Нагревательный модуль для системы нейтрализации выхлопных газов - RU2594393C2

Чертежи

Описание

Изобретение касается нагревательного модуля для системы нейтрализации отработавших газов, подсоединенной к двигателю внутреннего сгорания на стороне выпуска отработавших газов. Модуль содержит каталитическую горелку с форсункой для впрыска углеводородов и окислительный нейтрализатор, установленный по направлению потока отработавших газов за форсункой, и предназначен для подачи тепловой энергии на устройство для нейтрализации отработавших газов упомянутой системы. Нагревательный модуль располагает основным каналом выпуска отработавших газов, вспомогательным каналом выпуска отработавших газов, содержащим каталитическую горелку, а также устройством для управления массовым потоком отработавших газов, протекающим по вспомогательному каналу.

Двигатели внутреннего сгорания, в настоящее время в особенности дизельные двигателя, располагают устройствами для снижения вредных или нежелательных выбросов, размещенными в выпускном тракте. В случае одного их подобных устройств речь, к примеру, может идти об окислительном нейтрализаторе, сажевом фильтре и (или) ступени нейтрализации системы SCR. Сажевый фильтр предназначен для улавливания частиц сажи, выбрасываемых двигателем внутреннего сгорания. На поверхности сажевого фильтра, обращенной к потоку отработавших газов, скапливаются частички сажи, переносимые отработавшими газами. Для того чтобы из-за последовательного накопления сажи противодавление в системе выпуска отработавших газов не увеличивалось слишком сильно и (или) не возникала опасность засорения фильтра, при достаточном накоплении сажи в сажевом фильтре запускается процесс регенерации фильтра. При таком процессе регенерации скопившаяся в фильтре сажа выжигается (окисляется). По завершении такого процесса окисления сажи сажевый фильтр регенерирован. Остаются только негорючие частички золы. Для того чтобы окисление сажи происходило, сажа должна иметь определенную температуру. Как правило, эта температура составляет приблизительно 600 градусов Цельсия. Температура, при которой начинается такое окисление сажи, может быть ниже, например, если температура окисления снижена путем добавления присадки и (или) в результате образования NO₂. Когда сажа имеет температуру ниже температуры окисления, для запуска процесса регенерации необходимо подать тепловую энергию, чтобы таким образом можно было активным способом запустить регенерацию. Активная регенерация может быть запущена за счет мер, принимаемых внутри двигателя, путем изменения процесса сгорания топлива для того, чтобы отработавшие газы имели более высокую температуру. Во многих вариантах применения, в первую очередь в сфере, не связанной с дорожным движением, предпочитают, однако, использование мер, принимаемых после выхода отработавших газов из двигателя, для осуществления активной регенерации. Во многих случаях, оказать влияние на процессы, протекающие внутри двигателя, в рамках нейтрализации отработавших газов невозможно.

Из патента DE 202009005251 U1 известна система нейтрализации отработавших газов, в которой, для целей активного запуска регенерации сажевого фильтра, выпускной тракт разделен на основной и вспомогательный каналы выпуска отработавших газов. Во вспомогательный канал встроена каталитическая горелка, с помощью которой часть потока отработавших газов, протекающая по вспомогательному каналу, нагревается, а затем соединяется с частью потока отработавших газов, текущей по основному каналу, так что таким образом смешавшийся массовый поток отработавших газов имеет значительно более высокую температуру. Повышение температуры потока отработавших газов производится с целью нагрева сажи, скопившейся на стороне сажевого фильтра, обращенной к потоку отработавших газов, до температуры, достаточной для запуска процесса регенерации. В качестве каталитической горелки служит размещенный во вспомогательном канале окислительный нейтрализатор с установленным перед ним устройством для впрыска углеводородов. Для управления потоком отработавших газов, протекающим по вспомогательному каналу, в основном канале имеется заслонка для регулировки потока отработавших газов, с помощью которой может регулироваться свободное пропускное сечение основного канала. Для целей подогрева окислительного нейтрализатора, встроенного во вспомогательный канал, до его рабочей температуры - т.е. такой температуры, начиная с которой на каталитической поверхности осуществляется необходимая экзотермическая конверсия углеводородов - перед ним расположен термоэлектрический нагревательный элемент. Он включается, когда этот окислительный нейтрализатор необходимо подогреть до его рабочей температуры. В этом документе также описывается, что каталитическая горелка, расположенная во вспомогательном канале, может орошаться избыточным количеством углеводородов, чтобы таким способом подать их на второй окислительный нейтрализатор, расположенный по направлению потока отработавших газов непосредственно перед сажевым фильтром, для того, чтобы углеводороды могли вступать в такую же экзотермическую реакцию на каталитической поверхности этого второго окислительного нейтрализатора. Таким образом, в случае этой известной системы нейтрализации отработавших газов может осуществляться двухступенчатый подогрев отработавших газов. Вытекающие из второго окислительного нейтрализатора отработавшие газы в таком случае имеют необходимую температуру, чтобы нагреть сажу, накопившуюся на обращенной к потоку отработавших газов стороне сажевого фильтра, до такой степени, что сажа окисляется.

Равным образом может быть желательно, повышать температуру другого устройства для нейтрализации отработавших газов, например, окислительного нейтрализатора или ступени SCR, чтобы быстрее доводить его до рабочей температуры.

Задачей изобретения является усовершенствование нагревательного модуля упомянутого в начале типа таким образом, чтобы сделать его конструкцию более компактной.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью нагревательного модуля указанного в начале типа, у которого основной канал на входе нагревательного модуля содержит перепускной отрезок трубопровода, имеющий перепускные отверстия, через которые обеспечивается соединение потоков отработавших газов, текущих в основном и вспомогательном каналах.

