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2021年1月29日提交的申请号为102021000001871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并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种内燃机的排气系统的加热装置。


背景技术：

4.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；特别地，总是存在催化转化器(氧化催化转化器或还原催化转化器)，可将微粒过滤器添加至该催化转化器。为了工作(即为了进行催化转化)，催化转化器需要在相对较高的操作温度下工作(当代催化转化器的工作温度甚至接近800℃)，因为只有在达到工作温度后，用于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、水和氮的化学反应才会发生。
5.在冷启动阶段(即内燃机长时间关闭后再次启动，从而使内燃机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(在冬季和内燃机空转或运行非常缓慢的城市行车期间，甚至是几分钟的时间)内仍显著低于操作温度。因此，在冷启动阶段，即在催化转化器尚未达到其操作温度的时间内，污染排放非常高，因为催化转化器的净化效果接近于零，或者无论如何，几乎没有效果。
6.为了加速达到催化转化器的操作温度，专利文献ep0631039a1、wo2012139801a1、us8006487b2、ep0590699a1、jp2005180371a1和ep1939419a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(非常)热的气流，其流经催化转化器。特别地，加热装置包括燃烧室，其在出口处连接到排气管道(紧靠催化转化器的上游)并且在入口处连接到风扇，该风扇产生流经燃烧室的空气流；在燃烧室中还有燃料喷射器，其喷射的燃料与空气混合，以及火花塞，其周期性地产生火花点燃空气-燃料混合物，以获得加热空气的燃烧。
7.在已知的加热装置中，燃料并不总在所有操作条件下完全燃烧，并且因此可能发生(尤其是当喷射大量燃料以产生大量热量时)未燃烧的燃料到达排气管道并在排气管道内燃烧的情况，从而局部确定突然的、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)，并且此外，其制造简单且经济。
9.根据本发明，提供了一种用于内燃机排气系统的加热装置，该加热装置包括：
10.管状主体，该管状主体内部具有燃烧室；
11.燃料喷射器，该燃料喷射器通过管状主体的底壁安装以将燃料喷射到燃烧室中；
12.至少一个入口开口，该入口开口可连接至风扇以接收空气流，该空气流被引导至
燃烧室并与燃料混合；
13.进料通道，该进料通道完全包含在管状主体内，其接收来自入口开口的空气、围绕燃料喷射器的端部部分并以喷嘴为末端，该喷嘴布置在燃料喷射器的喷嘴尖端周围；和
14.火花塞，该火花塞通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，燃料喷射器的喷嘴尖端与火花塞的纵向轴线之间的轴向距离，即沿管状主体的纵向轴线测量的，为管状主体内径的33％至100％。
16.所附权利要求描述了本发明的优选实施例并且形成了说明书的组成部分。
17.附图的简要说明
18.现在将参考附图描述本发明，附图显示了本发明的一些非限制性实施例，其中：
19.·
图1是设有根据本发明的加热装置的内燃机排气系统的示意性局部视图；
20.·
图2是图1加热装置的示意性纵向剖视图，为了更清楚起见去除了部件；
21.·
图3是图2细节的放大视图；
22.·
图4是图2细节的放大视图，显示了不同的实施例；
23.·
图5和图6是由图1加热装置的燃料喷射器产生的燃料射流的替代实施例的两个示意图；
24.·
图7是图1加热装置的火花塞示意图；
25.·
图8是图5火花塞电极的示意图，突显了燃料喷射器喷射的燃料射流的可能方向；
26.·
图9和图10是图7火花塞电极的替代实施例的示意图，突显了燃料喷射器喷射的燃料射流的可能方向；和
27.·
图11是根据进一步实施例的图2细节的放大视图。
28.本发明的优选实施方案
29.在图1中，数字1表示作为一个整体的内燃机2的排气系统。
30.排气系统1包括排气管道3，该排气管道3从内燃机2的排气歧管开始并以消音器4为末端，废气从消音器4释放到大气中。沿排气管道3安装有至少一个用于处理来自内燃机的废气的装置5；特别地，总是存在催化转化器(氧化催化转化器或还原催化转化器)，可将微粒过滤器添加至该催化转化器。为了工作(即为了进行催化转化)，催化转化器需要在相对较高的操作温度下工作(当代催化转化器的工作温度甚至接近800℃)，因为只有在达到工作温度后，用于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、水和氮的化学反应才会发生。
31.为了加速处理装置5的加热，即为了允许处理装置5更快地达到其操作温度，排气系统1包括加热装置6，其通过燃烧燃料产生(非常)热的空气流，该空气流流经处理装置5。
32.加热装置6包括燃烧室7，其在出口处连接到排气管道3(紧靠处理装置5的上游)并且在入口处连接到风扇8(即气泵)，该风扇8产生流经燃烧室7的空气流；在燃烧室中7还有燃料喷射器9，其喷射的燃料与空气混合，以及火花塞10，其周期性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以出口管道11为末端，该出口管道11通向排气管道3(紧靠处理设备5的上游)。
33.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，具有圆柱形形状并且具有圆形或椭圆形横截面)；管状主体12在两端由两个相对的底壁14和15界定，并由侧壁
16横向界定，侧壁16将两个底壁14和15彼此连接。底壁14在中心穿孔以容纳燃料喷射器9，该燃料喷射器9同轴地安装至管状主体12(即同轴于纵向轴线13)；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。
34.类似地，底壁15在中心穿孔，以便装配到出口管道11上，出口管道11以排气管道3为末端；即底壁15具有出口开口17以将热空气排出燃烧室7，出口管道11开始于燃烧室7。
35.根据图2，通过管状主体12获得入口开口18的(至少)一部分，该入口开口18通过入口管道19(图1中所示)连接到风扇8以接收空气流，该空气流被引导至燃烧室7并与燃料喷射器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被(相对于管状主体12)切向定向。
36.根据图1所示的可能的但非约束性的实施例，在入口开口18的区域中具有止回阀20，其允许空气仅流向燃烧室7(即流入管状主体12)。优选地，止回阀20是被动的(即不包括产生运动的电动、液压或气动致动器)，是压力控制的并且仅当止回阀20上游的压力高于止回阀20下游的压力时才打开。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)防止废气回流直到它们从入口开口18流出，从而因此不经过处理装置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的区域中；在这种情况下，止回阀20只允许空气从燃烧室7流出(从管状主体12流出)流向排气管道3，即它阻止废气从排气管道3流向燃烧室7(进入管状主体12)。
37.根据图2，加热装置6包括进料通道21，该进料通道21完全包含在管状主体12内，其从入口开口18接收空气，围绕燃料喷射器9的端部部分并以喷嘴22为末端，该喷嘴22围绕燃料喷射器9的喷射点布置(即围绕燃料喷射器9的喷嘴尖端，燃料从该喷嘴尖端流出)。
38.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，其是由于空气和燃料的混合而获得的，空气从入口开口18流入管状主体12并由进料通道21的喷嘴22引入燃烧室7，以及燃料由燃料喷射器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，该通孔径向(即垂直于纵向轴线13)定向并且在内侧容纳(旋入其中的)火花塞10(其明显是径向定向的)。
39.加热装置6包括静态混合器23(即没有运动部件)，其具有环形形状，沿着进料通道21并且围绕燃料喷射器9布置并且构造成在流向喷嘴22的空气中产生湍流，特别是涡旋运动。
40.根据附图中所示的优选但非约束性实施例，在静态混合器23的下游，进料通道21具有逐渐减小的横截面面积，以便确定空气速度的增加。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和直至喷嘴22的横截面积恒定的端部部分。
41.进料通道21在外侧由(至少部分锥形的)外管状主体24界定并且在内侧由(至少部分锥形的)内管状主体25界定，内管状主体25围绕燃料喷射器9并且在内侧包含燃料喷射器9(即用作燃料喷射器9的端部部件的容器)。即进料通道21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使锥形部分(即具有尺寸逐渐减小的会聚(converging)形状)与圆柱形部分(即具有恒定尺寸的形状)交替；优选地，内管状主体25的端部部件具有会聚的锥度(即其尺寸朝向喷嘴22逐渐减小)，而外管状主体24的端部部件具有圆柱形形状。
42.根据一个优选实施例，空气以切向定向的气流流入进料通道21以具有旋涡运动(随后通过静态混合器23的作用而增强)，这有助于它与由燃料喷射器9喷射的燃料混合；换言之，通过与燃烧室7切向定向的管道将助燃空气引入燃烧室7中允许助燃空气流获得圆周运动(由静态混合器23的存在而进一步增强)以优化燃烧室7空气和燃料的混合。
43.根据图3，燃料喷射器9构造成将至少80％(并且优选地为至少90％-95％)的燃料喷射到进料通道21的内表面26上；即燃料喷射器9不是直接将燃料导向进料通道21的外部，而是相反地将燃料导向进料通道21的内表面26，使得流出燃料喷射器9的燃料在通过喷嘴22从进料通道21流出之前初步撞击内表面26。燃料对内表面26的冲击允许由燃料喷射器9发射出的燃料液滴以非常有效的方式雾化，并且通过这样做，所述燃料与沿着进料通道21流动的空气的混合显著改进；空气和燃料之间混合的改进确保了燃料的理想燃烧，并且特别是完全燃烧，从而防止部分未燃烧的燃料流出燃烧室7。
44.根据优选实施例，燃料喷射器9构造成发射具有中心处中空的圆锥形状的燃料射流27，即具有圆环状横截面，其中燃料聚集在外围；特别地，根据图3所示的实施例，燃料射流27的外表面具有大约70
°
的开口角α(例如在65
°
和75
°
的范围内)，并且燃料射流27的内表面具有大约50
°
的开口角β(例如，在45
°
到55
°
的范围内)。换言之，燃料喷射器9产生具有圆锥形状(圆锥的顶点靠近射出喷嘴)并且在中心处有孔(即没有燃料的区域)的燃料射流27，该孔也具有圆锥形状(圆锥的顶点靠近射出喷嘴)；因此，由燃料喷射器9产生的燃料射流27由于中心孔的存在而具有锥形壳的形状，即具有内部中空的锥形形状。
45.需要指出的是，当我们说由燃料喷射器9产生的燃料射流27具有锥形壳的形状(即具有内部中空的锥形形状)时，我们的意思是从燃料喷射器9流出的燃料的大部分在锥形壳内的空间中扩散，而从燃料喷射器9流出的燃料的非常小的(残留)部分可以以不同的方式扩散。此外，根据燃料出口开口的制作方式，从燃料喷射器9流出的燃料射流27可以具有围绕纵向轴线13的更对称的分布(如图5所示)或围绕纵向轴线13的不太对称的分布(如图6所示)。特别地，当燃料喷射器9为“漩涡”型时，从燃料喷射器9流出的燃料射流27具有图5中所示的构造，而当燃料喷射器9为“多孔”型时，从燃料喷射器9流出的燃料射流27具有图6中所示的构造，(图6显示了具有六个出气孔的“多孔”燃料喷射器9，但出气孔的数量可以不同)。
46.根据优选实施例，燃料喷射器9是“漩涡”型的，即赋予所喷射的燃料旋转旋涡运动(即燃料围绕管状主体12的纵向轴线13旋转的旋涡运动)。
47.如上所述，进料通道21在外侧由外管状主体24(具有进料通道21的内表面26)界定，并且在内侧由内管状主体25界定，该内管状主体25围绕燃料喷射器9并且在内侧包含燃料喷射器9。
48.根据图3，外管状主体24包括锥形部分28，其朝向喷嘴22减小其尺寸；此外，根据附图所示的优选实施例，外管状主体24还包括圆柱形部分29，其布置在锥形部分28的下游并以喷嘴22为末端。根据本文未示出的不同实施例，外管状主体24没有圆柱形部分29，并且因此包括唯一的锥形部分28。根据本文未示出的另一实施例，圆柱形部分29可由具有比锥形部分28的锥度(会聚)更小的锥度(会聚)的另一锥形部分代替。
49.在附图所示的实施例中，燃料喷射器9构造成将燃料的至少一部分喷射到外管状主体24的圆柱形部分29(或进一步的锥形部分)上；特别地，燃料喷射器9构造成将燃料的最大部分(几乎全部)喷射到外管状主体24的圆柱形部分29(或进一步的锥形部分)上。根据不
同的实施例，燃料喷射器9构造成将燃料的至少一部分喷射到外管状主体24的圆柱形部分29(或进一步的锥形部分)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上；例如，燃料喷射器9被构造成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的圆柱形部分29(或进一步的锥形部分)上。根据另一实施例，燃料喷射器9构造成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构造成将燃料的最大部分(几乎全部)喷射到外管状主体24的锥形部分28上。
50.根据图2，燃料从中流出的燃料喷射器9的喷嘴尖端(即燃料喷射器9的喷射点)与火花塞10的纵向轴线30之间的轴向距离x(即沿管状主体12的纵向轴线13测量)为管状主体12的内径d(即燃烧室7的直径d)的33％-100％；优选地，轴向距离x为管状主体12的内径d的50％至100％，并且特别地，轴向距离x为管状主体12的内径d的60％至90％。应该指出的是，管状主体12优选地具有圆形横截面，并且因此，对于毫无疑问必须测量管状主体12的内径d以评估轴向距离x；相反，如果管状主体12具有椭圆形横截面，则较大的尺寸将被考虑作为管状主体12的直径d以评估轴向距离x。
51.根据图7和图8，火花塞10具有一个单个的内电极31和一个单个的外电极32；根据图9和图10所示的变型，火花塞10具有一个单个的内电极31和两个外电极32(图9)或一个单个的内电极31和四个外电极32(图10)；根据本文未示出的另一变型，可以存在三个外电极32。
52.根据图4，外管状主体24具有通孔33(即狭缝)，燃料从中流出的燃料喷射器9的喷嘴尖端(即燃料喷射器9的喷射点)直接通过该开口33瞄准火花塞10的电极31和32。由于通孔33的存在，由燃料喷射器9发射出的燃料射流27的有限部分34没有撞击外管状主体24，而是穿过外管状主体24直到它直接到达火花塞10的电极31和32。换言之，由于通孔33的存在，燃料射流27的有限部分34直接“润湿”火花塞10的电极31和32，从而在火花塞10的电极31和32周围形成局部燃料过剩(即局部的混合物更丰富)，这有利于火焰的点燃，并且因此支持火焰更快地传播到混合物的其余部分。
53.根据图4，通孔33呈狭缝状，即周向尺寸大于轴向尺寸；优选地，通孔33的圆周面的角度范围为30
°
至60
°
。
54.根据图8、9和10，火花塞10的外电极32(或多个外电极32)被定向成不阻碍(截断)燃料射流27朝内电极31移动的有限部分34；即火花塞10的外电极32(或多个外电极32)被定向成不从燃料射流27的有限部分34遮蔽(屏蔽)内电极31。结果，两个电极31和32之间产生的火花被外电极32相对于燃料射流27的有限部分34热遮蔽(屏蔽)。图8和图9显示了相对于电极32具有正确定向的燃料射流27的部分34(即未被电极32屏蔽的)，以及相对于电极32具有错误定向的燃料射流27的部分34(即被电极32屏蔽的)，并且由于这个原因，这部分通过“x”符号被“废止”。
55.在图3和图4所示的实施例中，由燃料喷射器9发射出的燃料射流27相对于管状主体12(和燃料喷射器9)的纵向轴线13完全对称；即管状主体12的纵向轴线13与燃料射流27的中心对称轴线35重合。另一方面，在图11所示的实施例中，由燃料喷射器9发射出的燃料射流27相对于管状主体12(和燃料喷射器9)的纵向轴线13是不对称的，并且因此，燃料射流27朝向火花塞10的电极31和32倾斜；即燃料射流27的中心对称轴线35与管状主体12的纵向
轴线13形成γ角(非零)。根据优选实施例，燃料射流27的中心对称轴线35朝向火花塞10的电极31和32倾斜，从而与管状主体12的纵向轴线13形成γ角，该γ角的宽度范围为5
°
至20
°
，并且优选地为等于大约13
°
至15
°
。使燃料射流27朝向火花塞10的电极31和32倾斜允许在火花塞10的电极31和32周围产生局部燃料过剩(即局部的混合物更丰富)，这有利于火焰的点燃，并且因此支持火焰更快地传播到混合物的其余部分。
56.根据优选实施例，加热装置6包括控制单元36(图1中示意性示出)，其构造成控制加热装置6的整体操作，即控制风扇8、喷射器9和火花塞10相协调，以便尽可能高效和有效地到达期望的目标(即快速加热处理装置5而不因过高的温度损坏处理装置5)。
57.根据图1所示的可能实施例，加热装置6包括温度传感器37，其沿出口管道11布置以测量流经出口管道11的热空气的温度；替代地，加热装置6包括温度传感器38，其沿着排气管道3布置在出口管道11分支点的下游(和处理装置5的上游)以测量流经排气管道3的废气和热空气的混合物的温度。通常，只有两个温度传感器37和38中的一个，即使在特殊应用中，温度传感器37和38都可以存在。控制单元36使用温度传感器37或38的读数来控制(如果需要，通过反馈控制)燃烧室7中的燃烧，以便快速加热处理装置5而不因温度过高损坏处理装置5。
58.本文描述的实施例可以相互组合，而不因此原因超出本发明的保护范围。
59.上述加热装置6具有许多优点。
60.首先，多亏了进料通道21的喷嘴22引入的助燃空气和燃料喷射器9喷射的燃料之间的理想混合，上述加热装置6确保燃料在所有操作条件下(特别是当喷射大量燃料以产生大量热量时)完全燃烧(即不将未燃烧的燃料引入到排气管道3中)。
61.此外，上述加热装置6相对于其整体尺寸具有高热功率；即，即使它相对较小，上述加热装置6也产生高热功率。
62.最后，上述加热装置6的制造简单、经济，因为它由几个形状不复杂且易于用标准焊缝和接头连接的部件组成。
63.附图标记一览表
64.1 排气系统
65.2 内燃机
66.3 排气管道
67.4 消音器
68.5 处理装置
69.6 加热装置
70.7 燃烧室
71.8 风扇
72.9 燃料喷射器
73.10 火花塞
74.11 出口管道
75.12 管状主体
76.13 纵向轴线
77.14 底壁
78.15底壁
79.16侧壁
80.17出口开口
81.18入口开口
82.19入口管道
83.20止回阀
84.21进料通道
85.22喷嘴
86.23静态混合器
87.24外管状主体
88.25内管状主体
89.26内表面
90.27燃料射流
91.28锥形部分
92.29圆柱部分
93.30纵向轴线
94.31内电极
95.32外电极
96.33通孔
97.34部分
98.35对称轴线
99.36控制单元
100.37温度传感器
101.38温度传感器
102.α角
103.β角
104.γ角
105.x距离
106.d直径