CN1768194A - 用于涡轮增压器的燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧装置(15)，主要用于供给涡轮增压器(18)从而产生供应给内燃机(10)的压缩空气。所述装置(15)供应有来自内燃机的排气，并且这些气体与排气中该装置可燃物质中的空气混合，从而提供并增强给涡轮增压器的供应。所述燃烧装置为大致柱形，且在入口(13)处将空气加入到排气中，从而促进燃烧，并且燃烧气体朝向通向涡轮增压器(18)的出口(17)以高速经过环形空间。

Description

用于涡轮增压器的燃烧装置
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮增压器(尤其是用于内燃机的涡轮增压器)的燃烧装置、一种包含该燃烧装置的内燃机，以及一种内燃机的操作方法。
背景技术
涡轮增压装置通常用于将空气流推入内燃机内，从而提高内燃机的性能。此种装置通常在内燃机低转速时以及在内燃机的节气门微调和全调转换期间不能提高内燃机性能。
从US 3849988(法语状态(Etat Francais))，US 3736752(法语状态)，US 4026115(法语状态)，US 4009574(法语状态)以及GB 537483(纳皮尔(Napier))得知，提供了一种具有单独燃料供应的燃烧室。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的涡轮增压器装置，其能够减少现有装置的所谓的涡轮迟滞(turbo lag)，从而提高排气质量并提高整个发动机的功率输出。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的燃烧装置，该燃烧装置包括一燃烧室，该燃烧室具有：入口，允许来自内燃机的排气进入；进气口，用于允许空气进入该燃烧室；以及出口，其与具有叶轮的涡轮增压器连通，从而使得来自所述燃烧室的气体驱动该叶轮，将该叶轮的操作设置成驱动压缩机，从而产生穿过该内燃机的气流；所述燃烧室设置成使得内燃机排气中的可燃产物在该燃烧室内燃烧，其中，所述燃烧室具有大致圆形的截面，并被设置成具有：排气入口区域，其截面沿下游方向增加，并且空气被引入到该区域内；中央区域，其位于所述入口区域的下游，在该区域中产生环形气流；以及出口区域，燃烧气体自该区域从燃烧室出口排出，从而驱动所述叶轮。
优选地，所述燃烧室被设置成具有排气入口区域，其截面沿下游方向增加，中央阻挡元件(obstruction member)位于所述入口区域的下游，用于产生进入环形区域中的流动，中央细长元件位于所述中央阻挡元件的下游，并大致沿穿过燃烧室的气体的流动方向延伸且具有排气装置，用于将空气引入所述燃烧室内。
所述装置可包括多个周边排气装置，从而使空气在燃烧室的外周边排出。
所述燃烧室可形成有外气室，空气被设置成自该外气室从多个开口进入燃烧室中。
优选地，所述中央元件沿燃烧室从燃烧室的排气入口区域朝向出口端延伸，并且空气从所述中央元件排放至燃烧室中的燃烧空间内，该燃烧空间绕所述细长元件大致环形地延伸。
所述燃烧室的内截面可以为大致环形，从而限定了从排气入口朝向下游的大致环形区域，在该区域中进行燃烧，空气从径向向内和向外的位置被引入到该环形区域内，而且空气可穿过燃烧室的壁而被引入到排气入口区域和排气出口区域中。
通常，进入燃烧室的空气流和流入内燃机的空气来自同一来源。
本发明还提供了一种内燃机，该内燃机具有：进气口，用于将压缩的燃烧空气引入到该内燃机中；来自内燃机的排气出口；压缩机，其用于产生至内燃机的所述压缩空气；用于驱动该压缩机的压缩机驱动器；以及燃烧装置，其提供了用于操作该压缩机驱动器的气流，该燃烧装置具有与内燃机的排气出口连通的排气入口，以及用于允许空气从所述压缩机进入燃烧装置的进气装置，从而使得在其中具有可燃物质的排气以及空气在该燃烧装置内混合并燃烧，该燃烧装置的一出气口与所述压缩机驱动器连通，从而来自该出气口的气流用于驱动所述压缩机。
