CN115704330A - 一体式涡轮机和催化器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了“一体式涡轮机和催化器”。一种涡轮机连接到压缩机，并且包括涡轮、轮子和锥形催化器，所述锥形催化器的内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动所述轮子的发散流动通道，以使得所述流体在离开所述涡轮机之前传递通过所述催化器的所述内表面和孔。

Description

一体式涡轮机和催化器

技术领域

本公开涉及一种用于有效催化剂加热的一体式涡轮机和催化器系统。

背景技术

内燃发动机排放物的转化效率是催化转化器的最重要的设计参数中的一个。该转化效率取决于若干参数，包括空/燃比、温度和排气的成分。因此，通常操纵这些参数以提高排气转化的效率。一体式涡轮机和催化器系统是一种有前景的新开发的技术，该技术有可能通过减少热损失和提高流量利用率来提高催化转化器的效率。

发明内容

一种涡轮增压器系统包括：涡轮机，所述涡轮机连接到压缩机，其中所述涡轮机还包括涡轮、轮子和封装在圆柱形外壳中的锥形催化器。所述锥形催化器的内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动所述轮子的发散流动通道，以使得所述流体在离开涡轮机之前传递通过所述催化器的内表面、孔和外表面。所述内表面限定所述流体进入所述锥形催化器的入口表面，而所述外表面限定所述流体离开所述锥形催化器的出口表面。因此，至少在一些实施例中，流体径向地传递通过内表面和孔。此外，在一些实施例中，孔的横截面面积从内表面到外表面增加。根据应用需求，这些孔可呈现任何形状，包括但不限于正方形、矩形、三角形、圆柱形或菱形中的一者或多者。

将所述锥形催化器封装在所述圆柱形外壳中限定了间隙，以使得所述锥形催化器的最窄端与所述圆柱形外壳的邻近所述最窄端的部分之间的所述间隙大于限定在锥形催化器的最宽端与所述圆柱形外壳的邻近所述最宽端的部分之间的间隙。在一些实施例中，所述涡轮机还包括盖罩，所述盖罩抵靠所述锥形催化器的最宽端密封，以防止所述流体离开所述锥形催化器的所述最宽端。

附图说明

图1示出了传统的排气加热的催化转化器的温度曲线。

图2示出了具有环形三元催化器和圆柱形外壳的常规一体式涡轮机和催化器系统。

图3示出了具有封闭在圆柱形外壳中的锥形催化器的提出的一体式涡轮机和催化器系统的实施例。

具体实施方式

所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可采取各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实现方式，可能期望与本公开的教示一致的对特征的各种组合和修改。

除非上下文另外明确指明，否则如说明书和所附权利要求中所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数个指示物。例如，以单数形式提及部件意在包括多个部件。

当一个元件或层被称为“附接到”另一个元件或层、“在另一个元件或层上”、“接合到”另一个元件或层、“连接到”另一个元件或层或者“联接到”另一个元件或层时，所述一个或多个元件或层可直接在另一个元件或层上、接合、连接或联接到所述另一个元件或层，或者可存在中间元件或中间层。相比之下，当一个元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接接合到”另一个元件或层、“直接连接到”另一个元件或层或者“直接联接到”另一个元件或层时，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应以相似方式解译(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

催化转化器在车辆中用于转化从内燃发动机产生的气体。催化转化器通常位于车辆的排气系统内在内燃发动机下游。车辆中通常使用两种类型的催化转化器来减少有害气体的排放。这两者即：二元催化转化器和三元催化转化器。二元催化转化器具有两个同时的功能：i)将一氧化碳氧化成二氧化碳；以及ii)将碳氢化合物氧化成二氧化碳和水。可使用若干种氧化催化剂(诸如，铂和钯)来促进这些氧化反应。然而，二元催化转化器的配备并不能用来减少氮氧化物的排放。因此，它们不如三元催化转化器普遍。

三元催化转化器具有三个同时的功能：i)将一氧化碳氧化成二氧化碳；ii)将碳氢化合物氧化成二氧化碳和水；以及iii)将氧化氮还原为氮和氧。铂和铑通常用于促进还原反应，而铂和钯通常用于促进氧化反应。因为这些反应在最佳化学计量空燃比下是最有效的，所以一个或多个氧传感器通常设置在闭环燃料喷射反馈系统内以测量氧气量并增大或减小空燃比，使得发动机以最佳化学计量比运行。