У этого нагревательного модуля ответвление во вспомогательный канал, а также, согласно одному примеру исполнения, впадение вспомогательного канала в основной канал, соответственно реализованы с помощью перепускного отрезка трубопровода. Такой перепускной отрезок трубопровода имеет перепускные отверстия, которые выполнены в трубе, образующей перепускной отрезок трубопровода. Таким образом, через расположенный на стороне входа относительно вспомогательного канала перепускной отрезок трубопровода, который находится на входе нагревательного модуля, поток отработавших газов, который должен отводиться во вспомогательный канал в радиальном направлении, вытекает из основного канала в радиальном направлении и втекает во вспомогательный канал, если этот поток отработавших газов, полностью или частично, должен направляться через вспомогательный канал. Концепция исполнения входа во вспомогательный канал с применением таких перепускных отрезков трубопровода позволяет исполнить ответвление, расположенное относительно основного направления потока отработавших газов даже под прямым углом, в виде части вспомогательного канала. Подсоединение вспомогательного канала к основному каналу на стороне выхода может быть оборудовано аналогичным способом. Согласно другому примеру исполнения предусмотрено, что основной канал и вспомогательный канал в осевом направлении, и таким образом, в направлении основного потока отработавших газов, впадают в смесительную камеру. При такой концепции протяженность вспомогательного канала с каталитической горелкой в основном может ограничиваться необходимой длиной окислительного нейтрализатора. Если, помимо прочего, каталитической горелке придан термоэлектрический нагревательный элемент, расположенный в направлении потока отработавших газов перед окислительным нейтрализатором, то длина вспомогательного канала может быть практически ограничена необходимой длиной окислительного нейтрализатора и длиной размещенного перед ним нагревательного элемента. Описанная ранее концепция предполагает, что вспомогательный канал, отходящий от основного канала под прямым углом, изменяет направление на 90 градусов, чтобы направлять поток отработавших газов в отрезок вспомогательного канала, идущий параллельно основному каналу. Соответствующий поворот канала находится, как правило, в области продольной оси отрезка вспомогательного канала с окислительным нейтрализатором, так что предлагается расположить в области поворота форсунку для впрыска углеводородов, а именно таким образом, чтобы ее конус распыления был направлен фронтально на окислительный нейтрализатор или, в случае, если перед нейтрализатором размещен термоэлектрический нагревательный элемент, на этот элемент. Тем самым для создания участка потока отработавших газов, необходимого для формирования конуса распыления форсунки для впрыска углеводородов, не требуется дополнительное монтажное пространство в продольном направлении нагревательного модуля. Для формирования конуса распыления при такой концепции используется глубина канала в месте соответствующего поворота, наличие которого требуется и без этого.

Особенно предпочтительным является исполнение, при котором нагревательный модуль имеет термоэлектрический нагревательный элемент, размещенный перед окислительным нейтрализатором, поскольку этот элемент можно использовать для того, чтобы испарять топливо, впрыскиваемое форсункой для углеводородов во вспомогательный канал, прежде чем оно попадет на каталитическую поверхность окислительного нейтрализатора. Следовательно, при таком исполнении между форсункой для углеводородов, или ее распылителем, и окислительным нейтрализатором достаточно наличия минимального участка потока отработавших газов. При этом необходимый участок потока отработавших газов служит не в качестве участка предварительной обработки, а преимущественно для целей формирования конуса распыления, чтобы вся, или практически вся поверхность нагревательного элемента, обращенная к набегающему потоку, находилась в области конуса распыления. При этом конус распыления регулируют таким образом, что предпочтительно он орошает только поверхность нагревательного элемента, обращенную к набегающему потоку отработавших газов, и не орошает или, в крайнем случае, лишь незначительно орошает участки стенок вспомогательного канала, расположенные относительно направления потока отработавших газов перед нагревательным элементом.

Концепция исполнения ответвления от основного канала на стороне входа с помощью перепускного отрезка трубопровода, который, в зависимости от исполнения нагревательного модуля, охватывает вспомогательный канал или охвачен отходящим вспомогательным каналом, позволяет выполнить множество перепускных отверстий, которые предпочтительно равномерно распределены по окружности перепускного отрезка трубопровода. Форму перепускных отверстий и их расположение предпочтительным образом выбирают так, чтобы во вспомогательном канале обеспечивалось максимально равномерное распределение потока отработавших газов, поступающего во вспомогательный канал. Целью является обеспечение равномерного потока, набегающего на окислительный нейтрализатор, расположенный во вспомогательном канале, или, при наличии, на расположенный перед ним термоэлектрический нагревательный элемент, по всей площади поперечного сечения вспомогательного канала. Принципиально возможной является также концепция, при которой перепускные отверстия распространяются только на часть боковой поверхности перепускного отрезка трубопровода, например, только на 180 градусов. Независимо от описанного ранее исполнения перепускного отрезка трубопровода считается целесообразным, когда площадь поперечного сечения перепускных отверстий в сумме несколько больше, чем площадь поперечного сечения основного канала в области перепускного отрезка трубопровода. Благодаря этому противодавление отработавшим газам, возникающее из-за необходимых внутренних элементов во вспомогательном канале, можно удержать на низком уровне. Согласно одному примеру исполнения предусмотрено, что сумма площадей поперечных сечений перепускных отверстий на перепускном отрезке трубопровода в 1,2-1,5 раза больше, чем площадь поперечного сечения основного канала на перепускном отрезке трубопровода. Было обнаружено, что соответствующее значение соотношения площадей поперечного сечения, равное приблизительно 1,3, наиболее благоприятно для того, чтобы не оказывать на характеристики потока отработавших газов в обоих каналах - основном и вспомогательном - излишне негативного влияния.

