本公開涉及一種用于降低由烴燃料內(nèi)燃發(fā)動機排放的經(jīng)催化燃燒排氣的峰值溫度的系統(tǒng)，該烴燃料內(nèi)燃發(fā)動機具有典型地用于小型動力設(shè)備和動力工具的短長度排氣系統(tǒng)。期望這種系統(tǒng)降低起火、設(shè)備損壞、操作者和系統(tǒng)附近的人員受傷的風(fēng)險。

背景技術(shù)：

1、內(nèi)燃發(fā)動機利用燃燒，燃燒是從燃料和空氣混合物中釋放能量的化學(xué)過程。內(nèi)燃發(fā)動機在其核心處將來自燃料和空氣的燃燒的能量轉(zhuǎn)換成功，功被定義為力乘以距離。例如，在典型的火花點火式內(nèi)燃發(fā)動機中，燃料與空氣混合并且被迫使進入氣缸，燃料與空氣然后被活塞壓縮并且被火花點火，這就是燃燒。所產(chǎn)生的燃燒氣體的膨脹推動活塞，該活塞進而使連接至動力傳動系中的齒輪系統(tǒng)的曲軸旋轉(zhuǎn)。動力傳動系進而將發(fā)動機產(chǎn)生的動力和扭矩施加到正在使用的任何應(yīng)用(例如，汽車的車輪、發(fā)電機的交流發(fā)生器、割草機的切割刀片等)。存在燃燒的兩種主要副產(chǎn)物，即熱量和排氣。必須仔細地控制熱量和排氣兩者，以防止發(fā)動機失效、對操作者造成傷害、以及對附近環(huán)境和人員造成損害。

2、如所提及的，內(nèi)燃發(fā)動機使燃料和空氣的混合物燃燒。用于內(nèi)燃發(fā)動機的燃料典型地是排他地由氫原子和碳原子構(gòu)成的烴燃料。空氣主要由氮氣(大約78％)和氧氣(大約21％)構(gòu)成。在燃料-空氣混合物的燃燒期間，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其中烴與氧氣反應(yīng)以產(chǎn)生二氧化碳、水和熱量。具體地說，烴燃料中的碳與空氣中的氧結(jié)合，產(chǎn)生二氧化碳(co2)，烴燃料中的氫與空氣中的氧結(jié)合，產(chǎn)生水蒸氣(h2o)。包含在空氣中的大部分氮氣(n2)穿過內(nèi)燃發(fā)動機。因此，在完全燃燒中，僅有的排放物是氮氣(n2)、二氧化碳(co2)和水蒸氣(h2o)。

3、然而，不幸的是，內(nèi)燃發(fā)動機中的燃燒從來都不是完全的，并且還產(chǎn)生了一些較少量的有害副產(chǎn)物。最常見的有害副產(chǎn)物是一氧化碳(co)、烴類或揮發(fā)性有機化合物(voc，主要是蒸發(fā)的、未燃燒的燃料)；以及氮氧化物(no和no2，一起稱為nox)。這些有害副產(chǎn)物帶來嚴(yán)重的健康和環(huán)境風(fēng)險。因此，自大約二十世紀(jì)八十年代以來，政府機構(gòu)(例如美國的epa)已經(jīng)立法規(guī)定，在大多數(shù)新汽車、卡車、以及船只中使用的較大型內(nèi)燃發(fā)動機包括催化轉(zhuǎn)化器以消除或減少由燃燒過程產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物的量。

4、催化轉(zhuǎn)化器利用催化事件(即化學(xué)反應(yīng))在非常高的溫度下燒盡燃燒排氣的有害副產(chǎn)物。催化轉(zhuǎn)化器典型地包括兩種類型的催化劑：還原催化劑和氧化催化劑。這些轉(zhuǎn)化器由涂覆有金屬催化劑的陶瓷結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該金屬催化劑通常包含鉑、銠和/或鈀。還原催化劑使用鉑和銠通過將分子分離成氮氣和氧氣來幫助減少nox排放。氮被捕獲在催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)，而氧氣穿其而過。氧化催化劑通過使未燃燒的烴和一氧化碳在鉑和鈀催化劑上燃燒(即氧化)而還原它們，從而產(chǎn)生二氧化碳。

5、催化轉(zhuǎn)化器中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顯著的熱量。在具有短排氣系統(tǒng)的小型內(nèi)燃發(fā)動機應(yīng)用中，這種顯著的熱量可能更難以管理。由于在這種小型發(fā)動機應(yīng)用中催化轉(zhuǎn)化器與消音器出口之間的流動長度短，所以消音器出口處的經(jīng)催化燃燒排氣溫度可以達到700-1200°f。相同長度的非催化排氣系統(tǒng)將具有明顯較低的消音器出口溫度，在400-600°f的范圍內(nèi)。

6、相比之下，對于在各種機器和交通工具(比如汽車、卡車、或船只)中使用的更大規(guī)模的內(nèi)燃發(fā)動機應(yīng)用，存在多種方式來在經(jīng)催化燃燒排氣被釋放到環(huán)境中之前將其冷卻。例如，在許多具有大長度排氣系統(tǒng)的交通工具中，排氣系統(tǒng)設(shè)計本身可以有助于在排氣離開尾管之前將其冷卻。這些排氣系統(tǒng)典型地由將燃燒排氣從內(nèi)燃發(fā)動機引導(dǎo)至尾管的管道、消音器、以及共振器構(gòu)成。排氣管的長度、直徑、以及路線可以幫助在氣體流過系統(tǒng)及其不同部件時從氣體中消散熱量，從而允許經(jīng)催化燃燒排氣在被釋放到大氣中之前冷卻。

7、一些交通工具還利用排氣再循環(huán)系統(tǒng)(egr)來控制燃燒溫度。egr涉及將燃燒排氣的一部分重新引導(dǎo)回到內(nèi)燃發(fā)動機的進氣系統(tǒng)中。這個過程降低了燃燒腔室中的氧氣濃度，降低了峰值燃燒溫度并且因此降低了燃燒排氣的溫度。egr系統(tǒng)典型地采用熱交換器來在再循環(huán)燃燒排氣被重新引入發(fā)動機之前進一步將其冷卻。

8、同樣地，在船舶或船只上的海上應(yīng)用中使用的內(nèi)燃發(fā)動機由于冷水的充足可用性而具有附加的冷卻選項。例如，在船只上使用的許多水冷式內(nèi)燃發(fā)動機都會將冷卻水注入排氣管中，這極大地冷卻了排氣并且還顯著地抑制了發(fā)動機噪聲。

9、因此，盡管在為汽車、卡車、以及船只提供動力的更大規(guī)模的內(nèi)燃發(fā)動機應(yīng)用中需要使用催化轉(zhuǎn)化器，但是制造商已經(jīng)開發(fā)了在將離開的經(jīng)催化燃燒排氣釋放到大氣中之前冷卻這些氣體的方式，由此降低了起火、部件失效、以及受傷的風(fēng)險。

10、與epa(美國環(huán)保局)多年來規(guī)定的嚴(yán)格排放要求的汽車、卡車、以及船只不同，對利用烴燃料內(nèi)燃發(fā)動機的小型動力設(shè)備和動力工具的規(guī)定直至目前限制性小得多。這種動力設(shè)備可以包括但不限于汽油或燃氣發(fā)電機(傳統(tǒng)發(fā)電機和逆變器)、割草機、葉鼓風(fēng)機、鏈鋸、以及雜草攪打器。過去，在小型動力設(shè)備和動力工具上使用的這些較小的內(nèi)燃發(fā)動機應(yīng)用不需要使用催化轉(zhuǎn)化器來減少有害的副產(chǎn)物，并且因此不需要排氣熱管理系統(tǒng)來減少起火和損壞設(shè)備本身的風(fēng)險，這是因為非催化燃燒排氣具有比已經(jīng)穿過催化轉(zhuǎn)化器的排氣顯著更低的溫度。

11、潛在的監(jiān)管變化可能要求在許多較小的烴燃料內(nèi)燃發(fā)動機上使用催化轉(zhuǎn)化器，這給制造商帶來了新的問題。在小型動力設(shè)備和動力工具中使用的這些較小內(nèi)燃發(fā)動機應(yīng)用中的許多應(yīng)用被緊密封裝并且具有短長度排氣系統(tǒng)，這些短長度排氣系統(tǒng)不具有與在如上所述的許多交通工具中使用的較大排氣系統(tǒng)相同的散熱特性。因此，使用催化轉(zhuǎn)化器(其產(chǎn)生以較高溫度離開的經(jīng)催化燃燒排氣)對動力工具和動力設(shè)備的操作者都造成了顯著的安全問題，造成設(shè)備本身失效的風(fēng)險，并且向緊鄰設(shè)備的任何物品或任何人員造成起火的風(fēng)險。

12、例如，某些在使用時靜止的由內(nèi)燃發(fā)動機提供動力的設(shè)備(例如便攜式發(fā)電機(傳統(tǒng)的便攜式發(fā)電機和變流器)、空氣壓縮機、或泵)通常位于建筑物或住所附近。另外，設(shè)備在使用時靜止的事實提供了附加的并發(fā)問題，這是因為不存在有助于耗散燃燒排氣的恒定移動空氣。因此，不僅設(shè)備本身熔化或起火的風(fēng)險增加，而且設(shè)備附近經(jīng)受經(jīng)催化燃燒排氣的任何物品都有起火的風(fēng)險。同樣地，一旦燃燒排氣被催化，由內(nèi)燃發(fā)動機提供動力的工具(例如鏈鋸、鼓風(fēng)機、雜草攪打器)和可移動設(shè)備(例如割草機、吹雪機等)的風(fēng)險也增大。雖然這些設(shè)備經(jīng)常處于運動中并且因此具有一些被動氣流來耗散燃燒排氣，但是由于這些設(shè)備和工具是緊鄰人而固持或操作的，因此操作者燒傷或受傷的風(fēng)險增加。

13、本公開提供了多種系統(tǒng)以冷卻在小型動力設(shè)備和動力工具中使用的短長度排氣系統(tǒng)中的經(jīng)催化燃燒排氣，以在這些排氣被釋放到大氣中之前大幅度降低其溫度。本公開中所描述的系統(tǒng)顯著降低了起火、設(shè)備失效、或操作者和緊鄰設(shè)備的人員受傷的風(fēng)險。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)實施例，一種用于冷卻小型動力設(shè)備中的經(jīng)催化燃燒排氣的排氣冷卻系統(tǒng)包括：冷卻空氣引導(dǎo)件；以及混合腔室，該混合腔室包括進氣端、排氣端、以及至少一個冷卻入口，其中：包括催化轉(zhuǎn)化器的短長度排氣裝置可操作地連接至混合腔室的進氣端，并且可操作以將經(jīng)催化燃燒排氣引導(dǎo)穿過進氣端、進入混合腔室；冷卻空氣引導(dǎo)件可操作地連接至至少一個冷卻入口，并且可操作以將冷卻空氣引導(dǎo)穿過至少一個冷卻入口、進入混合腔室；并且混合腔室可操作以促進經(jīng)催化燃燒排氣和冷卻空氣的混合以降低組合排氣的峰值溫度。短長度排氣裝置可以進一步包括消音器出口管；混合腔室可以進一步包括渦旋混合器；并且冷卻空氣引導(dǎo)件可以進一步包括空氣引導(dǎo)面板，其中：渦旋混合器可以包括圍繞圓柱形套筒定位的渦旋葉片組件，其中，該渦旋葉片組件可以可操作以將冷卻空氣和經(jīng)催化燃燒排氣引入混合腔室中，以促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合，該圓柱形套筒可以可操作地連接至消音器出口管，并且空氣引導(dǎo)面板可以包括至少一個徑向肋，其中，該至少一個徑向肋可操作以將冷卻空氣引導(dǎo)到至少一個冷卻入口中。空氣引導(dǎo)面板可以包括孔口，該孔口的大小被確定成適應(yīng)混合腔室。至少一個冷卻入口可以包括多個冷卻入口，并且至少一個徑向肋可以包括多個徑向肋?；旌锨皇铱梢赃M一步包括擴散器，該擴散器可操作以在組合排氣離開混合腔室的排氣端之前使組合排氣擴散。擴散器可以包括錐形擴散器。擴散器可以包括葉片擴散器。擴散器可以包括穿孔管擴散器。混合腔室可以進一步包括文氏管區(qū)段，并且至少一個冷卻入口可以包括至少一個文氏管入口，其中文氏管區(qū)段可以包括直徑減小區(qū)段，并且至少一個文氏管入口布置在直徑減小區(qū)段中；并且文氏管區(qū)段可以可操作以促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合?；旌锨皇铱梢赃M一步包括渦旋混合器，該渦旋混合器包括圍繞文氏管區(qū)段定位的多個渦旋葉片，其中，該多個渦旋葉片可以可操作以將冷卻空氣和經(jīng)催化燃燒排氣引入混合腔室中?；旌锨皇铱梢赃M一步包括同軸混合器，其中：至少一個冷卻入口可以包括外部冷卻空氣管道，內(nèi)部消音器出口管可以至少部分地定位在外部冷卻空氣管道內(nèi)，并且同軸混合器可以可操作以將經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣同軸地混合，以促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合?；旌锨皇铱梢赃M一步包括切向渦旋混合器，并且至少一個冷卻入口可以進一步包括至少一個切向進氣管道；其中：切向進氣管道可以可操作以切向地將冷卻空氣引導(dǎo)進入混合腔室，以將冷卻空氣和經(jīng)催化燃燒排氣引入混合腔室中，從而促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合。

2、根據(jù)實施例，小型動力設(shè)備包括：內(nèi)燃發(fā)動機；短長度排氣裝置，該短長度排氣裝置包括可操作地連接至內(nèi)燃發(fā)動機的催化轉(zhuǎn)化器，該短長度排氣裝置可操作以接收來自內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒排氣；排氣冷卻系統(tǒng)，該排氣冷卻系統(tǒng)可操作地連接至短長度排氣裝置，該排氣冷卻系統(tǒng)可操作以接收來自短長度排氣裝置的經(jīng)催化燃燒排氣；其中，排氣冷卻系統(tǒng)包括：冷卻空氣引導(dǎo)件；以及混合腔室，該混合腔室包括進氣端、排氣端、以及至少一個冷卻入口，其中：短長度排氣裝置可操作地連接至混合腔室的進氣端；冷卻空氣引導(dǎo)件可操作地連接至至少一個冷卻入口，并且可操作以將冷卻空氣引導(dǎo)穿過至少一個冷卻入口、進入混合腔室；并且混合腔室可操作以促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合以降低組合排氣的峰值溫度。短長度排氣裝置可以進一步包括消音器出口管；混合腔室可以進一步包括渦旋混合器；并且冷卻空氣引導(dǎo)件可以進一步包括空氣引導(dǎo)面板，其中：渦旋混合器可以包括圍繞圓柱形套筒定位的渦旋葉片組件，其中，該渦旋葉片組件可以可操作以將冷卻空氣和經(jīng)催化燃燒排氣引入混合腔室內(nèi)形成渦流，以促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合，該圓柱形套筒可以可操作地連接至消音器出口管，并且空氣引導(dǎo)面板可以包括至少一個徑向肋，其中，該至少一個徑向肋可操作以將冷卻空氣引導(dǎo)到至少一個冷卻入口中?；旌锨皇铱梢赃M一步包括文氏管區(qū)段，并且至少一個冷卻入口可以包括至少一個文氏管入口，其中文氏管區(qū)段可以包括直徑減小區(qū)段，并且至少一個文氏管入口布置在直徑減小區(qū)段中；并且文氏管區(qū)段可以可操作以促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合?；旌锨皇铱梢赃M一步包括渦旋混合器，該渦旋混合器包括圍繞文氏管區(qū)段定位的多個渦旋葉片，其中，該多個渦旋葉片可以可操作以將冷卻空氣和經(jīng)催化燃燒排氣引入混合腔室中?；旌锨皇铱梢赃M一步包括同軸混合器，其中：至少一個冷卻入口可以包括外部冷卻空氣管道，內(nèi)部消音器出口管可以至少部分地定位在外部冷卻空氣管道內(nèi)，并且同軸混合器可以可操作以將經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣同軸地混合，以促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合?；旌锨皇铱梢赃M一步包括切向渦旋混合器，并且至少一個冷卻入口可以進一步包括至少一個切向進氣管道；其中：切向進氣管道可以可操作以切向地將冷卻空氣引導(dǎo)進入混合腔室，以將冷卻空氣和經(jīng)催化燃燒排氣引入混合腔室中，從而促進經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣的混合。小型動力設(shè)備可以進一步包括動力風(fēng)扇，該動力風(fēng)扇可操作以迫使冷卻空氣的流動進入冷卻空氣引導(dǎo)件中。

3、根據(jù)實施例，一種用于冷卻包括短長度排氣裝置的小型動力設(shè)備中的經(jīng)催化燃燒排氣的方法包括：提供排氣冷卻系統(tǒng)，該排氣冷卻系統(tǒng)包括冷卻空氣引導(dǎo)件和混合腔室；將經(jīng)催化燃燒排氣引導(dǎo)到混合腔室中；將冷卻空氣經(jīng)由冷卻空氣引導(dǎo)件引導(dǎo)到混合腔室中；在混合腔室內(nèi)將經(jīng)催化燃燒排氣與冷卻空氣混合以降低組合排氣的峰值溫度。