优选地，该内燃机包括：管道装置，其用作将空气流自压缩机导向燃烧室的进气装置；以及流动控制装置，其用于控制所述空气流向燃烧室的流速。
在本发明的另一方面中，提供了一种操作具有涡轮增压器的内燃机的方法，其中，将来自该涡轮增压器的压缩空气流导入内燃机中，将燃料导入内燃机中，将内燃机运转所产生的排气导入燃烧装置中，使得排气中的可燃产物在该燃烧装置中燃烧，并且该燃烧产生的气流被导向具有叶轮的涡轮增压器以及压缩机，该涡轮增压器产生增压空气流，该空气流的一部分被导向内燃机，而部分被导向涡轮增压器。
优选地，控制给所述内燃机的燃料供应，从而使得到达内燃机的燃料多于运行该内燃机所需的燃料，由此增加来自内燃机的排气中的可燃物，而且多供应给内燃机高达8％的燃料。
此外，燃料可被引入到供给在燃烧装置中燃烧的排气中。
附图说明
从如下仅以示例方式且参照附图对本发明实施例的描述中将明白本发明的其它特征，在附图中：
图1是包含有涡轮增压器装置的内燃机布置的示意图；
图2是穿过图1的布置的燃烧室的纵剖图；
图3是对应于图2的燃烧室的可替换形式的纵剖图；
图4是图3的燃烧室的一侧的立体图；以及
图5至图7是图3和图4的燃烧室省略某些部分的立体图，以下将对其进行描述。
具体实施方式
参照附图，首先参照图1，示出了内燃机10，其可以是任何适宜的形式，在本例中是四缸汽油发动机，但其也可以是柴油机或其它内燃机。内燃机10具有：进气歧管11，空气通过该进气歧管引入到内燃机10的燃烧室内；以及排气歧管12，通过该排气歧管收集内燃机10中的燃烧产物并将其排放到排气出口13。
燃烧室15供应有来自内燃机10的排气以及来自入口16的空气，并从出口17排放气体，从而驱动涡轮增压器18的涡轮23。气体自涡轮23排放到排气管19，而涡轮增压器18通过进气口20抽取由压缩机24压缩的空气，并通过高压管道21将其排出。管道21中的空气被导向内燃机10的进气歧管11，此外，控制量的空气自管道21进入燃烧室的入口管道16，由控制阀22控制进入燃烧室15的该空气流。
一般地，图1所示的内燃机以通过来自歧管11的空气和用于在燃烧室内燃烧的测定量的燃料一起被引入内燃机10中的传统方式操作。来自内燃机燃烧室的排气沿着排气歧管12排出而进入燃烧室15，燃烧产物在该燃烧室15中与来自管道16的空气混合。来自排气歧管的可燃物在燃烧室15中燃烧，从而使得高速气体从出口17排出，以驱动涡轮增压器18，尽管为了有效地燃烧燃烧室15中的可燃物，部分空气已被控制阀22转向该燃烧室，但是涡轮增压器18的操作仍然使得高压空气被引入到进气歧管11中。
该内燃机以这样一种方式运转，即，排气歧管12中有可燃物，而该可燃物能在燃烧室15中燃烧。其中实现在燃烧室15中存在可燃物的方式有多种，这是因其取决于内燃机10的特性以及需要涡轮增压装置增压多少。在一种设置中，可向内燃机提供过量燃料，从而确保在排放口存在可燃物，并且这种过量燃料可以是例如小于15％，优选的是小于5％。
还发现，从其它来源将可燃物引入到燃烧室15中比从排气歧管引入更有利，但是通常不必这样。如果需要引入可燃物，则其可以以气体或汽化燃料的形式并通过混合器喷嘴(未示出)直接引入到燃烧室的入口13。
可在燃烧室15内实现高速燃烧，这给予压缩机18恒定的、灵活的动力源，并且为内燃机10供应高压燃烧空气。
现在具体参照图2，示出了燃烧室。燃烧室15具有大致圆形的截面，并且来自内燃机10的排气(包括可燃产物)沿方向A被引入到该燃烧室15的入口端。加压空气从方向B沿进气口管道16被引入到燃烧室15。