Концепция подсоединения вспомогательного канала к основному каналу через перепускные отрезки трубопровода, как описано выше, позволяет исполнить перепускные отрезки трубопровода, и таким образом ответвления, путем соответствующего подбора размеров перепускных отверстий, а именно, с точки зрения их количества и диаметра, таким образом, что поток отработавших газов, направляемый через основной канал, при протекании по основному каналу нагревательного модуля испытывает в местах ответвлений только минимальное и таким образом пренебрежительно малое увеличение противодавления отработавшим газам.

Перепускной отрезок трубопровода, в зависимости от исполнения нагревательного модуля, ограничивает основной поток с наружной или с внутренней стороны. При первом исполнении поток отработавших газов, направляемый через вспомогательный канал, направляется из основного канала во вспомогательный канал в радиальном направлении наружу. Окислительный нейтрализатор и, при необходимости, размещенный перед ним нагревательный элемент, в этом случае находятся в трубе, расположенной параллельно основному каналу, и выполняющей роль отрезка вспомогательного канала. Согласно другому исполнению вспомогательный канал находится в отрезке вспомогательного канала внутри основного канала, предпочтительно располагаясь относительно него концентрично. Переход из основного канала во вспомогательный канал при таком исполнении осуществляется в радиальном направлении внутрь. При исполнении, в котором отрезок вспомогательного канала с каталитической горелкой находится в пределах трубы, ограничивающей основной канал своей наружной стороной, при работе каталитической горелки во вспомогательном канале, подогревается не только поток отработавших газов, текущий через вспомогательный канал, но и часть потока отработавших газов, текущая через основной канал, поскольку она протекает вдоль наружной боковой поверхности отрезка вспомогательного канала, имеющего каталитическую горелку. Таким образом, дополнительные потери тепла можно не учитывать. Следует отметить, что тогда разница температур между частью потока отработавших газов, вытекающей из вспомогательного канала, и частью потока отработавших газов, текущей через основной канал, при слиянии обеих частей потока будет меньшей. Это, в свою очередь положительно влияет на быстрое перемешивание, и вызванное им выравнивание температуры в общем потоке отработавших газов, текущем за выходом из вспомогательного канала.

Возврат потока отработавших газов, направленного через вспомогательный канал, может осуществляться таким же способом, как и на входе во вспомогательный канал, через второй перепускной отрезок трубопровода, имеющий перепускные отверстия. Представленные выше варианты исполнения для перепускного отрезка трубопровода на стороне входа, при таком воплощении изобретения, в равной степени действительны и для перепускного отрезка трубопровода, расположенного относительно вспомогательного канала на стороне выхода. Ввод потока отработавших газов, вытекающего из вспомогательного канала, в основной канал или в поток отработавших газов, текущий по нему, обеспечивает особо эффективное смешивание обеих частей потока отработавших газов, соединяемых в этом месте, на очень коротком участке выпускного тракта. Это означает, что уже после прохождения очень короткого участка за перепускным отрезком трубопровода на стороне выхода из вспомогательного канала, смешавшийся поток отработавших газов имеет очень равномерное распределение температуры по площади поперечного сечения потока.

Соединение текучей среды между основным каналом и отрезком вспомогательного канала с окислительным нейтрализатором и, предпочтительно, также с размещенным перед ним термоэлектрическим нагревательным элементом, согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения, при исполнении, в котором отрезок вспомогательного канала с каталитической горелкой проходит параллельно основному каналу, реализуется с помощью отводящих камер. Эти камеры охватывают основной канал соответственно на каждом перепускном отрезке трубопровода. На некотором расстоянии от основного канала, к отводящим камерам подсоединен отрезок вспомогательного канала с усыновленными в нем элементами. Отводящие камеры являются частью вспомогательного канала. Такое исполнение позволяет реализовать такую концепцию отрезка вспомогательного канала с размещенными в нем элементами, при которой его диаметр значительно больше, чем диаметр основного канала. Вследствие этого в такой отрезок вспомогательного канала можно установить окислительный нейтрализатор, который имеет соответственно больший диаметр. При этом само собой разумеется, что чем больше площадь поперечного сечения окислительного нейтрализатора, тем меньшей длины, при одинаковом объеме, он может быть выполнен. Благодаря этому создается не только возможность исполнить нагревательный модуль соответственно более коротким по длине, но и более того, с помощью такой меры можно также уменьшить противодавление и коэффициент конверсии, и тем самым снизить термическую нагрузку на окислительный нейтрализатор.

Принципиально, те же преимущества, за исключением упомянутых для перепускных отрезков трубопроводов, очевидны в случае нагревательного модуля, у которого вспомогательный канал на стороне входа и стороне выхода располагает, соответственно, отводящей камерой, отходящей от вспомогательного канала в радиальном направлении. Между этими отводящими камерами, располагаясь параллельно основному каналу нагревательного модуля, находится отрезок вспомогательного канала с окислительным нейтрализатором. Поэтому такое исполнение представляет собой другое решение задачи, положенной в основу изобретения.

Концепция создания соединений текучей среды между отрезком вспомогательного канала с окислительным нейтрализатором, и предпочтительно размещенным перед ним термоэлектрическим элементом, с основным каналом посредством описанных выше отводящих камер, позволяет исполнить их в виде штампованных деталей из листового металла, причем обычно две такие штампованных детали, как правило, получаемые путем глубокой штамповки, соединены между собой в отводящую камеру. Эта концепция позволяет применять идентичные детали для отводящей камеры на стороне входа и для отводящей камеры на стороне выхода, по меньшей мере, с точки зрения этапа предварительного изготовления. В действительности, детали отводящей камеры, в результате выполненных после этого этапа предварительного изготовления отверстий для подсоединения, например, датчиков или форсунки для впрыска углеводородов, могут отличаться друг от друга. Принципиально, и расположенные снаружи детали отводящей камеры могут быть одинаковыми. Только в случае наружной детали отводящей камеры, расположенной на стороне входа, обычно предусмотрено устройство для подсоединения форсунки для впрыска углеводородов. Согласно примеру исполнения изобретения эта деталь отводящей камеры имеет отверстие для форсунки, с отогнутой наружу кромкой, образующей фланец, к которому крепится форсунка для впрыска углеводородов. И эта деталь отводящей камеры может быть изготовлена в виде детали, идентичной наружной детали другой отводящей камеры, причем отверстие под форсунку для впрыска углеводородов выполнено в этой детали отводящей камеры, первоначально изготовленной в виде идентичной детали, путем дополнительной операции обработки.

Другие преимущества и предпочтительные варианты исполнения изобретения вытекают из последующего описания примера исполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На чертежах показано:

Фиг.1. Схематический внешний вид и внутренние элементы согласно первому примеру исполнения нагревательного модуля для подачи тепловой энергии в выпускной тракт системы нейтрализации отработавших газов, подсоединенной к двигателю внутреннего сгорания на стороне выпуска отработавших газов.

Фиг.2. Первый вид с торца (вид сбоку слева) на нагревательный модуль, показанный на фиг.1.

Фиг.3. Другой вид с торца (вид сбоку справа) на сторону нагревательного модуля по фиг.1, противоположную стороне, показанной на фиг.2.

Фиг.4. Изображение, соответствующее показанному на фиг.1, с обозначенными на нем стрелками потоков отработавших газов при эксплуатации нагревательного модуля.

Фиг.5. Перспективное изображение и внутренние элементы согласно другому примеру исполнения нагревательного модуля для подачи тепловой энергии в выпускной тракт системы нейтрализации отработавших газов, подсоединенной к двигателю внутреннего сгорания на стороне выпуска отработавших газов.

Фиг.6. Схематический внешний вид и внутренние элементы нагревательного модуля на фиг.5, с обозначенными на нем стрелками потоков отработавших газов при эксплуатации нагревательного модуля.

Фиг.7a, 7b. Поперечное сечение нагревательного модуля на фиг.5 и 6 (фиг.7a), а также фрагмент продольного сечения упомянутого нагревательного модуля (фиг.7b) в области расположения заслонки для регулировки потока отработавших газов.

Нагревательный модуль 1 согласно первому примеру исполнения изобретения размещен в не показанном более подробно тракте отработавших газов системы нейтрализации отработавших газов. Система нейтрализации отработавших газов, в свою очередь, подсоединена к дизельному двигателю, в качестве двигателя внутреннего сгорания, на стороне выпуска отработавших газов. Тракт отработавших газов, в котором размещен нагревательный модуль 1, обозначен позицией A. Нагревательный модуль 1, относительно направления потока отработавших газов, обозначенного фигурными стрелками на фиг.1, размещен перед устройством для нейтрализации отработавших газов, например, перед сажевым фильтром. Предпочтительным образом перед сажевым фильтром размещен окислительный нейтрализатор.

Нагревательный модуль 1 согласно первому примеру исполнения изобретения имеет основной канал отработавших газов 2 и вспомогательный канал 3. Основной канал 2 является частью тракта отработавших газов A системы нейтрализации отработавших газов. Через основной канал 2 текут отработавшие газы, выброшенные дизельным двигателем, если они не направляются во вспомогательный канал 3. Когда нагревательный модуль 1 для подачи тепловой энергии в тракт отработавших газов работает, поток отработавших газов, полностью или частично, направляется через вспомогательный канал 3. Для направления потока отработавших газов через основной канал 2 и (или) через вспомогательный канал 3 в основном канале 2 имеется заслонка для регулировки потока отработавших газов 5, управляемая с помощью исполнительного механизма 4. На фиг.1 заслонка для регулировки потока отработавших газов 5 показана в положении, перекрывающем основной канал 2. В зависимости от положения заслонки 5 в основном канале 2, через основной канал 2, или через вспомогательный канал 3 может направляться весь поток отработавших газов, или же одна часть потока может направляться через основной канал 2, а другая часть потока - через вспомогательный канал 3.

Основной канал 2 нагревательного модуля 1, на стороне входа и на стороне выхода относительно вспомогательного канала 3, соответственно имеет перепускной отрезок трубопровода 6, 6.1. Перепускной отрезок трубопровода 6 показанного примера исполнения изобретения реализован с помощью перфорированного участка, образованного множеством перепускных отверстий 7, проходящих сквозь трубопровод на этом отрезке. На показанном примере исполнения изобретения перепускные отверстия 7 имеют круглое сечение и распределены по окружности в виде решетки, при этом площадь поперечного сечения у всех отверстий одинаковая. Предполагается, что как расположение перепускных отверстий 7 и форма их поперечного сечения, так и их размер могут варьироваться. Также предполагается, что на перепускном отрезке трубопровода, как правило, в направлении потока отработавших газов, для них может быть предусмотрено разное расположение. На показанном примере исполнения изобретения сумма площадей поперечных сечений перепускных отверстий 7 приблизительно в 1,3 раза больше, чем площадь поперечного сечения основного канала 2, обычно в области перепускного отрезка трубопровода 6. Перепускной отрезок трубопровода 6.1, располагающийся относительно вспомогательного канала 3 на стороне выпуска, спроектирован идентичным образом. Однако перепускной отрезок трубопровода 6.1, расположенный на стороне выпуска, может быть реализован иначе, чем перепускной отрезок трубопровода 6 на стороне впуска.

