔(dān)憂已經(jīng)促使全世界許多國(guó)家對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施更嚴(yán)格的排放物要求。政府機(jī)構(gòu)，諸如，美國(guó)的環(huán)境保護(hù)局(EPA)，認(rèn)真監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物質(zhì)量和設(shè)置所有發(fā)動(dòng)機(jī)必須遵從的、可接受的排放物標(biāo)準(zhǔn)。通常，排放物要求根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的種類而變化。對(duì)火花點(diǎn)燃式汽油(例如，非氣體)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物的測(cè)試通常監(jiān)控一氧化碳、氮氧化物(NOx)和未燃的碳?xì)浠衔?UHC)的釋放。廢氣后處理系統(tǒng)中所實(shí)施的催化轉(zhuǎn)化器(例如，氧化催化器)已經(jīng)被用于消除存在于汽油提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的廢氣中的許多所規(guī)定的污染物質(zhì)。例如，一些熟知的三元催化器(three-way catalyst)包括針對(duì)專門氧化一氧化碳和未燃燒的碳?xì)浠衔?、以及還原氮氧化物所認(rèn)真選擇的催化材料的配方以使廢氣中存在較少有害成分。傳統(tǒng)的三元催化器被設(shè)計(jì)為更有效地氧化或還原運(yùn)行在高于化學(xué)當(dāng)量的空氣燃料比(例如，富空氣燃料比條件)的發(fā)動(dòng)機(jī)的這類污染物質(zhì)。
[0004]近來，至少部分由于高原油價(jià)格、環(huán)境方面的擔(dān)憂和未來燃料供應(yīng)，許多內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師已經(jīng)尋求至少部分地替換原油化石燃料(例如，汽油和柴油)，用所謂的代用燃料給內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。所期望的是，通過用代用燃料替換化石燃料、或減少化石燃料的使用，來降低給內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)加注燃料的成本、來減少對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)、和/或增加未來燃料的供應(yīng)。熟知的代用燃料包括氣體燃料或氣體碳?xì)浠衔锶剂?，諸如，天然氣、石油氣體(丙烷)和氫氣。由火花點(diǎn)燃式氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的廢氣中存在的燃燒副產(chǎn)品類似于由火花點(diǎn)燃式非氣體燃料提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的廢氣中存在的燃燒副產(chǎn)品。因此，傳統(tǒng)的氣體所提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)利用在非氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中所發(fā)現(xiàn)的相同的催化劑來氧化由氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的所規(guī)定的污染物質(zhì)。
[0005]然而，氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)也產(chǎn)生相當(dāng)大量的帶有目前未規(guī)定的污染物質(zhì)(諸如，甲烷)的廢氣。傳統(tǒng)意義上，氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)是在富空氣燃料比處(例如，比化學(xué)當(dāng)量更高)操作以便減少?gòu)U氣中的氧氣濃度，并且因此減少一氧化碳和氮氧化物的形成。在這種富空氣燃料比的條件下的操作，最終產(chǎn)生非常高水平的未燃碳?xì)浠衔?例如，甲烷)。傳統(tǒng)的氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不包括能夠氧化甲烷的氧化催化劑。因此，氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)允許大量甲烷逃逸到大氣中。
[0006]此外，在化學(xué)當(dāng)量或更高的空氣燃料比的條件下操作氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)處于相對(duì)低的制動(dòng)熱效率。此外，在這樣的空氣燃料比下的操作引起高的燃燒溫度，這導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)中的高部件溫度，并且需要減少輸出功率以避免部件失效。然而，鑒于著眼于滿足廢氣排放法規(guī)的強(qiáng)制要求，傳統(tǒng)的氣體提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)為以犧牲熱效率和功率密度來滿足廢氣排放法規(guī)。
