Система подачи добавки к выхлопным газам, включающая устройство распределения добавки к выхлопным газам и устройство дозирования добавки к выхлопным газам
Владельцы патента RU 2745186:
СКАНИА СВ АБ (SE)
Настоящее изобретение относится к системе подачи для турбины (6) турбокомпрессора выхлопной системы двигателя (2) внутреннего сгорания, причем система подачи включает распределительное устройство (24) и дозирующее устройство (26). Распределительное устройство (24) включает приемную поверхность (40, 46, 54) и по меньшей мере одну распределительную поверхность(-ти) (42, 48, 56). Приемная поверхность (40, 46, 54) предназначена для приема добавки к выхлопным газам, подаваемой в распределительное устройство (24). Распределительная поверхность (42, 48, 56) находится в сообщении по текучей среде с приемной поверхностью (40, 46, 54) и выполнена для распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов, проходящем через турбину турбокомпрессора, в результате вращательного движения распределительного устройства (24). Распределительное устройство (24) прочно присоединено к валу (20) или ступице турбины (6) турбокомпрессора. Дозирующее устройство (26) включает подводящий канал (28), дозировочный клапан (30) и дозирующую трубку (32), размещенную ниже по потоку относительно дозировочного клапана (30) по направлению течения дозируемого восстановителя. Дозирующее устройство (26) предназначено для подачи добавки к выхлопным газам на приемную поверхность (40, 46, 54) распределительного устройства (24). Изобретение также относится к распределительному устройству и к дозирующему устройству для применения в такой системе подачи. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству распределения добавки к выхлопным газам для турбины турбокомпрессора выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания. Настоящее изобретение также относится к устройству дозирования добавки к выхлопным газам, вводящему добавку к выхлопным газам в устройство распределения добавки к выхлопным газам. Кроме того, настоящее изобретение относится к системе подачи добавки к выхлопным газам, включающей устройство распределения добавки к выхлопным газам и устройство дозирования добавки к выхлопным газам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нормативы выбросов для автомобилей становятся все более жесткими. Такие нормативы обычно предписывают максимальные уровни выбросов для ряда загрязнителей в выхлопной трубе, включающих монооксид углерода (СО), углеводороды (HC), оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM). Чтобы удовлетворять требованиям современных и возможных будущих нормативов, транспортные средства должны быть оснащены устройствами на основе технологий сокращения выбросов. Такие технологии сокращения выбросов, пригодные для дизельных двигателей, включают рециркуляцию выхлопного газа (EGR), сажевые фильтры, дизельные катализаторы окисления (DOC), и селективное каталитическое восстановление (SCR). Каждая технология имеет свои собственные индивидуальные преимущества и недостатки, и может повышать выделение одного загрязнителя, в то же время снижая выделение еще одного. Например, EGR может сокращать выбросы NOx, но снижать эффективность использования топлива и увеличивать количество твердых частиц. Поэтому некоторые технологии обычно применяются совместно, чтобы удовлетворять нормативам на выбросы.
Селективное каталитическое восстановление (SCR) представляет собой эффективную технологию сокращения выбросов оксидов азота (NOx) из выхлопной трубы. Оно предусматривает добавление восстановителя, такого как аммиак, в поток выхлопных газов транспортного средства. Восстановитель, с помощью катализатора, восстанавливает NOx в потоке выхлопных газов до газообразного азота (N2) и воды. При практическом осуществлении в автомобилях в качестве восстановителя применяется водный раствор мочевины, и этот раствор мочевины разлагается на аммиак и диоксид углерода в горячем потоке выхлопных газов.
Поскольку SCR размещается ниже по потоку относительно двигателя для последующей обработки выхлопных газов, оно не влияет на характеристики сгорания в двигателе таким же образом, как, например, EGR. Поэтому желательно иметь возможность удаления по существу всех NOx из потока выхлопных газов с использованием только SCR, без необходимости в EGR. Однако это выполнимо не без затруднений. Чтобы обеспечивать количества аммиака, необходимые для восстановления по существу всех NOx, в поток выхлопных газов нужно впрыскивать большие количества раствора мочевины. Если поток выхлопных газов является достаточно горячим, раствор будет испаряться, и мочевина будет разлагаться. Точная температура, при которой это происходит, зависит от массового расхода потока впрыскиваемой мочевины: чем больше массовый расход потока, тем более высокой является требуемая температура. При температурах ниже оптимальной раствор мочевины вместо этого может образовывать отложения на поверхностях выпускного трубопровода. Такие отложения могут включать кристаллизованную мочевину, а также побочные продукты разложения мочевины, такие как циануровая кислота. Эти отложения могут быть удалены нагреванием выхлопной системы при температурах, достигающих 400°С, но такие температуры редко достигаются во время нормальной эксплуатации транспортного средства, и поэтому для удаления отложений в выхлопной системе нужно принимать специальные меры.
Дополнительное затруднение с SCR состоит в необходимости эффективного смешения, чтобы достигать равномерного распределения восстановителя по всей площади поверхности многочисленных носителей SCR-катализатора. Пространство, имеющееся для смешения, является чрезвычайно ограниченным, и восстановитель обычно впрыскивается в поток выхлопных газов на небольшом расстоянии выше по потоку относительно носителей SCR-катализатора. Для улучшения смешения в выпускном трубопроводе размещается смесительное устройство, часто похожее на лопатку турбины. Однако, даже когда используется смесительное устройство, трудно достигнуть достаточно однородного смешения. Более того, присутствие смесительного устройства в выпускном трубопроводе действует как препятствие для потока, создавая более высокое давление выше по потоку относительно смесителя (противодавление) и снижая коэффициент полезного действия двигателя.
Эти проблемы могут быть разрешены выполнением впрыскивания восстановителя далее выше по потоку в выхлопной системе, например, в сочетании с турбиной турбокомпрессора, размещенного в выхлопной системе.
Было предпринято несколько попыток использования турбины турбокомпрессора для введения добавок в поток выхлопных газов.
Патентный документ ЕР 1992798 А1 описывает систему для введения углеводородов в корпус подшипника для турбокомпрессора, соседнего с валом турбинного колеса. Канал подает топливо на выпускное отверстие, размещенное между сальником вала турбины и ступицей турбины турбокомпрессора. Топливо, которое выходит из выпускного отверстия между сальником и ступицей, попадая на заднюю поверхность ступицы, нагревается и испаряется, и проходит в воздушный поток, создаваемый лопатками турбины, где оно тщательно смешивается с потоком выхлопных газов.
Патентный документ US 2003/0230072 описывает конструкцию выхлопной системы для двигателя внутреннего сгорания, в которой форсунка для мочевины размещается в корпусе турбины турбокомпрессора для впрыскивания мочевины в корпус турбины. Форсунка конфигурирована так, чтобы минимизировать контакт впрыскиваемой мочевины со сквозным отверстием, через которое проходит вал вращающейся турбины.
Сохраняется потребность в усовершенствованном устройстве для добавления восстановителя в поток выхлопных газов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы настоящего изобретения идентифицировали ряд недостатков в отношении решений согласно прототипу для подачи восстановителя в поток выхлопных газов. Для некоторых решений требуется существенное переоборудование турбокомпрессора, чтобы он имел дополнительные каналы для транспорта добавки. Такие решения являются дорогостоящими в разработке и исполнении, и создают опасность загрязнения подшипников турбины и системы смазки двигателя добавкой, подаваемой в выхлопной газ. Для других решений требуется размещение форсунок внутри корпуса турбины. Температура внутри корпуса турбины является исключительно высокой, и такие высокие температуры, воздействию которых подвергаются форсунки, могут вызывать повреждение материала. Поэтому нужно предусматривать значительное охлаждение для обеспечения того, что раствор восстановителя в форсунке не будет преждевременно подвергаться воздействию высоких температур, которые в противном случае могли бы приводить к разложению и образованию отложений в сопле форсунки. Кроме того, выходящий из турбины поток выхлопных газов имеет высокую скорость и высокую турбулентность, чем подразумевается, что при любых попытках точно направлять впрыскиваемый поток во избежание столкновения с компонентами турбины сделать это будет весьма затруднительно, в особенности, если направление впрыскивания является противоположным направлению течения выхлопных газов, и потребуются предельно высокие давления впрыска.
Поэтому цель настоящего изобретения состоит в создании усовершенствованного устройства для добавления восстановителя в поток выхлопных газов системы выпуска отработавших газов, имеющей турбину турбокомпрессора. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании средства добавления восстановителя, которое является более простым, более надежным и менее склонным к засорению подшипников турбины и систем смазки.
Эти цели достигаются посредством устройства распределения добавки к выхлопным газам для турбины турбокомпрессора выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, согласно пунктам прилагаемой формулы изобретения. Устройство распределения добавки к выхлопным газам включает крепежную поверхность, приемную поверхность и по меньшей мере одну распределительную поверхность(-ти); причем крепежная поверхность находится на первом конце устройства распределения добавки к выхлопным газам и выполнена для прочного присоединения к валу или ступице турбины турбокомпрессора; причем приемная поверхность находится на втором конце устройства распределения добавки к выхлопным газам, противоположном относительно первого конца, и выполнена для приема добавки к выхлопным газам, подаваемой в устройство распределения добавки к выхлопным газам; и причем распределительная поверхность находится в сообщении по текучей среде с приемной поверхностью и выполнена для распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов, проходящем через турбину турбокомпрессора, в результате вращательного движения устройства распределения добавки к выхлопным газам.
Это распределительное устройство используется совместно с описываемым ниже дозирующим устройством, чтобы дозировать добавку к выхлопным газам, такую как восстановитель, в поток выхлопных газов. Распределительное устройство монтируется на валу или ступице турбины турбокомпрессора и вращается синхронно с турбиной. Комбинация распределительного устройства и дозирующего устройства является конструктивно простой, надежной и легко выполнимой с небольшим специализированным согласованием с третьей стороной для доработки исходного от изготовителей турбокомпрессоров оборудования.
Поскольку распределительное устройство устанавливается сразу после турбины, добавка к выхлопным газам легко дозируется в распределительное устройство без необходимости в преодолении высоких скоростей течения выхлопных газов, имеющих место вблизи стенок выходного канала турбины. Добавка к выхлопным газам, подведенная в распределительное устройство, диспергируется в потоке выхлопных газов с использованием центробежной силы вращающейся турбины. Таким образом, не нужно затрачивать энергию на диспергирование добавки с использованием форсунки, как в решениях согласно прототипу. Благодаря большим количествам кинетической энергии, которая сообщается дозируемой добавке к выхлопным газам, высоким температурам на выходном канале турбины и потоку с высокой турбулентностью на выходном канале турбины, получается высокоэффективное испарение и смешение добавки к выхлопным газам, чем подразумевается, что может быть исключено отдельное смесительное устройство ниже по потоку относительно места введения добавки. Поскольку добавка к выхлопным газам вводится после турбины, и дозирующее устройство может быть размещено вплотную к распределительному устройству, резко сокращается опасность попадания добавки к выхлопным газам на компоненты турбины, такие как лопатки ротора или подшипники.
Приемная поверхность и распределительная поверхность могут совместно формировать профилированную лицевую поверхность на втором конце устройства распределения добавки к выхлопным газам. Эта профилированная поверхность может быть использована для регулирования и оптимизации распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов.