Перепускной отрезок трубопровода 6 охвачен отводящей камерой 8. Перепускной отрезок трубопровода 6 охватывается камерой по всей окружности, поскольку в показанном примере исполнения перепускные отверстия 7 распределены по всей окружности перепускного отрезка трубопровода 6. Таким образом, все без исключения перепускные отверстия 7 перепускного отрезка трубопровода 6 находятся внутри отводящей камеры 8. Благодаря этой мере отработавшие газы могут вытекать из основного канала 2 во вспомогательный канал 3 по всему периметру перепускного отрезка трубопровода 6. Отводящая камера 8, 8.1 собрана из двух деталей из листового металла, изготовленных методом глубокой штамповки - деталей камеры 9, 9.1. На обращенных друг к другу сторонах детали отводящей камеры 9, 9.1 имеют соответственно монтажные фланцы 10, 10.1, с помощью которых обе детали отводящей камеры 9, 9.1 герметично соединены друг с другом. Перепускной отрезок трубопровода 6.1 таким же образом охвачен отводящей камерой 8.1.

На некотором расстоянии от основного канала 2 и параллельно ему, между обращенными друг к другу деталями 9, 9.1 отводящих камер 8, 8.1 простирается отрезок вспомогательного канала 11, который на показанном примере воплощения изобретения выполнен в виде трубы, имеющей круглое поперечное сечение. В отрезке вспомогательного канала 11 находится окислительный нейтрализатор 12 и размещенный в направлении потока отработавших газов перед ним термоэлектрический нагревательный элемент 13. Разъемы, необходимые для работы нагревательного элемента 13, для большей наглядности на фигурах не показаны. К расположенной снаружи детали 9 отводящей камеры 8 подсоединена форсунка для впрыска углеводородов 14. Форсунка для впрыска углеводородов 14 предназначена для впрыска топлива (в данном случае дизельного топлива), чтобы таким способом подать углеводороды, необходимые для работы каталитической горелки, образованной совместно с окислительным нейтрализатором 12. Форсунка для впрыска углеводородов 14 не показанным более подробно способом подсоединена к системе питания топливом, которая также обеспечивает питание дизельного двигателя.

Описанная выше оболочковая конструкция отводящих камер 8, 8.1 позволяет изготавливать их из идентичных деталей. Для подсоединения форсунки для впрыска углеводородов 14 на показанном примере исполнения в детали отводящей камеры 9 выполнено отверстие для форсунки, а в детали 9.1 другой отводящей камеры 8.1 - отверстие для установки датчика температуры. Оно находится на одной линии с продольной осью отрезка вспомогательного канала 11.

Виды нагревательного модуля 1 сбоку на фигурах 2 и 3 показывают, что отводящие камеры 8, 8.1 начиная от основного канала 2 в направлении отрезка вспомогательного канала 11, с точки зрения площади поперечного сечения потока отработавших газов, увеличиваются. Это увеличение площади поперечного сечения на стороне входа приводит к замедлению потока отработавших газов, направленного через вспомогательный канал 3. Это желательно для того, чтобы конус распыления топлива, формируемый форсункой для впрыска углеводородов 14, как можно меньше подвергался воздействию набегающего потока отработавших газов. Конус распыления топлива, формируемый форсункой для впрыска углеводородов 14, отрегулирован так, что он орошает топливом торцевую поверхность нагревательного элемента 13, обращенную к набегающему потоку отработавших газов. Причем угол раскрытия конуса выбран таким, что участки стенок отрезка вспомогательного канала 11, находящиеся в направлении потока отработавших газов перед нагревательным элементом 13, топливом не орошаются. Площадь поперечного сечения отрезка вспомогательного канала 11, как следует из фиг. с 1 по 3, в свою очередь, несколько меньше, чем площадь поперечного сечения потока отработавших газов в пределах отводящей камеры 8 (то же самое действительно для отводящей камеры 8.1) в области горизонтального плеча отрезка вспомогательного канала 11, показанного на фигурах 2 и 3. Вследствие этого в отрезке вспомогательного канала 11 возникает определенное ускорение потока отработавших газов, направленного во вспомогательный канал 3, в результате чего частицы, которые могут распыляться за пределы конуса распыления форсунки для впрыска углеводородов 14, втягиваются в отрезок вспомогательного канала 11 и подаются на термоэлектрический элемент 13, благодаря чему может быть предупреждено образование нежелательных отложений на стенках канала.

На виде нагревательного модуля 1 сбоку, показанном на фигурах 2 и 3, заслонка для регулировки потока отработавших газов 5 находится в положении поворота на 90 градусов относительно положения, показанного на фиг.1. В этом положении заслонки поток отработавших газов, поступающий в нагревательный модуль 1, полностью течет через основной канал 2. Объясняется это тем, что поток отработавших газов, поступающий в нагревательный модуль 1, испытывает во вспомогательном канале 3 несколько большее противодавление отработавшим газам, чем в случае протекания через основной канал 2 и расположенные за нагревательным модулем 1 компоненты системы нейтрализации отработавших газов.

Площадь поперечного сечения отрезка вспомогательного канала 11 в показанном примере исполнения примерно более чем в два раза превышает площадь поперечного сечения основного канала 2. Это обусловлено тем, что для создания максимально компактной конструкции нагревательного модуля 1 в первую очередь может использоваться площадь поперечного сечения встроенных элементов - нагревательного элемента 13 и окислительного нейтрализатора 12 - и прежде всего окислительный нейтрализатор 12 должен иметь в направлении потока отработавших газов только относительно небольшую длину. Было обнаружено, что монтажное пространство часто бывает ограниченным, прежде всего, в продольном направлении выпускного тракта, в то время как в поперечном направлении иногда имеется возможность для размещения определенных агрегатов. Этому требованию нагревательный модуль 1, благодаря описанной выше концепции, удовлетворяет в особенной степени.

