专利名称：用于排气系统的逆流换热器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及排放控制，更具体地，涉及用于减少废气流中的微 粒的系统。
背景技术：
当燃料不完全燃烧时，例如微粒和碳氢化合物这样的污染物就会排放 到大气中。美国环境保护局已通过了限制例如能够由柴油卡车、发电装置、
发动机、汽车以;s^野车等排放至大气中的污染物数量的条例。
目前，工业企业努力通过对其排气系统增加涤气器、催化转化器和微 粒捕集器来遵循这些条例。然而，这些解决方法增加了施加于发动机和燃 烧系统上的背压，使其性能降低。此外，所述洗涤器和微粒捕集器自身也 会堵塞，需要定期清洁以便使背压最小。
排气系统中已使用了辐射源和加热器，以便例如定期清洁所述微粒捕
集器或者过滤层。其它解决方法包括当废气进入过滤层时，将燃料喷入
所述过滤层或者废气流中以燃烧其内的微粒。然而，过滤层会对高温敏感， 所述辐射源和加热器必须定期地关闭。
发明内容
一种排气系统包括逆流换热器，其包括限定平面并隔离排气室与进 气室的板。所述换热器的每个室都具有定位于相对端以允许气流从其中穿 过的入口和出口。所述排气系统还包括第一歧管，其联接至所述逆流换热 器并与所述进气室入口流体连通。布置于所述第一歧管内的叶片相对于所 述进气室入口设置，以便减小对所述进气室入口附近的流体流的阻力。所 述排气系统还能够包括加热歧管，所述加热歧管接收来自所述进气室的废 气、加热所述废气并使所述废气返回至所述排气室。在一些实施方式中， 所述加热歧管为用于燃烧废气中的微粒的燃烧室。在这些实施方式中，所 述排气系统还能够包括用于将所述微粒加热到至少点火温度的辐射源。
另 一 示例性的排气系统包括第 一歧管和联接至所述第 一歧管的逆流换热器。在此，所述逆流换热器限定横向平面并包括用于隔离多个室的多个 平行板，每个所述室都具有入口和出口。这些室包括与一组排气室交替的 一组进气室，其中，所述进气室的入口与所述第一歧管流体连通，且所述 进气室的出口与所述排气室的入口流体连通。所述排气系统还能够包括联 接至所述逆流换热器的加热歧管，以便在所述进气室的出口与所述排气室 的入口之间提供流体连通。
还提供了 一种包括内燃发动机和上述排气系统的车辆。所述排气系统 能够起到消声器或者催化转化器的作用，或者同时起到两者的作用。
图1和2分别图示按照本发明实施方式的用于燃烧排气系统中的微粒 的示例性系统的顶视图和正视图3和图4分别图示图l和2中所示出的所述系统的进气室和排气室 的截面；
图5图示沿图2中的线5-5截取的截面； 图6图示沿图2中的线6-6截取的截面； 图7图示沿图1中的线7-7截取的截面；
图8和9分别图示按照本发明另一实施方式的用于燃烧排气系统中的 微粒的示例性系统的顶视图和正视图10和图ll分别图示图8和9中所示的所述系统的进气室和排气室 的截面；
图12图示沿图8的线12-12截取的具有叶片的几种可替代实现的截面；
图13图示沿图8的线13-13截取的截面；以及
图14图示按照本发明另一实施方式的包括内燃机和排气系统的车辆 的示意图。
具体实施例方式
排气系统包括逆流换热器，所述逆流换热器联接至诸如用于燃烧由废气携带的微粒的燃烧室等用于加热废气的装置。所述逆流换热器从流过所 述加热装置之后的废气中回收热量，并将所述热量传递至1所述加热装 置的废气。所述热量回收提高了排气系统的能效且提供如下所述的其它优
图l和2分别示出了示例性的排气系统100的顶视图和正视图。排气 系统IOO是能够普遍应用的且能够作为一部分包括于例如车辆、动力装置 或者壁炉中。图1和2所图示的实施方式包括逆流换热器110，所述换热 器110包括通it^！ 120 (用虚线示出以表示所a在换热器110的内部) 隔离的两个室。换热器110的一个室在第一歧管220与燃烧室130之间流 体连通。换热器110的第二室在燃烧室130和第二歧管230之间流体连通。 以下更详细地说明换热器IIO内的所述各室。能够使用能经受住排气系统 100运转温度下的废气的任何合适的材料来构造包括板120的换热器110、 燃烧室130以及歧管220、 230。合适的材料包括不锈钢、钬和陶瓷。板120 应该由诸如金属这样的具有高导热性的材料来构造，以使各个室之间具有 良好的热量传递。
运转中，源自例如柴油机的废气进入歧管220，并被导引穿过换热器 IIO到达燃烧室130。在图示实施方式中，在燃烧室130内燃烧废气内的微 粒，显著地提高了所述废气的温度。由附接于燃烧室130的辐射源140促 进所述微粒的燃烧。在2006年4月14日提交的、名称为"排气系统中的 微粒燃烧"的美国专利申请No. 11/404,424中描述了合适的辐射源140和 燃烧室130的设计。
加热后的废气240离开燃烧室130,向后穿过换热器110并通过歧管 230离开排气系统100。在换热器110中，来自离开燃烧室130的热气体 240的热量通it^U20传递至从歧管220引入的废气210。通过利用微粒燃 烧的余热来加热引入的废气210，排气系统消耗较少的能量。在此将讨论 换热器110的其它优点。
应了解，尽管图1和2中所图示的实施方式包括燃烧室130，但是本 发明不局限于包括燃烧室的排气系统。尽管换热器110需要联接至一些加 热源来升高废气的温度，但是燃烧室130只是一个示例。燃烧室130能够 由例如催化转化器替代，所述催化转化器包括支撑于由电阻加热元件加热 的基底上的催化材料。概括地，燃烧室130是加热歧管的示例，所述加热 歧管加热来自换热器110的进气室310的废气并使其返回换热器110的排气室410。
图3和图4为排气系统100的截面。在图3中，截面300是沿图1中 的穿过进气室310的剖面3-3截取的。进气室310形成于板120、换热器 110的外壁(该视图中不可见)以及两个隔离件320之间，所述隔离件320 保持所述外壁与所iiil 120之间合适的间隔。隔离件320之间的开口形成 进气室310的入口 330和出口 340。入口 330和出口 340分别提供进气室 310与歧管220以及进气室310与燃烧室130之间的流体连通。
截面300的特征在于沿换热器110的纵向轴线将换热器110分成两部 分的横向平面350，在图3中可见所述横向平面350的边缘。在该实施方 式中，入口 330处于横向平面350之下方，出口 340处于横向平面350之 上方。将入口 330和出口 340布置于横向平面350的相反两侧致4吏所述废 气沿对角线横穿进气室310。
在图4中，截面400是沿图1中的穿过排气室410的剖面4-4截取的。 排气室410形成于板120 (在该视图中不可见)、换热器110的另一外壁 以及两个隔离件320'之间。如上，隔离件320'之间的开口形成入口 420和 出口 430，所述入口 420和出口 430分别提供与燃烧室130和歧管230之 间的流体连通。在多个实施方式中，歧管220和230由连续的管子组成， 所述管子被大体上与横向平面350对齐并构造成防止歧管220与230之间 的流体连通的挡板440隔离。在这些实施方式中，歧管220和230共用一 条共同的纵向轴线，所述纵向轴线大致平行于由板120限定的平面且垂直 于横向平面350。
在图示实施方式中，入口 420处于横向平面350之下方，出口 430处 于横向平面350之上方。与进气室310 —样，入口 420和出口 430位于横 向平面350的相反两侧，使得流体流沿对角线横穿排气室410。沿两个室 310、 410的对角线i殳置流体流为气体210和240在所述室之间传递热量提 供了更大的机会。
换热器110的一些实施方式包括多块板120，以形成多个交替的进气 室310和排气室410以《更提供更多的传热。图1和2也可代表这些实施方 式。图5示出沿图2的剖面5-5截取的包括多块板120的排气系统的截面 500。截面500示出形成交替的进气室510和排气室520的多块板120，其 中，所述进气室510敞开以接收来自歧管220的废气。与上述室310、 410相似，每个所述室510、 520由通过隔离件320隔离的两块板120形成，在 所述室510、 520之间具有开口以提供入口和出口。应了解，在这些实施方 式以及只具有单独的一组室310、 410的实施方式中，换热器110的外壁也 能够是板120。形成换热器110的一种方法是，组装一叠交替的板120和 隔离件320，并将所述组件焊接在一起或者用螺栓连接在一起。
歧管220也能够包括相对于进气室入口 330布置的一个或更多个叶片， 以减小对所述进气室入口 330附近的流体流的阻力。例如，在图5中叶片 530>^120延伸。叶片530有效增加了入口 330的孔口面积以减小流体 摩擦。在多种实施方式中，叶片530能够连接在板120的端部。在其它实 施方式中，叶片530与板120 —体并且能够在组装换热器110之前通过弯 曲板120的端部来形成。
图6示出沿图2中的剖面6-6截取的排气系统100的截面600。截面 600示出形成交替的进气室510和排气室520的多块板120,其中，所述排 气室520敞开以向歧管220排出废气。歧管230也能够包括相对于排气室 出口 430布置的一个或更多个叶片530,以^f更减小对所述排气室出口 430 附近的流体流的阻力。例如，如图6所示，叶片530vM4ll20延伸。在多 种实施方式中，叶片530也能够从连通燃烧室130的进气室出口 340和排 气室入口 420处的板120的端部延伸。
图7示出沿图1的剖面7-7截取的排气系统100的截面700。截面700 示出形成交替的进气室入口 330和排气室出口 430的多个隔离件320以及 包括叶片530的多块板120的端部视图。在图7中还图示出为防止歧管220 与230之间流体连通而构造的挡板440。
图8和9分别示出另一示例性的排气系统800的顶视图和正视图。排 气系统800大体上与排气系统100相似，只是换热器110的方位不同。具 体地，将所述换热器相对于歧管220、 230和/或燃烧室130旋转，使得换 热器110的横向平面530竖直地而非水平地对齐。因而，挡板440也从水 平的转至竖直的。
如图9所示，排气系统IOO、 800的一些实施方式包括环绕换热器110 和燃烧室130的绝缘层910。绝缘层的使用减小了加热燃烧室130内的废 气所需的能量。更普遍地，应了解，绝缘层910能够单独应用于换热器110、 燃烧室130和歧管220中的任意一个，或者应用于这些部件的任意组合。图10和11为排气系统800的截面。在图10中，截面1000是沿图9 中的穿过进气室310的剖面10-10截取的，且在图11中，截面1100是沿 图9中的穿过排气室410的线11-11截取的。如前，进气室310和排气室 410形成于板120、换热器110的外壁以及隔离件320之间。隔离件320 之间的开口形成入口 330、 420和出口 340、 430。进气室310在歧管220 和燃烧室130之间流体连通。排气室410在燃烧室130和歧管230之间流 体连通。在多个实施方式中，歧管220和230由通过竖直的挡板440隔离 的连续的管子组成。
换热器110的特征还在于横向平面1010,其中入口 330处于横向平面 1010之下方且出口 340处于横向平面1010之上方。同4羊，入口 420处于 横向平面1010之下方且出口 430处于横向平面1010之上方。入口 330、 420和出口 340、 430处于^f黄向平面1010的相反两侧，4吏得流体沿对角线 流过所述室310、 410。
图12示出沿剖面12-12截取的排气系统800的歧管220内的截面1200。 截面1200示出形成交替的进气室510和排气室520的多块板120。如上， 每个所述室510、 520形成于两块板120和隔离件320之间。图12示出用 于能够^120的端部伸出的叶片530的多个可替代的概念。在一些实施 方式中，叶片1210布置于开口的两侧。在另一些实施方式中，叶片1220 能够成形为球状，叶片1230能够具有不同的长度，并且叶片1240能够成 形为流线型。当连续的开口上的叶片530如同在图5和6中一样以逐渐增 加的方式延伸至歧管中，或者如同连排的叶片1220、 1230和1240 —样时， 则称叶片530为"羽状排列"。羽状排列进一步有助于引导相应歧管内的 气流以减小流动摩擦损失。
图13示出沿剖面13-13截取的排气系统800的截面1300。截面1300 示出形成交替的进气室入口 330和排气室出口 430的多个隔离件320以及 包括叶片530的多块板120。还图示了为防止歧管220和230之间的流体 连通而构造的挡板440。应了解，在这些实施方式中，歧管220和230限 定了分开的但是平行的纵向轴线。这些轴线大致垂直于由板120限定的平 面且平行于横向平面350。
应注意逆流换热器110的几个其它优点。例如，这些换热器是自洁式 的。应了解，如果其中一块板120的内表面上形成沉积物，则对所述沉积 物周围的废气的节流作用将趋向于导致在该节流处的温度的局部升高。最终，该局部温度升高将达到沉积物质的点火温度，致使所述沉积物被燃烧
掉。换热器110的另一优点在于，所述室310、 410的加热后的内表面减小 了对穿过所述室310、 410的流体流的阻力，从而降低了穿过排气系统IOO 的热量损失。此外，应了解，由于当废气流经连续的开口时要经过膨胀和 收缩，换热器110能够用于消声。通过调整所述室的尺寸使其起共振室的 作用，能够进一步加强消声效果。因而，换热器110能够取代车辆上的消 声器。
图14示出包括诸如柴油机这样的内燃发动机1410的车辆1400的示意 图。车辆1400还包括排气系统1420,所述排气系统1420包括从发动机1410 至逆流换热器1440的排气管1430、燃烧室1450以及辐射源1460。车辆 1400另外包括用于控制所述辐射源的动力的控制器1470。所述控制器1470 能够联接至发动机1410，因而例如当所ii^L动机不运转时无动力传送至所 述辐射源1460。控制器1470也能够按照响应发动机1410的运转状态的方 式来控制辐射源1470。而且，控制器1470也能够才艮据燃烧室1450中的状 态来控制辐射源1460。例如，控制器1470能够监测燃烧室1450中的热电 偶,使得当燃烧室1450内的温度足够高以便维持自给式燃烧反应时无动力 传送至辐射源1460。
在前述说明书中，参考具体的实施方式描述了本发明，但是本领域技 术人员应当认识到本发明不局限于所述实施方式。可以单独或者结合使用 上述的本发明的各种特征和方面。此外，在不偏离说明书的较广的精神和 范围的情况下，本发明能够用于在此所述的环境和应用之外的多个环境和 应用中。因此，所述i兌明书和附图应当作g—i兌明性的而非限制性的。应当 认识到，这里使用的术语"包括，，和"具有"具体应当被视作开放式技术 术语。
权利要求
1. 一种排气系统，包括逆流换热器，其包括限定平面并隔离排气室与进气室的板，每个室都具有定位于相对端以允许气流从中穿过的入口和出口；第一歧管，其联接至所述逆流换热器并与所述进气室的入口流体连通；以及处于所述第一歧管内的叶片，其相对于所述进气室的入口布置以便减小对所述进气室的入口附近的流体流的阻力。
2. 如权利要求l所述的排气系统，还包括第二歧管，所述第二歧管联 接至所述逆流换热器并通过所述排气室的出口与所述逆流换热器流体连 通。
3. 如权利要求2所述的排气系统，其中，所述第一歧管和第二歧管相 连并由挡板隔离。
4. 如权利要求3所述的排气系统，其中，所述第一歧管和第二歧管共 用大致平行于所i^的所述平面的共同的纵向轴线。
