CN101440735B - 一种柴油机全工况下排气加热装置、***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柴油机金工况下排气加热的装置、***与方法，属于尾气微粒污染控制技术领域。该加热装置包括：与外壳，依次串接的一级燃烧室、二级燃烧室、三级燃烧室，旋流槽，锥形扰流板，扰流槽，锥形扰流板三角支撑架，一级燃烧供油管，环形燃油蒸发管，三级燃烧供油管，进气导流筒，新鲜空气导流筒和排气锥形进气口，进气孔和进气挡板。电控单元通过监测排气温度和微粒捕集器两端的压力以判断是否需要再生；需要再生时，判断排气含氧量，当含氧量低于规定值，控制打气泵提供少量空气用以实现金工况可靠点火。本发明提供一种能源消耗低、操作方法简单、燃烧效率高、运行可靠且能在发动机全工况下工作的装置、***及方法。

Description

一种柴油机全工况下排气加热装置、***与方法

本发明属于柴油机尾气微粒污染控制技术领域，进一步涉及一种柴油机全工况下排气加热的装置、***与方法。

背景技术

柴油机以较高的热效率和较低的废气排放在世界各地的各行各业得到了广泛的应用，但其较高的微粒排放一直是困扰人们的一个问题。微粒捕集器(DPF)是控制柴油机微粒的有效方法。虽然目前捕集器的捕集效率能达到90％以上，但是微粒捕集之后的去除(即捕集器的再生)却是制约捕集器应用的主要原因。

热再生是较普遍采用的一种微粒捕集器再生方式。通过加热提高排气温度或直接选择性加热微粒将沉积在捕集器内的微粒燃烧，恢复捕集器性能。现在排气加热的方式主要有电加热、微波加热、红外加热和喷油助燃加热等。

此外还有采用在柴油机燃油中加入添加剂，以降低排气微粒的起燃温度，使柴油机在运行过程中某些工况下实现自动再生。

现阶段柴油机排气加热再生装置存在主要以下问题：

(1)采用电加热、微波加热、红外加热再生，再生过程中能量的转换会造成大量能量的损失；另外再生所需能量基本来自蓄电池，而再生过程中加热装置功率消耗较大，给蓄电池带来很大负担，为此通常要加装发电机且采用旁通再生，造成再生***结构复杂。

(2)喷油助燃加热采用缸内后喷或排气管喷射，缸内后喷只适用于高压共轨柴油机，且由于部分柴油会渗入油底壳造成机油稀释，使发动机磨损加剧，寿命下降；采用排气管喷射必须结合采用氧化催化转换器以使喷入的燃油氧化以提高排气温度，而氧化催化转换器对燃油中硫含量十分敏感，且在高温下催化剂容易脱落，使用寿命较短。

(3)由于空间结构的限制，微粒捕集器通常离发动机较远，采用喷油助燃再生时，产生能量沿程管路损失，造成再生过程中能量利用率不高。

(4)在柴油机燃油中加入添加剂可以减缓微粒捕集器微粒累积速率，使微粒捕集器再生周期延长，但由于空间结构的限制，微粒捕集器通常离发动机较远，因此利用柴油机运行中再生效果较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能源消耗低、操作方法简单、燃烧效率高、运行可靠且能在发动机全工况下有效燃烧微粒从而使微粒捕集器可靠再生的装置、***及方法。

为实现上述方法设计一套柴油机排气燃烧装置，如图2、3所示，该加热装置包括：

与排气管相连的加热装置外壳14，

位于外壳内依次串接的一级燃烧室21、二级燃烧室22、三级燃烧室24；

位于三级燃烧室24最末端的锥形扰流板25，锥形扰流板上的扰流槽32，以及锥形扰流板三角支撑架33；

为一级燃烧室21提供燃油的一级燃烧供油管；

与一级燃烧供油管和一级燃烧室21相连的点火装置；

位于二级燃烧室22、三级燃烧室24连接处的环形燃油蒸发管26，以及与环形燃油蒸发管26相连的三级燃烧供油管；

与一级燃烧室21相连的进气导流筒30；

与进气导流筒30一端相连的新鲜空气导流筒16和排气锥形进气口15；

位于进气导流筒30另一端，且位于一级燃烧室21内的进气孔28和进气挡板27。

上述点火装置的技术方案：燃油吸附网29贴合在电热塞座20内表面，在电热塞紧固螺纹下沿与燃烧吸附网之间设有进气孔，燃油吸附网下沿上方卡座上设有进油槽。

作为燃烧装置的优化方案，还包括：位于一级燃烧室21、二级燃烧室22连接处的旋流槽31。

一种柴油机全工况下排气加热***，包括：上述加热装置；以及：

与加热装置新鲜空气导流筒16相连的新鲜空气控制阀1；

与一级燃烧供油管相连的一级燃油计量器2；

与三级燃烧供油管相连的三级燃油计量器4；

与一级燃油计量器2和三级燃油计量器4相连的燃油箱3；

与加热装置新鲜空气导流筒16相连的微型打气泵10；

电控单元；

与加热装置排气口相连的微粒捕集器7；

位于微粒捕集器7进气端的第一温度传感器8；

位于一级燃烧室22内用于检测火焰的火焰传感器10；

位于加热装置尾气入口处的第二温度传感器12；

位于微粒捕集器7两端的压力传感器6a、6b。

应用上述加热***的一种柴油机全工况下排气加热方法，包括下述过程：

燃烧***供油采用由柴油机供油回油管路直接取油，电控单元控制一级燃油计量器2和，通过两级供油方式向燃烧器提供燃油；

电控单元通过第一温度传感器8监测排气温度，通过微粒捕集器7两端的压力传感器6a、6b监测压力信号，以判断是否需要再生；

由电控单元判断再生时机，当需要再生时，开启点火装置及一级燃油计量器2，并由电控单元根据发动机工况，判断发动机排气含氧量，当含氧量低于规定值，控制微型打气泵9提供少量空气用以实现全工况可靠点火；

由电控单元根据发动机工况，新鲜空气控制阀1适时调节燃烧器新鲜空气取气量，从而实现在发动机怠速和小负荷时新鲜空气控制阀1关闭实现废气直接燃烧，在发动机中、大负荷根据排气含氧量控制新鲜空气控制阀1开启流通截面，以增加燃烧器内含氧量，实现燃烧器可靠燃烧。

作为一种优选，燃烧***所需新鲜空气取自柴油机涡轮增压器出口处。

作为另外一种优选，在柴油机燃油中可以添加铁离子含量为5ppm的铁基燃油添加剂；该添加剂可使柴油机排气微粒起燃温度降低100～150℃。

上述加热方法在工作过程中，废气通过排气夹层首先对一级燃烧室进行预热，着火后夹层中部分废气经旋流槽进入二级燃烧室参与二级燃烧。在二级燃烧室末端布置有锥形扰流板，用以改善三级燃烧室燃烧效率，并提升粒捕集器入口温度均匀性。

本发明柴油机排气微粒捕集器全工况再生的方法与装置相对于现有技术，具有如下优点：

(1)采用燃油添加剂和排气燃烧器相结合的微粒捕集器再生方式。燃油添加剂可以降低微粒起燃温度，一方面降低微粒捕集器累积速率，延长微粒捕集器再生里程；另一方面有效减少微粒捕集器再生能量消耗。

(2)通过控制在发动机进气管取气，实现了柴油机微粒捕集器全工况再生。柴油机排气燃烧器能否可靠工作取决燃烧器供气的含氧量，在柴油机怠速和小负荷时排气含氧量较高，因此排气可以直接燃烧；而在柴油机中、大负荷时，由于排气中含氧量减少，燃烧可靠性变差，为此必须增加燃烧器供气含氧量，本发明由电控单元控制根据发动机工况控制从发动机进气管取出新鲜空气提供给燃烧器，保证燃烧器在中、大负荷可靠燃烧。

(3)采用微型打气泵，保证了燃烧器点火的可靠性。由于柴油机排气含氧量的减少，在含氧量小于一定值时会造成燃烧器点火可靠性下降，本发明通过采用微型打气泵，由电控单元根据发动机工况控制打气泵工作时机，从而实现全工况燃烧器可靠点火。

(4)燃烧器新鲜空气取自柴油机废气涡轮增压器后，省去了额外的供气源并改善了燃烧效果。传统利用风机提供气源多应用于汽车空调加热器，进气加热等方面。而在排气环境中特别是加装过滤体后的排气中，由于较高的排气背压，传统风机方式由于送气压力低于排气背压导致加热装置无法正常燃烧。

(5)燃烧器供油采用由柴油机供油回油管路直接取油，省去燃烧器燃油泵，降低了成本。

(6)本发明柴油机排气微粒捕集器全工况再生的方法与装置，***造价成本低，不仅可应用于高压共轨电控柴油机，也可应用于机械式喷油泵柴油机，因此还可以实现在用车改造，使之满足更为严格排放法规要求。

附图说明

图1是柴油机全工况下排气加热***结构图，1为新鲜空气控制阀，2为一级燃油计量器，3为燃油箱，4为三级燃油计量器，5为电控单元，6为压力传感器，7为微粒捕集器，8为第一温度传感器，9为微型打气泵，10为火焰传感器，11为加热装置，12为第二温度传感器。

图2是排气加热装置结构示意图，其中，13为发动机排气管，14为燃烧器外壳，15为排气锥形进气口，16为新鲜空气导流筒，17为燃油管，18为点火装置电热塞进气管，19为点火装置电热塞，20为点火装置电热塞座，21为一级燃烧窒，22为二级燃烧室，23为三级燃油管，24为三级燃烧室，25为锥形扰流板，26为燃油蒸发管，27为进气挡片，28为进气孔，29为燃油吸附网，30为进气导流筒。

图3(a)为排气燃烧器一级与二级燃烧室结构示意图，其中，22为二级燃烧室，23为三级燃油管，25为锥形扰流板，26为燃油蒸发管，31为旋流槽。

图3(b)为图3(a)的右视图；其中，32为锥形扰流板上的旋流槽，33为锥形扰流板三角支撑架。

图4为怠速工况模式再生过程曲线图。

图5为1400r/min，80N·m工况模式再生过程曲线图。

图6为2600r/min，50N·m工况模式再生过程曲线图。

具体实施方式

燃油***

从发动机回油管路取部分燃油，在压力调节阀作用下燃油通过燃油计量器进入到燃烧器当中。其中一部分进入燃烧器蒸发室用于一级燃烧，另一部分进入排气夹层中用于三级燃烧。

进气***

燃烧器进气***主要包括三大部分：一是打气泵提供少量新鲜空气用于点火；二是涡轮增压器在部分工况下提供新鲜空气用于燃烧；三是从排气中分流出一部分排气用于燃烧。

点火装置

电热塞通电对燃油吸附网预热之后，燃油进入到蒸发室后在吸附网表面蒸发汽化并由电热塞点燃。微型打气泵可有效提高点火可靠性并避免电热塞的积碳问题。

燃烧装置

废气通过排气夹层首先对一级燃烧室进行预热，着火后夹层中部分废气经旋流槽进入二级燃烧室参与二级燃烧。在二级燃烧室末端布置有锥形扰流板，用以改善三级燃烧室燃烧效率，并提升微粒捕集器入口温度均匀性。

电控***

电控单元通过第一温度传感器8和微粒捕集器两端压力传感器6a、6b判断是否需要再生；当需要再生时，开启电热塞及一级进油电磁阀2，并由电控单元根据发动机工况，判断发动机排气含氧量，当含氧量低于规定值，控制微型打气泵9提供少量空气用以实现全工况可靠点火；燃烧器着火后，电控单元根据发动机工况控制电磁阀2开启流通截面大小，在发动机怠速和小负荷时电磁阀2关闭实现废气直接燃烧，在发动机中、大负荷根据排气含氧量控制电磁阀2开启流通截面，以增加燃烧器内含氧量，实现燃烧器可靠燃烧；燃烧器供油采用由柴油机供油回油管路直接取油，电控单元控制电控计量器，通过两级供油方式向燃烧器提供燃油。

控制***再生过程控制通过控制空气流量调节阀，燃油计量阀和电子点火装置以预先设定好的控制逻辑控制加热装置来提高排气温度，控制***监测温度信号适时调整进气量控制排气温度在期望的范围。

