CN101512115B - 具有燃料动力燃烧器的排气后处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于排气处理装置(46)的后处理燃烧器(14)。后处理燃烧器可以具有安装构件(50)和连接到所述安装构件以形成燃烧室(128)的罐(59)。后处理燃烧器还可以具有燃料喷射器(52)和空气供应管路(96)，该燃料喷射器(52)设置在安装构件中以选择性地喷射燃料到燃烧室中，该空气供应管路(96)能够向燃烧室供应空气。后处理燃烧器还可以具有点火器(56)和热电偶(58)，该点火器(56)设置在安装构件中以点燃燃料/空气混合物，该热电偶(58)能够监测所述点燃。

Description

具有燃料动力燃烧器的排气后处理装置
技术领域
本发明涉及一种排气处理装置，更具体地，涉及一种用于排气处理装置的燃料动力燃烧器。
背景技术
内燃机，包括柴油发动机、汽油发动机、气态燃料动力发动机，和现有技术中已知的其他发动机，会排出空气污染物的复杂混合物。空气污染物可以包括气态化合物，例如氮氧化物和一氧化碳，也可以包括固体颗粒物质，所述固体颗粒物质可以包括未燃的碳颗粒(也公知为煤烟)。
由于日益严峻的环境问题，废气排放标准已经变得更加严格，并且从发动机排出的颗粒物质和气态化合物的量可以根据发动机的类型、尺寸，和/或级别进行管制。为了满足这些排放标准，发动机制造商已执行一种办法，该办法是利用排气处理装置将气态化合物和颗粒物质从发动机的排气流中去除。排气处理装置通常包括被设计用于捕获颗粒物质的过滤介质，和用于吸收氮氧化物和/或一氧化碳或将氮氧化物和/或一氧化碳转化为惰性流体的催化剂。
然而，使用排气处理装置过长时间会导致颗粒物质在过滤介质中堆积，由此降低过滤器的功能性并随后降低发动机性能。通过被称为再生的过程可以将收集到的颗粒物质从过滤器移除。为了开始过滤器的再生，夹带在过滤器中的颗粒物质的温度必须被提升到燃烧临界点之上，在该燃烧临界点，颗粒物质被烧掉。提升颗粒物质的温度的一种方式是喷射燃料到发动机的排气流中并且点燃被喷射的燃料。除了再生过滤介质之外，由这种燃料燃烧产生的热也可以或替代地被选择性地引导到催化剂以改进装置的操作。
提高这种加热过程的效率的一种方式是在燃烧之前和/或燃烧过程中将喷射的燃料与空气混合。即，均质的空气/燃料混合物在被点燃时可以产生均匀分布的火焰，该火焰有效地烧掉过滤介质中的颗粒物质和/或加热催化装置。为了控制这种混合和加热过程，重要的是对过程进行中混合物的点燃和/或混合物的温度进行检测。
1991年1月29日授予Lopez-Crevillen等人的美国专利No.4987738(’738专利)中描述了喷射燃料并点燃所喷射的燃料以使颗粒过滤器再生的一个例子。具体地，’738专利公开了一种过滤器，该过滤器中设置有颗粒过滤器。扩散器将过滤器连接到混合室，混合室又连接到燃烧器。燃料喷射器喷嘴安装在燃烧器中，用于在再生过程中将燃料喷射到混合室内。由于燃料在压力下通过喷嘴喷射到混合室中，因此还引导高压空气通过燃烧器和混合室以使燃料雾化。然后，也安装在燃烧器中的点火器被供应能量以点燃被雾化的空气-燃料混合物，燃烧混合物结合有计量的排气并且被引导通过扩散器到过滤器。然后，利用这种被加热的燃料-空气排放混合物烧弃捕获的颗粒物。
尽管’738专利的燃烧器结构可以使装载有颗粒的过滤器适当地再生，但该燃烧器大且效率低。具体地，由于混合室与燃烧器设备分离并且顺序地相对于通过燃烧器设备的气流定位，因此混合室会在车辆的发动机舱或起落架中占据较大的空间。此外，’738专利的燃烧器结构无法对燃料-空气混合物的点燃或燃烧过程中的温度进行检测。无法确认点燃、火焰消失或无法监视燃烧过程，该过程没有通信、观察或提供其低性能的指示从而可能效率低下地或没有效率地进行。
发明内容
本发明的燃料燃烧器解决了上述一个或多个问题。
本发明的一个方面涉及一种后处理燃烧器。该后处理燃烧器可以包括安装构件和连接到所述安装构件以形成燃烧室的罐。该后处理燃烧器还可以包括设置在所述安装构件中以选择性地喷射燃料到所述燃烧室中的燃料喷射器，和设置在所述安装构件中并且能够向所述燃烧室供应空气的空气供应管路。该后处理燃烧器还可以包括设置在所述安装构件中以点燃所述燃料/空气混合物的点火器，和设置在安装构件中并且能够监测所述点燃的热电偶。
本发明的另一个方面涉及另一种后处理燃烧器。该后处理燃烧器也可以包括安装构件和连接到所述安装构件以形成燃烧室的罐。该后处理燃烧器还可以包括设置在所述安装构件中以选择性地喷射燃料到所述燃烧室中的燃料喷射器，和设置在所述安装构件中并且能够向所述燃烧室供应空气的空气供应管路。该后处理燃烧器另外可以包括设置在所述安装构件中以点燃所述燃料/空气混合物的点火器，和完全地设置在所述安装构件中以混合所述喷射的燃料和所述供应的空气的混合器。
附图说明
图1是根据本发明的一种示例性的功率单元的示意图；
图2是示出与图1中的功率单元一起使用的根据本发明的一种示例性的处理装置的分解图；
图3是图2中的排气处理装置的俯视图；
图4A是图2中的排气处理装置的剖视图；
图4B是图2中的排气处理装置的另一个剖视图；和
图4C是图2中的排气处理装置的另一个剖视图。
具体实施方式
图1示出了具有共轨燃料***12、吹扫***(purge system)13和辅助再生***14的功率单元10。基于本发明的目的，功率单元10被图示并描述为四冲程柴油机。但是，本领域普通技术人员将认识到，功率单元10可以是任何其他类型的内燃机，例如汽油发动机或气态燃料动力发动机。功率单元10可以包括发动机本体16，该发动机本体16至少部分地限定多个燃烧室(未示出)。在所示的实施方式中，功率单元10包括四个燃烧室。但是，可以设想，功率单元10可以包括更多个或更少个燃烧室，并且燃烧室可以被设置成“直列式”结构、“V型”结构或任何其它适当的机构。
同样如图1所示，功率单元10可以包括曲轴18，该曲轴18可旋转地设置在发动机本体16中。连杆(未示出)可以将多个活塞(未示出)连接到曲轴18，使得每个活塞在各自的燃烧室内的滑动运动导致曲轴18旋转。类似地，曲轴18旋转可以导致活塞作滑动运动。
共轨燃料***12可以包括协助输送被喷射到每个燃烧室中的加压燃料的部件。具体地，共轨燃料***12可以包括能够保持燃料供应的容器20和能够对燃料进行加压并且经由共轨24将加压燃料引导至多个燃料喷射器(未示出)的燃料泵送组件22。
燃料泵送组件22可以包括一个或多个泵送装置，所述泵送装置用于增加燃料的压力并且引导一束或多束加压燃料流到共轨24。在一个例子中，燃料泵送组件22包括串联设置并经由燃料管路30流体连通的低压源26和高压源28。低压源26可以具体化为传送泵，其向高压源28提供低压进给。高压源28可以接收低压进给并且使燃料的压力增加到大约30-300Mpa的范围。高压源28可以经由燃料管路32连接到共轨24。一个或多个过滤元件34，例如粗滤器和精滤器，可以串联设置在燃料管路32中，以从由燃料泵送组件22加压的燃料去除碎屑和/或水。
低压源26和高压源28中的一个或两个可操作地连接到功率单元10并由曲轴18驱动。低压源26和/或高压源28可以本领域普通技术人员容易想到的任何方式与曲轴18连接，曲轴18旋转导致泵轴的相应驱动旋转。例如，图1中示出的高压源28的泵驱动轴36通过齿轮系38连接到曲轴18。但是，可以设想，低压源26和高压源28中的一个或两个可以替代地被电力驱动、液压驱动、气动驱动或以任何其它适当的方式驱动。还可以设想，共轨燃料***12可以替代地具体化为另一种形式的燃料***，例如机械单元燃料喷射器***，其中，被喷射的燃料的压力在各个喷射器中产生或增大而无需使用高压源。
出于吹扫和/或燃烧目的，吹扫***13可以加压流体并且将该加压流体供应到辅助再生***14。例如，压缩空气或天然气等流体可以被引导至辅助再生***14，以去除其部件的残余燃料和/或污染物。替代地或另外地，该吹扫用流体可以被引导与来自共轨24的燃料喷射相混合并且由此帮助辅助再生***14中的燃烧。出于这些目的，吹扫***13可以包括流体源44(例如压缩机、空气泵或任何其他适当的源)，和储存器(例如具有足够的容积以在流体源44工作或不工作时完成吹扫和/或燃烧过程的容器或蓄积器)。吹扫通道40可以将辅助再生***14的部件流体连通到位于任意上游位置处的流体源44。单向阀42可以设置在吹扫通道40中，以确保燃料和其他污染物被阻止通过吹扫通道40流动到流体源44。吹扫用流体通过吹扫通道40的流动可以通过适当的阀组件(未示出)来控制。
可以设想，如果期望的话可以设置单独的燃烧空气源(未示出)。具体地，在一些情况中，吹扫用流体除了空气外可以包括例如水、清洁液或这些流体的组合等。在这些情况中，单独的源可以供应在辅助再生***14中燃烧所需的空气。
辅助再生***14可以与排气处理装置46相关联。具体地，随着来自功率单元10的排气流过排气处理装置46，颗粒物质可以由催化的金属丝网或蜂窝陶瓷过滤介质48从排气流中去除。随着时间的过去，颗粒物质可以堆积在过滤介质48中，并且如果未检查，堆积的颗粒物质会足以限制、或者甚至堵塞排气通过排气处理装置46流动，从而使功率单元10中的背压增大。功率单元10中的背压增大会降低功率单元引入新鲜空气的能力，导致性能降低、排气温度升高并且燃料消耗增大。
如图2所示，辅助再生***14可以包括协助周期性地减少过滤介质48中的颗粒物质堆积的部件。这些部件可以包括安装构件50、喷射器52、混合器54、火花塞56、热电偶58和燃烧罐59等。可以设想，辅助再生***14可以包括另外的和/或不同的部件，例如一个或多个导向喷射器、附加的主喷射器、控制器、压力传感器、流量传感器、流动阻塞装置和其它本领域中已知的部件。
安装构件50可以容纳并流体连接燃料喷射器52、混合器54、火花塞56和热电偶58。具体地，如图3所示，安装构件50可以具有中央阶梯孔60、中央凹形开口62、径向定位的第一孔64和径向定位的第二孔66。安装构件50也可以包括导向燃料通道68、主燃料通道70、分支吹扫通道72、独立吹扫通道74、以及入口和出口冷却通道76和78。一个或多个单向阀(未示出)可以根据需要定位在这些通道中的任意一个或所有中，以确保各自的流体单向流动和/或使通道的需要周期性吹扫的容积最小化。
中央阶梯孔60可以通过内表面80(参照图2中所示的安装构件50的朝排气处理装置46打开的表面)容纳燃料喷射器52。如图4A所示，中央阶梯孔60与燃料喷射器52一起可以在孔60的阶梯中形成导向燃料室82、主燃料室84和冷却剂室86。导向燃料室82可以与导向燃料通道68流体连通(参照图3)，而主燃料室84可以与主燃料通道70流体连通。冷却剂室86可以与入口冷却通道76和出口冷却通道78流体连通。止动环88(参照图2)可以保持燃料喷射器52在中央阶梯孔60中。
中央凹形开口62也可以通过内表面80接收混合器54。混合器54可以被完全压配在中央凹形开口62中和/或利用止动环90保持在适当位置(参照图2)。混合器54可以与燃料喷射器52和安装构件50中央对准，并且通过一个或多个定位销钉92相对于安装构件50成角度地定向。
径向定位的第一孔64可以通过安装构件50的外表面容纳火花塞56。具体地，火花塞56可以包括与径向定位的第一孔64的内螺纹接合的外螺纹。径向定位的第一孔64可以与独立吹扫通道74连通，使得从孔64可以周期性地去除碳和其它污染物，从而防止碳和其它污染物堆积在火花塞56上并造成无意消弧。