Приемная поверхность и распределительная поверхность могут совместно формировать чашу, имеющую отверстие, направленное наружу от устройства распределения добавки к выхлопным газам. Таким образом, распределительное устройство будет действовать как вращающийся чашеобразный атомизатор. Поскольку выпускной канал дозирующего устройства может быть позиционирован внутри чаши, и поскольку геометрическая форма чаши может быть оптимизирована для предотвращения обратного течения с края чаши, это решение дополнительно сокращает риск непреднамеренного осаждения добавки к выхлопным газам на поверхностях турбины.
Устройство распределения добавки к выхлопным газам может включать радиальную стенку, протяженную от первого конца до второго конца устройства распределения добавки к выхлопным газам, причем приемная поверхность представляет собой внутреннюю сторону радиальной стенки, и причем распределительная поверхность представляет собой поверхность отверстия, образованного в радиальной стенке, причем отверстие является протяженным между внутренней поверхностью радиальной стенки и наружной поверхностью радиальной стенки. Такое решение напоминает сопла форсунок современного производства, и тем самым такое распределительное устройство может быть получено наладкой существующих производственных линий. Второй конец распределительного устройства может быть конфигурирован образующим поверхность, сопряженную с устройством дозирования добавки к выхлопным газам, тем самым помогая избежать нежелательной утечки добавки к выхлопным газам.
Крепежная поверхность распределительного устройства может быть оснащена резьбой, фланцем или деформируемым хвостовиком. Таким образом, может предусматриваться ряд средств присоединения распределительного устройства к валу или ступице турбины.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, цели настоящего изобретения достигаются посредством не требующего подачи воздуха устройства дозирования добавки к выхлопным газам согласно пунктам прилагаемой формулы изобретения. Устройство дозирования добавки к выхлопным газам без подачи воздуха включает подводящий канал, дозировочный клапан и дозирующую трубку, причем дозирующая трубка размещается ниже по потоку относительно дозировочного клапана по направлению течения восстановителя, когда производится дозирование. При введении добавки к выхлопным газам после турбины турбокомпрессора может быть использовано более низкое давление впрыска. Более того, поскольку распределительное устройство диспергирует добавку к выхлопным газам в потоке выхлопных газов, дозирующее устройство не должно выполнять это, и поэтому опять же требуются меньшие давления. Поэтому может быть использовано дозирующее устройство без подачи воздуха, и дозирующее устройство имеет длинную трубку после дозировочного клапана для проведения добавки к выхлопным газам до распределительного устройства. Такое решение означает, что дозирующий выпускной канал дозирующего устройства может быть размещен вплотную к распределительному устройству, тем самым сокращая опасность неверного направления впрыскивания и непреднамеренного распыления добавки к выхлопным газам на турбину. Более того, дозировочный клапан может быть размещен в отдалении от потока выхлопных газов, и тем самым не подвергается воздействию высоких температур потока выхлопных газов. Поэтому существует меньшая необходимость в охлаждении дозирующего устройства по сравнению с устройствами согласно прототипу.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, цели изобретения достигаются посредством системы подачи добавки к выхлопным газам для турбины турбокомпрессора в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, согласно пунктам прилагаемой формулы изобретения.
Система подачи добавки к выхлопным газам включает устройство распределения добавки к выхлопным газам и устройство дозирования добавки к выхлопным газам. Устройство распределения добавки к выхлопным газам дозирующей системы включает приемную поверхность, и по меньшей мере одну распределительную поверхность(-ти); причем приемная поверхность предназначена для приема добавки к выхлопным газам, подаваемой в устройство распределения добавки к выхлопным газам; и причем распределительная поверхность находится в сообщении по текучей среде с приемной поверхностью и выполнена для распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов, проходящем через турбину турбокомпрессора, в результате вращательного движения устройства распределения добавки к выхлопным газам. Устройство распределения добавки к выхлопным газам прочно присоединено к валу или ступице турбины турбокомпрессора.
Устройство дозирования добавки к выхлопным газам дозирующей системы включает подводящий канал, дозировочный клапан и дозирующую трубку, размещенную ниже по потоку относительно дозировочного клапана по направлению течения дозируемого восстановителя. Устройство дозирования добавки к выхлопным газам предназначено для подачи добавки к выхлопным газам на приемную поверхность устройства распределения добавки к выхлопным газам.
Распределительное устройство может быть изготовлено воедино с валом или ступицей турбины турбокомпрессора. Таким образом, может быть сокращено число отдельных компонентов для изготовления, и может быть снижена опасность механического отделения распределительного устройства от вала или ступицы турбины.
Распределительное устройство может быть изготовлено отдельно от вала или ступицы турбины турбокомпрессора и прочно присоединено к валу или ступице турбины турбокомпрессора крепежной поверхностью, находящейся на распределительном устройстве. Таким образом, могут быть легко приспособлены турбокомпрессоры от производителей оригинального оборудования (OEM) или поставщиков с рынка запчастей.
Устройство дозирования добавки к выхлопным газам дозирующей системы может представлять собой дозирующее устройство без подачи воздуха, как описано выше, то есть, устройство только для подачи жидкости, или же оно может быть устройством дозирования с помощью воздуха, то есть, с использованием сжатого воздуха для облегчения дозирования добавки к выхлопным газам на приемную поверхность.
Дозирующая трубка устройства дозирования добавки к выхлопным газам может пролегать через ограничительное устройство, размещенное по центру в выпускном канале турбины турбокомпрессора. Это повышает механическую целостность дозирующей трубки и обеспечивает степень теплоизоляции добавки к выхлопным газам в трубке, тем самым предотвращая преждевременное термическое разложение добавки к выхлопным газам. Ограничительное устройство предотвращает повреждение находящихся ниже по потоку компонентов выхлопной системы в случае неисправности турбокомпрессора.