燃烧室15具有多个区域，其中沿下游方向包括：入口区域X、环形区域Y以及出口区域Z。入口区域X的截面面积从入口13沿下游方向增加，而环形区域Y是大致环形的并且截面恒定。在出口区域Z上，截面朝向出口17向内逐渐变细。在这种情况下，在图示的结构中入口13是双管入口。
燃烧室15是双壁的，从而限定出内壁25，该内壁是燃烧区域(包括区域X、Y和Z)的***壁。燃烧室15具有外壁27，该外壁与内壁25间隔开从而限定出空间28，该空间28是一腔室，引向燃烧室的空气在被允许进入在其中进行燃烧的燃烧室之前绕经该腔室。
在区域X上，开口30形成在壁25中，从而允许空气从腔室28进入区域X中，在区域X的入口区域以及沿下游方向向外逐渐变细的区域X1上都有多个开口30，区域X1通向环形区域Y，从而使空气在区域X中与排气混合。
在区域X和区域Y之间的边界处设有挡板或阻挡元件32，其位于中央并提供了面对入口13的阻挡面。挡板32承载在中央中空细长元件34的一端上，该细长元件34沿区域Y的纵向延伸，并且其内部通过入口34A与腔室28连通，从而允许空气从腔室28沿细长元件34通向挡板32。细长元件34具有多个出口开口35，用于将所述空气导入区域Y中。
挡板32通过臂36固定在燃烧室的内壁25上，这些臂关于挡板32的中央以120度彼此移位，从而将其外端固定在内壁25上。
可以看出，在区域Y中绕细长元件34限定了一环形空间，流过燃烧室的气体由挡板32导入该空间中。在入口区域X和环形区域Y之间的过渡部分处设有定向进气管38，该进气管设置成以所示的定向方式将空气导入该环形空间中。更多的空气从定向出气口40导入到该环形空间中，这些出气口沿区域Y并关于区域Y间隔开，且在周围沿相同的方向导向区域Y的内壁。
环形区域Y的下游是出口区域Z，该出口区域Z朝向出口17向内逐渐变细，并且还设有多个用于将空气排入区域Z内的开口42，提供这些空气以在燃烧室15内完成可燃物的燃烧，燃烧室15尽可能设置成在气体通过出口17离开时，进入燃烧室的可燃物已充分燃烧。这些气体在离开燃烧室15时达到了很高的速度，从而确保其作用在涡轮23上时，该气体以高速驱动压缩机24，从而在出口21提供相当大的压缩空气输出。
在操作期间，进入燃烧室的气体A在X处与从出口30进入的空气混合，从而使可燃物进行燃烧。然后，引入的气体和空气被挡板32导向外部，并且与来自出口38的空气进一步混合，从而在环形区域Y内建立气体和空气的环形涡流燃烧。该环形涡流燃烧的形成和在区域Y内的行进得到从燃烧室的外壁中的出口40及细长元件34中的出口35进入的空气的辅助。涡流沿区域Y行进，直到其到达出口区域Z。在该区域中，混合来自出口42的更多空气，从而导致通过出口17排放的高速气流。
可在入口13处或其周围向燃烧室15供给额外的可燃物质，该可燃物质可以是易燃气体或汽化燃料，而不依赖存在于排气中的可燃物。进入燃烧室15的排气温度将是很热的(例如，在1000℃的范围内)，从而使得进入燃烧室的可燃物质自燃，但是如果需要，也可以设置点火装置，例如以火花塞的形式。因为燃烧室能够促进气体中低浓度的可燃物燃烧，所以通常并不需要额外的燃料供应。
现在参照图3至图7，图3至图7示出了前述燃烧室的可替换形式，其中使用相同的附图标记表示相同的部件。
因此，燃烧室15通过入口1沿方向A与来自内燃机的排气连通，该入口也是双管入口的形式，不过也可使用其它入口。入口1将带有可燃物质的排气带入燃烧室中，首先进入被空气套环绕的区域X，空气在沿方向B进入到入口16中之后从该空气套通过出口30被引入。区域X是逐渐扩展的，从而增加与引入空气混合的气体所行进部分的截面。空气和气体的混合物随后进入另一区域X1中，该区域进一步扩展并且具有允许空气从空气套进入的开口30。在区域X1的下游端，更多的空气从进气管38进入，该进气管被定向为与燃烧室的侧面大致相切，从而有助于气体-空气混合物在进入区域X1下游的区域Y时产生旋涡运动。
区域Y包括环形元件50，该环形元件在51处大致是管状结构但向其下游端向内逐渐变细。管状元件50的外壁52与内壁51径向向外间隔开，从而形成中空空间D，空气沿方向C从空气套被导入元件50内的中空空间D中。管状元件50具有导向鼻状部分53，该导向鼻状部分指向上游并限定了一通路，从而可允许气体和空气在轴向上沿管状元件50的内侧导入，并且空气和气体也被导向该鼻部53的外部，从而在壁52和壁25之间的环形空间中经过元件50的外侧。
沿内壁51设置出气口55，以使得来自空间D的空气进入流经管状元件中央的气体和空气流中。
在管状元件50的外壁52中也设置有出气口56，从而使得来自空间D的空气径向向外进入到在该区域中的壁52和壁25之间限定的环形空间中。因此，空气被加入到流经区域Y的气体中，从而与进入该区域的气体混合。这促进了该气体中的可燃物的进一步燃烧。沿着管状元件50中央流过的气体与流经环形区域的空气在区域Z中混合，该区域Z朝向出口17向内逐渐变细。在区域Z中，可以允许更多的空气从外空气套经出口42进入，并且流经出口17的得到的气流具有很高的速度，且使得包含在初始排气供应中的燃烧产物充分燃烧。如前所述，从燃烧室15排出的气体具有很高的速度，而且通过涡轮增压器装置的操作产生压缩气体。
以这样的方式布置气体和空气通过燃烧室15的通道，从而可进行完全燃烧并且区域Y的布置尤为适当。由于管状元件50沿下游方向逐渐变细的特征，并且由于喷气嘴38的布置，因此大部分气体及所引入的空气沿着环形区域经过管状元件外侧。在经过该区域时，气体产生旋涡运动，该旋涡运动被认为是环形涡流，从而待燃烧产物在经过区域Y时更有可能被燃烧，目的是使得该气体进入区域Z时燃烧已接近完成。实际上，已经发现使用燃烧室15能够从内燃机产生清洁的排气，在该排气中，减少了有害的燃烧产物并且可燃产物较低。在某些情况下，可省略在内燃机排气中使用的、用于减少由于滤清器排放物产生的有害排放物的其它装置，例如催化剂转化器。
尽管在大多数情况下，即使在不供给内燃机过量燃料的情况下，所述燃烧结构也能通过多数内燃机结构引起燃烧，但是内燃机也可设置成具有比运转该内燃机严格需要的燃料稍多的燃料供给，从而在排气中提供可燃物，该排气随后经过燃烧室15以辅助在其中的燃烧。
也可以有这样的情况，即，在排气进入燃烧室15时或进入之前将可燃物质加到排气中，尤其是如果该内燃机是柴油机。在这种情况下，可燃物质可以以液体滴注或其它燃料喷射***的形式。
已发现与没有安装有所述燃烧室结构的内燃机相比，所述结构可提供显著的功率增益，同时可提高排放产物的质量，并且可快速提供由涡轮增压***产生的动力而不会在功率供给中有任何显著的延迟。
应理解的是，在图4至图7是示意性的显示，而在图4中，示出了具有外壳27、双进气管1、进气管16和排气结构17的燃烧室外部件。在图5中，省略了外壳27以显示外表面25及其多个开口，空气通过这些开口从外壳27和内表面25之间的空间导入。图6示出了相似的视图，但是省略了进气管及用于区域X的相关壳体。图7示出了管状元件50，其具有鼻部53、内锥形管51以及外柱形管52，在该外柱形管52中形成有多个排气开口56。示出了管状元件50具有朝向排放端的锥形部分50A，该锥形部分朝向出口17向内逐渐变细。管状元件50通过支撑件58支撑而从燃烧室的壁25间隔开。
可以通过一系列管分配空气，而不是围绕燃烧室设置空气套，空气通过该空气套被分配到多个出口。
应理解的是，涡轮增压器的蜗轮可以采用传统的形式，但是要设置成适合于来自燃烧室15的气体的入口温度，该温度可能为大约750℃。
本发明的燃烧室可应用于多种发动机，其上传统地装配有涡轮增压器装置且该涡轮增压器装置可以提供用于控制来自发动机的气体排放物的装置。该燃烧装置或涡轮增压器也可应用于这样的布置中，即，其中来自发动机的排气不供应至所述燃烧装置，该燃烧装置依靠供应到入口13的空气和可燃物质。在这种布置中，燃烧装置仍与涡轮/压缩机相关联，以将气流或者输送给内燃机或者输送给需要供应压缩空气的设备(例如，炉子)。
在另一实施例中，该燃烧装置可以用于在不与涡轮/压缩机相关联的情况下控制内燃机的排放。在这些布置中，内燃机的排气与供应的空气一起供给燃烧装置。该燃烧装置的出口与内燃机的排气***相连。这可以确保排气***中的催化剂转化器更有效地操作，从而在不需要电加热的情况下快速点火。

Claims (24)

1、一种用于内燃机的燃烧装置，该燃烧装置包括一燃烧室，该燃烧室具有：入口，用于允许来自内燃机的排气进入；进气口，用于允许空气进入该燃烧室；以及出口，其与具有叶轮的涡轮增压器连通，从而使得来自所述燃烧室的气体驱动该叶轮，将该叶轮的操作设置成驱动压缩机，从而产生至内燃机的空气流；所述燃烧室设置成使得内燃机排气中的可燃产物在该燃烧室内燃烧，其中，所述燃烧室具有大致圆形的截面，并被设置成具有：排气入口区域，其截面沿下游方向增加，并且空气被引入到该区域内；中央区域，其位于所述入口区域的下游，在该区域中产生环形气流；以及出口区域，燃烧气体自该出口区域从燃烧室的出口排出，从而驱动所述叶轮。
2、如权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧装置包括多个周边进气口，空气通过这些进气口在燃烧室的外周处且沿所述燃烧室的长度填充到所述燃烧室中。
3、如权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室的截面在所述出口区域上减小。
4、如权利要求1、2或3中任一项所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室形成有环形外气室，来自涡轮增压器的空气被引入到该气室中，并且所述空气被设置成自该气室从多个入口进入燃烧室中。
5、如上述权利要求中任一项所述的燃烧装置，其特征在于，在所述中央区域之上设有环形区域，以及用于以环流形式将气流向外引导至所述环形区域中的装置。
6、如权利要求4或5所述的燃烧装置，其特征在于，进入所述中央区域的空气流设置成辅助流经燃烧室的气体以进入所述环形区域中，所述进气口被定向成与所述燃烧室的壁大致相切。
7、如权利要求5或6所述的燃烧装置，其特征在于，空气沿向外的方向在所述环形区域的径向内侧被引入到所述燃烧室中。
8、如权利要求4至7中任一项所述的燃烧装置，其特征在于，在所述中央区域处设有一管状元件，所述环形区域布置在该管状元件周围，该管状元件的内部尺寸沿下游方向减少，并且该管状元件限定了一通道，空气从该通道引入所述环形区域中，该管状元件限定了用于产生气流以进入所述环形区域的装置。
9、如上述权利要求中任一项所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧室的截面朝向所述出口减少，并且空气被引入到所述出口区域中以完成燃烧过程。
10、一种内燃机，该内燃机具有：进气口，用于将压缩的燃烧空气引入到该内燃机中；来自内燃机的排气出口；压缩机，其用于产生至内燃机的所述压缩空气；压缩机驱动器，用于驱动所述压缩机；以及燃烧装置，其提供了用于操作所述压缩机驱动器的气流，该燃烧装置具有与内燃机的排气出口连通的排气入口，以及用于允许空气从所述压缩机进入燃烧装置的进气装置，从而使得在其中具有可燃物质的排气以及空气在该燃烧装置内混合并燃烧，该燃烧装置的一出气口与压缩机驱动器连通，从而来自该出气口的气流用于驱动所述压缩机。
11、如权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述燃烧装置为根据权利要求1至9中任一项所述的燃烧装置。