На отводящей камере 8.1 имеется датчик температуры 15, с помощью которого может регистрироваться температура отработавших газов на стороне выхода относительно окислительного нейтрализатора 12.

Из изображений, показанных на фигурах с 1 по 3, также очевидно, что исполнительный механизм 4 не должен, как показано на фигурах, обязательно располагаться на нижней стороне показанного на фигурах нагревательного модуля 1. Более того, исполнительный механизм 4 может размещаться с поворотом вокруг продольной оси основного канала 2, как в одну, так и в другую сторону, в зависимости от того, в каком месте, в случае определенного применения, имеется необходимое монтажное пространство.

Далее кратко описывается работа нагревательного модуля 1. Нагревательный модуль 1 эксплуатируется для подачи тепловой энергии в поток отработавших газов дизельного двигателя, например для того, чтобы запустить регенерацию сажевого фильтра, который в системе нейтрализации отработавших газов размещен за нагревательным модулем 1 по направлению потока отработавших газов и, при необходимости, управлять процессом регенерации. Когда температура отработавших газов, выброшенных дизельным двигателем, превысит определенное значение, перед непосредственной работой нагревательного модуля 1 часть потока отработавших газов, или весь поток, направляется через вспомогательный канал 3. Это делается с той целью, чтобы предварительно, насколько это позволяет температура потока отработавших газов, подогреть окислительный нейтрализатор 12 и, если температура отработавших газов достаточно высокая, довести его до рабочей температуры. Если в результате этих мер довести окислительный нейтрализатор 12 до его рабочей температуры не удается, дополнительно подается питание на термоэлектрический нагревательный элемент 13, для того, чтобы окислительный нейтрализатор нагревался потоком отработавших газов, подогретым нагревательным элементом 13.

Если нагревательный модуль 1 представляет собой первую часть двухступенчатой системы каталитических горелок, то окислительный нейтрализатор 12 конструируют с большим содержанием катализатора окисления, чем у окислительного нейтрализатора, расположенного за ним в основном канале. Следовательно, при таком исполнении и рабочая температура у этого окислительного нейтрализатора 12 ниже.

Непосредственно для работы нагревательного модуля 1, в зависимости от требуемого увеличения температуры, через вспомогательный канал 3 направляется весь поток отработавших газов, поступающих в нагревательный модуль 1, или только часть потока. Соответствующим образом, с помощью исполнительного механизма 4, регулируется заслонка для регулировки потока отработавших газов 5 в основном канале. При этом само собой разумеется, что когда заслонка для регулировки потока отработавших газов 5 находится в закрытом положении, большая часть потока отработавших газов направляется через вспомогательный канал 3. И наоборот: если заслонка для регулировки потока отработавших газов находится в полностью открытом положении, как это показано на виде сбоку на фиг.2, весь поток отработавших газов течет через основной канал 2 нагревательного модуля 1. При работе нагревательного модуля 1, поток отработавших газов, текущий через вспомогательный канал 3, нагревается в результате работы размещенной в нем каталитической горелки, образованной у показанного примера исполнения изобретения форсункой для впрыска углеводородов 14, нагревательным элементом 13 и окислительным нейтрализатором 12. Для этих целей на электрический нагревательный элемент 13 подается питание, для того, чтобы на нем испарялось топливо, впрыскиваемое форсункой для впрыска углеводородов 14. Конус распыления S форсунки для впрыска углеводородов 14 показан на фиг.4 схематически. Испарившееся на нагревательном элементе 13 топливо попадает на каталитическую поверхность окислительного нейтрализатора 12 и запускает желаемую экзотермическую реакцию. Поток отработавших газов, подогретый таким способом во вспомогательном канале 3, через отводящую камеру 8.1 возвращается в основной канал 2, причем при прохождении этого горячего потока отработавших газов через перепускные отверстия 7 в значительно более холодную часть потока отработавших газов, текущего через основной канал 2, на коротком участке происходит особенно эффективное перемешивание частей потока.

При этом само собой разумеется, что топливо впрыскивается во вспомогательный канал 3 форсункой для впрыска углеводородов 14 только тогда, когда окислительный нейтрализатор 12 нагрет до температуры, превышающей его рабочую температуру.

На фиг.5 показан другой нагревательный модуль 1.1 согласно другому примеру воплощения изобретения. Нагревательный модуль 1.1 принципиально устроен так же, как нагревательный модуль 1, показанный на фигурах с 1 по 4. Поэтому исполнения для нагревательного модуля 1 также действительны для нагревательного модуля 1.1, если только далее не указано иное.

