專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)排氣后處理的加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于加熱內(nèi)燃機(jī)的排氣流以使排氣溫度適用于排氣后處理系統(tǒng)的裝置，例如，用于柴油微粒過(guò)濾器的再生，用于加熱柴油氧化催化劑體，和/或用于加熱選擇性催化還原催化劑體。
背景技術(shù)：
排氣后處理系統(tǒng)(例如在微粒過(guò)濾器中)用于從燃燒排氣流中去除特定物質(zhì)，以及用于將某些燃燒產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，例如將氮氧化物(NOx)選擇性地催化轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退＠?，柴油微粒過(guò)濾器用于在微粒物質(zhì)(尤其是不完全燃燒的產(chǎn)物)排放至周圍環(huán)境中之前將其除去。所收集的微粒物質(zhì)最終會(huì)使過(guò)濾器負(fù)荷過(guò)重，因此必須將其除去。目前使用的方案是一種被稱為過(guò)濾器再生的方法，它升高過(guò)濾器的溫度來(lái)使所收集的微粒物質(zhì)燃燒。實(shí)現(xiàn)該過(guò)程最簡(jiǎn)便的方法是升高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的溫度。在某些發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中(例如在公路卡車上的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣達(dá)到了足以將微粒過(guò)濾器加熱到使其再生的溫度；而在另外一些應(yīng)用中，其工作循環(huán)無(wú)法產(chǎn)生足夠高的排氣溫度，因此需要一些干預(yù)。已知存在有多種干預(yù)方法，包括:暫時(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒參數(shù)以升高排氣溫度，以及利用加熱裝置向排氣流中增加熱量。該加熱裝置通常是燃燒器裝置，它使燃料燃燒并將燃燒流引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中。

發(fā)明內(nèi)容
但是，目前的加熱裝置存在一些問(wèn)題，包括:尺寸(當(dāng)該裝置與柴油微粒過(guò)濾器整合為一體時(shí))、成本和操作復(fù)雜性。本發(fā)明涉及一種克服了本領(lǐng)域中的上述問(wèn)題的加熱裝置。本發(fā)明提出了一種加熱裝置，該加熱裝置能夠安裝在適合于其車輛結(jié)構(gòu)的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中，該裝置包括用于接收排氣的入口和用于將(該裝置運(yùn)行時(shí)被加熱的)排氣排出到排氣后處理系統(tǒng)中的出口。根據(jù)本發(fā)明的裝置將加熱裝置與柴油微粒過(guò)濾器分離，從而允許較短的柴油微粒過(guò)濾器，且有益于更方便地安裝該加熱裝置及柴油微粒過(guò)濾器(DPF)。本發(fā)明的裝置也提供這樣的加熱裝置:它使得對(duì)加熱裝置的燃燒控制與對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制分離，因此簡(jiǎn)化了對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的控制，并使得更容易進(jìn)行問(wèn)題的診斷。根據(jù)本發(fā)明的裝置包括殼體和安裝于殼體內(nèi)的燃燒器，該殼體形成有內(nèi)部空間。該殼體具有入口和出口，以將該殼體連接在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道中。所述入口接收排氣，所述出口排出排氣。在該殼體中，排氣被引導(dǎo)而在燃燒器周圍流動(dòng)，但該排氣不構(gòu)成用于所述燃燒器的助燃空氣的一部分。所述裝置還包括空氣輸送裝置，優(yōu)選是由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪壓縮機(jī)。該渦輪壓縮機(jī)的渦輪機(jī)入口連接到排氣管道并可以由閥控制。渦輪機(jī)的出口連接到排氣管道。該渦輪壓縮機(jī)的壓縮機(jī)吸入環(huán)境空氣，將該空氣壓縮，并將壓縮后的空氣傳輸至燃燒器的入口，該壓縮機(jī)的出口連接到所述燃燒器。該壓縮機(jī)的入口可連接到用于發(fā)動(dòng)機(jī)的助燃空氣過(guò)濾器以吸入經(jīng)過(guò)過(guò)濾的空氣，或者具有專用的空氣過(guò)濾器。當(dāng)燃燒器運(yùn)行時(shí)，該裝置控制所述閥打開，以使排氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，并且壓縮機(jī)向燃燒器供給助燃空氣。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流入到所述殼體中并圍繞該燃燒器，來(lái)自該燃燒器單元的熱量被排氣帶走。排氣和來(lái)自燃燒器的燃燒氣體在該殼體中混合，并經(jīng)過(guò)所述殼體的出口流到排氣管道的下游部分或直接進(jìn)入排氣后處理裝置中。


通過(guò)參照以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖來(lái)閱讀，將能更好地理解本發(fā)明，在這些附圖中:圖1是與發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)一起示出的、根據(jù)本發(fā)明的排氣加熱裝置的示意圖；圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的正視圖；圖3是圖2所示的實(shí)施例的截面圖，示出了各個(gè)內(nèi)部部件及結(jié)構(gòu)；圖4是本發(fā)明的渦輪壓縮機(jī)支撐單元的側(cè)視截面圖；圖5是本發(fā)明的燃燒器支撐單元的側(cè)視截面圖；并且圖6是本發(fā)明的燃燒器支撐單元的一個(gè)替代實(shí)施例的側(cè)視截面圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明。圖1是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置40 ( SP，虛線框內(nèi)的各個(gè)部件)、以及內(nèi)燃機(jī)10和排氣后處理系統(tǒng)30、32、34。內(nèi)燃機(jī)10包括用于助燃空氣的進(jìn)氣歧管12以及用于排出排氣14的排氣歧管。排氣管道16將排氣運(yùn)送到渦輪增壓器的渦輪機(jī)18。渦輪機(jī)18由排氣驅(qū)動(dòng)并連接到壓縮機(jī)20以驅(qū)動(dòng)該壓縮機(jī)20。壓縮機(jī)20壓縮環(huán)境空氣，該環(huán)境空氣由助燃空氣進(jìn)氣管線22輸送至進(jìn)氣歧管12。環(huán)境空氣最先被過(guò)濾器24過(guò)濾，以將雜質(zhì)(例如灰塵)從該環(huán)境空氣中除去。在排氣離開渦輪機(jī)18之后，該排氣被一個(gè)或多個(gè)后處理系統(tǒng)處理，以除去污染物和雜質(zhì)。這些后處理系統(tǒng)可包括柴油機(jī)氧化催化器30、微粒過(guò)濾器32和選擇性催化還原催化劑34。這些系統(tǒng)在特定的溫度范圍內(nèi)有效運(yùn)行，但如果排氣溫度不夠高，則需要進(jìn)行一定的加熱。本發(fā)明的裝置40有利地適于向排氣中提供熱量。該加熱裝置40包括殼體42，該殼體42圍成了容納待加熱排氣的內(nèi)部空間44。燃燒器46安裝在殼體42中并包括燃燒室48，燃料在該燃燒室中燃燒。為方便起見，該燃料可由發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料系統(tǒng)(圖中未示出)提供。殼體42包括入口 50和出口 52，該入口 50用于將排氣接收到內(nèi)部空間44中，該出口 52連接到排氣管道16，以將排氣排出至排氣管道16中。排氣渦輪壓縮機(jī)單元60向燃燒器46提供經(jīng)過(guò)壓縮的助燃空氣。渦輪壓縮機(jī)60包括渦輪機(jī)62，該渦輪機(jī)62通過(guò)軸64連接到壓縮機(jī)66以驅(qū)動(dòng)該壓縮機(jī)66。渦輪機(jī)62被連接以通過(guò)入口 70接收排氣。該排氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)62并通過(guò)渦輪機(jī)出口 72排出到所述殼體的內(nèi)部空間44中。如圖1所示，該可以通過(guò)連接到殼體入口 50來(lái)實(shí)現(xiàn)。替代地，也可將殼體42延長(zhǎng)以提供用于渦輪壓縮機(jī)60安裝部位，從而允許渦輪機(jī)出口 72直接連接到所述殼體。根據(jù)另一替代方案，殼體入口 50可以構(gòu)造為較大的管狀結(jié)構(gòu)，以支撐該渦輪壓縮機(jī)并提供該渦輪機(jī)與殼體內(nèi)部空間44的連接。渦輪機(jī)62由閥86控制，該閥86控制通向渦輪機(jī)入口 70的排氣流量。如圖1所示，該閥可布置在渦輪機(jī)入口 70的開口處。替代地，該閥也可在排氣管道和渦輪機(jī)入口 70的接點(diǎn)與排氣管道和渦輪機(jī)出口 72的接點(diǎn)之間布置在該排氣管道中。壓縮機(jī)66通過(guò)進(jìn)氣口 80吸入環(huán)境空氣，將該空氣壓縮，并將壓縮后的空氣輸送至燃燒器46的助燃空氣進(jìn)氣口 49。該環(huán)境空氣最初被過(guò)濾器24獲得，為了方便起見，該過(guò)濾器24可以與發(fā)動(dòng)機(jī)助燃空氣所用的過(guò)濾器是同一個(gè)過(guò)濾器，或者可以是布置在壓縮機(jī)進(jìn)氣口 80處的過(guò)濾器。當(dāng)該加熱裝置40運(yùn)行時(shí)，燃燒器46將燃燒氣體提供至內(nèi)部空間44，該內(nèi)部空間44使燃燒氣體與通過(guò)入口 50進(jìn)入的排氣相混合。排氣流過(guò)燃燒器48外部，這導(dǎo)致一部分熱量從該燃燒器傳遞至排氣，從而加熱該排氣并使燃燒器冷卻。然后，該排氣在燃燒器下游與燃燒氣體混合，此時(shí)的較高溫氣體通過(guò)出口 52排出。加熱裝置40包括控制單元，以控制所述閥的操作以及燃燒器46的燃料噴射和點(diǎn)火。該控制單元將連接在車輛的數(shù)據(jù)總線上，以接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元的信號(hào)，該信號(hào)通常涉及柴油微粒過(guò)濾器(DPF)的再生所需的熱量要求或者將選擇性催化還原催化劑(SCR)或柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)預(yù)熱至運(yùn)行溫度所需的熱量要求，以及接收來(lái)自用于后處理系統(tǒng)30、32和34的電子控制單元的信號(hào)，該信號(hào)可以包括系統(tǒng)的溫度讀數(shù)。該控制單元將響應(yīng)于這些信號(hào)來(lái)操作所述加熱裝置。溫度傳感器54設(shè)置在殼體出口 52處，用于監(jiān)測(cè)從加熱裝置40排出的排氣的溫度。圖2是一種示例性裝置的正視圖，圖3是該示例性裝置的側(cè)視截面圖，其中，為了清楚起見，已經(jīng)移除了某些部件，稍后將對(duì)此做出說(shuō)明。如上所述，裝置110包括殼體112，該殼體112被構(gòu)造為設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)的排氣管道上。殼體112包括入口 114和出口 116，該入口 114用于接收排氣，該出口 116用于排出排氣。殼體112由外壁118形成，外壁118限定了內(nèi)部空間120，排氣從入口 114流經(jīng)該內(nèi)部空間120而到達(dá)出口 116。燃燒器單元130安裝在殼體112中，以向內(nèi)部空間120提供燃燒氣體，該燃燒器單元130可以是任何已知的燃燒器單元。燃燒器單元130具有入口 132和配件134，入口 132用于接收所供給的助燃空氣，配件134用于向噴射器136提供燃料的燃料管線。燃燒器130包括點(diǎn)火裝置(圖中未示出)，以點(diǎn)燃被引入到該燃燒器中的燃料/空氣混合物。燃燒器130包括燃燒室140，燃燒室140布置在殼體112的內(nèi)部空間120中。具有多個(gè)槽或其他開口(圖中未示出)的導(dǎo)流錐142被提供用于以渦漩的方式引導(dǎo)所進(jìn)入的壓縮空氣。另外或替代地，可對(duì)助燃空氣入口 132進(jìn)行定向以在燃燒室140中產(chǎn)生漩渦流。優(yōu)選地，該燃燒室是安裝在內(nèi)部空間120中的圓柱形壁，并且與殼體的壁118間隔開以提供包圍該燃燒室的環(huán)形空間144(該環(huán)形空間144是殼體的所述內(nèi)部空間的一部分)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，壁118可以被隔熱。燃燒室140的外表面包括一個(gè)或多個(gè)翼片146，所述翼片146延伸到環(huán)形空間144中并以漩渦流的方式引導(dǎo)排氣。在燃燒室140下游處，來(lái)自該燃燒室的燃燒氣體與流經(jīng)內(nèi)部空間120的排氣在混合區(qū)域148內(nèi)混合，并且其混合物通過(guò)殼體出口 116排出。根據(jù)該加熱單元具體用途的要求，混合區(qū)域148可長(zhǎng)可短。通過(guò)專用的廢熱渦輪壓縮機(jī)(為清楚起見，圖中未示出)向燃燒器單元110提供助燃空氣，該廢熱渦輪壓縮機(jī)安裝在殼體112上的渦輪壓縮機(jī)支撐部位160處。如本領(lǐng)域公知的，渦輪壓縮機(jī)包括渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。渦輪機(jī)被連接以通過(guò)入口氣門162接收排氣，并通過(guò)出口氣門164使排氣返回到殼體中。殼體112中的閥170控制通向該渦輪機(jī)的排氣流量，以控制渦輪機(jī)的運(yùn)行。在圖3中，閥170以蝶閥的形式示出，其位于入口氣門162和出口氣門164之間。當(dāng)處于開啟位置時(shí)，該閥允許排氣在不受限制的情況下流過(guò)內(nèi)部空間120。為了使渦輪機(jī)能夠運(yùn)行，該閥被樞轉(zhuǎn)至某個(gè)位置，以分流出足量的排氣來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)并在入口氣門162和出口氣門164之間提供壓差。如結(jié)合圖1所描述的，所述渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。如上所述，該壓縮機(jī)將壓縮后的助燃空氣輸送至助燃空氣入口 132。通過(guò)布置具有專用助燃空氣源的加熱器，可提供若干益處。現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)操作是將助燃空氣與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣混合后送入燃燒器單元，這會(huì)導(dǎo)致燃燒器單元的部件被發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的微粒物質(zhì)及未燃燒的燃料污染，本發(fā)明避免了該問(wèn)題。此外，通過(guò)更好地控制空氣/燃料混合物，改善了對(duì)燃燒器單元中的燃燒控制，但發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的可燃空氣量在具體情況下并不總是可控或可知的。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:助燃空氣不是從發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪壓縮機(jī)取得，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒的控制可不必適應(yīng)于燃燒器單元中的燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)不必調(diào)整其運(yùn)行以使燃燒器發(fā)揮作用，同時(shí)，也能避免使用產(chǎn)生較高排氣溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)模式。因此，由于其職責(zé)有限，這種專用渦輪機(jī)單元可以是廉價(jià)的渦輪增壓機(jī)裝置。所述加熱裝置可以構(gòu)造有如圖所示地形成為單個(gè)單元的殼體，或者可以構(gòu)造有渦輪壓縮機(jī)單元及燃燒器單元。這些部件可直接連接，或出于可用空間、排氣管道幾何形狀(角度及轉(zhuǎn)彎)或其他因素的便利性考慮，連接至排氣管道。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明替代實(shí)施例的、示例性的渦輪壓縮機(jī)單元210。渦輪壓縮機(jī)單元210是具有入口 214和出口 216的管狀體，并包括用于渦輪壓縮機(jī)的安裝部位260。該入口和出口可將渦輪壓縮機(jī)單元210連接在排氣管道中。圖5是一個(gè)示例性的燃燒器單元310。該燃燒器單元包括殼體312和上述燃燒器，并具有用于將該單元連接在排氣管道中的入口 314和出口 316。圖6是燃燒器單元410的一個(gè)替代實(shí)施例。燃燒器單元410具有入口 414和出口416，該入口 414和出口 416布置成與殼體412的縱向軸線垂直。已經(jīng)針對(duì)其優(yōu)選原理、實(shí)施例及部件描述了本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離所描述的本發(fā)明范圍的情況下，可以進(jìn)行等效結(jié)構(gòu)、部件以及方法步驟的替換。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的加熱裝置，包括: 殼體，所述殼體具有入口和出口，所述入口用于連接在排氣管道中以接收排氣，所述出口用于連接在排氣管道中以排出排氣，所述殼體形成有內(nèi)部空間； 燃燒器單元，所述燃燒器單元安裝在所述殼體中，以使燃料在所述內(nèi)部空間中燃燒；以及 渦輪壓縮機(jī)，所述渦輪壓縮機(jī)包括渦輪機(jī)和壓縮機(jī)，所述渦輪機(jī)具有用于接收排氣以驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)的入口以及與所述殼體連接以排出排氣的出口，所述壓縮機(jī)由所述渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且所述壓縮機(jī)具有用于接收環(huán)境空氣的入口以及連接以將壓縮空氣輸送到所述燃燒器中的出口。
2.如權(quán)利要求1所述的加熱裝置，其中，所述燃燒器單元包括布置在所述內(nèi)部空間中的燃燒室，所述燃燒室包括圍成一個(gè)燃燒空間的壁，所述壁與所述殼體間隔開，以提供圍繞所述燃燒室的排氣流空間。
3.如權(quán)利要求2所述的加熱裝置，其中，所述殼體的壁被隔熱。
4.如權(quán)利要求2所述的加熱裝置，其中，所述殼體的入口與所述排氣流空間連通，以將排氣引導(dǎo)到所述排氣流空間中。
5.如權(quán)利要求2所述的加熱裝置，其中，所述燃燒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氣流空間中并被定向成以漩渦流的方式引導(dǎo)所述排氣。
6.如權(quán)利要求1所述的加熱裝置，還包括閥，所述閥用于控制通向渦輪機(jī)入口的排氣流量。
7.如權(quán)利要求1所述的加熱裝置，其中，所述殼體的入口包括延長(zhǎng)的管狀構(gòu)件，其中，所述渦輪壓縮機(jī)安裝到所述管狀構(gòu)件上，且所述渦輪機(jī)的入口和所述渦輪機(jī)的出口連接到該管狀構(gòu)件。
8.如權(quán)利要求1所述的加熱裝置，其中，所述燃燒器包括助燃空氣入口，所述助燃空氣入口被連接以接收來(lái)自所述壓縮機(jī)的出口的空氣，所述助燃空氣入口被定向以將所流入的助燃空氣以漩渦的方式引導(dǎo)到所述燃燒器中。
9.如權(quán)利要求1所述的加熱裝置，其中，所述殼體包括混合空間，以允許排氣和來(lái)自所述燃燒器的燃燒氣體在經(jīng)由所述殼體的出口排出之前相互混合。
全文摘要
一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的加熱裝置，包括殼體，其具有入口和出口，該入口用于連接在排氣管道中以接收排氣，該出口用于連接在排氣管道中以排出排氣，所述殼體形成有內(nèi)部空間；燃燒器單元，其安裝在所述殼體的內(nèi)部空間中，以使燃料燃燒；以及渦輪壓縮機(jī)，其包括渦輪機(jī)和壓縮機(jī)，該渦輪機(jī)包括用于接收排氣以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的入口以及與所述殼體連接以排出排氣的出口，該壓縮機(jī)由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)并具有用于接收環(huán)境空氣的入口和連接至所述燃燒器以將壓縮空氣送入所述燃燒器中的出口。該渦輪壓縮機(jī)可在燃燒器單元的上游安裝在所述殼體上。
文檔編號(hào)F01N3/00GK103201469SQ201180040464
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者戴爾·H·胡佛 申請(qǐng)人:馬克卡車公司