本发明涉及柴油车尾气净化处理领域。具体地，本发明涉及用于使柴油车的尾气升温以对尾气进行净化处理的低温升温器。
背景技术：
柴油发动机是靠燃烧柴油获取能量释放的发动机。柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低。柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好，因此，广泛应用于大型柴油设备上，尤其适合于载货汽车的使用，例如大功率高速柴油机主要配套重型汽车、大型客车、工程机械、船舶、发电机组等。
但是，由于工作压力大，柴油机要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。另外，由于柴油发动机比较笨重，升功率指标不如汽油机(转速较低)，噪声、振动较高，炭烟与颗粒(pm)排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与co2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，成为“绿色发动机”。
不过，由于柴油车的碳烟与颗粒排放比较严重，所以柴油车的应用受到了比较大的限制。柴油发动机排放污染物控制的重点是pm。要减少柴油机微粒排放来满足排放标准和法规的要求，除采用机内净化外还必须同时采用后处理装置，而微粒捕集器(dpf)是目前提出的控制微粒排放的最有效、最具发展前景的后处理技术之一。
微粒捕集器能够减少柴油发动机所产生的烟灰达90％以上。捕捉到的微粒物质随后通过再生清除。所谓过滤器的再生是指在dpf长期工作中，捕捉器里的颗粒物逐渐增加会引起发动机背压升高，导致发动机性能下降，所以要定期除去沉积的颗粒物，恢复dpf的过滤性能。捕捉器的再生有主动再生和被动再生两种方法：主动再生指的是利用外界能量来提高捕捉器内的温度，使微粒着火燃烧。当捕捉器中的温度达到550℃时，沉积的颗粒物就会氧化燃烧，如果温度达不到550℃，过多的沉积物就会堵塞捕捉器，这时就需要利用外加能源(例如电加热器、燃烧器或发动机操作条件的改变)来提高dpf内的温度，使颗粒物氧化燃烧。被动再生指的是利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度，使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。添加剂(如铈、铁和锶)要以一定的比例加到燃油中，添加剂过多会影响doc的寿命，但是如果过少，就会导致再生延迟或再生温度升高。
2013年5月15日公开的中国专利申请cn103104321a提出了一种柴油发动机排气后处理升温装置及升温方法。在该申请中，使用低温升温器来提升进入dpf的废气的温度，使得累积在dpf中的碳颗粒燃烧，从而使dpf再生。在该申请中，首先利用蓄热体散发的高温热量将空气预热形成过热空气，然后再利用过热空气来预热燃油。然而，在该申请中燃油的雾化并不充分，因此所形成的燃油-空气混合物的燃点较高，导致所需的点火棒温度较高。另外，由于在该申请中的点火棒同时起预热和点火的作用，因此需要长时间保持高温，导致点火棒容易损坏，需要经常更换；并且由于点火棒设置在外护套内部，难以单独更换，从而带来成本增加以及维护不方便等问题。
技术实现要素：
鉴于前述问题，本发明提出一种用于柴油发动机尾气净化处理的低温升温器，所述低温升温器能够在各种复杂工况、尤其是在低温(甚至是低于零度的温度)条件下使燃油或燃油-空气混合物迅速升温，达到燃油的着火点并使其点燃，从而能够将柴油发动机排气快速升温至dpf再生所需的温度。由于燃油和空气在油气混合部中充分混合并雾化，所以得到的燃油-空气混合物的燃点低，有利于点燃。此外，由于点火塞直接固定在外壳体上，所以当其因为高温损坏而需要更换时，可以单独拆卸并进行更换，从而提高维护的便捷程度，降低维护成本。
上述问题通过以下方案得以解决：
在一个方面中，提供一种用于柴油发动机尾气处理的低温升温器。所述低温升温器包括：圆筒形的外壳体，所述外壳体的入口端与柴油车发动机的排气管口连接；靠近所述外壳体的入口端设置的油气混合部，所述油气混合部包括相互配合设置的喷嘴座和喷嘴芯，所述喷嘴座与进气管连接，所述喷嘴芯与进油管连接，所述油气混合部通过所述进油管和所述进气管固定在所述外壳体的侧壁上；设置在所述外壳体中部的点火部，所述点火部包括陶瓷点火塞和安装部，所述陶瓷点火塞通过安装部固定在所述外壳体的侧壁上；和燃烧室，所述燃烧室的入口端与所述油气混合部的喷嘴座连接，沿排气前进的方向延伸，所述陶瓷点火塞前端的点火端经由安装部伸入所述燃烧室中。通过该低温升温器，能够使经过充分混合的燃油-空气混合物充分雾化并降低其燃点，然后经点火棒点火并燃烧，从而使来自柴油发动机的排气温度迅速升高，直至达到安装在下游的微粒捕集器所需的再生温度。
根据前述方面的低温升温器，在所述燃烧室内还设置有喇叭形导管，所述喇叭形导管的一端与所述喷嘴座连接，另一端延伸出多个导管条，所述多个导管条经扩张形成通向所述燃烧室外部的喇叭形导管口。利用该喇叭形导管，能够保护陶瓷点火塞不被新鲜空气吹冷或吹灭，同时也起到引导新鲜空气的作用。
根据前述方面的低温升温器，在所述燃烧室的前端还设置有混合室，所述混合室由第一混合室锥管、混合室直管和第二混合室锥管形成，所述第一混合室锥管的较小端与所述燃烧室连接，以引入燃烧所产生的热气流；所述混合室直管的一端与所述第一混合室锥管的较大端连接，另一端与所述第二混合室锥管的较大端连接，以排出经热气流加热的排气。所述混合室用于使经由燃烧产生的热气流与来自排气管的排气充分混合，从而对排气进行加热。
根据前述方面的低温升温器，所述喷嘴芯配合至所述喷嘴座的内部，所述喷嘴芯中心处设置的喷油口与所述喷嘴座中心处设置的喷雾口对准，共同连通至所述燃烧室。利用该油气混合部，来自进油管的燃油和来自进气管的新鲜空气能够充分混合，并经过喷雾口喷出，使其充分雾化并将其燃点降低，从而有利于在较低的温度下点燃，实现节能和稳定点燃的优点。
根据前述方面的低温升温器，所述进气管具有设置在所述喷嘴座内的第一出气口和第二出气口，所述第一出气口通向所述喷嘴座的内腔，与所述喷雾口连通；所述第二出气口直接通入所述燃烧室。由于该进气管具有两个出气口，所以一部分空气可以被导入油气混合部中，与燃油充分混合形成燃油-空气混合物并雾化；另一部空气可以被直接导入燃烧室中，为燃油的燃烧提供额外的氧气，促进燃油-空气混合物的燃烧，从而达到充分燃烧和节省燃油的目的。
根据前述方面的低温升温器，在所述雾化室和所述喇叭形导管之间还可以设置有环形的空气挡板，在所述空气挡板中等距设置有多个通气孔。该空气挡板能够降低所引入的新鲜空气的流速，对新鲜空气进行导流和分散，从而有利于其与燃油-空气混合物混合，以实现充分燃烧。
根据前述方面的低温升温器，所述进油管和/或所述进气管在所述外壳体内的一部分布置成弯曲管形状、带支路的歧管形状或螺旋盘管形状，所述部分布置在混合室末端内侧或外侧，位于火焰喷出的路径上，优选地，所述弯曲管形状为u形、半圆形或之字形的形状。通过将该部分布置成弯曲管形状、带支路的歧管形状或螺旋盘管形状，能够增加进气管和/或进油管在排气中的行程，即增加其与排气接触的时间，从而充分利用排气自身的温度对引入的新鲜空气或燃油进行预热，有利于之后的点燃。
根据前述方面的低温升温器，在所述混合室的前端还设置有导流风叶。该导流风叶呈顺时针方向设置或呈逆时针方向设置，其能够对来自燃烧室的气体进行顺时针或逆时针整流，起到均匀分散热气流的作用，从而避免火焰和热气流对微粒捕集器的小块区域进行集中加热，解决了微粒捕集器假象再生所导致的频繁再生的问题。
根据前述方面的低温升温器，在所述混合室的前端还设置有扰流器。所述扰流器可以包括壳体、设置在壳体两端的法兰以及设置在壳体内部的多个均压板和多个混合板，所述均压板和所述混合板沿着壳体的圆周内壁均匀地设置；所述均压板和所述混合板与壳体的轴线方向成60°～80°斜向设置，与壳体的内壁成60°～80°顺着混合气体的气流方向设置。所述均压板沿着壳体的轴线方向逆时针斜向设置，所述混合板沿着壳体的轴线方向顺时针斜向设置；或者所述均压板沿着壳体的轴线方向顺时针斜向设置，所述混合板沿着壳体的轴线方向逆时针斜向设置。所述均压板或所述混合板可以为半水滴的形状。通过该扰流器，能够使燃烧所产生的热流与来自发动机的排气流充分混合并交换热量，实现热量的均匀分布，从而保证微粒捕集器能够均衡再生。
根据前述方面的低温升温器，所述外壳体与所述排气管口连接的连接部呈直径渐变的锥体形状，使得所述外壳体的直管部分的内直径大于所述排气管口的内直径。通过增加外壳体的内直径，能够降低排气的流速，从而能够更充分地加热排气。另外，这样的设置还能够降低因设置低温升温器导致的排气背压增加。
根据前述方面的低温升温器，在所述进油管的入口前端处还设置有燃油预热器，以对燃油进行预热。这样能够在燃烧之前进一步升高燃油的温度，使得该低温升温器在极端低温的条件下也能够顺利点燃，从而提高点燃的稳定性。
根据前述方面的低温升温器，在所述外壳体内还设置有内壳体，所述内壳体的出口端与所述外壳体的出口端对齐，所述内壳体的入口端的直径扩大，形成喇叭口形状，位于所述点火塞和所述进气管之间，固定在所述外壳体的内壁上。所述内壳体的设置有利于将排气引入燃烧室中，以与燃烧产生的热气流充分混合。
根据前述方面的低温升温器，在所述第一混合室锥管上等距设置有多个倾斜的排气导入管。所述排气导入管的中心线与所述燃烧室的中心线形成的夹角例如为30度至60度，优选为45度。通过这样倾斜设置的多个排气导入管，能够将来自排气管的排气以一定的角度引入混合室中，与经燃烧产生的热气流相混合，从而使排气被充分加热。
与背景技术相比，本发明所提供的技术方案具有以上描述的诸多优点，例如燃油-空气混合物的充分雾化、燃点降低、充分燃烧、避免微粒捕集器的频繁再生、降低排气背压、稳定可靠地点燃等，这些优点使得本发明所提供的低温升温器能够在极端的工况、尤其是在低于零度的温度下使排气温度升高，从而实现微粒捕集器的再生。这解决了本领域长久以来一直没有能够解决的微粒捕集器再生难题，从而为柴油车、尤其是重型机械用柴油车的广泛应用打下坚实的基础。
附图说明
以下将参考附图来描述本发明。应当理解，附图仅仅是用来以举例的方式解释和说明本发明的原理，而无意于将本发明限制于附图中所显示的具体方案。在附图中：
图1是根据本发明一个实施方案的低温升温器的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施方案的燃烧室喇叭形导管的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施方案的混合室各部件的结构示意图；
图4是根据本发明一个实施方案的油气混合部及其喷嘴座和喷嘴芯的结构示意图；
图5是根据本发明一个实施方案的导流风叶的结构示意图；以及
图6是根据本发明一个实施方案的扰流器的结构示意图。
图中：100-低温升温器；101-外壳体；102-油气混合部；103-点火部；104-燃烧室；105-混合室；106-进气管；107-进油管；201-圆筒形直导管；202-导管条；301-混合室直管；302-第一混合室锥管；303-圆孔；304-第二混合室锥管；401-喷嘴座；402-喷嘴芯；403-喷嘴口；404-出油口；405-第二空气出口；406-第一空气出口；501-导流叶片；600-扰流器；601-扰流器壳体；602-扰流器法兰；603-均压板；604-混合板。
具体实施方式
下面将结合附图描述本发明的具体实施方式。本领域的普通技术人员会理解，以下描述和说明仅仅是为了举例说明本发明的原理，而无意于将本发明的保护范围限制于所例举的各种具体方式。
实施例1：用于柴油发动机尾气净化处理的低温升温器
参考图1，图1显示出根据本发明一个实施方案的低温升温器100的结构示意图。低温升温器100包括：圆筒形的外壳体101，外壳体101的入口端与柴油车发动机的排气管口连接；靠近外壳体101的入口端设置的油气混合部102，油气混合部102包括相互配合设置的喷嘴座401和喷嘴芯402，喷嘴座401与进气管106连接，喷嘴芯402与进油管107连接，油气混合部102通过进油管107和进气管106固定在所述外壳体101的侧壁上；设置在外壳体101中部的点火部103，点火部103包括陶瓷点火塞和安装部，陶瓷点火塞通过安装部固定在外壳体101的侧壁上；和燃烧室104，燃烧室104的入口端与油气混合部102的喷嘴座401连接，沿排气前进的方向延伸，陶瓷点火塞前端的点火端经由安装部伸入燃烧室104中。下面将详细描述低温升温器100的各个部件。
陶瓷点火塞由氮化硅点火针和陶瓷压模而成，可输出1100度的高温来保证引燃工作，且可以在1300度高温情况下正常工作。点火针内设置有耐高温的钨丝或钼丝做导电体。作为另一方案，陶瓷点火塞由氮化硼点火针和陶瓷压模而成，点火针内设置有耐高温的钨丝或钼丝作为导电体。安装部由sus310s材质制成，可耐1200度以上的高温，实时保护陶瓷点火塞的使用性能，延长其使用寿命。以下详细描述基于实施例1的各改进实施例。
实施例1-1：在实施例1的基础上，在所述燃烧室104内还设置有喇叭形导管。喇叭形导管的一端与喷嘴座401连接，另一端延伸出多个导管条，所述多个导管条经扩张形成通向所述燃烧室104外部的喇叭形导管口。
如图2所示，喇叭形导管由圆筒形不锈钢管制成，一端呈圆形，形成圆形直导管201。另一端通过切割形成若干条形导管202，这些条形导管202经过弯曲扩张形成喇叭状，用于引导燃烧所产生的火焰向多个方向喷出，同时保护经陶瓷点火塞产生的火焰不被新鲜空气吹冷或吹灭。另外，该喇叭形导管也起到引导新鲜空气的作用。
实施例1-2：在实施例的基础上，在燃烧室104的前端还设置有用于使经燃烧产生的热气流与来自排气管的排气相混合的混合室105。参考图1和图3，混合室105由第一混合室锥管、混合室直管和第二混合室锥管形成。第一混合室锥管的较小端与燃烧室104连接，用于引入燃烧所产生的热气流。混合室直管的一端与第一混合室锥管的较大端连接，另一端与第二混合室锥管的较大端连接，以排出经热气流加热的排气。
在第一混合室锥管上还以相等的间距设置有多个圆孔，用于安装引入排气的排气引入管。在一个实施方案中，排气引入管为喇叭形的不锈钢管，其直径较大的喇叭口端位于第一混合室锥管外部，用于引入排气。在另一实施方案中，排气引入管是倾斜设置的，其中排气引入管的中心线相对于燃烧室104的中心线或者外壳体101的中心线形成夹角，例如，该夹角为30至60度，例如为35度、40度、45度、50度、55度，优选为45度。这样的倾斜设置有利于将部分发动机排气送入混合室105中与燃烧产生的热气流均匀混合，从而被充分加热。另外，这样的倾斜设置不会大幅增加排气阻力。
实施例1-3：在实施例1的基础上，油气混合部102包括与进油管107连接的喷嘴芯402和与进气管106连接的喷嘴座401。喷嘴芯402配合至喷嘴座401的内部，喷嘴芯402中心处设置有喷油口，喷嘴座401中心处设置有喷雾口，喷油口与喷雾口对准，共同连通至雾化室。
如图4所示，喷嘴芯402与进油管107连接，用于引入燃油，例如柴油、丙烷等。喷嘴芯402固定在喷嘴座401上，其直径较小的前端配合到喷嘴座401的内部，但是两者并不完全吻合，而是形成一定的间隙空间，该间隙空间用作燃油和空气混合的空间。喷嘴座401与进气管106连接，用于引入空气，并使其与燃油在间隙空间内混合，然后通过喷嘴座401上设置的喷雾口喷出，从而使燃油-空气混合物雾化。
实施例1-4：在实施例1-3的基础上，进气管106具有设置在所述喷嘴座401内的第一出气口和第二出气口，如图4中清楚示出的。第一出气口通向喷嘴座401的内腔，与喷雾口连通；第二出气口直接通向雾化室，与燃烧室104连通。从进气管106引入的一部分空气通过第一出气口被导入油气混合部102中，与燃油充分混合形成燃油-空气混合物并雾化。另一部空气通过第二出气口和雾化室被导入燃烧室104中，促进燃油-空气混合物的燃烧，从而达到充分燃烧的目的。
实施例1-5：在实施例1的基础上，在燃烧室104的内壁和喇叭形导管的外壁之间还设置有环形的空气挡板，在空气挡板中等距设置有多个通气孔，用于使来自进气管106的新鲜空气通过。该空气挡板降低了所引入的新鲜空气的流速，对新鲜空气进行导流和分散，从而促进其与燃油-空气混合物混合，实现了充分燃烧。
实施例1-6：在实施例1的基础上，所述进油管107和/或所述进气管106在所述外壳体101内的一部分设置成弯曲管形状、带支路的歧管形状或螺旋盘管形状，布置在混合室105末端内侧或外侧，位于火焰喷出的路径上，优选地，所述弯曲管形状为u形、半圆形或之字形的形状。对于柴油车而言，在温度比较低的地区例如我国东北部地区(尤其是冬天)运行的时候，进入点火器的燃油或新鲜空气的温度都比较低。如果将其直接送入油气混合部102中，则可能燃油不能达到其燃点，因此需要较长时间的预热。为此，在本发明中，将部分进油管107或进气管106布置成弯曲管形状、带支路的歧管形状或螺旋盘管形状，目的是增加进气管106和/或进油管107在排气中的行程，相应增加其与排气接触的时间，从而充分利用排气自身的温度对引入的新鲜空气或燃油进行预热，有利于之后进行的点燃。
在图1所示的实施方案中，进油管107设置成第一进油管部分、第二进油管部分和第三进油管部分，其中第一进油管部分和第三进油管部分均为直管部分，沿外壳体101的侧壁布置在外壳体101内。第二进油管部分设置成螺旋盘管的形状，布置在雾化室的前端，位于火焰喷出的路径上。这样，当燃油在燃烧室104内燃烧并由雾化室的前度喷出时，将第二进油管部分加热，从而使流过其中的燃油进行预热，从而提高其中的燃油温度，有利于后续的燃油充分燃烧。
实施例1-7：在实施例1的基础上，在混合室105的前端设置有导流风叶。参考图5，导流风叶的叶片由不锈钢冲压件制成，呈顺时针方向或逆时针方向设置，用于对来自混合室105的气体进行顺时针或逆时针整流，起到均匀分散热气流的作用，从而避免火焰和热气流对微粒捕集器的小块区域进行集中加热，解决了微粒捕集器假象再生所导致的频繁再生的问题。
实施例1-8：在实施例1的基础上，在混合室105的前端设置有扰流器600。参考图6，扰流器600包括壳体、设置在壳体两端的法兰以及设置在壳体内部的多个均压板603和多个混合板604，均压板603和混合板604沿着壳体的圆周内壁均匀地设置；均压板603和所述混合板604与壳体的轴线方向成60°～80°斜向设置，与壳体的内壁成60°～80°顺着混合气体的气流方向设置。作为一个替代方案，扰流器600可以仅包括均压板603和混合板604，所述均压板603和混合板604直接设置在外壳体101的内壁上，位于混合室105的前端，对排气和热气流起扰流、均压和混合的作用。
在一个实施方案中，均压板603沿着壳体的轴线方向逆时针斜向设置，混合板604沿着壳体的轴线方向顺时针斜向设置。在另一实施方案中，均压板603沿着壳体的轴线方向顺时针斜向设置，混合板604沿着壳体的轴线方向逆时针斜向设置。
在一个实施方案中，均压板603设置为半水滴的形状。在另一实施方案中，均压板603和混合板604均设置为半水滴的形状。通过该扰流器600，燃烧所产生的热流与来自发动机的排气流充分混合并交换热量，实现热量的均匀分布，从而保证了微粒捕集器的均衡再生。
实施例1-9：在实施例1的基础上，外壳体101与排气管口连接的连接部呈内直径逐渐增加的锥体形状，使得外壳体101的直管部分的内直径大于排气管口的内直径。由于外壳体101的直管部分的内直径大于排气管口的内直径，所以当排气从排气管进入外壳体101时，压力减小，流速降低，从而能够与热气流更为充分地混合，即热交换更为充分。另外，这样的设置还降低因低温升温器100的布置导致的排气背压增加。
实施例1-10：在实施例1的基础上，在所述进油管107的入口前端处还设置有燃油预热器，以对燃油进行预热。这样能进一步增加燃油的温度，有利于该低温升温器100在极端低温的条件下的应用。
实施例1-11：在实施例1的基础上，在外壳体101内还设置有内壳体，内壳体的出口端与外壳体101的出口端对齐，内壳体的入口端的直径扩大，形成喇叭口形状，位于所述点火塞和所述进气管106之间，固定在所述外壳体101的内壁上。内壳体的设置有利于将排气引入燃烧室104中，以与燃烧产生的热气流充分混合。
本领域的普通技术人员会理解，上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施方案，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等都落入本发明的保护范围内。