实施样例：

在一台排量为2.499L增压柴油机上进行了排气微粒捕集器全工况再生试验研究，其中在燃油中添加了铁离子含量为5ppm的铁基燃油添加剂，当微粒捕集器捕集颗粒物6g/L时，分别在图4、5、6所示三种典型工况模式下，应用本专利柴油机排气微粒捕集器全工况再生的方法与装置进行微粒捕集器再生。其中图4工况为怠速，此时只有废气参与燃烧；图5工况为1400r/min，80N·m，此时新鲜空气与废气共同参与燃烧；图6工况为2600r/min，50N·m，此时只有新鲜空气参与燃烧。结果表明：在低、中、高三种不同转速与负荷下，微粒捕集器在排气加热装置将排气温度加热到500℃时出现快速再生，3-5分钟后捕集器背压回到初始值，实现了完全再生。

Claims (6)

1.一种柴油机全工况下排气加热装置，其特征在于，该加热装置包括：

与排气管(13)相连的加热装置外壳(14)；

位于外壳内依次串接的一级燃烧室(21)、二级燃烧室(22)、三级燃烧室(24)；

位于三级燃烧室(24)最末端的锥形扰流板(25)，锥形扰流板上的扰流槽(32)，以及锥形扰流板三角支撑架(33)；

为一级燃烧室(21)提供燃油的一级燃烧供油管；

与一级燃烧供油管和一级燃烧室(21)相连的点火装置；

位于二级燃烧室(22)、三级燃烧室(24)连接处的环形燃油蒸发管(26)，以及与环形燃油蒸发管(26)相连的三级燃烧供油管；

与一级燃烧室(21)相连的进气导流筒(30)；

与进气导流筒(30)一端相连的新鲜空气导流筒(16)和排气锥形进气口(15)；

位于进气导流筒(30)另一端，且位于一级燃烧室(21)内的进气孔(28)和进气挡板(27)。

2.根据权利要求1所述一种柴油机全工况下排气加热装置，其特征在于，还包括：位于一级燃烧室(21)、二级燃烧室(22)连接处的旋流槽(31)。

3.包括权利要求1所述一种柴油机全工况下排气加热装置的一种柴油机全工况下排气加热***，其特征在于，包括：；

与加热装置新鲜空气导流筒(16)相连的新鲜空气控制阀(1)；

与一级燃烧供油管相连的一级燃油计量器(2)；

与三级燃烧供油管相连的三级燃油计量器(4)；

与一级燃油计量器(2)和三级燃油计量器(4)相连的燃油箱(3)；

与点火装置电热塞进气管(18)相连的微型打气泵(9)；

电控单元；

与加热装置排气口相连的微粒捕集器(7)；

位于微粒捕集器(7)进气端的第一温度传感器(8)；

位于一级燃烧室(22)内用于检测火焰的火焰传感器(10)；

位于加热装置尾气入口处的第二温度传感器(12)；

位于微粒捕集器7两端的压力传感器(6a，6b)。

4.应用权利要求3所述一种柴油机全工况下排气加热***的一种柴油机全工况下排气加热方法，其特征在于，

燃烧***供油采用由柴油机供油回油管路直接取油，电控单元控制一级燃油计量器(2)和三级燃油计量器(4)，通过两级供油方式向燃烧器提供燃油；

电控单元通过第一温度传感器(8)监测排气温度，通过微粒捕集器(7)两端的压力传感器(6a，6b)监测压力信号，以判断是否需要再生；

由电控单元判断再生时机，当需要再生时，开启点火装置及一级燃油计量器(2)，并由电控单元根据发动机工况，判断发动机排气含氧量，当含氧量低于规定值，控制微型打气泵(9)提供少量空气用以实现全工况可靠点火；

由电控单元根据发动机工况，新鲜空气控制阀(1)适时调节燃烧器新鲜空气取气量，从而实现在发动机怠速和小负荷时新鲜空气控制阀(1)关闭实现废气直接燃烧，在发动机中、大负荷根据排气含氧量控制新鲜空气控制阀(1)开启流通截面，以增加燃烧器内含氧量，实现燃烧器可靠燃烧。

5.根据权利要求4所述一种柴油机全工况下排气加热方法，其特征在于，在柴油机燃油中添加铁离子含量为5ppm的铁基燃油添加剂。

6.根据权利要求4所述一种柴油机全工况下排气加热方法，其特征在于，燃烧***所需新鲜空气取自柴油机涡轮增压器出口处。

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