У нагревательного модуля 1.1 отрезок вспомогательного канала 11.1 с окислительным нейтрализатором 12.1 и размещенным перед ним нагревательным элементом 13.1 расположен внутри основного канала 2.1. При этой концепции и показанном примере исполнения нагревательного модуля 1.1 основной канал 2.1 и вспомогательный канал 3.1 расположены концентрично один другому. Тракт отработавших газов A в показанном примере исполнения впадает в основной канал 2.1 в радиальном направлении. Основной канал 2.1, из-за концентричного расположения, в радиальном направлении с внутренней стороны ограничен вспомогательным каналом 3.1. В области входа нагревательного модуля 1.1 перед отрезком вспомогательного канала 11.1 размещен перепускной отрезок трубопровода 6.2. Перепускной отрезок трубопровода 6.2 устроен так же, как и перепускные отрезки 6, 6.1 в примере исполнения нагревательного модуля, показанном на фигурах с 1 по 4. Поэтому относящиеся к ним исполнения действительны и для перепускного отрезка трубопровода 6.2 нагревательного модуля 1.1. Перепускные отверстия 7.1 выполнены на перепускном отрезке трубопровода по окружности, и в показанном примере исполнения имеют круглое сечение. Таким образом, перепускной отрезок 6.2 или его перепускные отверстия 7.1 образуют вход, и таким образом соединение потоков отработавших газов между основным каналом 2.1 и вспомогательным каналом 3.1. В отличие от нагревательного модуля 1 у нагревательного модуля 1.1 поток отработавших газов, который необходимо направить через вспомогательный канал 3.1, вытекает в радиальном направлении внутрь, т.е. через внутреннюю боковую поверхность основного канала 2.1 и втекает во вспомогательный канал 3.1. Форсунка для впрыска углеводородов 14.1 располагается своим распылителем соосно вспомогательному каналу 3.1, т.е. также, как и форсунка для впрыска углеводородов 14 нагревательного модуля 1. Входное отверстие для подачи отработавших газов в основной канал, в альтернативном варианте может также быть выполнено тангенциально, или соосно по отношению к направлению основного потока отработавших газов, текущего через нагревательный модуль 1.1. В случае входного отверстия, расположенного соосно основному потоку, оно, при желании, может быть исполнено кольцеобразным.

И в случае нагревательного модуля 1.1 для большей наглядности электрические разъемы нагревательного элемента 13.1 не показаны.

Таким образом, основной канал 2.1 огибает вспомогательный канал 3.1 и, следовательно, образует кольцевую камеру. В этой кольцевой камере установлена спиральная перегородка 16 в качестве направляющего элемента, благодаря которому потоку отработавших газов, поступающему в основной канал 2.1 в радиальном направлении, придается вращательное движение. Таким образом, благодаря этому исполнению поток отработавших газов, поступающий в основной канал 2.1, приводится во вращение. Благодаря спиральной перегородке 16, которая распространяется на всю высоту кольцевой камеры, одновременно образуется проточный канал, простирающийся в форме спирали вокруг вспомогательного канала 3.1. В показанном примере исполнения этот канал используется для того, чтобы разместить в нем заслонку для регулировки потока отработавших газов 5.1. Эта заслонка, как и на примере исполнения, показанном на фигурах с 1 по 4, управляется исполнительным механизмом 4.1. Заслонка для регулировки потока отработавших газов 5.1 может поворачиваться вокруг оси, расположенной радиально по отношению к продольной оси вспомогательного канала 3.1. На фиг.5 заслонка для регулировки потока отработавших газов показана в открытом положении. Благодаря проточному каналу, образованному спиральной перегородкой 16, который в итоге представляет собой эффективную в аэродинамическом отношении часть основного канала 2.1, поток отработавших газов, текущий через основной канал 2.1, направляется вокруг наружной боковой поверхности вспомогательного канала 3.1. Этот более длинный путь течения потока обладает тем преимуществом, что в зависимости от режима работы, под воздействием температуры поступающего потока отработавших газов, окислительный нейтрализатор 12.1, размещенный во вспомогательном канале 3.1, благодаря этому нагревается, по меньшей мере, приблизительно до температуры отработавших газов. Поэтому при этом примере исполнения до начала работы каталитической горелки принципиально не требуется направлять поток отработавших газов, или его часть, для подогрева окислительного нейтрализатора 12.1 через вспомогательный канал 3.1. Когда каталитическая горелка работает, тепловая энергия, отдаваемая через отрезок вспомогательного канала 11.1, не рассеивается в окружающем пространстве, а передается потоку отработавших газов, текущему через основной канал 2.1. Само собой разумеется, что для целей подогрева окислительного нейтрализатора 12.1 с одной стороны, или потока отработавших газов, текущего по основному каналу 2.1, с другой стороны, более длинный участок течения потока в основном канале, вследствие образованного спиральной перегородкой 16 проточного канала, обеспечивает особенно эффективный теплообмен.

На фиг.6 показан процесс работы нагревательного модуля 1.1, который принципиально соответствует процессу, показанному на фиг.4 для нагревательного модуля 1. На это изображение, схематически показывающее внешний вид и внутренние элементы, нанесены стрелки, обозначающие направление потоков. Поток отработавших газов, поступающий через перепускные отверстия 7.1 перепускного отрезка трубопровода 6.2 во вспомогательный канал 3.1, обозначен стрелками с прерывистой контурной линией, поскольку этот поток отработавших газов находится внутри вспомогательного канала 3.1. Заслонка для регулировки потока отработавших газов 5.1, для повышения противодавления потоку отработавших газов, находится в основном канале 2.1 в положении поворота на 90 градусов, по сравнению с ее изображением на фиг.5. В этом положении заслонка для регулировки потока отработавших газов 5.1 перекрывает проточный канал не полностью, как поясняется далее фигурами 7a, 7b, так что незначительная часть потока отработавших газов течет через основной канал 2.1. Вращение этой части потока отработавших газов вокруг вспомогательного канала 3.1 схематично показано стрелками.