12、一种操作具有涡轮增压器的内燃机的方法，其中，将来自该涡轮增压器的压缩空气流导入内燃机中，将燃料导入内燃机中，将内燃机运转所产生的排气导入燃烧装置中，其中可使得排气中的可燃产物在该燃烧装置中燃烧，并且该燃烧产生的气流被导向具有叶轮的涡轮增压器以及压缩机，该涡轮增压器产生增压空气流，该空气流的一部分被导向内燃机，而部分被导向涡轮增压器。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，控制给所述内燃机的燃料供应，从而使得到达内燃机的燃料多于运行该内燃机所需的燃料，由此增加来自内燃机的排气中的可燃物质。
14、如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，超过高达8％的燃料被供应给内燃机。
15、如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，燃料被引入到供应给所述燃烧室的排气中，以辅助在所述燃烧装置中的燃烧。
16、如权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃烧装置是在权利要求1至9中任一项所限定的类型。
17、如权利要求12至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机是柴油机、四冲程或两冲程汽油机。
18、如权利要求12至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机是根据权利要求10所述的内燃机。
19、一种燃烧装置，其包括一燃烧室，该燃烧室具有：入口，允许含有可燃物质的气体进入；进气口，用于允许空气进入所述燃烧室；以及出口，其与具有叶轮的涡轮增压器连通，从而使来自所述燃烧室的气体驱动该叶轮，叶轮的操作被设置成驱动压缩机从而产生空气流；所述燃烧室设置成使得所述可燃物质在该燃烧室内燃烧，其中，所述燃烧室具有大致圆形的截面，并被设置成具有：进气区域，其截面沿下游方向增加，并且空气被引入到该区域中；中央区域，其位于所述进气区域的下游，在该区域中产生环形空气流；以及出口区域，燃烧气体自该区域从所述燃烧室出口排出，从而驱动所述叶轮。
20、如权利要求19所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧装置是根据权利要求1至9中任一项所述的燃烧装置。
21、一种用于内燃机的燃烧装置，该燃烧装置包括一燃烧室，该燃烧室具有：入口，允许来自内燃机的排气进入；进气口，用于允许空气进入所述燃烧室；以及出口；该燃烧室被设置成使得内燃机排气中的可燃产物在该燃烧室内燃烧，其中，所述燃烧室具有大致圆形的截面，并被设置成具有：进气区域，其截面沿下游方向增加，并且空气被引入到该区域中；中央区域，其位于所述进气区域的下游，在该区域中产生环形空气流；以及出口区域，燃烧气体自该区域从所述燃烧室出口排出。
22、如权利要求21所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧装置是根据权利要求1至9中任一项所述的燃烧装置。
23、一种燃烧装置，其包括一燃烧室，该燃烧室具有：入口，允许含有可燃物质的气体进入；进气口，用于允许空气进入所述燃烧室；以及出口；该燃烧室被设置成使得可燃物质在该燃烧室内燃烧，其中，所述燃烧室具有大致圆形的截面，并被设置成具有：进气区域，其截面沿下游方向增加，并且空气被引入到该区域中；中央区域，其位于所述进气区域的下游，在该区域中产生环形气流；以及出口区域，燃烧气体自该区域从所述燃烧室出口排出。
24、如权利要求23所述的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧装置是根据权利要求1至9中任一项所述的燃烧装置。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication