НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F01N3/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству для нагрева потока отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, чтобы они подходили для использования системами последующей обработки, например, для регенерации дизельного сажевого фильтра, для нагрева корпуса дизельного каталитического нейтрализатора и/или нагрева корпуса катализатора селективного восстановления.

Уровень техники

Системы последующей обработки отработавших газов используются для удаления из потока отработавших газов некоторых компонентов, например частиц сажи в сажевом фильтре, и преобразования некоторых продуктов сгорания в другие вещества, например селективного каталитического преобразования оксидов азота (NOx) в азот и воду.

Например, дизельные сажевые фильтры используются для удаления частиц сажи (продукты неполного сгорания топлива) из потока отработавших газов перед выпуском в окружающую среду. Накапливающиеся частицы, в конце концов, забивают фильтр, и их необходимо удалять. Для этого используется известный способ повышения температуры фильтра для сжигания накопившихся частиц (регенерация фильтра). Температуру фильтра повышают путем повышения температуры отработавших газов двигателя. В то время как в некоторых применениях, например в двигателях магистральных грузовиков, температура отработавших газов может быть достаточной для обеспечения регенерации сажевого фильтра, в других применениях рабочий цикл двигателя не обеспечивает достаточной температуры отработавших газов, и в этом случае необходимо принимать дополнительные меры.

Известны разные способы решения этой проблемы, включая временное изменение параметров сгорания топлива в двигателе для повышения температуры отработавших газов или использование для этой цели нагревательного устройства. В таких нагревательных устройствах обычно используется горелка, в которой сгорает топливо, и продукты сгорания направляются в поток отработавших газов двигателя.

С используемыми в настоящее время нагревательными устройствами связаны различные проблемы, включая размеры (когда устройство встроено в дизельный сажевый фильтр), стоимость и сложность эксплуатации. Целью настоящего изобретения является создание нагревательного устройства, в котором устранены недостатки известных технических решений.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается нагревательное устройство, подходящее для установки в системе отработавших газов двигателя транспортного средства, которое имеет впускную часть для поступления отработавших газов и выпускную часть для вывода отработавших газов, нагреваемых при работе устройства, в системы последующей обработки отработавших газов.

В настоящем изобретении нагревательное устройство отделено от дизельного сажевого фильтра, в результате такой фильтр может иметь меньшую длину, и конструкторы получают большую свободу для размещения нагревательного устройства и сажевого фильтра.

Кроме того, обеспечивается разделение управления горением топлива в нагревательном устройстве и управления работой двигателя, в результате чего упрощается управление обеими системами и выполнение диагностики возникающих в них проблем.

Устройство по настоящему изобретению содержит кожух, формирующий внутреннее пространство, и горелку, установленную в кожухе. Кожух имеет впускную часть и выпускную часть для соединения кожуха с трубопроводом отработавших газов двигателя. Через впускную часть в кожух поступают отработавшие газы, которые выходят из него через выпускную часть. Отработавшие газы направляются в кожухе таким образом, что они обтекают горелку и не участвуют в сгорании топлива в горелке.

Нагревательное устройство содержит также подающее устройство, предпочтительно турбокомпрессор, который приводится отработавшими газами двигателя. Впускное отверстие турбины турбокомпрессора подсоединено к трубопроводу отработавших газов и может регулироваться клапаном. Выпускное отверстие турбины соединено с трубопроводом отработавших газов. Компрессор турбокомпрессора всасывает внешний воздух, сжимает его и подает сжатый воздух во впускное отверстие горелки через выпускное отверстие, соединенное с горелкой. Впускное отверстие компрессора может быть соединено с воздушным фильтром двигателя для всасывания профильтрованного воздуха, или же может использоваться отдельный воздушный фильтр.

Когда горелка работает, нагревательное устройство обеспечивает установку клапана в открытое положение, так что отработавшие газы вращают турбину, и компрессор подает в горелку воздух для горения топлива. Отработавшие газы двигателя обтекают в кожухе горелку, в результате чего тепло передается от горелки отработавшим газам. Газообразные продукты горения, выходящие из горелки, смешиваются в кожухе с отработавшими газами и выходят через выпускную часть кожуха в расположенную ниже по потоку часть трубопровода отработавших газов или непосредственно в устройство последующей обработки отработавших газов.

