CN103201469B - 用于内燃机排气后处理的加热装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于发动机排气的加热装置，包括：壳体，其具有入口和出口，该入口用于连接在排气管道中以接收排气，该出口用于连接在排气管道中以排出排气，所述壳体形成有内部空间；燃烧器单元，其安装在所述壳体的内部空间中，以使燃料燃烧；以及涡轮压缩机，其包括涡轮机和压缩机，该涡轮机包括用于接收排气以驱动涡轮机的入口以及与所述壳体连接以排出排气的出口，该压缩机由涡轮机驱动并具有用于接收环境空气的入口和连接至所述燃烧器以将压缩空气送入所述燃烧器中的出口。该涡轮压缩机可在燃烧器单元的上游安装在所述壳体上。

Description

用于内燃机排气后处理的加热装置
技术领域
本发明涉及一种用于加热内燃机的排气流以使排气温度适用于排气后处理系统的装置，例如，用于柴油微粒过滤器的再生，用于加热柴油氧化催化剂体，和/或用于加热选择性催化还原催化剂体。
背景技术
排气后处理系统(例如在微粒过滤器中)用于从燃烧排气流中去除特定物质，以及用于将某些燃烧产物转化为其他物质，例如将氮氧化物(NOX)选择性地催化转化为氮气和水。
例如，柴油微粒过滤器用于在微粒物质(尤其是不完全燃烧的产物)排放至周围环境中之前将其除去。所收集的微粒物质最终会使过滤器负荷过重，因此必须将其除去。目前使用的方案是一种被称为过滤器再生的方法，它升高过滤器的温度来使所收集的微粒物质燃烧。实现该过程最简便的方法是升高发动机排气的温度。在某些发动机应用中(例如在公路卡车上的发动机应用中)，发动机排气达到了足以将微粒过滤器加热到使其再生的温度；而在另外一些应用中，其工作循环无法产生足够高的排气温度，因此需要一些干预。
已知存在有多种干预方法，包括：暂时改变发动机燃烧参数以升高排气温度，以及利用加热装置向排气流中增加热量。该加热装置通常是燃烧器装置，它使燃料燃烧并将燃烧流引导到发动机排气中。
发明内容
但是，目前的加热装置存在一些问题，包括：尺寸(当该装置与柴油微粒过滤器整合为一体时)、成本和操作复杂性。本发明涉及一种克服了本领域中的上述问题的加热装置。
本发明提出了一种加热装置，该加热装置能够安装在适合于其车辆结构的车辆发动机排气系统中，该装置包括用于接收排气的入口和用于将(该装置运行时被加热的)排气排出到排气后处理系统中的出口。
根据本发明的装置将加热装置与柴油微粒过滤器分离，从而允许较短的柴油微粒过滤器，且有益于更方便地安装该加热装置及柴油微粒过滤器(DPF)。
本发明的装置也提供这样的加热装置：它使得对加热装置的燃烧控制与对发动机的控制分离，因此简化了对这两个系统的控制，并使得更容易进行问题的诊断。
根据本发明的装置包括壳体和安装于壳体内的燃烧器，该壳体形成有内部空间。该壳体具有入口和出口，以将该壳体连接在发动机排气管道中。所述入口接收排气，所述出口排出排气。在该壳体中，排气被引导而在燃烧器周围流动，但该排气不构成用于所述燃烧器的助燃空气的一部分。
所述装置还包括空气输送装置，优选是由发动机排气驱动的涡轮压缩机。该涡轮压缩机的涡轮机入口连接到排气管道并可以由阀控制。涡轮机的出口连接到排气管道。该涡轮压缩机的压缩机吸入环境空气，将该空气压缩，并将压缩后的空气传输至燃烧器的入口，该压缩机的出口连接到所述燃烧器。该压缩机的入口可连接到用于发动机的助燃空气过滤器以吸入经过过滤的空气，或者具有专用的空气过滤器。
当燃烧器运行时，该装置控制所述阀打开，以使排气驱动涡轮机，并且压缩机向燃烧器供给助燃空气。发动机排气流入到所述壳体中并围绕该燃烧器，来自该燃烧器单元的热量被排气带走。排气和来自燃烧器的燃烧气体在该壳体中混合，并经过所述壳体的出口流到排气管道的下游部分或直接进入排气后处理装置中。