影响催化转化器的效率的另一因素是温度。催化转化器在高温下表现最佳。特别地，催化转化器在达到发起上面提及的催化反应所需的最低温度之后通常是有效的。该最低温度通常被称为“起燃温度”。更具体地，起燃温度(T₅₀)是指碳氢化合物转化率达到50％时的温度。

通常来说，要快速达成所需的起燃温度，使催化转化器尽可能靠近内燃发动机定位。另外，要使压力损失最小化，这些催化转化器被制造成具有大直径和短深度。然而，由于耐久性问题和保修问题，直径与深度的比率不能超过某个阈值。即使在大直径和短深度的情况下，处于或靠近上面提及的阈值，这些催化转化器也表现出低效率，因为至少在发动机冷起动之后，由于排气最先传递，最靠近发动机的区域升温且甚至过热，而远离发动机的区域需要更长的时间来达成起燃温度。达成起燃温度的这种延迟导致排气转化效率降低。

图1示出了传统的排气加热的催化转化器的温度曲线。如图所示，在后续的区段2和区段3可达成足够高的温度以有效地转化有害排气之前，区段1(紧邻催化转化器排气入口的区域)首先被加热，或者甚至过热。更具体地，在催化器暖机期间，区段1首先达成起燃温度。然而，即使在达到该阈值之后，排气也会持续加热该区段。用于连续升温区段1的这种额外能量不仅不会提供有关转化效率的任何更多益处，而且它可能在足够高的温度下致使系统损坏。同时，后续的区段2和区段3在起燃温度以下操作，从而降低了总体催化转化器转化效率。

因为这种对高温的依赖性，发动机冷起动排放可能是总排放的很大一部分。联邦测试程序循环(FTP)中多达三分之一的总排放可能来自发动机冷起动。传统的冷起动发动机还原(CSER)方法的一个可能的问题是高碳氢化合物排放，这可能是由以下导致的：在气缸壁和活塞的冷表面上形成的燃油膜、由于低温引起的不良液膜蒸发、在进气和压缩冲程期间缺乏足够的时间使液膜蒸发以及由于气缸内的高燃烧温度而导致的排气冲程期间的液体燃料(壁膜)蒸发。

整合了涡轮机和催化器的排气系统已被证明有希望通过减少热损失和提高流量利用率来提高排气转化效率。特别地，可通过将催化剂基质与涡轮机系统一体地形成来提高转化效率，以i)通过缩短排气在通过催化剂之前必须行进的距离来减少热损失，从而更好地利用排气热；以及ii)利用由涡轮生成的流动能量来迫使所述排气通过所述催化剂。

图2示出了具有附接到涡轮机104的压缩机102的涡轮增压器系统100，其中涡轮机104包括涡轮106、涡轮叶轮(“轮子”)108和圆柱形外壳110。换句话说，在下文中，涡轮机104是指涡轮106、轮子108和圆柱形外壳110的集合。圆柱形外壳110还包含环形三元催化器112。因此，由内燃发动机(未示出)生成的排气经由排气入口114进入圆柱形外壳110，流动通过圆柱形外壳110的由环形三元催化器112限定的内部区段116，并且此后在通过排气出口118离开之前被重新引导到围绕圆柱形外壳110的内部区段116的环形三元催化器112中。

由于更好的流动利用(均匀性)和减少的热损失，可在此种系统中提高排气转化效率。然而，鉴于大长度的基质通道，该系统也承受着高压损失的缺点。因此，需要一种表现出一体式涡轮机和催化器系统的高效率但不会招致大的压力损失的系统。

如图3中所示，提出了一种涡轮增压器总成200，其包括压缩机202和连接到压缩机202的涡轮机204。涡轮机204还包括涡轮206、轮子208、锥形催化器210和圆柱形外壳212。在一些实施例中，所述圆柱形外壳212包含锥形催化器210，以使得限定在所述锥形催化器210的最窄端与所述圆柱形外壳212的邻近所述最窄端的部分之间的间隙大于限定在锥形催化器210的最宽端与所述圆柱形外壳212的邻近所述最宽端的部分之间的间隙。在一些实施例中，所述涡轮增压器200还包括盖罩230，所述盖罩抵靠所述锥形催化器210的最宽端密封，以防止所述流体离开所述锥形催化器210的所述最宽端。

锥形催化器210还包括内表面214和外表面216。内表面214限定用于流体进入锥形催化器210的入口表面218。外表面216限定用于流体离开锥形催化器210的出口表面220。在一些实施例中，锥形催化器210的内表面214限定用于流体离开涡轮206并驱动轮子208的发散流动通道222。经由排气进入通道224离开涡轮206的流体行进通过由锥形催化器210的内表面214限定的发散流动通道222，并且所述流体在使用排气离开通道228离开涡轮机204之前，经由催化剂210的一系列孔226传递通过内表面214。

简而言之，在该实施例中，提出了涡轮增压器200，其包括压缩机202和涡轮机204。连接到压缩机202的涡轮机204还包括涡轮206、轮子208和锥形催化器210，所述锥形催化器具有内表面214，所述内表面限定用于流体离开涡轮206并驱动轮子208的发散流动通道222，以使得流体在离开涡轮机204之前传递通过催化剂210的内表面214和孔226。

在示出的实施例中，与传统的催化转化器系统相反，孔226在径向方向上。这些径向定位的孔226适应流体通过内表面214和孔226的径向传递。此外，根据应用需求，孔226可呈现任何形状，包括但不限于正方形、矩形、三角形、圆柱形或菱形。相似地，取决于应用需求，可改变孔226的密度以达成期望的转化效率。

在一些实施例中，孔226的横截面面积可从内表面214到外表面216增加，以减少由于流动通过孔226的排气的相对恒定的流动速度而引起的跨孔226的压力损失，因为由于孔226上的密度从高到低的变化，恒定的横截面面积可能致使流体速度在内表面214处较低而在外表面216处较高。与常规系统相比，所提出的系统的另一个优点在于，在给定相同体积的催化剂的情况下可提供更大的催化剂表面积。所提出的系统的另一个优点在于，与常规系统相比，可显著减小孔226的长度，以进一步减小基质背压。在较短的孔长度的情况下，可更有效地使用排气来加热催化剂210。

虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可做出各种改变。

如先前所述，各种实施例的特征可以进行组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但是本领域普通技术人员认识到，可折衷一个或多个特征或特性以达成期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。为此，描述为关于一个或多个特性而言不如其他实施例或现有技术实现方式那样期望的实施例在本公开的范围内，并且对于特定应用可能是合乎需要的。

根据本发明，提供了一种涡轮增压器，其具有：压缩机；以及涡轮机，所述涡轮机连接到压缩机，所述涡轮机包括涡轮、轮子和锥形催化器，所述锥形催化器的内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动所述轮子的发散流动通道，以使得所述流体在离开所述涡轮机之前传递通过所述催化剂的内表面和孔。

根据一个实施例，所述涡轮机还包括盖罩，所述盖罩抵靠所述锥形催化器的最宽端密封，以防止所述流体离开所述锥形催化器的所述最宽端。

根据一个实施例，本发明的特征还在于所述圆柱形外壳包含锥形催化器，以使得限定在所述锥形催化器的最窄端与所述圆柱形外壳的邻近所述最窄端的部分之间的间隙大于限定在锥形催化器的最宽端与所述圆柱形外壳的邻近所述最宽端的部分之间的间隙。

根据一个实施例，所述内表面限定用于流体进入锥形催化器的入口表面。

根据一个实施例，所述锥形催化器还具有外表面，所述外表面限定用于流体离开所述锥形催化器的出口表面。

根据一个实施例，所述流体径向地传递通过内表面和孔。

根据一个实施例，孔的横截面面积从内表面到外表面增加。

根据一个实施例，所述孔被成形为正方形、矩形、三角形、圆柱形或菱形中的一者或多者。

根据本发明，提供了一种涡轮机，其具有：涡轮；轮子；锥形催化器，所述锥形催化器具有内表面，所述内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动轮子的发散流动通道；以及圆柱形外壳，所述圆柱形外壳包含锥形催化器，以使得限定在所述锥形催化器的最窄端与所述圆柱形外壳的邻近所述最窄端的部分之间的间隙大于限定在锥形催化器的最宽端与所述圆柱形外壳的邻近所述最宽端的部分之间的间隙。