Краткое описание чертежей

Изобретение можно будет лучше понять из нижеприведенного подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематический вид нагревательного устройства для отработавших газов по настоящему изобретению вместе с двигателем и системой последующей обработки отработавших газов;

на фиг.2 - вид спереди одного из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.3 - вид сечения устройства фигуры 2, на котором показаны внутренние компоненты и конфигурация устройства;

на фиг.4 - вид сбоку сечения опорной части турбокомпрессора по настоящему изобретению;

на фиг.5 - вид сбоку сечения блока горелки по настоящему изобретению;

на фиг.6 - вид сбоку сечения блока горелки (другой вариант) по настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Изобретение описывается ниже со ссылками на прилагаемые фигуры. На фиг.1 схематично показано устройство 40 по настоящему изобретению, компоненты которого показаны внутри пунктирного прямоугольника, с двигателем 10 внутреннего сгорания и системами 30, 32 и 34 последующей обработки отработавших газов.

Двигатель 10 снабжен впускным коллектором 12 для подачи воздуха в камеры сгорания и выпускным коллектором 14 для вывода отработавших газов. Отработавшие газы подаются по трубопроводу 16 в турбину 18 турбонагнетателя. Турбина 18 вращается отработавшими газами и осуществляет привод компрессора 20. Компрессор 20 сжимает внешний воздух, который поступает по трубопроводу 22 во впускной коллектор 12. Сначала воздух фильтруется на входе фильтром 24 для удаления из него загрязнений, таких как, например, пыль.

Отработавшие газы, выходящие из турбины 18, подвергаются обработке для удаления загрязняющих компонентов с помощью одной или нескольких систем последующей обработки. Такие системы могут включать дизельный каталитический нейтрализатор 30, сажевый фильтр 32 и катализатор 34 селективного восстановления. Эти системы работают эффективно в определенных диапазонах температур, и если отработавшие газы не имеют достаточно высокой температуры, то необходим дополнительный подогрев. Устройство 40, предлагаемое в настоящем изобретении, особенно подходит для повышения температуры отработавших газов.

Нагревательное устройство 40 содержит кожух 42, формирующий внутреннее пространство 44, в которое поступают для нагрева отработавшие газы. В кожухе 42 установлена горелка 46, содержащая камеру 48 сгорания, в которой сгорает топливо. Для упрощения устройства топливо может подаваться из топливной системы двигателя (не показана). Кожух 42 содержит впускную часть 50 для поступления отработавших газов во внутреннее пространство 44 и выпускную часть 52 для вывода отработавших газов в трубопровод 16.

Подача сжатого воздуха для горения топлива к горелке 46 обеспечивается турбокомпрессором 60. Турбокомпрессор 60 содержит турбину 62 с валом 64, соединенным с компрессором 66 для его привода. Отработавшие газы поступают в турбину 62 через впускной канал 70. Отработавшие газы вращают турбину 62 и выходят через выпускной канал 72 турбины во внутреннее пространство кожуха 44. В этом случае выпускной канал 72 может быть соединен с впускной частью 50 кожуха, как показано на фиг.1. В другом варианте кожух 42 может быть расширен для обеспечения площадки для монтажа турбокомпрессора 60, и в этом случае выпускной канал 72 турбины может быть подсоединен непосредственно к кожуху. В соответствии с другим вариантом впускная часть 50 кожуха может быть выполнена в форме большой трубчатой конструкции, обеспечивающей опору для турбокомпрессора и соединение турбины с внутренним пространством 44 кожуха.

Управление турбиной 62 осуществляется с помощью клапана 86, который регулирует поток отработавших газов, поступающих во впускной канал 70 турбины. Клапан может быть установлен на входе впускного канала 70, как показано на фиг.1. В другом варианте клапан может быть установлен в трубопроводе отработавших газов между его соединениями с впускным 70 и выпускным 72 каналами турбины.