附图说明
通过参照以下详细描述并结合附图来阅读，将能更好地理解本发明，在这些附图中：
图1是与发动机和排气后处理系统一起示出的、根据本发明的排气加热装置的示意图；
图2是本发明一个实施例的正视图；
图3是图2所示的实施例的截面图，示出了各个内部部件及结构；
图4是本发明的涡轮压缩机支撑单元的侧视截面图；
图5是本发明的燃烧器支撑单元的侧视截面图；并且
图6是本发明的燃烧器支撑单元的一个替代实施例的侧视截面图。
具体实施方式
下面将结合附图来描述本发明。图1是示意图，示出了根据本发明的装置40(即，虚线框内的各个部件)、以及内燃机10和排气后处理系统30、32、34。
内燃机10包括用于助燃空气的进气歧管12以及用于排出排气14的排气歧管。排气管道16将排气运送到涡轮增压器的涡轮机18。涡轮机18由排气驱动并连接到压缩机20以驱动该压缩机20。压缩机20压缩环境空气，该环境空气由助燃空气进气管线22输送至进气歧管12。环境空气最先被过滤器24过滤，以将杂质(例如灰尘)从该环境空气中除去。
在排气离开涡轮机18之后，该排气被一个或多个后处理系统处理，以除去污染物和杂质。这些后处理系统可包括柴油机氧化催化器30、微粒过滤器32和选择性催化还原催化剂34。这些系统在特定的温度范围内有效运行，但如果排气温度不够高，则需要进行一定的加热。本发明的装置40有利地适于向排气中提供热量。
该加热装置40包括壳体42，该壳体42围成了容纳待加热排气的内部空间44。燃烧器46安装在壳体42中并包括燃烧室48，燃料在该燃烧室中燃烧。为方便起见，该燃料可由发动机的燃料系统(图中未示出)提供。壳体42包括入口50和出口52，该入口50用于将排气接收到内部空间44中，该出口52连接到排气管道16，以将排气排出至排气管道16中。
排气涡轮压缩机单元60向燃烧器46提供经过压缩的助燃空气。涡轮压缩机60包括涡轮机62，该涡轮机62通过轴64连接到压缩机66以驱动该压缩机66。涡轮机62被连接以通过入口70接收排气。该排气驱动涡轮机62并通过涡轮机出口72排出到所述壳体的内部空间44中。如图1所示，该可以通过连接到壳体入口50来实现。替代地，也可将壳体42延长以提供用于涡轮压缩机60安装部位，从而允许涡轮机出口72直接连接到所述壳体。根据另一替代方案，壳体入口50可以构造为较大的管状结构，以支撑该涡轮压缩机并提供该涡轮机与壳体内部空间44的连接。
涡轮机62由阀86控制，该阀86控制通向涡轮机入口70的排气流量。如图1所示，该阀可布置在涡轮机入口70的开口处。替代地，该阀也可在排气管道和涡轮机入口70的接点与排气管道和涡轮机出口72的接点之间布置在该排气管道中。
压缩机66通过进气口80吸入环境空气，将该空气压缩，并将压缩后的空气输送至燃烧器46的助燃空气进气口49。该环境空气最初被过滤器24获得，为了方便起见，该过滤器24可以与发动机助燃空气所用的过滤器是同一个过滤器，或者可以是布置在压缩机进气口80处的过滤器。
当该加热装置40运行时，燃烧器46将燃烧气体提供至内部空间44，该内部空间44使燃烧气体与通过入口50进入的排气相混合。排气流过燃烧器48外部，这导致一部分热量从该燃烧器传递至排气，从而加热该排气并使燃烧器冷却。然后，该排气在燃烧器下游与燃烧气体混合，此时的较高温气体通过出口52排出。
