包括涡轮增压器的排气添加剂配给系统

技术领域

本发明涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压器。本发明还涉及一种用于内燃发动机的排气系统的排气添加剂配给系统，所述排气添加剂配给系统包括此类涡轮增压器。本公开还涉及一种包括此类涡轮增压器或排气添加剂配给系统的运载工具。

背景技术

机动运载工具的排放标准变得越来越严格。这些标准通常规定了许多排气尾管污染物的最大排放水平，包括一氧化碳(CO)、烃(HC)、氮氧化物(NO

选择性催化还原(SCR)是一种减少排气尾管氮氧化物(NO

希望能够仅使用SCR从排气流中去除基本上所有的NO

SCR的另一个困难是需要有效混合以便在多个SCR催化剂基体的整个表面区域上实现还原剂的均匀分布。可用于混合的空间是极其有限的，并且还原剂通常在SCR催化剂基体的上游很短的时间内被喷射到排气流中。为了改善混合，在排气管中布置混合装置，该混合装置通常类似于涡轮叶片。然而，即使使用混合装置，也难以实现充分均匀的混合。此外，排气管中混合装置的存在充当流动的障碍物，导致混合器上游的较高压力(背压)并降低发动机效率。

这些问题可以通过在排气系统中更上游提供还原剂的喷射来解决，例如与布置在排气系统中的涡轮增压器涡轮结合。

文献WO 2018/080371公开了一种用于涡轮增压器涡轮的排气添加剂配给系统。在涡轮增压器涡轮的轴或毂上设置分配装置。计量装置被布置成将排气添加剂供应到分配装置中。由于分配装置位于由涡轮产生的尾流中，因此排气添加剂容易地被配给到分配装置，而不需要克服存在于更靠近涡轮的出口壁处的高排气流动速度。配给到分配装置的排气添加剂通过利用旋转涡轮的离心力而分散在排气流中。

仍然需要一种改进的向排气流中添加还原剂的手段。

发明内容

本发明的发明人已经认识到关于在涡轮增压器涡轮的出口处配给还原剂的现有技术解决方案的许多缺点。尿素和来自尿素的副产物对涡轮壳体的材料是腐蚀性的，尤其是在运行过程中占主导的高温下。扩散器锥形件在涡轮壳体的出口中的布置可以有助于防止所配给的尿素与涡轮壳体之间的接触。然而，为了提供具有通向涡轮出口的通路的计量装置的配给管，必须在扩散器中提供孔。这产生了尿素进入涡轮壳体的泄漏路径。由于涡轮壳体中占主导的热条件，以及出于可制造性和组装容易性的原因，在配给管与扩散器之间提供有效的密封以便防止泄漏是非常困难的。

实现克服或至少减轻至少一些上述缺点的手段将是有利的。特别地，希望能够实现一种在涡轮增压器的出口配给尿素时降低尿素泄漏到涡轮壳体中的风险的配给系统。为了更好地解决这些关注点中的一个或多个，提供了具有在独立权利要求中限定的特征的涡轮增压器、排气添加剂配给系统和运载工具。

涡轮增压器包括涡轮。该涡轮包括涡轮壳体和扩散器。涡轮壳体包括排气出口容积，并且扩散器布置在该容积中。壳体孔口和扩散器孔口分别被布置成穿过涡轮壳体和扩散器中的每一者，并且相互对齐以提供通向排气出口容积中的开口。

涡轮增压器还包括衬套。衬套布置在壳体孔口内，朝向扩散器孔口延伸，并且终止于与扩散器孔口相关联的第一端部。衬套的第一端部的内径大于或等于扩散器孔口的直径。

通过在扩散器孔口和壳体孔口之间提供适当尺寸的衬套，确保了通过扩散器孔口泄漏的任何还原剂将被收集在衬套内，在衬套内还原剂可以在适当的时候蒸发。这种布置防止腐蚀性还原剂和涡轮壳体之间的接触。

扩散器可包括孔口套环，该孔口套环被布置成部分地或完全地环绕扩散器孔口，并且被布置成与衬套的外壁对接。这有助于扩散器与衬套之间的密封，并且有助于在涡轮增压器的组装过程中正确地定位衬套和扩散器。孔口套环可以被布置成用于在扩散器与衬套的第一端部之间提供迷宫式密封。孔口套环因此可在扩散器与衬套之间提供充分的密封，从而减少或消除对单独的密封元件的任何需要。

密封元件可被布置成在扩散器与衬套的第一端部之间提供密封。密封元件可以有助于在扩散器和衬套之间提供改善的密封，尤其是当衬套以不垂直于扩散器的壁的角度布置在扩散器孔口的位置处时。密封元件可适于在扩散器与衬套之间提供迷宫式密封。这种密封即使在涡轮增压器涡轮中占主导的高温下也能有效地实施。密封元件可以是垫圈。

涡轮增压器还可包括布置在涡轮的轴、毂或转子上的分配装置。这种分配装置有助于还原剂在排气系统中的有效分配。分配装置可与涡轮增压器涡轮的轴、毂或转子一体地制造。

衬套可以由不锈钢制造。这防止了由于与还原剂接触而引起的腐蚀。涡轮壳体可由铸铁制造。因此，可以使用具有适当的热、机械和制造特性的壳体材料，而不会过度关注材料的抗腐蚀特性。

衬套可以包括布置在衬套的第二端部处的衬套凸缘，第二端部被布置成与衬套的第一端部相对。这种凸缘可提供与涡轮壳体和插入在衬套内的配给管两者的合适的接口。衬套凸缘可适于在第一面处与涡轮壳体对接，使得防止衬套进一步移位到排气出口容积中。这有助于涡轮增压器的组装并且降低了衬套不正确插入的风险。

根据本发明的另一方面，本发明的目的通过根据所附权利要求的排气添加剂配给系统来实现。

排气添加剂配给系统包括如本文所限定的涡轮增压器和排气添加剂计量装置(26)。排气添加剂计量装置包括被布置成将排气添加剂供应到涡轮增压器的排气出口容积的配给管。所述配给管包括被布置成与所述衬套的表面可密封地相互作用的表面。以这种方式，配给管和衬套一起限定用于收集泄漏的还原剂的容器。

配给管可以包括管凸缘，所述管凸缘被布置成与所述衬套凸缘的第二面可密封地相互作用，其中所述第二面被布置成与所述衬套凸缘的所述第一面相对。这提供了一种在衬套和配给管之间提供密封接口的简单手段。

排气添加剂配给系统可以包括布置在涡轮的轴、毂或转子上的分配装置。排气添加剂计量装置可被布置成将排气添加剂供应到排气添加剂分配装置。计量装置和分配装置的这种组合提供了还原剂在排气流中的特别简单和有效的分配。

根据本发明的另一方面，本发明的目的通过包括如本文所限定的涡轮增压器或排气添加剂配给系统的运载工具来实现。

从以下详细描述，本发明的其他目的、优点和新颖特征对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其其他目的和优点，下文阐述的详细描述应与附图一起阅读，在附图中，相同的附图标记在各图中表示相似的项目，并且在附图中：

图1示意性地示出了包括根据本发明的实施方案的排气系统的运载工具。

图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施方案的排气添加剂配给系统。

图3示意性地示出了配给管和孔口之间的接口的放大图。

图4示意性地示出了用于扩散器与衬套之间的密封的替代示例性实施方案；

图5示意性地示出了用于在扩散器和衬套之间进行密封的另一示例性实施方案。

具体实施方式

本发明的添加剂配给系统位于内燃发动机的排气系统中。内燃发动机可以是任何内燃发动机，但优选地是四冲程内燃发动机，甚至更优选地是压缩点火四冲程内燃发动机。所述发动机可以用于内燃发动机通常已知的任何应用中。例如，它可以作为独立式发动机零售，以用于例如发电或工业环境。然而，优选应用于运载工具中。运载工具是指利用内燃发动机来直接或间接地提供动力的任何机器，如在串联混合动力运载工具的情况下。这包括但不限于机动运载工具，例如轿车、卡车和公共汽车；有轨运载工具，例如火车和有轨电车；船只，例如轮船和舟艇；以及飞行器。根据ISO 22241的标准AUS 32，排气添加剂优选是还原剂，甚至更优选是包含尿素水溶液的柴油机排气处理液。然而，排气添加剂也可以是添加到排气流中的另一种液体添加剂，例如碳氢化合物燃料，以“烧掉”布置在排气系统下游的柴油颗粒过滤器。然而，自此以后，排气添加剂将被简单地称为“还原剂”。

排气系统配备有涡轮增压器，用于从排气中回收能量。涡轮增压器包括容纳在涡轮壳体中的涡轮转子。轴将涡轮转子连接到压缩机的叶轮，以压缩内燃发动机的增压空气。该轴可以横穿涡轮转子，在这种情况下，涡轮轴的端部在涡轮转子的出口侧处向外延伸，或者轴可以终止于涡轮内的涡轮转子的毂处。

还原剂计量系统与涡轮增压器涡轮相关联地定位。该配给系统包括计量装置，并且优选地包括分配装置。计量装置被布置成将还原剂输送到涡轮的排气出口容积，其中还原剂然后可以分布在离开涡轮的排气中。优选地，这与分配装置结合进行，以便于还原剂的分配，但是计量装置可以在没有分配装置的情况下使用，或者与用于改善排气流中还原剂的分配的替代装置例如混合器一起使用。

如果使用分配装置，则该分配装置可在轴或毂的出口侧与轴同轴地安装在涡轮增压器的轴或毂上。这意味着分配装置与涡轮增压器轴和涡轮一致地围绕共同的旋转轴线旋转。优选地，分配装置形成轴、毂或转子的整体部分。如果涡轮增压器配备有分配装置，则计量装置与分配装置结合布置。其配给出口居中地布置在分配装置上方或分配装置内，用于将还原剂沉积到分配装置。

通向配给出口的计量装置的配给管在涡轮转子下游的适当位置处横穿涡轮壳体的壁。还原剂和/或其副产物对涡轮壳体的材料具有高度腐蚀性，该材料通常为铸铁。为了避免还原剂与涡轮壳体之间的接触，涡轮配备有布置在涡轮的排气出口容积中的扩散器。

扩散器可用于许多目的。首先，它提供物理屏障以防止添加到排气出口容积的还原剂与涡轮壳体接触。为此，优选的是扩散器由耐腐蚀材料例如不锈钢制造。扩散器还可用于通过在排气离开涡轮时为排气提供从动态压力到静态压力的平滑过渡来提高涡轮的效率，如在现有技术的涡轮扩散器的情况下。扩散器还可用作蒸发装置，用于使还原剂液滴从分配装置沉积在扩散器的表面上。可以以多种方式优化扩散器作为蒸发装置的功能。例如，扩散器可以被处理以优化还原剂液滴与扩散器表面的接触角，和/或可以被处理以优化对任何沉积的还原剂液滴的热传递。

然而，为了提供通向排气出口容积的、并且特别是通向轴向地安装在涡轮中的分配装置的配给管，如果使用这种分配装置，则要求该配给管不仅穿过涡轮壳体而且穿过扩散器。因此，在涡轮壳体(即，壳体孔口)和扩散器(即，扩散器孔口)中的每一个中需要一个孔口或通孔以允许进入该配给管。壳体孔口和扩散器孔口应该相互对齐并且具有适当的尺寸以允许插入配给管。由于制造和组装的要求以及所用材料的热性能，在配给管和扩散器之间提供足够的密封是极其困难的。因此，该配给管所穿过的扩散器中的孔口为还原剂或其副产物提供了一个泄漏路径以便与该涡轮壳体相接触。

本发明基于发明人的理解，在配给管和扩散器管口之间不必提供密封。相反，通过扩散器孔口的泄漏被限制在一个耐腐蚀的容积内就足够了，在该容积内泄漏不会与涡轮壳体接触。

这种解决方案是通过提供带有衬套或套管的壳体孔口来实现的，该衬套或套管延伸穿过壳体孔口并终止于与扩散器孔口相关的端部。“与......相关联”例如是指通过另一部件与扩散器孔口邻接、紧密靠近或形成密封接口。衬套由耐腐蚀材料例如不锈钢制造。在与扩散器孔口相关联的衬套的端部处，扩散器可设置有密封件，该密封件足以确保还原剂不会逸出到扩散器与壳体之间的容积中。这主要是通过确保衬套的内径优选大于扩散器孔口的直径，或者至少不小于扩散器孔口的直径，并且确保在衬套和扩散器之间几乎没有或没有间隙来实现。例如，与扩散器孔相关的衬套的端部可以部分地或完全地邻接扩散器。然而，如果需要，可以提供进一步的密封。通过使用诸如垫圈或衬垫的密封元件可以实现进一步的密封。因为扩散器通常是截头圆锥形的，所以垂直于涡轮的中心轴线布置并且在一个点处邻接扩散器的一个圆柱形衬套将在扩散器与衬套之间在与邻接点直径上相对的点处具有一个小的间隙。可使用密封元件来桥接并密封此间隙，例如通过在扩散器与衬套之间形成迷宫式密封。或者，通过偏移衬套的角度使得其垂直于扩散器壁，可避免此间隙。替代地或另外，可通过在扩散器被布置成与衬套介接的侧上为扩散器配备部分或完全围绕扩散器孔延伸的套环来实现进一步密封。这种套环提供与衬套的密封接口，且辅助衬套相对于扩散器的正确定位。套环可以被布置成在衬套与扩散器之间提供迷宫式密封，从而在一些情况下消除对单独的密封元件的需要。

衬套的不与扩散器接触的端部可被布置成与配给管可密封地相互作用，即，直接地或经由诸如垫圈或密封元件的中间部件与配给管形成密封。这可以通过为衬套和配给管提供在组装时邻接的凸缘来适当地执行。衬套的凸缘还帮助衬套在壳体中的精确定位，并且防止过度延伸到排气出口容积中。

当组装时，配给管和衬套一起形成能够收集通过扩散器孔口泄漏的任何还原剂的腔室。因为该室通向排气出口容积，所以占主导的温度基本上与排气出口容积中的占主导的温度相同。这意味着收集在腔室中的任何还原剂将被迅速蒸发并与排气一起向前输送到排气后处理系统。

还原剂计量系统的还原剂计量装置可以是仅液体装置，或者称为无空气喷射器。这意味着计量装置不使用压缩空气来促进还原剂到排气管道中的喷射。由于压缩机需要能量来运行，因此与空气辅助系统相比，这代表了能量节约。此外，一些应用，例如船舶应用，不一定具有现成的压缩空气源来处理，因此可以避免使用额外的、昂贵的部件。然而，还原剂计量系统的还原剂计量装置可以替代地是空气辅助装置，即利用压缩空气来促进还原剂的喷射的装置。计量装置可以是还原剂计量系统的部件。还原剂计量系统的其它部件可包括还原剂储罐、控制单元和加压装置如泵。

加压还原剂通过供应通道供应到计量装置。计量装置包括用于将所需量的还原剂配给到排气系统的可控计量阀。在通过计量阀之后，还原剂沿着配给管被输送到计量出口，由此还原剂被沉积在分配装置上。如前所述，计量装置可以是仅液体的，即无空气的。与典型的无空气喷射器不同，计量装置具有沿还原剂剂量流动的方向布置在计量阀之后的一定长度的配给管。这意味着计量阀可远离排气系统定位，并因此不暴露于排气系统的高温，从而潜在地增加了喷射器的使用寿命并减少了对冷却系统的需要。因为还原剂优选地在涡轮的尾流中配给，所以需要较低的还原剂压力。如果使用分配装置，则是分配装置而不是计量装置的配给出口将还原剂分散在排气流中。这意味着需要较少的动能来供应到还原剂，并且可以使用较低的还原剂压力。因此，在计量系统中可以使用更简单、更坚固的结构的泵。

由于计量装置的配给出口不需要由还原剂形成气溶胶，因此与现有技术的喷嘴头相比，其可以包括更少、更大的孔口。例如，它可以包括一个或多个孔口。这降低了孔口被例如尿素沉积物堵塞的风险。配给出口可具有与分配装置的接收表面形成配合表面的表面，以便防止还原剂泄漏并帮助还原剂沉积到分配装置的接收表面。

还原剂分配装置包括接收表面和至少一个分配表面。分配装置可以是涡轮增压器涡轮轴或毂的整体部分，即与涡轮轴、毂或转子一体地制造。替代地，还原剂分配装置可以包括紧固表面，还原剂分配装置可以通过该紧固表面使用本领域已知的任何手段固定地附接到涡轮轴、毂或转子。这种紧固手段例如公开在WO 2018/080371中，其通过引用并入本文。分配装置可由任何合适的材料构成，例如钢或铝。

接收表面和分配表面与计量装置一起布置，以避免任何还原剂与涡轮叶片特别是涡轮轴承接触。

分配装置可以成形为杯状，例如钟形杯或锥形杯，并且用作旋转杯雾化器。在这种情况下，计量装置的配给出口可以居中地布置在杯内。还原剂沉积在杯的底部或下侧壁上。杯的旋转运动与杯壁的角度相结合，使得还原剂从杯的基部被向上和向外朝向杯的外缘推动，杯的外缘用作分配表面并将还原剂分散到排气流中。

可以考虑形成分配装置的其它装置和在分配装置和计量装置之间的相互作用的手段。这种方法公开于WO 2018/080371中，其通过引用并入本文。

止动装置可位于涡轮壳体中。这种止动装置防止涡轮在故障的情况下脱离涡轮壳体或拆卸涡轮轴，并且可以基本上邻接分配装置。如果存在这种止动装置，计量装置的配给管可以穿过或整合在止动装置的主体中，或者可以构成止动装置。

布置在涡轮壳体中的排气门出口可以将绕过涡轮的热排气供应至扩散器的外表面，即，内表面的相对侧。通过沿着扩散器的外表面引导热的排气门排气，扩散器的还原剂蒸发功能甚至被进一步增强。扩散器可部分地或完全地与涡轮壳体整合。

现在将参考某些示例性实施方案和附图更详细地描述本发明。然而，本发明不限于本文讨论的和/或附图中所示的示例性实施例，而是可以在所附权利要求的范围内变化。此外，不应认为附图是按比例绘制的，因为一些特征可能被夸大以更清楚地示出某些特征。

图1示意性地示出了根据本发明的实施方案的运载工具1的侧视图。运载工具1包括内燃发动机2、通向涡轮增压器5的第一排气管道4和从涡轮增压器5通向SCR催化剂10的第二排气管道。还原剂计量装置26与涡轮增压器5结合布置。运载工具1可以是重型运载工具，例如卡车或公共汽车。运载工具1可以替代地是客车。运载工具可以是除了内燃发动机2之外还包括电机(未示出)的混合动力运载工具。

图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施方案的排气添加剂配给系统。

涡轮增压器的涡轮6以截面示出，涡轮6包括涡轮壳体12。涡轮壳体12包括排气入口14和排气出口容积16。涡轮转子18位于涡轮壳体12中，该涡轮转子被布置成绕涡轮轴20上旋转。密封构件22防止润滑剂从涡轮轴承(未示出)泄漏，以及防止排气泄漏。还原剂分配装置24布置在轴18的出口端上，与转子18一体地制造。还原剂计量装置26布置在涡轮6的排气出口容积16中。还原剂计量装置26包括供应通道28、计量阀30和配给管32。

在操作中，每当排气通过涡轮6时，分配装置24与涡轮转子18和轴20一致地旋转。还原剂例如尿素溶液在从计量装置26沉积到分配装置24时，通过分配装置24的旋转运动而分散在穿过涡轮6的排气中。

扩散器60布置在排气出口容积16中，以防止腐蚀性还原剂与涡轮壳体12的壁接触。为了能够向分配装置24提供还原剂，配给管32的出口必须与分配装置结合布置。这是通过在扩散器60和涡轮壳体12二者中提供孔口来实现的，配给管32可以穿过该孔口。

图3提供了配给管32横穿扩散器60和涡轮壳体12的区域的放大示意图。可以看出，在扩散器60中设置孔口61，并且在涡轮壳体12的壁中设置另一个孔口11，以便配给管32可以通向排气出口容积16。这种布置需要密封，以便防止还原剂通过扩散器孔口61泄漏并与涡轮壳体12接触。然而，由于许多原因，在配给管32和扩散器60之间提供密封是困难的。这个问题通过用衬套63给壳体开口11加衬套来解决。衬套63在第一端部63a处延伸到扩散器60以提供与扩散器60的可密封接口。衬套63的内径大于扩散器孔口61的直径，使得通过孔口61的任何还原剂都被收集在衬套63内。衬套63与扩散器60之间的接口可进一步密封以避免泄漏。在所示的示例性实施方案中，借助于密封元件67实现了更完全的密封，但是也可以设想其它手段。套管63的第二端部63b被布置成提供与配给管32的可密封接口。在所示的示例性实施方案中，这通过在第二端部63b处为衬套63提供衬套凸缘65，并且为配给管32提供管凸缘33来实现。管凸缘33和衬套凸缘65一起形成密封，防止衬套63的内容物泄漏。衬套凸缘65还帮助衬套63正确地插入排气出口容积16内。使用这种布置，任何通过孔口61泄漏的还原剂将被收集在由衬套63和管凸缘33限定的容积中。因此，泄漏的还原剂不能与涡轮壳体12接触。此外，由于该容积通向排气出口容积16，因此收集在该容积中的任何还原剂将迅速蒸发并与排气一起输送到排气后处理系统的下游部件。

图4示意性地示出了扩散器60和衬套63之间的密封的替代手段。扩散器60装备有一孔口套环69，该孔口套环可有助于扩散器60和衬套63之间在第一端部63a处的密封。孔口套环69可部分地围绕衬套63的端部延伸，如图所示，或者完全围绕衬套63的端部延伸。如果孔口套环仅部分地围绕衬套63延伸，则其可与如图所示的密封元件67结合使用，以在衬套63与扩散器60之间获得改善的密封。

图5示意性地示出了不包括密封元件的示例性实施方案。孔口套环69完全围绕衬套63的第一端部63a延伸，并且被布置成在衬套63与扩散器60之间提供迷宫式密封。