根据一个实施例，本发明的特征还在于盖罩，所述盖罩抵靠所述锥形催化器的最宽端密封，以防止所述流体离开所述锥形催化器的所述最宽端。

根据一个实施例，所述内表面限定用于流体进入锥形催化器的入口表面。

根据一个实施例，所述流体径向地传递通过内表面和孔。

根据一个实施例，所述孔的横截面面积从内表面到外表面增加。

根据一个实施例，所述孔被成形为正方形、矩形、三角形、圆柱形或菱形中的一者或多者。

根据本发明，提供了一种涡轮增压器，其具有：涡轮机，所述涡轮机连接到压缩机，并且包括涡轮、轮子和圆柱形外壳，所述圆柱形外壳包含锥形催化器，所述锥形催化器的内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动所述轮子的发散流动通道，以使得所述流体在离开所述涡轮机之前传递通过所述催化器的内表面、孔和外表面。

根据一个实施例，限定在所述锥形催化器的最窄端与所述圆柱形外壳的邻近所述最窄端的部分之间的间隙大于限定在锥形催化器的最宽端与所述圆柱形外壳的邻近所述最宽端的部分之间的间隙。

根据一个实施例，所述涡轮机还包括盖罩，所述盖罩抵靠所述锥形催化器的最宽端密封，以防止所述流体离开所述锥形催化器的所述最宽端。

根据一个实施例，所述流体径向地传递通过内表面和孔。

根据一个实施例，所述内表面限定用于流体进入锥形催化器的入口表面。

根据一个实施例，所述锥形催化器还具有外表面，所述外表面限定用于流体离开所述锥形催化器的出口表面。

Claims (15)

1.一种涡轮增压器，其包括：

压缩机；以及

涡轮机，所述涡轮机连接到所述压缩机，所述涡轮机包括涡轮、轮子和锥形催化器，所述锥形催化器的内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动所述轮子的发散流动通道，以使得所述流体在离开所述涡轮机之前传递通过所述催化器的所述内表面和孔。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述涡轮机还包括盖罩，所述盖罩抵靠所述锥形催化器的最宽端密封，以防止所述流体离开所述锥形催化器的所述最宽端。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其还包括圆柱形外壳，所述圆柱形外壳包含所述锥形催化器，以使得限定在所述锥形催化器的最窄端与所述圆柱形外壳的邻近所述最窄端的部分之间的间隙大于限定在所述锥形催化器的最宽端与所述圆柱形外壳的邻近所述最宽端的部分之间的间隙。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述内表面限定用于所述流体进入所述锥形催化器的入口表面。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中所述锥形催化器还具有外表面，所述外表面限定用于所述流体离开所述锥形催化器的出口表面。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中所述流体径向地传递通过所述内表面和所述孔。

7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中所述孔的横截面面积从所述内表面到所述外表面增加。

8.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中所述孔被成形为正方形、矩形、三角形、圆柱形或菱形中的一者或多者。

9.一种涡轮机，其包括：

涡轮；

轮子；

锥形催化器，所述锥形催化器的内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动所述轮子的发散流动通道，以使得所述流体在离开所述涡轮机之前传递通过所述催化器的所述内表面和孔；以及

圆柱形外壳，所述圆柱形外壳包含所述锥形催化器，以使得限定在所述锥形催化器的最窄端与所述圆柱形外壳的邻近所述最窄端的部分之间的间隙大于限定在所述锥形催化器的最宽端与所述圆柱形外壳的邻近所述最宽端的部分之间的间隙。

10.如权利要求9所述的涡轮机，其还包括盖罩，所述盖罩抵靠所述锥形催化器的所述最宽端密封，以防止所述流体离开所述锥形催化器的所述最宽端。

11.如权利要求9所述的涡轮机，其中所述内表面限定用于所述流体进入所述锥形催化器的入口表面。

12.如权利要求11所述的涡轮机，其中所述流体径向地传递通过所述内表面和所述孔。

13.如权利要求12所述的涡轮机，其中所述孔的横截面面积从所述内表面到所述外表面增加。

14.如权利要求13所述的涡轮机，其中所述孔被成形为正方形、矩形、三角形、圆柱形或菱形中的一者或多者。

15.一种涡轮增压器，其包括：

涡轮机，所述涡轮机连接到压缩机，并且包括涡轮、轮子和圆柱形外壳，所述圆柱形外壳包含锥形催化器，所述锥形催化器的内表面限定用于流体离开所述涡轮并驱动所述轮子的发散流动通道，以使得所述流体在离开所述涡轮机之前传递通过所述催化器的所述内表面和孔。

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