加热装置40包括控制单元，以控制所述阀的操作以及燃烧器46的燃料喷射和点火。该控制单元将连接在车辆的数据总线上，以接收来自发动机电子控制单元的信号，该信号通常涉及柴油微粒过滤器(DPF)的再生所需的热量要求或者将选择性催化还原催化剂(SCR)或柴油机氧化催化剂(DOC)预热至运行温度所需的热量要求，以及接收来自用于后处理系统30、32和34的电子控制单元的信号，该信号可以包括系统的温度读数。该控制单元将响应于这些信号来操作所述加热装置。温度传感器54设置在壳体出口52处，用于监测从加热装置40排出的排气的温度。
图2是一种示例性装置的正视图，图3是该示例性装置的侧视截面图，其中，为了清楚起见，已经移除了某些部件，稍后将对此做出说明。
如上所述，装置110包括壳体112，该壳体112被构造为设置在内燃机的排气管道上。壳体112包括入口114和出口116，该入口114用于接收排气，该出口116用于排出排气。壳体112由外壁118形成，外壁118限定了内部空间120，排气从入口114流经该内部空间120而到达出口116。
燃烧器单元130安装在壳体112中，以向内部空间120提供燃烧气体，该燃烧器单元130可以是任何已知的燃烧器单元。燃烧器单元130具有入口132和配件134，入口132用于接收所供给的助燃空气，配件134用于向喷射器136提供燃料的燃料管线。燃烧器130包括点火装置(图中未示出)，以点燃被引入到该燃烧器中的燃料/空气混合物。燃烧器130包括燃烧室140，燃烧室140布置在壳体112的内部空间120中。具有多个槽或其他开口(图中未示出)的导流锥142被提供用于以涡漩的方式引导所进入的压缩空气。另外或替代地，可对助燃空气入口132进行定向以在燃烧室140中产生漩涡流。优选地，该燃烧室是安装在内部空间120中的圆柱形壁，并且与壳体的壁118间隔开以提供包围该燃烧室的环形空间144(该环形空间144是壳体的所述内部空间的一部分)。根据本发明的一个方面，壁118可以被隔热。
燃烧室140的外表面包括一个或多个翼片146，所述翼片146延伸到环形空间144中并以漩涡流的方式引导排气。
在燃烧室140下游处，来自该燃烧室的燃烧气体与流经内部空间120的排气在混合区域148内混合，并且其混合物通过壳体出口116排出。根据该加热单元具体用途的要求，混合区域148可长可短。
通过专用的废热涡轮压缩机(为清楚起见，图中未示出)向燃烧器单元110提供助燃空气，该废热涡轮压缩机安装在壳体112上的涡轮压缩机支撑部位160处。如本领域公知的，涡轮压缩机包括涡轮机和压缩机。涡轮机被连接以通过入口气门162接收排气，并通过出口气门164使排气返回到壳体中。壳体112中的阀170控制通向该涡轮机的排气流量，以控制涡轮机的运行。在图3中，阀170以蝶阀的形式示出，其位于入口气门162和出口气门164之间。当处于开启位置时，该阀允许排气在不受限制的情况下流过内部空间120。为了使涡轮机能够运行，该阀被枢转至某个位置，以分流出足量的排气来驱动涡轮机并在入口气门162和出口气门164之间提供压差。
如结合图1所描述的，所述涡轮机驱动压缩机。如上所述，该压缩机将压缩后的助燃空气输送至助燃空气入口132。
通过布置具有专用助燃空气源的加热器，可提供若干益处。现有技术中的常规操作是将助燃空气与发动机排气混合后送入燃烧器单元，这会导致燃烧器单元的部件被发动机排气中的微粒物质及未燃烧的燃料污染，本发明避免了该问题。此外，通过更好地控制空气/燃料混合物，改善了对燃烧器单元中的燃烧控制，但发动机排气中的可燃空气量在具体情况下并不总是可控或可知的。
另一个优点是：助燃空气不是从发动机涡轮压缩机取得，因此，对发动机中的燃烧的控制可不必适应于燃烧器单元中的燃烧。发动机不必调整其运行以使燃烧器发挥作用，同时，也能避免使用产生较高排气温度的发动机模式。
因此，由于其职责有限，这种专用涡轮机单元可以是廉价的涡轮增压机装置。
所述加热装置可以构造有如图所示地形成为单个单元的壳体，或者可以构造有涡轮压缩机单元及燃烧器单元。这些部件可直接连接，或出于可用空间、排气管道几何形状(角度及转弯)或其他因素的便利性考虑，连接至排气管道。
图4示出了根据本发明替代实施例的、示例性的涡轮压缩机单元210。涡轮压缩机单元210是具有入口214和出口216的管状体，并包括用于涡轮压缩机的安装部位260。该入口和出口可将涡轮压缩机单元210连接在排气管道中。
图5是一个示例性的燃烧器单元310。该燃烧器单元包括壳体312和上述燃烧器，并具有用于将该单元连接在排气管道中的入口314和出口316。
图6是燃烧器单元410的一个替代实施例。燃烧器单元410具有入口414和出口416，该入口414和出口416布置成与壳体412的纵向轴线垂直。
已经针对其优选原理、实施例及部件描述了本发明。本领域技术人员应当理解，在不偏离所描述的本发明范围的情况下，可以进行等效结构、部件以及方法步骤的替换。

Claims (10)

1.一种用于发动机排气的加热装置，包括：
壳体，所述壳体具有入口和出口，所述入口用于连接在排气管道中以接收排气，所述出口用于连接在排气管道中以排出排气，所述壳体形成有内部空间；
燃烧器单元，所述燃烧器单元安装在所述壳体中，以使燃料在所述内部空间中燃烧；以及
安装到所述壳体的涡轮压缩机，所述涡轮压缩机包括涡轮机和压缩机，所述涡轮机具有用于接收排气以驱动所述涡轮机的入口以及与所述壳体连接以排出排气的出口，所述压缩机由所述涡轮机驱动，所述压缩机具有用于接收环境空气的入口以及被连接以将压缩空气仅输送到所述燃烧器中的出口。
2.如权利要求1所述的加热装置，其中，所述燃烧器单元包括布置在所述内部空间中的燃烧室，所述燃烧室包括围成一个燃烧空间的壁，所述壁与所述壳体间隔开，以提供围绕所述燃烧室的排气流空间。
3.如权利要求2所述的加热装置，其中，所述壳体的壁被隔热。
4.如权利要求2所述的加热装置，其中，所述壳体的入口与所述排气流空间连通，以将排气引导到所述排气流空间中。
5.如权利要求2所述的加热装置，其中，所述燃烧室的壁包括形成在外表面上的翼片，所述翼片延伸到所述排气流空间中并被定向成以漩涡流的方式引导所述排气。
6.如权利要求1所述的加热装置，还包括阀，所述阀用于控制通向涡轮机入口的排气流量。
7.如权利要求1所述的加热装置，其中，所述壳体的入口包括延长的管状构件，其中，所述涡轮压缩机安装到所述管状构件上，且所述涡轮机的入口和所述涡轮机的出口连接到该管状构件。
8.如权利要求1所述的加热装置，其中，所述燃烧器包括助燃空气入口，所述助燃空气入口被连接以接收来自所述压缩机的出口的空气，所述助燃空气入口被定向以将所流入的助燃空气以漩涡的方式引导到所述燃烧器中。
9.如权利要求1所述的加热装置，其中，所述壳体包括混合空间，以允许排气和来自所述燃烧器的燃烧气体在经由所述壳体的出口排出之前相互混合。
10.一种用于发动机排气的加热装置，包括：
壳体，所述壳体包括延长的管状构件并具有入口和出口，所述入口用于连接在排气管道中以接收排气，所述出口用于连接在排气管道中以排出排气，所述壳体形成有内部空间；
燃烧器单元，所述燃烧器单元安装在所述壳体中，以使燃料在所述内部空间中燃烧；以及
涡轮压缩机，所述涡轮压缩机包括涡轮机和压缩机，所述涡轮机具有用于接收排气以驱动所述涡轮机的入口以及与所述壳体连接以排出排气的出口，所述压缩机由所述涡轮机驱动，所述压缩机具有用于接收环境空气的入口以及被连接以将压缩空气仅输送到所述燃烧器中的出口，其中，所述涡轮压缩机安装到所述管状构件上，且所述涡轮机的入口和所述涡轮机的出口连接到该管状构件。
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