Система подачи добавки к выхлопным газам может дополнительно включать диффузор, размещенный в выпускном канале турбины турбокомпрессора. Внутренняя поверхность диффузора необязательно может быть сформирована так, чтобы содействовать испарению добавки к выхлопным газам. Это может стимулировать испарение и смешение добавки к выхлопным газам. Такая система подачи добавки к выхлопным газам может дополнительно включать перепускной выходной канал для отработавшего газа, размещенный в стенке выпускного канала турбины турбокомпрессора, причем перепускной выходной канал для отработавшего газа предназначен для подачи горячих выхлопных газов на наружную поверхность диффузора. Это может дополнительно стимулировать испарение и смешение добавки к выхлопным газам.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, цели настоящего изобретения достигаются посредством турбокомпрессора, включающего устройство распределения добавки к выхлопным газам, как здесь раскрытое.
Согласно еще одному дополнительному аспекту настоящего изобретения, цели настоящего изобретения достигаются посредством транспортного средства, включающего систему подачи добавки к выхлопным газам, как здесь раскрытую.
Дополнительные цели, преимущества и новые признаки настоящего изобретения станут очевидными квалифицированному специалисту в этой области технологии из нижеследующего подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения и дополнительных целей и преимуществ его, приведенное ниже описание должно быть прочитано вместе с сопроводительными чертежами, в которых одинаковые кодовые номера позиций обозначают сходные элементы в различных изображениях, и в которых:
Фиг. 1 схематически иллюстрирует транспортное средство, включающее выхлопную систему согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 схематически иллюстрирует систему подачи добавки к выхлопным газам согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3а схематически иллюстрирует вид сбоку дискообразного распределительного устройства.
Фиг. 3b схематически иллюстрирует вид спереди дискообразного распределительного устройства.
Фиг. 4а схематически иллюстрирует вид сбоку чашевидного распределительного устройства.
Фиг. 4b схематически иллюстрирует вид спереди чашевидного распределительного устройства.
Фиг. 5а схематически иллюстрирует вид сбоку сопловидного распределительного устройства.
Фиг. 5b схематически иллюстрирует вид спереди сопловидного распределительного устройства.
Фиг. 6 схематически иллюстрирует систему подачи добавки к выхлопным газам, в которой дозирующее устройство частично встроено в ограничительное устройство.
Фиг. 7 схематически иллюстрирует систему подачи добавки к выхлопным газам, включающую диффузор и перепускной выходной канал для отработавшего газа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение основывается на понимании авторами настоящего изобретения, что центробежная сила, создаваемая вращающимся турбинным узлом в турбокомпрессоре, может быть использована для диспергирования и распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов. Распределительное устройство присоединено по центру к валу или ступице на выпускной стороне турбины так, что оно вращается в соединении с турбиной. Дозирующее устройство наносит добавку к выхлопным газам на распределительное устройство. Быстрое вращение распределительного устройства принуждает осажденную добавку к выхлопным газам перемещаться наружу от оси вращения распределительного устройства вдоль поверхности распределительного устройства и наружу в поток выхлопных газов.
Такое решение имеет ряд преимуществ. Поскольку распределительное устройство и выпускной канал дозирующего устройства размещены сразу после турбины, требуется небольшая сила для преодоления скорости течения потока выхлопных газов в точке нанесения. Поэтому дозирующее устройство может действовать при более низких давлениях по сравнению с решениями согласно прототипу, и нет необходимости в участии сжатого воздуха для впрыскивания. Место введения добавки сдвинуто по выхлопной системе в сторону двигателя, насколько возможно, без риска загрязнения системы смазки двигателя или необходимости встраивания в компоненты третьей стороны. Это содействует разложению мочевины до аммиака и помогает предотвращать отложения. Уже имеющаяся энергия от вращающейся турбины используется для распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов. Энергия, сообщаемая вращающейся турбиной, содействует разрушению капелек добавки, когда они выходят из распределительного устройства и/или когда сталкиваются со стенками и другими поверхностями в выхлопной системе. Поэтому существует меньшая необходимость в регулировании распыления, и поэтому конструкция дозирующего устройства может быть значительно упрощена. Более того, завихрение потока выхлопных газов, когда он выходит из турбокомпрессора, контролируется аэродинамической конфигурацией турбокомпрессора. Поэтому конструкция турбокомпрессора может быть оптимизирована для лучшего баланса характеристик турбокомпрессора и смешения добавки к выхлопным газам. Таким образом, становится ненужным дополнительный смеситель ниже по потоку относительно места впрыскивания добавки. Поскольку смеситель обычно повышает противодавление и ухудшает экономию топлива, исключение смесителя приводит к соответствующему улучшению экономии топлива.
Система подачи добавки согласно настоящему изобретению размещается в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может представлять собой любой двигатель внутреннего сгорания, но предпочтительно четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, еще более предпочтительно четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Двигатель может использоваться в любом варианте применения, общеизвестном для двигателей внутреннего сгорания. Например, он может продаваться как автономный двигатель для применения, например, для выработки электроэнергии или в промышленных установках. Однако предпочтительным является применение в транспортном средстве. Под транспортным средством подразумевается любая машина с использованием двигателя внутреннего сгорания для создания движущей силы, либо непосредственно, либо косвенно, как в случае ряда гибридных транспортных средств. Сюда входят, но без ограничения, автомобили, такие как легковые автомобили, грузовики и автобусы; рельсовые транспортные средства, такие как поезда и трамваи; суда, такие как корабли и лодки; и самолеты. Добавка к выхлопным газам предпочтительно представляет собой восстановитель, еще более предпочтительно дизельный выхлопной газ, содержащий раствор мочевины в воде, в соответствии с восстановителем оксидов азота AUS 32 стандарта ISO 22241. Однако добавка к выхлопным газам также может представлять собой другую жидкую добавку, вводимую в поток выхлопных газов, такую как углеводородное топливо для «выжигания» дизельного сажевого фильтра, размещенного ниже по потоку относительно выхлопной системы. Однако далее добавка к выхлопным газам будет называться просто «восстановителем».
Выхлопная система оснащена турбокомпрессором для использования энергии выхлопных газов. Турбокомпрессор включает турбину, заключенную в корпус турбины. Вал соединяет турбину с лопастным колесом компрессора для сжатия наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания. Этот вал может проходить через турбину, в каковом случае конец вала турбины выступает наружу на выходной стороне турбины, или же вал заканчивается на ступице турбины внутри турбины.
Система подачи восстановителя размещается в соединении с турбиной турбокомпрессора. Система подачи включает распределительное устройство и дозирующее устройство. Распределительное устройство смонтировано на валу или ступице турбокомпрессора, соосно с валом, на выходной стороне вала или ступицы. Это значит, что распределительное устройство вращается синхронно с валом турбокомпрессора и турбиной, вокруг общей оси вращения. Дозирующее устройство размещается в сопряжении с распределительным устройством. Его дозирующий выпускной канал размещен по центру поверх распределительного устройства для нанесения восстановителя на распределительное устройство. Трубка дозирующего устройства, ведущая к дозирующему выпускному каналу, проходит через стенку корпуса турбины или выхлопного трубопровода в надлежащем месте ниже по потоку относительно турбины.
Устройство распределения восстановителя включает приемную поверхность и по меньшей мере одну распределительную поверхность. Распределительное устройство может быть встроенной деталью вала или ступицы турбины турбокомпрессора, то есть, изготовленной воедино с валом или ступицей турбины. В альтернативном варианте, устройство распределения восстановителя может включать крепежную поверхность, посредством которой оно может быть прочно присоединено к валу или ступице турбины. Распределительное устройство может быть сформировано из любого подходящего материала, такого как сталь или алюминий.
Крепежная поверхность, если имеется, предназначена для скрепления распределительного устройства с валом или ступицей турбины. Крепежная поверхность может быть по существу плоской поверхностью на задней стороне распределительного устройства, или же она может быть поверхностью штифта или вала, выступающего из задней стороны распределительного устройства. Вал или ступица турбины могут быть подвергнуты станочной обработке для создания соответствующей поверхности сопряжения с крепежной поверхностью. Скрепляющее взаимодействие между крепежной поверхностью и валом турбины может быть достигнуто посредством взаимосвязанных резьб. Крепежная поверхность и/или вал турбины могут иметь деформируемый хвостовик, как для заклепывания. Этот деформируемый хвостовик может формировать фиксирующее взаимодействие с валом турбины при деформировании. Вал турбины и крепежная поверхность могут быть соединены сваркой, пайкой, применением адгезива, или любым другим известным в технологии средством. Вал турбины и распределительное устройство могут быть выполнены в виде единой цельной детали, например, станочной обработкой конца вала турбины, то есть, распределительное устройство необязательно должно быть изготовлено отдельно от вала или ступицы турбины.
Крепежная поверхность размещается так, что любой восстановитель, притекающий на приемную и распределительную поверхности, не приходит в контакт с крепежной поверхностью. Подобным образом, приемная и распределительная поверхности размещаются совместно с дозирующим устройством во избежание приведения любого восстановителя в контакт с лопатками турбины, и в особенности с подшипниками турбины. Это достигается размещением крепежной поверхности на первом конце распределительного устройства, и размещением приемной поверхности на втором конце распределительного устройства, противоположном относительно первого конца. Под первым концом и вторым концом подразумеваются части устройства, которые находятся вблизи оконечности устройства, но не обязательно на самой оконечности как таковой. Так, например, приемная поверхность, протяженная от положения вблизи второй оконечности устройства до положения внутри устройства, размещена на втором конце устройства. Тем самым предотвращается загрязнение подшипников и системы смазки.
Распределительное устройство может быть дискообразным, и приемная поверхность и распределительная поверхность совместно могут составлять профилированную лицевую поверхность диска. Профилирование может быть выполнено любым известным способом, таким как травление, станочная обработка, или аддитивным способом, таким как осаждение или 3D-печать. Профилирование может включать каналы, протяженные радиально наружу от размещенной в центре приемной поверхности. При вращении восстановитель, нанесенный на приемную поверхность, разбрасывается наружу вдоль каналов, пока не достигнет кромки диска, и тем самым наружная кромка действует как распределительная поверхность, разбрызгивающая восстановитель наружу в сторону стенки корпуса турбины, в окружающий поток выхлопных газов.
Распределительное устройство может быть сформировано в виде чаши, например, чаши в форме колокола или конической чаши, и действует как вращающийся чашеобразный атомизатор. В этом случае дозирующий выпускной канал дозирующего устройства размещается по центру внутри чаши. Восстановитель наносится на основание или нижнюю боковую стенку чаши. Вращательное движение чаши, в сочетании с углом наклона стенки чаши, вызывает перемещение восстановителя вверх и наружу от основания чаши в сторону наружной кромки чаши, которая действует как распределительная поверхность, и диспергирует восстановитель в потоке выхлопных газов.
Распределительное устройство может быть похожим на типичную головку форсунки, имеющую внутреннюю камеру, окруженную радиальной боковой стенкой. Предусматриваются отверстия, проходящие радиально через боковую стенку, позволяя текучей среде выходить из внутренней камеры на наружную сторону распределительного устройства. Дозирующий выпускной канал дозирующего устройства размещается в сообщении по текучей среде с внутренней камерой. Восстановитель, вводимый во внутреннюю камеру, прижимается к стенке внутренней камеры центробежной силой вращающегося распределительного устройства. При встрече с проходящим через стенку отверстием восстановитель выбрасывается через отверстие, которое действует как распределительная поверхность, и распределяет восстановитель радиально наружу, распыляя его в окружающий поток выхлопных газов.
Устройство дозирования восстановителя системы подачи восстановителя может представлять собой устройство подачи только жидкости, по-иному известное как безвоздушный инжектор. Это значит, что дозирующее устройство не использует сжатый воздух для облегчения впрыскивания восстановителя в выхлопной трубопровод. Поскольку для работы компрессора требуется энергия, этим обеспечивается экономия энергии, по сравнению с системами с подачей воздуха. Более того, в некоторых вариантах применения, таких как применение на кораблях, нет необходимости в наличии готового источника сжатого воздуха, и тем самым может не потребоваться использование дополнительных дорогостоящих компонентов. Однако устройство дозирования восстановителя системы подачи восстановителя альтернативно может представлять собой пневматическое устройство, то есть, устройство, в котором используется сжатый воздух для облегчения впрыскивания восстановителя. Дозирующее устройство может быть компонентом системы дозирования восстановителя. Дополнительные компоненты системы дозирования восстановителя могут включать резервуар для хранения восстановителя, блок управления и сжимающее устройство, такое как насос.
Сжатый восстановитель подается в дозирующее устройство через подводящий канал. Дозирующее устройство включает управляемый дозировочный клапан для дозирования требуемого количества восстановителя в выхлопную систему. После прохода через дозировочный клапан восстановитель передается вдоль дозирующей трубки в дозирующий выпускной канал, в результате чего восстановитель наносится на распределительное устройство. Как отмечалось ранее, дозирующее устройство может быть только жидкостным устройством, то есть, безвоздушным. В отличие от обычных безвоздушных инжекторов, дозирующее устройство имеет длинную дозирующую трубку, размещенную после дозировочного клапана по направлению течения дозируемого восстановителя. Это значит, что дозировочный клапан может быть размещен отдаленно от выхлопной системы, и тем самым не подвергается воздействию высоких температур выхлопной системы, что потенциально увеличивает эксплуатационный срок службы инжектора и сокращает необходимость в системе охлаждения. Как отмечалось ранее, поскольку восстановитель дозируется сразу после турбины, требуются меньшие давления восстановителя. Поскольку именно распределительное устройство, а не дозирующий выпускной канал дозирующего устройства, диспергирует восстановитель в потоке выхлопных газов, это опять же означает, что требуется подведение меньшей кинетической энергии к восстановителю, и могут использоваться меньшие давления восстановителя. Таким образом, в системе подачи могут быть применены насосы более простой, более надежной конструкции.
Дозирующая трубка может проходить через стенку выхлопной системы в любом подходящем месте, предпочтительно ниже по потоку относительно турбины. Например, дозирующая трубка может быть пропущена через проходное отверстие в стенке корпуса турбины, выхлопного трубопровода, или любого компонента выхлопной системы, размещенного непосредственно ниже по потоку относительно турбокомпрессора, такого как тормоз-замедлитель выхлопных газов.
Поскольку дозирующий выпускной канал дозирующего устройства не должен формировать аэрозоль из восстановителя, он может включать немногие крупные отверстия, по сравнению с головками форсунок согласно прототипу. Например, он может включать одно или многие отверстия. Этим сокращается опасность закупоривания отверстий, например, отложениями мочевины. Дозирующий выпускной канал может иметь поверхность, которая образует поверхность, пригнанную к приемной поверхности распределительного устройства, чтобы предотвращать утечку восстановителя и содействовать нанесению восстановителя на приемную поверхность распределительного устройства.
В корпусе турбины может быть размещено ограничительное устройство. Такое ограничительное устройство предотвращает выход турбины из корпуса турбины или демонтаж вала турбины в случае аварии, и может по существу примыкать к распределительному устройству. Если такое ограничительное устройство присутствует, дозирующая трубка дозирующего устройства может быть пропущена через корпус ограничительного устройства или может быть выполнена воедино с ним.
В корпусе турбины может быть размещен диффузор. Размер, позиционирование или угол раствора диффузора могут варьировать, чтобы достигать желательных динамических характеристик течения на выходе из турбины. Например, диффузор может разделять на части поток выхлопных газов, выходящий из ротора турбины. Диффузор может включать трубу или лопатки, или состоять из них. Внутренняя(-ние) поверхность(-ти) диффузора, то есть, те, которые обращены к центральной оси корпуса турбины, могут действовать как испарительные поверхности для капель восстановителя, разбрасываемых из распределительного устройства. Это действие может быть интенсифицировано надлежащей конструкцией диффузора, например, нанесением покрытия, травлением, станочной обработкой или выбором материала, чтобы получить оптимальную теплопроводность. Размещенный в корпусе турбины перепускной выходной канал для отработавшего газа может подавать горячие выхлопные газы в обход турбины на наружную(-ные) поверхность(-ти) диффузора, то есть, на противоположные стороны относительно внутренних поверхностей. Направлением горячих выхлопных газов через перепускной выходной канал вдоль наружных поверхностей диффузора еще больше усиливается действие диффузора в отношении испарения восстановителя. Диффузор может быть частично или полностью встроен в корпус турбины.
Теперь настоящее изобретение будет дополнительно иллюстрировано со ссылкой на сопроводительные фигуры.
Фигура 1 схематически показывает вид сбоку транспортного средства 1 согласно одному варианту осуществления изобретения. Транспортное средство 1 включает двигатель 2 внутреннего сгорания, первый выпускной трубопровод 4, ведущий к турбине 6 турбокомпрессора, и второй выпускной трубопровод, ведущий от турбины 6 турбокомпрессора к SCR-катализатору 10. Система подачи восстановителя (не показана), включающая устройство распределения восстановителя и устройство дозирования восстановителя, размещается в сопряжении с турбиной 6 турбокомпрессора. Транспортное средство 1 может быть тяжелым транспортным средством, например, грузовиком или автобусом. В альтернативном варианте, транспортное средство 1 может представлять собой легковой автомобиль. Транспортное средство может быть гибридным транспортным средством, включающим электродвигатель (не показан) в дополнение к двигателю 2 внутреннего сгорания.
Фигура 2 схематически показывает систему подачи восстановителя согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Турбина 6 турбокомпрессора показана в разрезе, причем турбина 6 включает корпус 12 турбины. Корпус 12 турбины включает впускные каналы 14 для выхлопного газа и выпускной канал 16 для выхлопного газа. Находящийся в корпусе 12 турбины ротор 18 турбины размещен вращающимся на валу 20 турбины. Уплотнительный элемент 22 предотвращает утечку смазки из подшипников турбины (не показаны). Устройство 24 распределения восстановителя закреплено на выходном конце вала 20. Устройство 26 дозирования восстановителя размещено в выпускном канале 16 турбины 6. Устройство дозирования восстановителя включает подводящий канал 28, дозировочный клапан 30, дозирующую трубку 32 и дозирующий выпускной канал 34.
При работе распределительное устройство 24 вращается синхронно с ротором 18 турбины и валом 20, когда выхлопной газ проходит через турбину 6. Восстановитель, такой как раствор мочевины, будучи нанесенным на распределительное устройство 24 из дозирующего устройства 26, диспергируется в выхлопном газе, проходящем через турбину 6, в результате вращательного движения распределительного устройства 24.
Фигуры 3а и 3b схематически показывают распределительное устройство 24 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Фигура 3а представляет вид сбоку распределительного устройства 24, и Фигура 3b представляет вид спереди того же распределительного устройства 24. В Фигуре 3а иллюстрировано положение дозирующего выпускного канала 34 относительно распределительного устройства 24. Распределительное устройство 24 включает диск 36 и крепежный вал 38, закрепленный на первом конце диска 36. Цилиндрическая поверхность крепежного вала 38 снабжена резьбой и составляет крепежную поверхность для крепления распределительного устройства 24 на валу 20 турбины. У второго конца диска 36, противоположного относительно первого конца, станочной обработкой было сформировано профилирование. Профилирование включает центральную лунку 40, которая составляет приемную поверхность для приема восстановителя, подводимого к распределительному устройству, и каналы 42, протяженные радиально от центральной лунки 40 к наружной кромке диска 36. Участки каналов 42 на наружной кромке диска 36 составляют распределительные поверхности, с которых восстановитель распределяется в поток выхлопных газов.
Фигуры 4а и 4b схематически показывают распределительное устройство 24 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Фигура 4а представляет вид сбоку распределительного устройства 24, и Фигура 4b представляет вид спереди того же распределительного устройства 24. В Фигуре 4а иллюстрировано положение дозирующего выпускного канала 34 относительно распределительного устройства 24. Распределительное устройство 24 включает чашу 44 в виде колокола, имеющую крепежный вал 38, закрепленный на наружном конце чаши 44. Основание 46 чаши 44 составляет приемную поверхность для приема дозируемого восстановителя из дозирующего выпускного канала 34. Подводимый восстановитель переносится вдоль внутренней стенки чаши 44, пока не достигнет ободка 48 чаши, который составляют распределительную поверхность, с которых восстановитель распределяется в поток выхлопных газов.
Фигуры 5а и 5b схематически показывают распределительное устройство 24 согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения. Фигура 5а представляет вид сбоку распределительного устройства 24, и Фигура 5b представляет вид спереди того же распределительного устройства 24. В Фигуре 5а иллюстрировано положение дозирующего выпускного канала 34 относительно распределительного устройства 24. Распределительное устройство 24 включает головку 50 форсунки, имеющую крепежный вал 38, закрепленный на заднем конце. Головка 50 форсунки имеет внутреннюю камеру 52, имеющую радиальную боковую стенку 54. В радиальной боковой стенке 54 проделаны отверстия 56. Внутренняя поверхность радиальной боковой стенки 54 составляет приемную поверхность, и наружные кромки отверстий 56 составляют распределительные поверхности.
Фигура 6 схематически показывает вариант осуществления настоящего изобретения, в котором дозирующий выпускной канал 34 и часть дозирующей трубки 32 дозирующего устройства 26 выполнены встроенными внутри ограничительного устройства 58. Ограничительное устройство 58 по существу примыкает к распределительному устройству 24, тем самым предотвращая осевое перемещение вала 20 по направлению к выходному концу турбины в случае неисправности турбокомпрессора. Предотвращением смещения вала 20 турбины предотвращается утечка смазки из подшипников турбины (не показаны), и компоненты ниже по потоку относительно турбокомпрессора, такие как система постобработки выхлопа, защищены от загрязнения в случае неисправности турбокомпрессора. Встраивание дозирующего устройства 26 в ограничительное устройство 58 обеспечивает повышенную механическую целостность дозирующего устройства 26.
Фигура 7 схематически показывает вариант осуществления настоящего изобретения, в котором на выходе турбины размещен диффузор 60. Диффузор 60 имеет двойное назначение. Он может служить для повышения эффективности турбины 6, обеспечивая плавный переход от динамического давления к статическому давлению для выхлопных газов при выходе из турбины, как в случае диффузоров турбин согласно прототипу. Однако он также может действовать как испарительное устройство для капель восстановителя, осаждающихся из распределительного устройства 24 на внутренней поверхности (то есть, поверхности, обращенной к центральной оси выходного канала турбины) диффузора 60. Функционирование диффузора 60 как испарительного устройства может быть оптимизировано несколькими путями. Например, диффузор может быть обработан для оптимизации краевого угла капель восстановителя с поверхностью диффузора, и/или может быть обработан для оптимизации теплопередачи к любым осажденным каплям восстановителя. Действие диффузора 60 как испарительного устройства дополнительно усиливается присутствием перепускного выходного канала для отработавшего газа на выходе 16 из турбины. Перепускной канал позволяет направлять горячие выхлопные газы в обход ротора 18 турбины турбокомпрессора при заданных условиях, тем самым предотвращая чрезмерное вращение турбокомпрессора и защищая двигатель и турбокомпрессор от повреждения. Выхлопные газы, поступающие в выходной канал 16 турбины из перепускного выходного канала для отработавшего газа, являются значительно более горячими, чем газы, прошедшие через ротор 18. При направлении газов из перепускного канала на наружную поверхность диффузора 60 диффузор нагревается сильнее относительно температуры, преобладающей в центре выходного канала турбины, и поэтому облегчается испарение восстановителя, осажденного на внутреннюю поверхность диффузора.
1. Устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам для турбины (6) турбокомпрессора выхлопной системы двигателя (2) внутреннего сгорания, причем устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам включает крепежную поверхность (38), приемную поверхность (40, 46, 54) и по меньшей мере одну распределительную поверхность(-ти) (42, 48, 56); причем крепежная поверхность (38) находится на первом конце устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам и выполнена с возможностью прочного соединения устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам с валом (20) или ступицей турбины (6) турбокомпрессора; причем приемная поверхность (40, 46, 54) находится на втором конце устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам, противоположном первому концу, и выполнена с возможностью приема добавки к выхлопным газам, подаваемой в устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам; причем распределительная поверхность (42, 48, 56) находится в сообщении по текучей среде с приемной поверхностью (40, 46, 54) и выполнена с возможностью распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов, проходящем через турбину (6) турбокомпрессора, в результате вращательного движения устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам.
2. Устройство распределения добавки к выхлопным газам по п. 1, в котором приемная поверхность (40) и распределительная поверхность (42) совместно образуют профилированную лицевую поверхность на втором конце устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам.
3. Устройство распределения добавки к выхлопным газам по п. 1, в котором приемная поверхность (46) и распределительная поверхность (48) совместно образуют чашу, имеющую отверстие, направленное наружу от устройства распределения добавки к выхлопным газам.
4. Устройство распределения добавки к выхлопным газам по п. 1, причем устройство распределения добавки к выхлопным газам включает радиальную стенку (54), проходящую от первого конца до второго конца устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам, причем приемная поверхность представляет собой внутреннюю сторону радиальной стенки (54), при этом распределительная поверхность представляет собой поверхность отверстия (56), образованного в радиальной стенке, причем отверстие (56) проходит между внутренней поверхностью радиальной стенки (54) и наружной поверхностью радиальной стенки (54).
5. Устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам по п. 4, в котором второй конец распределительного устройства (24) сконфигурирован для формирования сопряженной поверхности с устройством (26) дозирования добавки к выхлопным газам.
6. Устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам по любому из предшествующих пунктов, в котором крепежная поверхность (38) снабжена резьбами, фланцем или деформируемым хвостовиком.
7. Система подачи добавки к выхлопным газам для турбины (6) турбокомпрессора выхлопной системы двигателя (2) внутреннего сгорания, причем система подачи добавки к выхлопным газам включает устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам и устройство (26) дозирования добавки к выхлопным газам; причем устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам включает приемную поверхность (40, 46, 54) и по меньшей мере одну распределительную поверхность(-ти) (42, 48, 56); причем приемная поверхность (40, 46, 54) выполнена с возможностью приема добавки к выхлопным газам, подаваемой в устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам; причем распределительная поверхность (42, 48, 56) находится в сообщении по текучей среде с приемной поверхностью (40, 46, 54) и выполнена с возможностью распределения добавки к выхлопным газам в потоке выхлопных газов, проходящем через турбину турбокомпрессора, в результате вращательного движения устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам; причем устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам прочно соединено с валом (20) или ступицей турбины турбокомпрессора; причем устройство (26) дозирования добавки к выхлопным газам включает подводящий канал (28), дозировочный клапан (30) и дозирующую трубку (32), размещенную ниже по потоку относительно дозировочного клапана (30) по направлению течения дозируемого восстановителя; причем устройство (26) дозирования добавки к выхлопным газам выполнено с возможностью подачи добавки к выхлопным газам на приемную поверхность (40, 46, 54) устройства (24) распределения добавки к выхлопным газам.
8. Система подачи добавки к выхлопным газам по п. 7, в которой распределительное устройство (24) выполнено как одно целое с валом (20) или ступицей турбины (6) турбокомпрессора.
9. Система подачи добавки к выхлопным газам по п. 7, в которой распределительное устройство (24) выполнено отдельно от вала (20) или ступицы турбины (6) турбокомпрессора и прочно присоединено к валу (20) или ступице турбины (6) турбокомпрессора крепежной поверхностью (38), расположенной на распределительном устройстве (24).
10. Система подачи добавки к выхлопным газам по любому из пп. 7-9, в которой дозирующая трубка (32) устройства дозирования добавки к выхлопным газам проходит через ограничительное устройство (58), размещенное по центру в выпускном канале (16) турбины (6) турбокомпрессора.
11. Система подачи добавки к выхлопным газам по любому из пп. 7-10, дополнительно включающая диффузор (60), размещенный в выпускном канале (16) турбины (6) турбокомпрессора, причем внутренняя поверхность диффузора (60) необязательно выполнена с возможностью содействия испарению добавки к выхлопным газам.
12. Система подачи добавки к выхлопным газам по п. 11, дополнительно включающая перепускной выходной канал (62) для отработавшего газа, размещенный в стенке выпускного канала (16) турбины турбокомпрессора, причем перепускной выходной канал (62) для отработавшего газа выполнен с возможностью подачи горячих выхлопных газов на наружную поверхность диффузора.
13. Турбокомпрессор, включающий устройство (24) распределения добавки к выхлопным газам по любому из пп. 1-6.
14. Транспортное средство (1), включающее систему подачи добавки к выхлопным газам по любому из пп. 7-12.