Показанное на фигуре 7a поперечное сечение, которое выполнено через нагревательный модуль 1.1 в месте, располагающемся по длине модуля перед заслонкой для регулировки потока отработавших газов 5.1, наглядно демонстрирует геометрическую форму заслонки 5.1 в открытом положении (см. также фиг.5). Вращающийся поток отработавших газов через основной канал 2.1 показан фигурными стрелками. Наглядно показано и концентричное расположение отрезка вспомогательного канала 11.1 с окислительным нейтрализатором 12.1, расположенным в плоскости сечения, относительно основного канала 2.1. Заслонка для регулировки потока отработавших газов 5.1, в радиальном отношении с наружной стороны, имеет изогнутый край 18, который соответствует изгибу корпуса, охватывающего основной канал 2.1. Если же напротив, заслонка для регулировки потока отработавших газов 5.1 находится в своем закрытом положении, как это показано на фиг.7b, то очевидно, что вследствие изогнутого края заслонки 18, в этом положении основной канал 2.1 перекрывается заслонкой 5.1, как это описано выше, не полностью. В результате, в этом положении заслонки 5.1 определенная часть потока отработавших газов течет мимо нее по основному каналу 2.1.

На выходе вспомогательного канала 3.1 находится перфорированная перегородка, не показанная на фигурах. Как основной канал 2.1, так и вспомогательный канал 3.1, впадают в сходящуюся на конус смесительную камеру 17. В эту камеру поток отработавших газов, прошедший через основной канал 2.1, поступает в виде кольцевого вращающегося потока, который охватывает впадающий в смесительную камеру 17 поток отработавших газов, текущий через вспомогательный канал 3.1. Сужение, обусловленное конусностью смесительной камеры 17, и завихрение потока отработавших газов, впадающего в камеру через основной канал 2.1, обусловливают особо эффективное смешивание обеих частей потока отработавших газов на коротком участке. При соединении обеих частей потока отработавших газов, часть потока, вытекающая из вспомогательного канала 3.1, благодаря предусмотренной соответствующей заслонке, тоже может поступать в смесительную камеру 17 в виде кольцевого потока, концентричного по отношению к части потока отработавших газов, вытекающей из основного канала 2.1. Если при таком исполнении дополнительно предусмотрен один или несколько направляющих элементов, то и часть потока отработавших газов, поступающая из вспомогательного канала 3.1, может впадать в смесительную камеру 17 в виде вихревого потока. Причем для целей интенсивного перемешивания, направление вращения части потока отработавших газов, поступающей из вспомогательного канала 3.1, может быть противоположным направлению вращения части потока отработавших газов, текущей через основной канал 2.1. Также возможно, что части потока отработавших газов, благодаря соответствующим направляющим элементам, при втекании в смесительную камеру 17 имеют направленные навстречу друг другу радиальные составляющие потока.

На фиг.6 также схематически показан конус распыления форсунки для впрыска углеводородов 14.1. Благодаря поступлению отработавших газов из основного канала 2.1 через перепускные отверстия 7.1 во вспомогательный канал 3.1 в радиальном направлении, эффективно предупреждается образование нежелательных отложений на внутренней стороне перепускного отрезка трубопровода 6.2 и граничащего с ним отрезка вспомогательного канала 11.1 из-за частиц, которые могут распыляться форсункой для впрыска углеводородов 14.1 за пределы конуса распыления.

Концепция, положенная в основу нагревательного модуля 1.1, обеспечивает не только эффективное исполнение нагревательного модуля с точки зрения температуры, но и особенно компактную конструкцию.

У показанного на фиг.5 и 6 примера исполнения, смесительная камера 17, примыкающая к выходам обоих каналов 2.1, 3.1, сужается на конус в направлении основного потока отработавших газов. Такая конусность принципиально не требуется. Более того, смесительная камера может иметь цилиндрическую форму, причем к ее цилиндрическому отрезку после короткого участка течения потока может быть подсоединено то устройство для нейтрализации отработавших газов, на которое должна подаваться тепловая энергия, производимая нагревательным модулем 1.1.

Изобретение описано с помощью примеров выполнения. Для специалиста очевидны другие не выходящие за рамки действительных пунктов формулы изобретения многочисленные разновидности воплощения изобретения, позволяющие реализовать изобретение, без обязательной необходимости их отдельного описания в рамках этого описания. Тем не менее, и эти разновидности воплощения также относятся к объему раскрытия изобретения этими примерами выполнения.

Список использованных обозначений

Реферат

Изобретение относится к системам очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Нагревательный модуль для системы нейтрализации отработавших газов, подсоединенной к двигателю внутреннего сгорания на стороне выпуска отработавших газов, содержит каталитическую горелку с форсункой для впрыска углеводородов (14). После форсунки (14) в направлении потока отработавших газов размещен окислительный нейтрализатор (12). Нагревательный модуль (1) располагает основным каналом отработавших газов (2), вспомогательным каналом (3), содержащим каталитическую горелку (12, 14), а также устройством (4, 5) для управления массовым потоком отработавших газов, протекающим через вспомогательный канал (3, 3.1). Согласно первому варианту исполнения основной канал (2, 2.1) на входе нагревательного модуля (1, 1.1) имеет перепускной отрезок трубопровода (6, 6.1, 6.2), оборудованный перепускными отверстиями (7, 7.1). В основном канале (2.1) размещена имеющая спиральную форму, по меньшей мере, на отдельных участках направляющая перегородка (16), благодаря которой потоку отработавших газов, протекающему по основному каналу (2.1), придается вращательное движение. Согласно другому исполнению предусмотрено, что вспомогательный канал 3 на стороне входа и на стороне выхода имеет, соответственно, отходящую от основного канала 2 в радиальном направлении отводящую камеру 8, и между этими отводящими камерами 8, располагаясь параллельно основному каналу 2 нагревательного модуля 1, находится отрезок вспомогательного канала 11 с окислительным нейтрализатором 12. При использовании изобретения конструкция нагревателя становится более компактной. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула