用于内燃机的排气系统的加热装置的制作方法

用于内燃机的排气系统的加热装置
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求于2020年12月23日提交的申请号第102020000032171号的意大利专利申请的优先权，该专利申请的全部公开内容通过引用以其全文并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种用于内燃机的排气系统的加热装置。


背景技术：

4.一个内燃机的排气系统，包括排气管道，沿该排气管道安装有至少一个用于处理来自内燃机的废气的装置；特别是，总是有催化转化器(氧化催化转化器或还原催化转化器)，可在其上添加微粒过滤器。催化转化器为了工作(即为了进行催化转化)，需要在相对较高的工作温度下工作(现代催化转化器甚至在接近800℃的温度下工作)，因为只有在达到工作温度后，才会发生将未燃烧的碳氢化合物、氮氧化物和一氧化碳转化为二氧化碳、水和氮气的化学反应。
5.在冷启动阶段(即内燃机在长时间关闭后重新开启，从而使内燃机的不同部件的温度达到环境温度时)，催化转化器的温度在相对较长的时间内(甚至在冬季和城市旅行期间的几分钟内，在这期间内燃机空转或运行非常缓慢)，仍显着低于工作温度。因此，在冷启动阶段，即在催化转化器尚未达到其工作温度的时间内，污染排放非常高，因为催化转化器的净化效果接近于零，或者说，无论如何，几乎没有效果。
6.为了加速达到催化转化器的工作温度，专利文献ep0631039a1、wo2012139801a1、us8006487b2、us2011289906a1和ep2713022a1建议沿排气管道安装加热装置，该加热装置通过燃烧燃料，产生流经催化转化器的(非常)热的气流。特别地，加热装置包括燃烧室，该燃烧室在出口处连接至排气管道(紧靠催化转化器的上游)，并且在入口处连接至风扇，该风扇产生流经燃烧室的气流；在燃烧室中还有燃料喷射器，该燃料喷射器喷射燃料以与空气混合，以及火花塞，该火花塞循环地产生火花，以点燃空气-燃料混合物，从而获得加热空气的燃烧。
7.在已知的加热装置中，在所有的操作条件下燃料的燃烧并不总是充分的，因此，可能会发生(尤其是当大量燃料被喷射以产生大量热量时)未燃烧的燃料到达排气管道并在排气管道内燃烧，从而在局部形成突然的、意外的和不希望的温度升高。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种用于内燃机的排气系统的加热装置，所述加热装置允许燃料完全燃烧(即不将未燃烧的燃料引入排气管道)，此外，其制造简单且经济。
9.根据本发明，提供了一种用于内燃机的排气系统的加热装置；该加热装置包括：
10.管状主体，其在内侧设有燃烧室；
11.燃料喷射器，其穿过该管状主体的底壁安装，以便将燃料喷射到燃烧室中；
12.至少一个入口开口，其可连接至风扇以接收气流，该气流被引导至燃烧室并与燃料混合；
13.进料通道，其接收来自入口开口的空气，环绕燃料喷射器的端部并以喷嘴为末端，该喷嘴被布置在燃料喷射器的喷射点周围；以及
14.火花塞，其穿过管状主体的侧壁安装，以触发空气和燃料的混合物的燃烧；
15.该加热装置的特征在于，该燃料喷射器被配置为将至少80％的燃料喷射到进料通道的内表面上。
16.所附权利要求书描述了本发明的优选实施例，并构成说明书的组成部分。
附图说明
17.现在将参考示出本发明的非限制性实施例的附图来描述本发明，其中：
18.图1是根据本发明的设有加热装置的内燃机的排气系统的示意性局部视图；
19.图2是图1的加热装置的示意性纵向剖视图，为了更清楚起见，去除了部分部件；以及
20.图3是图2的细节的放大视图。
21.本发明的优选实施方案
22.在图1中，数字1作为一个整体表示内燃机2的排气系统。
23.排气系统1包括排气管道3，该排气管道起始于内燃机2的排气歧管，并以消音器4为末端，废气从消音器4释放到大气中。沿着排气管道3安装有至少一个用于处理来自内燃机的废气的装置5；特别是，总是有催化转化器(氧化催化转化器或还原催化转化器)，可在其上添加微粒过滤器。催化转化器为了工作(即为了进行催化转化)，需要在相对较高的工作温度下工作(现代催化转化器在甚至接近800℃的温度下工作)，因为只有在达到工作温度后，才会发生将未燃烧的碳氢化合物、氮氧化物和一氧化碳转化为二氧化碳、水和氮气的化学反应。
24.为了加速处理装置5的加热，即为了允许处理装置5更快地达到其工作温度，排气系统1包括加热装置6，该加热装置通过燃烧燃料，产生流经处理装置5的(非常)热的气流。
25.加热装置6包括燃烧室7，其在出口处连接至排气管道3(紧靠处理装置5的上游)，并且在入口处连接至风扇8(即连接至空气泵)，该风扇产生流经燃烧室7的气流；在燃烧室7中还有燃料喷射器9，该燃料喷射器喷射燃料以与空气混合，以及火花塞10，该火花塞循环地产生火花，点燃空气-燃料混合物，以获得加热空气的燃烧。加热装置6的燃烧室7的末端是出口管道11，该出口管道通向排气管道3(紧靠处理装置5的上游)。
26.根据图2，加热装置6包括具有纵向轴线13的管状主体12(例如，具有圆柱形的形状，并且具有圆形或椭圆形的横截面)；管状主体12在两端由两个相对的底壁14和15限定，并且在横向由侧壁16限定，该侧壁16将两个底壁14和15彼此连接。底壁14在中心处打孔，以容纳燃料喷射器9，该燃料喷射器9同轴安装到管状主体12(即与纵向轴线13同轴)；换言之，燃料喷射器9穿过管状主体12的底壁14安装，以将燃料喷射到燃烧室7中。类似地，底壁15在中心处打孔，以便安装到出口管道11上，该出口管道11的末端是排气管道3；也就是说，底壁15具有出口开口17，以便将热空气排出燃烧室7，而出口管道11从燃烧室7开始。
27.根据图2，通过管状主体12获得入口开口18的(至少)一部分，入口开口18通过入口
管道19(如图1中所示)连接到风扇8，以便接收气流，该气流被引向燃烧室7，并与由燃料喷射器9喷射的燃料混合。优选地，空气以切向定向(相对于管状主体12)的气流流入入口开口18，即入口管道19(相对于管状主体12而言)是切向定向的。
28.根据图1所示的一个可能的但非约束性的实施例，在入口开口18的区域具有止回阀20，其允许空气只流向燃烧室7(即流入管状主体12)。优选地，止回阀20是被动阀(即不包括产生运动的电动致动器、液压致动器或气动致动器)，其是由压力控制的，并且仅当止回阀20上游的压力高于止回阀20下游的压力时，其才会打开。止回阀20的作用是，在不使用加热装置6时(即当风扇8关闭时)，防止废气回流直至它们从入口开口18流出，从而不经过处理装置5就被释放到大气中。替代地，止回阀20可以沿着出口管道11安装，例如在出口开口17的区域；在这种情况下，止回阀20允许空气只从燃烧室7流出(从管状主体12流出)并流向排气管道3，即阻止废气从排气管道3流向燃烧室7(进入管状主体12)。
29.根据图2，加热装置6包括进料通道21，该进料通道21从入口开口18接收空气，环绕燃料喷射器9的端部并以喷嘴22为末端，该喷嘴被布置为环绕燃料喷射器9的喷射点(即环绕燃料喷射器9的喷头，燃料从该喷头处流出)。
30.火花塞10穿过管状主体12的侧壁16安装，以触发空气和燃料混合物的燃烧，该混合物是由混合空气和燃料而获得的，其中该空气从入口开口18流入管状主体12，并经由进料通道21的喷嘴22被引入燃烧室7，且燃料则由燃料喷射器9喷射到燃烧室7中。特别地，管状主体12的侧壁16具有通孔，该通孔的方向是径向的(即垂直于纵向轴线13)，并且其在内侧容纳(旋入其中)火花塞10(该火花塞显然是径向的)。
31.加热装置6包括静态混合器23(即没有移动部件)，其具有环形的形状，被布置为沿着进料通道21并且环绕燃料喷射器9，并且其被配置为在流向喷嘴22的空气中产生湍流，特别是旋流运动。
32.根据附图中所示的优选但非约束性的实施例，在静态混合器23的下游，进料通道21的横截面面积逐渐减小，以形成空气速度的增加。特别地，在静态混合器23的下游，进料通道21具有横截面积恒定的初始部分、横截面积逐渐减小的中间部分以及直到喷嘴22为止横截面积恒定的末端部分。
33.进料通道21在外侧由(至少部分是锥形的)外管状主体24限定，并且在内侧由(至少部分是锥形的)内管状主体25限定，该内管状主体环绕燃料喷射器9并且在内部包含燃料喷射器9。也就是说，进料通道21被限定在内管状主体25和外管状主体24之间。特别地，两个管状主体24和25交替使用锥形部分(即具有逐渐减小其尺寸的会聚形状)与圆柱部分(即具有恒定尺寸的形状)。
34.根据一个优选实施例，空气以切向向定向的气流流入进料通道21，以便具有旋流运动(随后通过静态混合器23的作用而增加)，这有助于将空气与由燃料喷射器9喷射的燃料进行混合；换句话说，通过与燃烧室7相切的管道将氧化空气引入燃烧室7中，使得氧化空气获得循环运动(并通过静态混合器23的存在进一步增强)，以优化燃烧室7内空气和燃料的混合。
35.根据图3，燃料喷射器9被配置为将至少80％(并且优选地至少90-95％，甚至高达100％)的燃料喷射到进料通道21的内表面26上；即，燃料喷射器9不直接将燃料引向进料通道21的外部，而是相反地，将燃料(基本上是全部的燃料，即100％的燃料)引向进料通道21
的内表面26，从而使从燃料喷射器9流出的所有燃料在通过喷嘴22流出进料通道21之前，先初步撞击内表面26。燃料对内表面26的冲击使得由燃料喷射器9喷出的燃料液滴以非常有效的方式被雾化，并且通过这样做，所述燃料与沿着进料通道21流动的空气的混合得到显着改善；空气和燃料之间的混合的改善，确保了燃料的理想燃烧，特别是完全燃烧，从而防止部分未燃烧的燃料从燃烧室7中流出。
36.根据一个优选实施例，燃料喷射器9被配置为喷射燃料喷射流27，该燃料喷射流在中心具有圆锥形中空形状，即具有形状类似环形的横截面，其中燃料聚集在外围；特别地，根据图3所示的实施例，燃料喷射流27的外表面具有大约70
°
的开口角α(例如，范围在65
°
和75
°
之间)，并且燃料喷射流27的内表面具有大约50
°
的开口角β(例如，范围在45
°
到55
°
之间)。换句话说，喷射器9产生的燃料喷射流27具有圆锥形状(圆锥的顶点靠近喷嘴)，并且在中心具有孔(即没有燃料的区域)，该孔也具有圆锥形状(圆锥的顶点靠近喷嘴)；因此，由于中心孔的存在，由燃料喷射器9产生的燃料喷射流27具有圆锥壳的形状，即具有内部中空的圆锥体形状。
37.如上所述，进料通道21在外侧由外管状主体24(其具有进料通道21的内表面26)限定，并且在内侧由内管状主体25限定，该内管状主体25环绕燃料喷射器9并且在内部包含燃料喷射器9。外管状主体24包括锥形部分28，该锥形部分的尺寸向喷嘴22的方向减小；此外，根据附图所示的一个优选实施例，外管状主体24还包括圆柱部分29，该圆柱部分被布置在该锥形部分28的下游并以喷嘴22为末端。根据此处未示出的一个不同的实施例，外管状主体24没有圆柱部分29，并且因此，其包括唯一的锥形部分28。根据此处未示出的另一个实施例，圆柱部分29可由另一锥形部分代替，该另一锥形部分具有比锥形部分28的锥度(会聚)更小的锥度(会聚)。
38.在附图所示的实施例中，燃料喷射器9被配置为将燃料的至少一部分喷射到外管状主体24的圆柱部分29(或另一锥形部分)上；特别地，燃料喷射器9被配置为将燃料的最大部分(几乎全部，或基本上全部，即100％)喷射到外管状主体24的圆柱部分29(或另一锥形部分)上。根据一个不同的实施例，燃料喷射器9被配置为将燃料的至少一部分喷射到外管状主体24的圆柱部分29(或另一锥形部分)上，并且将燃料的至少一部分喷射到外管状主体24的锥形部分28；例如，燃料喷射器9被配置为将大约一半的燃料喷射到外管状主体24的锥形部分28上，并将大约一半的燃料喷射到外管状主体24的圆柱部分29(或另一锥形部分)上。根据另一实施例，燃料喷射器9被配置为将燃料的至少一部分喷射到外管状主体24的锥形部分28上；特别地，燃料喷射器9被配置为将燃料的最大部分(几乎全部)喷射到外管状主体24的锥形部分28上。
39.根据图3，进料通道21的喷嘴22具有圆形形状并具有直径d，其直径的范围为燃料喷射器9的喷射点和喷嘴22之间的轴向距离x(即沿纵向轴线13测量)的50％至110％，优选地为60％至100％。换言之，进料通道21的喷嘴22具有圆形形状并且具有直径d，其直径的范围大于燃料喷射器9的喷射点与喷嘴22之间的轴向距离x的50％(优选地，大于60％)；即燃料喷射器9的喷射点与喷嘴22之间的轴向距离x小于进料通道21的喷嘴22的直径的200％(优选地，小于170％)。因此，向其喷射燃料的管状主体24的圆柱部分29(其为端部)在直径和轴向长度(即沿纵向轴线13测量)之间的比率高，因此，燃料喷射流27必须具有大的开口角α(约70
°
，因此远大于45
°
)，以便将燃料的最大部分喷射到进料通道21的内表面26上，尤
其是喷射到管状主体24的圆柱部分29(其为端部)。
40.根据一个优选的实施例，加热装置6包括控制单元30(在图1中示意性示出)，其被配置为控制加热装置6的整体操作，即以协调的方式控制风扇8、燃料喷射器9和火花塞10，以便尽可能高效地和有效地达到期望的目标(即快速加热处理装置5，而不会因温度过高而损坏处理装置5)。
41.本说明书所描述的实施例可以相互组合，但不会因此而超出本发明的保护范围。
42.上述加热装置6具有许多优点。
43.首先，上述的加热装置6能确保在所有操作条件下(尤其是当大量燃料被喷射以产生大量热量时)，燃料完全燃烧(即不将未燃烧的燃料引入排气管道3)，这要归功于进料通道21的喷嘴22引入的氧化空气和由燃料喷射器9喷射的燃料之间的理想混合。
44.此外，上述的加热装置6相对于其整体尺寸具有高热功率；也就是说，尽管其相对较小，上述的加热装置6也能产生高热功率。
45.最后，上述的加热装置6的制造简单且经济，因为它由几个部件组成，部件的形状并不复杂，并且易于用标准焊缝和接头连接。
46.附图标记列表
47.1 排气系统
48.2 内燃机
49.3 排气管道
50.4 消音器
51.5 处理装置
52.6 加热装置
53.7 燃烧室
54.8 风扇
55.9 燃料喷射器
56.10 火花塞
57.11 出口管道
58.12 管状主体
59.13 纵向轴线
60.14 底壁
61.15 底壁
62.16 侧壁
63.17 出口开口
64.18 入口开口
65.19 入口管道
66.20 止回阀
67.21 进料通道
68.22 喷嘴
69.23 静态混合器
70.24 锥形外管状主体
71.25 锥形内管状主体
72.26 内表面
73.27 燃料喷射流
74.28 锥形部分
75.29 圆柱部分
76.30 控制单元
77.α 角
78.β 角
79.d 直径
80.x 距离