5. 如权利要求3所述的排气系统，其中，所述第一歧管和第二歧管各 自限定大致垂直于所^的所述平面的纵向轴线。
6. 如权利要求l所述的排气系统，其中，所述叶片从所iiil的端部延伸。
7. 如权利要求l所述的排气系统，其中，所述叶片包括圆形端部。
8. 如权利要求1所述的排气系统，还包括与所述进气室的出口和所述 排气室的入口流体连通的加热歧管。
9. 如权利要求8所述的排气系统，还包括构造成在所述加热歧管内产 生辐射的辐射源。
10. 如权利要求l所述的排气系统，其中，所述逆流换热器还包括绝热层。
11. 如权利要求l所述的排气系统，还包括多个板，每个板都包括从 其上延伸的叶片，其中所述叶片成羽状排列。
12. —种排气系统，包括 第一歧管；以及逆流换热器，其联接至所述第一歧管并包括 横向平面，以及用于隔离多个室的多个平行板，每个所述室都具有入口和出口， 所述室包括与 一组排气室交替的一组进气室，所述进气室的入口与所述第 一歧管流体连通，而且所述进气室的出口与所述排气室的入口流体连通。
13. 如权利要求12所述的排气系统，其中，所述进气室的入口布置于 所逸横向平面之下方。
14. 如权利要求13所述的排气系统，其中，所述进气室的出口布置于 所述横向平面之上方。
15. 如权利要求14所述的排气系统，其中，所述排气室的入口布置于 所述横向平面之下方。
16. 如权利要求15所述的排气系统，其中，所述排气室的出口布置于 所述横向平面之上方。
17. 如权利要求12所述的排气系统，还包括联接至所述逆流换热器的 加热歧管，其中，所述进气室的出口通过所述加热歧管与所述排气室的入 口流体连通。
18. 如权利要求17所述的排气系统，还包括构造成在所述加热歧管内 产生辐射的辐射源。
19. 如权利要求12所述的排气系统，还包括第二歧管，所述第二歧管 联接至所述逆流换热器并通过所述排气室的出口与所述逆流换热器流体连通o
20. —种车辆，包括 内燃发动机；以及排气系统，其用于去除来自所述内燃发动机的废气中的微粒，并包括 第 一歧管和逆流换热器，所述逆流换热器联接至所述第 一歧管并包括 用于隔离多个室的多个平行板，每个所述室都具有入口和出口，所述室包 括与 一组排气室交替的一组进气室，所述进气室的入口与所述第 一歧管流 体连通，而且所述进气室的出口与所述排气室的入口流体连通。
21. 如权利要求20所述的车辆，还包括多个从所i^U^伸到所述第一 歧管内的叶片。
22. 如权利要求21所述的车辆，其中，所述叶片成羽状排列。
23. 如权利要求20所述的车辆，还包括联接至所述逆流换热器的燃烧 室，其中，所述进气室的出口通过所述燃烧室与所述排气室的入口流体连 通。
24. 如权利要求20所述的车辆，其中，所述逆流换热器还包括绝热层。
25. 如权利要求20所述的车辆，其中，所述室构造成起共振室的作用。
26. 如权利要求20所述的车辆，还包括在所述进气室的出口和所述排 气室的入口之间提供流体连通的加热歧管。
27. 如权利要求26所述的车辆，其中，所述加热歧管为包括辐射源的 燃烧室。
全文摘要
一种排气系统，包括具有用于隔离排气室与进气室的板的逆流换热器，每个室都具有定位于相对端以允许气流体从其中穿过的入口和出口。所述板能够包括连接至所述入口或者出口附近的板端部的叶片。构造所述叶片用以减小对所述进气室入口附近的流体流的阻力。所述排气系统包括诸如燃烧室这样的加热歧管，该加热歧管构造成接收来自进气室的废气流、进一步加热所述废气流、以及使所述废气流返回至排气室。所述系统的实施方式能够被构造成另外起到催化转化器和/或者消声器的作用。
文档编号F01N5/02GK101438036SQ200780015095
公开日2009年5月20日 申请日期2007年2月28日 优先权日2006年4月26日
发明者林科尔恩·埃万斯-博尚 申请人:立解净化工程公司