径向定位的第二孔66可以通过安装构件50的外表面容纳热电偶58。与火花塞56类似，热电偶58也可以具有与径向定位的第二孔66的内螺纹接合的外螺纹。虽然没有一个通道被示出为与热电偶58连通流体，但可以设想，根据需要可以替代地将来自吹扫***13的吹扫用流体引导到径向定位的第二孔66以使污染物在其中的堆积最少化。
喷射器52可以设置在安装构件50中并且可操作地在预定的正时、燃料压力和燃料流速下将加压燃料量喷射到燃烧罐59中。燃料喷射到罐59中的正时可以与从热电偶58、一个或多个压力传感器(未示出)、计时器(未示出)或任何其它类似的感测装置接收到的感测输入同步，使得燃料的喷射基本上对应于颗粒物质在过滤介质48中的堆积。例如，在流过排气处理装置46的排气的温度超过预定值时，可以喷射燃料。替代地或另外地，在流过排气处理装置46的排气的压力超过预定压力值或者通过过滤介质48下降的压力超过预定差值时，可以喷射燃料。可以设想，燃料喷射也可以根据需要基于除了或不管压力和温度条件之外的设定的周期性条件进行。
混合器54和安装构件50一起可以形成空气分配通道94，可以经由入口96(参照图4C)从吹扫***13向该空气分配通道94供应压缩空气。混合器54可以包括多个环形布置的通气孔98，所述通气孔98使空气分配通道94与燃烧罐59流体连通(参照图2)。通气孔98可以在燃烧罐59内使来自吹扫***13的空气与燃料喷射混合以改进其中的燃烧。可以设想，根据需要出于冷却和/或绝缘的目的，通气孔98可以另外地或替代地被构造成将加压空气引向燃烧罐59的外部周边。
混合器54可以包括开口以容纳热电偶58和火花塞56。具体地，热电偶58可以经由混合器54中的第一通孔100延伸到燃烧罐59中，而火花塞56可以经由第二通孔102延伸到燃烧罐59中。接地电极104可以从混合器54延伸到第二通孔102附近，以与火花塞56相互作用。
火花塞56可以有利于从喷射器52喷射到燃烧罐59中的燃料的点燃。具体地，在再生事件过程中或当排气处理装置46中的催化剂需要升高的温度时，离开功率单元10的排气温度可能过低以致于不能使从喷射器52喷射出的燃料自动点燃。为了使燃料以及随后使所捕获的颗粒物质开始燃烧，可以将来自喷射器52的少量燃料(即，导向喷射)朝向火花塞56喷洒或喷射以形成容易被火花塞56点燃的局部富裕气氛。通过火花塞56的电极形成的火花可以点燃局部富裕气氛形成火焰，该火焰可以喷射或者以其它方式朝向被捕获的颗粒物质行进。从喷射器52传播的火焰喷射可以使排气处理装置46中的温度升高到一定水平，在该水平下，容易使来自喷射器52的大量的燃料有效点燃(即，主喷射)。随着主喷射燃料点燃，排气处理装置46中的温度可以继续升高到一水平，在该水平下，捕获在过滤介质48中的颗粒物质被点燃和/或支持催化剂的有效操作。
火花塞56可以包括多个部件，所述多个部件协作用以点燃从喷射器52喷射的燃料。具体地，火花塞56(参照图4B)可以包括主体106、从主体106的一端延伸的终端108，和从主体106的相对的第二端延伸的中央电极110。主体106可通过螺纹容纳在阶梯孔64中，并且通过绝缘元件112从中央电极110分离。终端108可以电连接到中央电极110，与中央电极110形成一体或在需要时完全省略。
在中央电极110和接地电极104之间可以产生电极弧。即，中央电极110可以具有可操作地固定到主体106的基端114、自由末端116，和从基端114延伸到自由末端116的侧部118。当火花塞56被装配到安装构件50中时，自由末端116可以从混合器54的第一表面120通过孔102并延伸穿过混合器54的相对的第二表面122。接地电极104可以具有自由末端126和连接到混合器54的第二表面122的基端124(即，与混合器54形成为一体)。接地电极104的自由末端126可以朝向中央电极110的侧部118延伸，并且终止在基端124和侧部118之间的径向位置。自由末端126和自由末端116之间的距离可以被设计成使得当电荷通过终端108引向中央电极110时，从自由电极116到接地电极104的自由末端126可以形成电弧。该电弧可以有利于将燃烧罐59内的燃料/空气混合物点燃。
热电偶58可以确认燃烧室59中的燃料/空气混合物被成功点燃。热电偶通常包括在不锈钢壳体内的双金属杆。当杆加热时，产生能够被测量的直流，并且所测得的电流值可以指示与杆相接触的温度。热电偶58可以通过混合器54延伸到在燃烧罐59中被点燃的火焰喷射处，用于指示其中的温度。当在燃烧罐59中测得的温度超过预定值时，可以得到已经完成点燃空气-燃料混合物的结论。类似地，当在燃烧罐59中测得的温度低于预定值，则能够得到火焰喷射已经熄灭的结论。可以设想，燃料的喷射和/或引入燃烧罐59中的空气的流速或压力可以响应于由热电偶58产生的电流值而改变。
燃烧罐59(参照图2)可以具体化为管状构件，其被构造成将来自辅助再生装置14的被点燃的燃料/空气混合物(即，火焰喷射)沿轴向引向处理装置46的排气流中。具体地，燃烧罐59可以包括中央开口128，该中央开口128使来自燃料喷射器52的燃料和来自分配通道94的空气与排气流流体连通。燃烧罐59可以利用在中央开口128的一端处的火焰稳定板130提供限制，从而使排气处理装置46中的脉动最小化。即，火焰稳定板130的内径可以小于中央开口128的内径。燃烧罐59通常可以是直的，并且具有在制造的过程中根据期望的火焰引入位置设置的预定长度(由燃料/空气混合物点燃产生的火焰从燃烧罐59延伸到排气流中的距离)。在一个例子中，该期望的引入位置可以是从燃烧罐59的火焰稳定板130开始大约12英寸。
工业实用性
本发明的燃料动力燃烧器可以应用到各种排气处理装置，包括例如需要周期性再生的颗粒捕集器、需要用于最佳操作的预定温度的催化剂转换器和本领域已知的其它类似的装置。实际上，本发明的燃料燃烧器可以应用到任何发动机***中，所述发动机***得益于选择性地升高的温度。现在将说明功率单元10的操作。
参照图1，空气和燃料可以被引入功率单元10的燃烧室用于随后燃烧。具体地，来自共轨燃料***12的燃料可以喷射到功率单元10的燃烧室内，与其中的空气相混合并且由功率单元10点燃以产生机械工作输出和热气体排气流。排气流可能包含由气态和固态材料组成的空气污染物的复杂混合物，固态材料可以包括颗粒物质。随着该载有颗粒的排气流从燃烧室引导通过排气处理装置46时，颗粒物质可以被过滤介质48从排气流中带出。随着时间的过去，颗粒物质可以堆积在过滤介质48中，并且如果未检查，堆积的颗粒物质会足以限制、或者甚至堵塞排气通过排气处理装置46流动。如上所述，对来自功率单元10的排气流的限制会使功率单元10中的背压增大，并降低功率单元引入新鲜空气的能力，导致功率单元10的性能降低、排气温度升高并且燃料消耗增大。
为了阻止颗粒物质在排气处理装置46中不期望地堆积，可以使过滤介质48再生。再生可以是周期性的或者基于触发条件，例如发动机运行的时间推移、穿过罐介质48测量的压差、来自功率单元10的排气流的温度或本领域中公知的任何其它条件。
如图2所示，为了开始再生，可以使喷射器52以期望的速率、压力和/或正时选择性地喷射燃料到排气处理装置46中。随着来自喷射器52的燃料喷射喷洒到排气处理装置46中，空气可以经由混合器54的通气孔98与燃料混合。随着燃料/空气混合物在燃烧罐59中涡旋，可以经由终端108向中央电极110提供电流。随着电流在中央电极110中起作用，可以形成从中央电极110的自由末端116到接地电极104的自由端126的电弧，由此点燃混合物。然后，被点燃的燃料流和空气可以使捕获在过滤介质48中的颗粒物质的温度升高到夹带的颗粒物质的燃烧水平，烧掉颗粒物质并由此使过滤介质48再生。根据需要，可以经过类似的过程来升高适当的催化剂的温度。
在加热事件之间和/或过程中，燃料喷射器52和/或火花塞56可以选择性地去除燃料和/或污染物，以确保适当地运行。为了对燃料喷射器52和火花塞56进行吹扫处理，来自源44的吹扫用流体可以被引到通过吹扫通道40、穿过单向阀42并通过阶梯孔60，64。流入阶梯孔60，64中的吹扫用流体会将这些孔中任何剩余的燃料和污染物驱出并进入燃烧罐59中。通过从阶梯孔60，64去除燃料和/或污染物，可以确保堵塞燃料喷射器52或在一个点处而不是在中央电极110的自由末端116处形成电弧的可能性。
由于辅助再生装置14的构造，可以保留功率单元10的发动机舱中的空间。即，由于混合器54完全容纳在安装构件50中，因此混合器54可以利用的空间很少(如果有的话)。功率单元10的发动机舱中的空间增大可以改进与功率单元10相关联的其它部件的可挠曲性。
另外，由于辅助再生装置14利用热电偶，因此排气处理装置46的操作可以是最有效的。特别地，如果基于热电偶58的温度指示可以确定在燃烧罐59中不存在火焰并且燃料已经被喷射到燃烧罐59中，那么可能是启用了错误的条件。在错误条件过程中，可以阻止进一步喷射燃料以使浪费的燃料最少化。可以设想，热电偶58的温度指示也可以被用作输入，以根据需要控制辅助再生装置14的燃料增加速率和/或空气供应速率。
对于本领域普通技术人员来说可以想到的是，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以对本发明的燃料动力燃烧器进行各种变型和变化。另外，本领域技术人员从说明书的描述和根据本发明的燃料动力燃烧器的实际应用中可想到其他实施方式。说明书和实施例仅仅是示例性的，本发明的真正范围通过下面的权利要求书及其等同物表明。

Claims (9)

1.一种后处理燃烧器(14)，包括：
安装构件(50)，其具有孔；
罐(59)，其连接到所述安装构件以形成燃烧室(128)；
燃料喷射器(52)，其设置在所述安装构件的所述孔中，以选择性地喷射燃料到所述燃烧室中，所述燃料喷射器与所述安装构件一起形成环绕所述燃料喷射器的至少一部分的冷却剂室；
空气供应管路(96)，其形成在所述安装构件中并且能够向所述燃烧室供应空气；
点火器(56)，其设置在所述安装构件中，并且能够点燃燃料和空气混合物；和
冷却剂管路，其形成在所述安装构件中并且与所述冷却剂室流体连通。
2.根据权利要求1所述的后处理燃烧器，还包括混合器(54)，其完全地设置在所述安装构件中，以混合所述喷射的燃料和所述供应的空气。
3.根据权利要求2所述的后处理燃烧器，还包括使所述混合器与所述安装构件对准的销钉(92)。
4.根据权利要求2所述的后处理燃烧器，其特征在于，所述混合器被压配在所述安装构件的凹槽中。
5.根据权利要求2所述的后处理燃烧器，还包括空气分配通道(94)，其围绕所述安装构件内部的所述燃料喷射器环形地设置，所述空气分配通道与所述空气供应管路和所述混合器流体连通。
6.根据权利要求1所述的后处理燃烧器，还包括吹扫管路(72)，其设置在所述安装构件中并且与所述燃料喷射器选择性地流体连通。
7.根据权利要求6所述的后处理燃烧器，还包括第二吹扫管路(74)，其设置在所述安装构件中并且与火花塞选择性地流体连通。
8.根据权利要求1所述的后处理燃烧器，还包括：
主燃料通道(70)，其形成在所述安装构件中并且与所述燃料喷射器流体连通；和
导向燃料通道(68)，其形成在所述安装构件中并且与所述燃料喷射器流体连通。
9.一种功率***(10)，包括：
内燃机(16)，其能够产生功率输出和排气流；
后处理装置(46)，其能够处理所述排气流；和
根据权利要求1至8中任意一项所述的后处理燃烧器(14)，其能够提升所述后处理装置的温度。
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