Компрессор 66 всасывает внешний воздух через впускной канал 80, подвергает его сжатию и подает сжатый воздух во впускной канал 49 горелки 46. Всасываемый внешний воздух сначала проходит через фильтр 24, который для упрощения конструкции может быть воздушным фильтром двигателя или же может быть отдельным фильтром, установленным во впускном канале 80 компрессора.

Когда нагревательное устройство 40 включено, во внутреннее пространство 44 из горелки 46 поступают газообразные продукты горения, которые смешиваются с отработавшими газами, поступающими через впускную часть 50. Отработавшие газы обтекают горелку 48, в результате чего им передается тепло, вырабатываемое горелкой, при этом отработавшие газы нагреваются, а горелка охлаждается. Затем отработавшие газы смешиваются с газообразными продуктами горения, образующимися в горелке, после чего отработавшие газы, имеющие повышенную температуру, выходят через выпускную часть 52.

Нагревательное устройство 40 содержит блок управления, обеспечивающий управление работой клапана, подачей топлива и его зажиганием в горелке 46. Блок управления может быть подсоединен к информационной шине транспортного средства для получения информации из электронного блока управления двигателем транспортного средства, которая относится к потребности в нагреве для регенерации сажевого фильтра или нагрева до рабочих температур каталитического катализатора или блока селективного каталитического восстановления. Блок управления осуществляет управление нагревательным устройством в соответствии с указанной информацией. В выпускном канале 52 кожуха установлен датчик 54 температуры для контроля температуры отработавших газов, выходящих из нагревательного устройства 40.

На фиг.2 представлен схематический вид спереди одного из вариантов предлагаемого в изобретении устройства, и на фиг.3 представлен вид сбоку сечения этого варианта, причем некоторые компоненты не показаны, чтобы они не загромождали чертеж.

Нагревательное устройство 110 содержит кожух 112, выполненный для установки на трубопроводе отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, как это уже указывалось выше. Кожух 112 снабжен впускной частью 114, по которой поступают отработавшие газы, и выпускной частью 116 для вывода этих газов. Кожух 112 сформирован внешней стенкой 118, охватывающей внутреннее пространство 120 для отработавших газов, протекающих через него от впускной части 114 к выпускной части 116.

В кожухе 112 установлена горелка 130, которая может быть любой известной горелкой, обеспечивающей получение газообразных продуктов сгорания во внутреннем пространстве 120. Горелка 130 снабжена впускным отверстием 132 для поступления воздуха и арматурой 134 для подсоединения топливопровода, по которому топливо поступает в форсунку 136. Горелка 130 содержит запальное устройство (не показано) для воспламенения топливно-воздушной смеси, вводимой в горелку. Горелка 130 содержит камеру 140 сгорания, размещенную во внутреннем пространстве 120 кожуха 112. Для закручивания потока входящего сжатого воздуха используется направляющий конус 142, имеющий прорези или другие отверстия (не показаны). Вместо конуса или в дополнение к нему впускное отверстие 132 для поступающего воздуха может быть ориентировано таким образом, чтобы обеспечивалось закручивание потока в камере 140 сгорания. В предпочтительных вариантах камера сгорания имеет цилиндрическую стенку, установленную во внутреннем пространстве 120 и находящуюся на некотором расстоянии от стенки 118 кожуха, для обеспечения кольцевого пространства 144 (является частью внутреннего пространства 120), окружающего камеру сгорания. В соответствии с одним из аспектов изобретения стенка 118 может иметь термоизоляцию.

Внешняя поверхность камеры 140 сгорания имеет одно или несколько ребер 146, отходящих от этой поверхности в кольцевое пространство 144, для спирального закручивания потока отработавших газов.

За камерой 140 сгорания (по направлению потока) газообразные продукты сгорания, выходящие из камеры сгорания, смешиваются с отработавшими газами, протекающими через внутреннее пространство 120, в зоне 148 смешивания, и смесь выходит из выпускной части 116 кожуха. Зона 148 смешивания может иметь разную длину в зависимости от конкретного применения нагревательного устройства.

Воздух для обеспечения сгорания топлива подается в блок 110 горелки отдельным турбокомпрессором (не показан), который устанавливается на кожухе 112 на опорной площадке 160 турбокомпрессора. Как это известно специалистам в данной области техники, турбокомпрессор содержит турбину и компрессор. Турбина подсоединена таким образом, что в нее через впускную задвижку 162 поступают отработавшие газы, которые возвращаются из турбины в кожух через выпускную задвижку 164. Клапан 170 в кожухе 112 управляет потоком отработавших газов, отводимым в турбину, для управления работой турбины. Как показано на фиг.3, в качестве клапана 170 используется поворотная заслонка, расположенная между впускной задвижкой 162 и выпускной задвижкой 164. Когда клапан открыт, отработавшие газы могут беспрепятственно проходить через внутреннее пространство 120. Чтобы турбина заработала, клапан поворачивают в положение, в котором он отводит достаточное количество отработавших газов в турбину для ее привода и обеспечения разности давлений между впускной задвижкой 162 и выпускной задвижкой 164.

Турбина вращает компрессор, как это было описано со ссылками на фиг.1. Компрессор подает сжатый воздух во впускное отверстие 132, как это уже указывалось выше.

Конфигурация нагревательного устройства с отдельным источником воздуха для горения топлива обладает следующими достоинствами. Известные способы включают смешивание воздуха для горения топлива с отработавшими газами двигателя в нагревательном устройстве, что может приводить к нежелательному осаждению на его компонентах частиц, содержащихся в отработавших газах, и несгоревшего топлива, и эти недостатки устраняются в техническом решении, предлагаемом в настоящем изобретении. Кроме того, управление горением в горелке улучшается за счет улучшения регулирования топливно-воздушной смеси, поскольку количество воздуха для горения в отработавших газах двигателя не всегда можно регулировать.

Еще одно достоинство предлагаемого устройства заключается в том, что воздух для горения не отбирается из турбокомпрессора двигателя, и, соответственно, управление сгоранием топлива в двигателе не должно согласовываться с горением топлива в горелке. То есть исключается необходимость в регулировке работы двигателя для обеспечения работы обогревателя и в использовании режимов работы двигателя для получения более высокой температуры отработавших газов.

Используемый отдельный турбоагрегат может быть достаточно дешевым, поскольку к нему не предъявляются высокие требования.

Нагревательное устройство может быть выполнено с кожухом, представляющим собой одну часть, как это показано на фигурах, или с отдельными частями турбокомпрессора и горелки. Указанные части могут быть соединены непосредственно друг с другом или присоединены к трубопроводу отработавших газов, в зависимости от имеющегося пространства для размещения частей, геометрии трубопровода (углы и повороты) и от других факторов.

На фиг.4 представлен схематический вид опорной части 210 турбокомпрессора по альтернативному варианту осуществления изобретения. Опорная часть 210 турбокомпрессора имеет трубчатый корпус с впускной частью 214 и выпускной частью 216 и имеет посадочную площадку 260 для установки турбокомпрессора. Впускная и выпускная части могут соединять опорную часть 210 турбокомпрессора с трубопроводом отработавших газов.

На фигуре 5 приведена схема одного из вариантов блока 310 горелки. Блок горелки содержит кожух 312 и горелку, как это описано выше, и имеет впускную часть 314 и выпускную часть 316 для встраивания блока в трубопровод отработавших газов.

На фигуре 6 приведена схема альтернативного варианта блока 410 горелки. Блок 410 горелки имеет впускную часть 414 и выпускную часть 416, расположенные перпендикулярно продольной оси кожуха 412.

В настоящем описании рассмотрены предпочтительные принципы, варианты и компоненты по изобретению. Специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть выполнены замены конструкций, компонентов и стадий способа их эквивалентами без выхода за пределы объема раскрытого изобретения.

Группа изобретений относится к устройствам для нагрева потока отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Нагревательное устройство для отработавших газов двигателя содержит кожух, формирующий внутреннее пространство и имеющий впускную часть для соединения с трубопроводом отработавших газов для их поступления в кожух и выпускную часть для соединения с трубопроводом отработавших газов для их вывода. Блок горелки, установленный в кожухе для сжигания топлива во внутреннем пространстве. Также турбокомпрессор, включающий турбину, имеющую впускное отверстие для поступления отработавших газов для привода турбины и выпускное отверстие, соединенное с кожухом, для вывода отработавших газов. Компрессор, приводимый турбиной и имеющий впускное отверстие для поступления внешнего воздуха и выпускное отверстие для подачи сжатого воздуха в горелку. Также описан вариант нагревательного устройства для отработавших газов двигателя. Группа изобретений позволяет отделить нагревательное устройство от дизельного сажевого фильтра, в результате уменьшить длину такого фильтра, а также обеспечить разделение управления горением топлива в нагревательном устройстве и управления работой двигателя, в результате чего упрощается управление обеими системами и выполнение диагностики возникающих в них проблем. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Нагревательное устройство для отработавших газов двигателя, содержащее:
кожух, формирующий внутреннее пространство и имеющий впускную часть для соединения с трубопроводом отработавших газов для их поступления в кожух и выпускную часть для соединения с трубопроводом отработавших газов для их вывода;
блок горелки, установленный в кожухе для сжигания топлива во внутреннем пространстве; и
турбокомпрессор, включающий турбину, имеющую впускное отверстие для поступления отработавших газов для привода турбины и выпускное отверстие, соединенное с кожухом, для вывода отработавших газов, и компрессор, приводимый турбиной и имеющий впускное отверстие для поступления внешнего воздуха и выпускное отверстие для подачи сжатого воздуха в горелку.

2. Нагревательное устройство по п.1, в котором блок горелки содержит камеру сгорания, расположенную во внутреннем пространстве и имеющую стенку, охватывающую зону горения, причем стенка отстоит на некотором расстоянии от кожуха, в результате чего формируется окружающее камеру сгорания пространство для потока отработавших газов.

3. Нагревательное устройство по п.2, в котором стенка кожуха имеет изоляцию.

4. Нагревательное устройство по п.2, в котором впускная часть кожуха сообщается с пространством для потока отработавших газов для направления отработавших газов в это пространство.

5. Нагревательное устройство по п.2, в котором стенка камеры сгорания имеет ребра, сформированные на внешней поверхности, которые отходят в пространство для потока отработавших газов и ориентированы таким образом, чтобы обеспечивать спиральное закручивание потока отработавших газов.

6. Нагревательное устройство по п.1, содержащее клапан для регулирования потока отработавших газов, поступающего во впускное отверстие турбины.

7. Нагревательное устройство по п.1, в котором впускная часть кожуха содержит вытянутый трубчатый элемент, причем турбокомпрессор скрепляется с трубчатым элементом с впускным и выпускным отверстиями турбины, соединенными с трубчатым элементом.

8. Нагревательное устройство по п.1, в котором горелка имеет впускное отверстие для воздуха, соединенное для получения воздуха из выпускного отверстия компрессора, причем впускное отверстие для воздуха ориентировано таким образом, чтобы оно закручивало в горелке входящий поток воздуха.

9. Нагревательное устройство по п.1, в котором в кожухе имеется пространство для смешивания газообразных продуктов сгорания, выходящих из горелки, с отработавшими газами, прежде чем они выйдут из выпускной части кожуха.

10. Нагревательное устройство для отработавших газов двигателя, содержащее:
кожух, включающий вытянутый трубчатый элемент, имеющий впускную часть для соединения с трубопроводом отработавших газов для их поступления в кожух и выпускную часть для соединения с трубопроводом отработавших газов для их вывода, причем кожух формирует внутреннее пространство;
блок горелки, установленный в кожухе для сжигания топлива во внутреннем пространстве; и
турбокомпрессор, включающий турбину, имеющую впускное отверстие для поступления отработавших газов для привода турбины, и выпускное отверстие, соединенное с кожухом, для вывода отработавших газов, и компрессор, приводимый турбиной и имеющий впускное отверстие для поступления внешнего воздуха и выпускное отверстие для подачи сжатого воздуха в горелку, причем турбокомпрессор прикреплен к трубчатому элементу с впускным и выпускным отверстиями турбины, соединенными с трубчатым элементом.