[0007]此外，如發(fā)明者所認(rèn)識(shí)到的，一些使用廢氣再循環(huán)(EGR)策略的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常遭受空氣和充氣進(jìn)氣管路內(nèi)的有害冷凝物的形成。例如，循環(huán)廢氣中的特定排放物(例如，CO、C02、NOx和UHC)的存在可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣回路的冷凝物中的侵蝕性酸的形成，因此應(yīng)該將進(jìn)氣系統(tǒng)中任何位置的溫度控制到處于露點(diǎn)以下。CO和C02可以導(dǎo)致在進(jìn)氣系統(tǒng)中形成碳酸，并且NOx可以導(dǎo)致冷凝物內(nèi)的硝酸的形成。這兩種酸中，硝酸是更有侵蝕性的，并且更可能不利地影響進(jìn)氣系統(tǒng)部件的使用壽命。
[0008]概要
[0009]已經(jīng)對(duì)本申請(qǐng)的主題進(jìn)行了開發(fā)以響應(yīng)目前技術(shù)發(fā)展水平，并且尤其是，響應(yīng)還未由當(dāng)前可用的氣體提供動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)完全解決的技術(shù)中的問題和需要。因此，本申請(qǐng)的主題已經(jīng)開發(fā)以提供氣體提供動(dòng)力的排氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有后處理催化器(例如，可能能夠氧化甲烷的三元催化器)和用于克服現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的至少一些缺點(diǎn)的廢氣再循環(huán)策略。
[0010]例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括由氣體燃料提供動(dòng)力的火花點(diǎn)燃式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)還包括與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)連通以提供空氣的進(jìn)氣口。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)還包括與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)連通以接收廢氣的排氣系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)包括后處理催化器(例如，甲烷氧化催化器)和廢氣再循環(huán)管路，其中至少一部分廢氣流經(jīng)后處理催化器，而廢氣再循環(huán)管路與進(jìn)氣口連通以提供廢氣。氣體燃料可以基本上完全是天然氣。
[0011]在一些實(shí)現(xiàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括具有渦輪機(jī)的渦輪增壓器，該渦輪機(jī)與壓縮機(jī)共旋耦合。渦輪機(jī)與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)連通以接收廢氣，并且與甲烷氧化催化器連通以提供廢氣。壓縮機(jī)與進(jìn)氣口連通以接收空氣，并且與發(fā)動(dòng)機(jī)連通以提供充入空氣。
[0012]根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特定實(shí)現(xiàn)，廢氣再循環(huán)管路位于后處理催化器的上游和渦輪機(jī)的下游。在這樣的實(shí)現(xiàn)中，排氣系統(tǒng)還包括位于廢氣再循環(huán)管路中的輔助后處理催化器(例如，能夠還原氮氧化物的催化器)。廢氣再循環(huán)管路可以是第一廢氣再循環(huán)管路，并且排氣系統(tǒng)還可以包括與第一廢氣再循環(huán)管路廢氣連通以提供廢氣的第二廢氣再循環(huán)管路。第二廢氣再循環(huán)管路可以位于渦輪機(jī)的上游。輔助催化器可以位于第二廢氣再循環(huán)管路內(nèi)。排氣系統(tǒng)還可以包括泵，其與第一和第二廢氣再循環(huán)管路連通以接收廢氣，并且與進(jìn)氣口連通以提供廢氣。在一些實(shí)現(xiàn)中，輔助后處理催化器可以位于泵的下游。
[0013]在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的又一些實(shí)現(xiàn)中，廢氣再循環(huán)管路位于后處理催化器的下游。廢氣再循環(huán)管路可以是第一廢氣再循環(huán)管路，并且排氣系統(tǒng)還可包括與第一廢氣再循環(huán)管路連通以提供廢氣的第二廢氣再循環(huán)管路。第二廢氣再循環(huán)管路位于渦輪機(jī)的上游。輔助后處理催化器可以位于第二廢氣再循環(huán)管路內(nèi)。在一些例子中，排氣系統(tǒng)包括泵，其與第一和第二廢氣再循環(huán)管路連通以接收廢氣，并且與進(jìn)氣口連通以提供廢氣。在這樣的例子中，輔助后處理催化器可以位于泵的下游。
[0014]根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一定的實(shí)現(xiàn)，排氣系統(tǒng)還包括位于后處理催化器上游和廢氣再循環(huán)管路下游的廢氣節(jié)流閥。在又一個(gè)其它實(shí)現(xiàn)中，排氣系統(tǒng)還包括位于后處理催化器下游的被動(dòng)廢氣孔(passive exhaust orifice)，并且進(jìn)氣口包括進(jìn)氣節(jié)流閥。
[0015]在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一些實(shí)現(xiàn)中，排氣系統(tǒng)還包括至少一個(gè)輔助后處理催化器(例如，能夠氧化一氧化碳的催化器和能夠還原氮氧化物的催化器)，至少一部分廢氣流經(jīng)輔助后處理催化器。
[0016]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，用于火花點(diǎn)燃式氣體燃料內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)被公開。發(fā)動(dòng)機(jī)包括帶有渦輪機(jī)的渦輪增壓器，和壓縮機(jī)，其中，渦輪機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連通以接收廢氣，而壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連通以提供充入空氣。排氣系統(tǒng)包括與渦輪機(jī)連通以接收廢氣的主廢氣管路。此外，排氣系統(tǒng)包括位于主廢氣管路中的三元催化器。三元催化器被配置為氧化一氧化碳和甲烷，并且還原流過主廢氣管路的廢氣中存在的氮氧化物。排氣系統(tǒng)也包括與主廢氣管路連通以接收廢氣并且與由壓縮機(jī)所接收的氣流連通以提供廢氣的廢氣再循環(huán)管路。
[0017]在又一個(gè)實(shí)施方式中，用于火花點(diǎn)燃式氣體燃料內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)被公開，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪增壓器和壓縮機(jī)，其中，渦輪增壓器具有渦輪機(jī)，其與發(fā)動(dòng)機(jī)連通以接收廢氣，而壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連通以提供充入空氣。該排氣系統(tǒng)包括與渦輪機(jī)連通以接收廢氣的主廢氣管路。此外，排氣系統(tǒng)包括位于主廢氣管路內(nèi)的三元催化器，該三元催化器被配置為氧化一氧化碳和甲烷，并且還原流過主廢氣管路的廢氣中存在的氮氧化物。排氣系統(tǒng)也包括與主廢氣管路連通以接收廢氣并且與由壓縮機(jī)所接收的氣流連通以提供廢氣的廢氣再循環(huán)管路。廢氣再循環(huán)管路位于三元催化器的下游。
[0018]貫穿本說明書對(duì)特征、優(yōu)點(diǎn)的引用或相似的語言并不意味著可以由本公開的主題所實(shí)現(xiàn)的所有的特征和優(yōu)點(diǎn)應(yīng)該是或是在任意單個(gè)實(shí)施方式中。相反，涉及特征和優(yōu)點(diǎn)的語言被理解為是指與實(shí)施方式有關(guān)的所描述的特定的特征、優(yōu)點(diǎn)或特性被包括在本公開的至少一個(gè)實(shí)施方式中。因此，貫穿本說明書對(duì)特征、優(yōu)點(diǎn)的討論和相似語言可能，但不一定，是指相同實(shí)施方式。
[0019]本公開的主題所描述的特征、結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)、和/或特性可以以任何合適的方式在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式和/或?qū)崿F(xiàn)中合并。在下面的描述中，提供大量的特定細(xì)節(jié)以給予本公開的主題的實(shí)施方式的全面的理解。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本公開的主題可以在沒有特定實(shí)施方式或特定實(shí)現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)具體的特征、細(xì)節(jié)、成分、材料、和/或方法下實(shí)踐。在其它例子中，可能并不在所有的實(shí)施方式或?qū)崿F(xiàn)中出現(xiàn)的額外的特征和優(yōu)點(diǎn)可以在某些實(shí)施方式和/或?qū)崿F(xiàn)中認(rèn)識(shí)到。此外，在一些例子中，熟知的結(jié)構(gòu)、材料或操作并不示出或詳細(xì)描述以避免對(duì)本發(fā)明的主題的各個(gè)方面造成模糊。根據(jù)下面的描述和所附加的權(quán)利要求，本公開的主題的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更充分明顯、或可以通過下文所闡述的主題的實(shí)踐被獲知。
[0020]附圖簡(jiǎn)述
[0021]為了使本主題的優(yōu)點(diǎn)可以被更容易的理解，上面所描述的主題的更詳細(xì)的描述將通過參考附圖中所說明的【具體實(shí)施方式】表達(dá)。應(yīng)該理解的是，這些圖僅描述本主題的典型實(shí)施方式，并且因此不被認(rèn)為是對(duì)其范圍的限定，本主題將通過使用附圖對(duì)附加的特征和細(xì)節(jié)進(jìn)行描述和解釋，其中: