Конструктивный узел камеры сгорания - RU2720877C1

Чертежи

Описание

Предложенное на рассмотрение изобретение относится к конструктивному узлу камеры сгорания для приводимого в действие посредством горючего материала нагревательного прибора транспортного средства, содержащему корпус камеры сгорания с днищем камеры сгорания и вытянутую в направлении продольной оси корпуса и окружающую продольную ось корпуса периферийную стенку камеры сгорания, причём днище камеры сгорания и периферийная стенка камеры сгорания ограничивают камеру сгорания, пористую испаряющую среду на обращённой к камере сгорания внутренней стороне периферийной стенки камеры сгорания и/или днища камеры сгорания, а также подающий трубопровод для горючего материала для подачи жидкого горючего материала в пористую испаряющую среду.

Из DE 102 00 524 С1 известен конструктивный узел камеры сгорания, у которого на днище камеры сгорания по его периферийной стенке расположена концентрично ориентированная относительно продольной оси корпуса насадка для введения воздуха для горения с большим количеством отверстий для введения воздуха для горения. На обращённой к камере сгорания внутренней стороне периферийной стенки камеры сгорания предусмотрена пористая испаряющая среда, в которую подаётся жидкий горючий материал. Подаваемый из испаряющей среды в газообразной форме в камеру сгорания горючий материал смешивается с введённым из насадки для введения воздуха для горения в камеру сгорания воздухом для горения, так что образуется смесь из воздуха для горения и горючего материала, при сгорании которой образуется передающий тепло отработавший газ.

Задача предложенного на рассмотрение изобретения состоит в создании конструктивного узла камеры сгорания и, соответственно, способа приведения в действие оснащённого таким конструктивным узлом камеры сгорания нагревательного прибора транспортного средства, у которого содержание вредных веществ, в частности, доля оксида азота и доля оксида углерода в возникающем при сгорании отработавшем газе снижена.

В соответствии с первым аспектом эта задача решается при помощи конструктивного узла камеры сгорания для приводимого в действие посредством горючего материала нагревательного прибора транспортного средства, содержащего:

- корпус камеры сгорания с днищем камеры сгорания и вытянутой в направлении продольной оси корпуса и окружающей продольную ось корпуса периферийной стенкой камеры сгорания, причём днище камеры сгорания и периферийная стенка камеры сгорания ограничивают камеру сгорания,

- пористую испаряющую среду на обращённой к камере сгорания внутренней стороне периферийной стенки камеры сгорания и/или днища камеры сгорания,

- подающий трубопровод для горючего материала для подачи жидкого горючего материала в пористую испаряющую среду,

- первую зону горения с первым устройством подачи воздуха для горения, присоединённую к днищу камеры сгорания для подачи первичного воздуха для горения в камеру сгорания, причём пористая испаряющая среда расположена в первой зоне горения,

- следующую в направлении продольной оси корпуса за первой зоной горения вторую зону горения со вторым устройством подачи воздуха для горения, присоединённую к периферийной стенке камеры сгорания для подачи вторичного воздуха для горения с аксиальным зазором относительно первой зоны горения в камеру сгорания.

За счёт образования двух зон горения в камере сгорания в первой зоне горения, в которой генерируется и сжигается смесь из воздуха для горения и горючего материала, при горении со сравнительно высокой температурой доля оксида азота в отработавшем газе уменьшается. Так как в первой зоне горения не происходит полного сгорания образованной там смеси, а не сгоревшая часть горючего материала и первичного воздуха или находящегося там кислорода попадает во вторую зону горения и там смешивается со вторичным воздухом, то, с одной стороны, на основании температуры введённого во вторую зону горения вторичного воздуха, и, с другой стороны, на основании большей общей доли воздуха в сжигаемой затем смеси горение во второй зоне горения при сниженной температуре горения протекает таким образом, что доля оксида углерода в отработавшем газе снижается, так что покидающий камеру сгорания и, соответственно, следующую за ней жаровую трубу, отработавший газ имеет как явно сниженное содержание оксида азота, так и явно сниженное содержание оксида углерода.

Для образования обеих зон горения предлагается, чтобы первое устройство подачи воздуха для горения содержало выступающую на днище камеры сгорания в направлении к камере сгорания насадку для введения воздуха для горения, причём в периферийной стенке и/или в смещённом к днищу камеры сгорания в направлении продольной оси корпуса днище насадки для введения воздуха для горения было предусмотрено большое количество первых отверстий для введения воздуха для горения и, чтобы второе устройство подачи воздуха для горения в аксиально смещённой к днищу насадки для введения воздуха для горения зоне периферийной стенки камеры сгорания содержало большое количество вторых отверстий для введения воздуха для горения.

Для лучшего смешивания горючего материала и воздуха для горения может быть предусмотрено, чтобы первое устройство подачи воздуха для горения в направлении потока относительно насадки для введения воздуха для горения содержало устройство для образования вихрей для введения первичного воздуха для горения с закручиванием относительно продольной оси корпуса в насадку для введения воздуха для горения и/или, чтобы второе устройство подачи воздуха для горения содержало окружающую периферийную стенку камеры сгорания камеру подачи воздуха для горения.

Для обеспечения подачи горючего материала лишь в область первой зоны горения в камеру сгорания предлагается, чтобы пористая испаряющая среда на внутренней стороне периферийной стенки камеры сгорания, от днища камеры сгорания распространялась вовне аксиально до того, как будет располагаться над насадкой для введения воздуха для горения и, чтобы вторые отверстия для введения воздуха для горения располагались с аксиальным зазором относительно пористой испаряющей среды.

Чтобы иметь возможность отрегулировать в обеих зонах горения определённые соотношения компонентов горения, которые гарантируют, что в обеих зонах горения это горение может происходить, соответственно, с подходящим для снижения выброса вредных веществ соотношением компонентов воздуха для горения и горючего материала и при оптимальных для снижения выброса вредных веществ температурах в соответствии с изобретением может быть предусмотрено, чтобы первое устройство подачи воздуха для горения и второе устройство подачи воздуха для горения были осуществлены таким образом, что от 57% до 61%, предпочтительно примерно 59%, введённого в камеру сгорания воздуха для горения входит в камеру сгорания в качестве первичного воздуха для горения, а от 39% до 43%, предпочтительно примерно 41%, введённого в камеру сгорания воздуха для горения входит в камеру сгорания в качестве вторичного воздуха для горения.

Изобретение относится далее к приводимому в действие посредством горючего материала нагревательному прибору транспортного средства, содержащему конструктивный узел камеры сгорания с описанной ранее конструкцией, насос для транспортировки горючего материала в трубопровод для подачи горючего материала и нагнетатель воздуха для горения для подачи воздуха для горения в качестве первичного воздуха для горения и вторичного воздуха для горения в камеру сгорания.

В соответствии со следующим аспектом ранее указанная конструкция осуществляется посредством способа приведения в действие осуществлённого в соответствии с изобретением нагревательного прибора транспортного средства, при котором воздух для горения и горючий материал подаются к конструктивному узлу камеры сгорания в таких количествах, что первичный воздух для горения и горючий материал подаются в первую зону горения в количественном соотношении для горения с лямбда-значением в диапазоне от 1 до 1,15, предпочтительно, примерно 1.

Процесс горения с таким количественным соотношением обеспечивает, с одной стороны, достижение необходимой для снижения доли оксида азота в отработавшем газе температуры горения в первой зоне горения, однако, с другой стороны, гарантирует то, что не может иметь место никакое полное преобразование содержащегося в первичном воздухе для горения кислорода и поданного в первую зону горения горючего материала, так что проходящий из первой зоны горения во вторую зону горения, не сгоревший первичный воздух для горения и не сгоревший горючий материал могут смешиваться со вторичным воздухом для горения и затем при меньшей температуре горения могут приводить, в основном, к полному сгоранию.

Воздух для горения и горючий материал могут далее подаваться к конструктивному узлу камеры сгорания в таких количествах, что первичный воздух для горения, и вторичный воздух для горения, и горючий материал подаются в камеру сгорания в количественном соотношении для горения с лямбда-значением в диапазоне от 1,6 до 1,8, предпочтительно, примерно 1,7. Это относящееся к общему введённому в камеру сгорания воздуху для горения и к общему введённому в камеру сгорания горючему материалу количественное соотношение гарантирует, что при имеющих место в обеих зонах горения, в основном, также в двух фазах горения при различных температурах процессах горения горючий материал при снижении содержания вредных веществ в отработавшем газе, в частности, уменьшенной доле оксида азота и доле оксида углерода может, в основном, полностью сгореть.

Предложенное на рассмотрение изобретение описывается далее со ссылкой на приложенные фигуры, на которых представлены:

фиг.1 вид продольного разреза конструктивного узла камеры сгорания для приводимого в действие посредством горючего материала нагревательного прибора транспортного средства,

фиг.2 вид поперечного сечения конструктивного узла камеры сгорания с фиг.1, с разрезом вдоль линии II-II на фиг.1.

На фиг.1 конструктивный узел камеры сгорания обозначенного в целом ссылочной позицией 10 нагревательного прибора транспортного средства обозначен ссылочной позицией 12. Конструктивный узел 12 камеры сгорания содержит корпус 14 камеры сгорания с продольно расположенной в направлении продольной оси L корпуса периферийной стенкой 16 камеры сгорания и с примыкающей к ней в аксиальной концевой зоне периферийной стенки 16 камеры сгорания стенкой 18 днища. Периферийная стенка 16 камеры сгорания и стенка 18 днища ограничивают камеру 20 сгорания. Периферийная стенка 16 камеры сгорания осуществлена в представленном примере цельно с жаровой трубой 22, причём в переходной зоне между периферийной стенкой 16 камеры сгорания и примыкающей к ней жаровой трубой 22 расположена жаровая заслонка 24 с центральным отверстием 26.

К периферийной стенке 16 камеры сгорания и, соответственно, к жаровой трубе 22 снаружи присоединена внешняя периферийная стенка 28. Она вместе с периферийной стенкой 16 камеры сгорания ограничивает кольцеобразно окружающую периферийную стенку 16 камеры сгорания и, соответственно, камеру 20 сгорания камеру 30 подачи воздуха для горения. На днище 18 камеры сгорания в центральной зоне или с центрированным расположением относительно продольной оси корпуса предусмотрена насадка 32 для введения воздуха для горения. Периферийная стенка 34 насадки для введения воздуха для горения примыкает к днищу 18 камеры сгорания. В удалённой от днища 18 камеры сгорания аксиальной концевой зоне периферийной стенки 34 насадки для введения воздуха для горения к ней примыкает днище 36 насадки 32 для введения воздуха для горения. Посредством большого количества следующих друг за другом в направлении периферии вокруг продольной оси корпуса предусмотренных в периферийной стенке 34 первых отверстий 38 для введения воздуха для горения и предусмотренного в днище 36 первого отверстия 40 для введения воздуха для горения насадки 32 для введения воздуха для горения открыта к камере 20 сгорания. Посредством большого количества следующих друг за другом в направлении периферии вокруг продольной оси L корпуса расположенных, к примеру, по типу кольца вторых отверстий 42 для введения воздуха для горения камера 30 подачи воздуха для горения открыта к камере сгорания.

Для подачи воздуха для горения в камеру 20 сгорания предусмотрен нагнетатель 44 воздуха для горения. Этот осуществлённый, к примеру, в виде нагнетателя с боковым каналом нагнетатель 44 воздуха для горения управляется посредством устройства 46 управления и может приводиться в действие для подачи необходимого для сгорания воздуха для горения. Часть транспортируемого через нагнетатель 44 воздуха для горения в качестве первичного воздуха V_P для горения проходит через устройство 48 для образования вихрей в направлении насадки 32 для введения воздуха для горения и через первые отверстия 38, 40 для введения воздуха для горения в первую зону 50 горения камеры 20 сгорания. Другая часть или остаток транспортируемого через нагнетатель 44 воздуха для горения в качестве вторичного воздуха V_S для горения проходит в камеру 30 подачи воздуха для горения и через вторые отверстия 42 для введения воздуха для горения в следующую в аксиальном направлении за первой зоной 50 горения, вторую зону 52 горения камеры 20 сгорания.

Устройство 48 для образования вихрей представлено на фиг.2 в детальном изображении. Оно содержит на расстоянии от днища 48 камеры сгорания, в основном, параллельно противолежащую ему плиту 54 днища и большое количество следующих от неё со спирали в направлении периферии друг за другом элементов 56 для проведения воздуха для горения. Они могут прилегать к обращённой от камеры 20 сгорания обратной стороне днища 18 камеры сгорания, так что между днищем 18 камеры сгорания, плитой 54 днища и элементами 56 для проведения воздуха для горения образуются соответствующие расположенные спиралеобразно каналы 58 для вхождения воздуха для горения. Входящий радиально извне в каналы 58 для вхождения воздуха для горения первичный воздух V_P для горения трансформируется, таким образом, в вихревой поток и входит с завихрением, т.е., в основном, также c закручиванием, вовнутрь насадки 32 для введения воздуха для горения и через первые отверстия 38, 40 для введения воздуха для горения в первую зону 50 горения камеры 20 сгорания.

Для подачи необходимого для сгорания горючего материала в камеру 20 сгорания в первой зоне 50 горения на обращённой к камере 20 сгорания внутренней стороне периферийной стенки 16 камеры сгорания предусмотрена пористая испаряющая среда 60. Эта, изготовленная из вязаной металлической сетки, металлического трикотажного полотна, пенокерамики или из другого материала с пористой структурой, пористая испаряющая среда принимает через трубопровод 62 для подачи горючего материала подаваемый от насоса 64 для горючего материала жидкий горючий материал, разделяет его за счёт капиллярного подъёмного усилия в своей внутренней объёмной зоне и подаёт горючий материал в первой зоне 50 горения в газообразном агрегатном состоянии в камеру 20 сгорания. Этот поданный в камеру 20 сгорания горючий материал смешивается в первой зоне 50 горения с введённым в неё через первые подающие отверстия 38, 40 для горючего материала первичным воздухом V_P для горения и образует, таким образом, в первой зоне 50 горения воспламеняемую или горючую смесь из горючего материала и первичного воздуха V_P для горения. Для поджигания этой смеси и, тем самым, для запуска процесса горения, в представленном примере на днище 18 камеры сгорания помещён прибор 66 зажигания, к примеру, осуществлённый в виде накального зажигательного электрода, так что его термически активная зона располагается напротив пористой испаряющей среды с небольшим зазором. Прибор 66 зажигания может также, как и насос 64 для горючего материала, находится под управлением устройства 46 управления, чтобы посредством соответствующей регулировки нагнетателя 44 воздуха для горения, насоса 64 для горючего материала и прибора 66 зажигания, с одной стороны, образовывать в камере 20 сгорания пригодную для процесса горения смесь из горючего материала и воздуха для горения, а, с другой стороны, в начале процесса горения, за счёт возбуждения прибора 66 зажигания, поджигать эту смесь в первой зоне 50 горения.

При описанной ранее со ссылкой на фиг.1 конструкции конструктивного узла 12 камеры сгорания осуществлённое для подачи первичного воздуха V_P для горения первое устройство 68 для подачи воздуха для горения, наряду с нагнетателем 44 воздуха для горения, содержит устройство 48 для образования вихрей и предусмотренную на днище 18 камеры сгорания насадку 32 для введения воздуха для горения с образованными в ней первыми отверстиями 38, 40 для введения воздуха для горения. Предусмотренное для подачи вторичного воздуха Vs для горения ко второй зоне 52 горения второе устройство для подачи воздуха для горения содержит, наряду с нагнетателем 44 воздуха для горения, камеру 30 подачи воздуха для горения и образующие соединение между камерой 30 подачи воздуха для горения и камерой 20 сгорания во второй зоне 52 горения вторые отверстия 42 для введения воздуха для горения.

Оба устройства 68, 70 подачи воздуха для горения осуществлены с различными образованными в них объёмными зонами, через которые проходит первичный воздух V_P для горения или вторичный воздух Vs для горения, и отверстиями таким образом, что в процессе работы нагнетателя 44 воздуха для горения подаваемый через него воздух для горения таким образом разделятся на часть потока первичного воздуха V_P для горения и часть потока вторичного воздуха Vs для горения, что от 57% до 61%, предпочтительно примерно 59%, всего проведённого через нагнетатель 44 воздуха для горения в качестве первичного воздуха V_P для горения вводится в первую зону 50 горения, в то время как доля введённого во вторую зону 52 горения вторичного воздуха Vs для горения составляет от 39% до 43%, предпочтительно примерно 41%, всего проведённого от нагнетателем 44 воздуха для горения. Так как нагнетатель 44 воздуха для горения генерирует как поток первичного воздуха V_P для горения, так и поток вторичного воздуха Vs для горения, то это разделение на оба потока определяется или регулируется, в основном, посредством возникающего в зоне соответствующего устройства 68, 70 подачи воздуха для горения сопротивления потока.

В ходе процесса горения насос 64 для горючего материала и нагнетатель 44 воздуха для горения регулируются далее таким образом, что введённый в первую зону 50 горения первичный воздух V_P для горения и закачанный в пористую испаряющую среду 60 и через неё в первую зону 50 горения горючий материала имеет количественное соотношение, которое приводит или привело бы к сгоранию с лямбда-значением в диапазоне 1 до 1,5, предпочтительно 1. Это означает, что, в принципе, в первой зоне 50 горения горючий материал и первичный воздух V_P для горения могли бы полностью сгореть друг с другом, без необходимости подачи к сгоревшего горючему материалу в камере 20 сгорания вышедшего из её отработавшего газа. Вследствие непрерывной подачи горючего материала и первичного воздуха V_P для горения, существует, однако, соответствующий непрерывный поток генерированной в первой зоне 50 горения смеси из первой зоны 50 горения во вторую зону 52 горения. Это означает, что не вся сформированная в первой зоне 50 горения, в основном, со стехиометрическим соотношением компонентов смесь сжигается в первой зоне 50 горения. Часть генерированной в первой зоне 50 горения смеси выходит из, в основном, также заканчивающейся в аксиальной концевой зоне пористой испаряющей среды 60 первой зоны 50 горения в следующую за ней вторую зону 52 горения и смешивается там с поданным через вторые отверстия 42 для введения воздуха для горения вторичным воздухом Vs для горения. Таким образом, возникает избыток воздуха и, соответственно, кислорода, что приводит во второй зоне 52 горения или же далее в направлении потока в следующей за ней жаровой трубе 22 к сгоранию бедной смеси. В общем, воздух для горения и горючий материал вводятся в камеру 20 сгорания в количественном соотношении, которое соответствует сгоранию с лямбда-значением в диапазоне примерно 1,7 или приводит к такому сгоранию.

При помощи ранее описанного принципа работы конструктивного узла 12 камеры сгорания или содержащего его нагнетателя 44 воздуха для горения в первой зоне горения посредством образованной там, в основном, стехиометрической смеси из горючего материала и первичного воздуха V_P для горения достигается температура горения в диапазоне от 1.000 до 1.050°С. Такая высокая температура горения приводит к тому, что в образующемся при этом отработавшем газе сохраняется лишь небольшая доля оксида азота. Введённый при обтекании периферийной стенки 16 камеры сгорания во вторую зону 52 горения вторичный воздух Vs для горения при вхождении во вторую зону 52 горения будет иметь температуру в несколько 100°С ниже температуры горения в первой зоне 50 горения, к примеру, температуру в диапазоне от 400 до 500°С. Также с учётом ранее заданного количественного соотношения первичного воздуха V_P для горения и вторичного воздуха Vs для горения это приводит во второй зоне 52 горения к нисходящему сгоранию при существенно меньшей температуре в диапазоне примерно от 700 до 800°С. Это нисходящее сгорание при меньшей температуре приводит к существенному снижению доли окиси углерода в отработавшем газе, так что посредством нисходящего при двух различных температурах горения в обеих зонах 50, 52 горения двухступенчатого процесса горения можно добиться, с одной стороны, небольшой доли оксида азота, а, с другой стороны, небольшой доли оксида углерода в отработавшем газе. Важным является для этого, с одной стороны, определённое разделение потока воздуха для горения на первичный воздух V_P для горения и вторичный воздух Vs для горения, чтобы в обеих зонах 50, 52 горения иметь возможность сформировать соответствующие необходимые массы воздуха для горения или кислорода, а, с другой стороны, подать, в основном, стехиометрическую смесь или смесь с небольшим количеством бедной смеси из первичного воздуха V_P для горения и горючего материала в первой зоне горения.

За счёт регулировки соотношений потока или сопротивлений потока и, таким образом, разделения потока воздуха для горения на первичный воздух V_P для горения и вторичный воздух Vs для горения, становится возможным оказывать воздействие на температуру горения, в частности, во второй зоне 52 горения, или регулировать её соответствующим образом для соответствующего типа нагревательного прибора 10 транспортного средства, к примеру, также в зависимости от предоставляемой им теплопроизводительности. При этом конструктивное осуществление конструктивного узла 12 камеры сгорания, в частности, с обеспечивающими присоединение к другим зонам системы компонентами соответствует стандартной конструкции, так что осуществлённый в соответствии с изобретением конструктивный узел 12 камеры сгорания в качестве сменного конструктивного узла камеры сгорания может быть встроен в уже существующие нагревательные приборы транспортных средств, чтобы и там иметь возможность получить определённым образом затухающий в двух зонах горения режим горения и, тем самым, снижение выброса вредных веществ.

Реферат

Группа изобретений относится к конструктивному узлу камеры сгорания, нагревательному прибору транспортного средства, а также к способу приведения в действие оснащённого таким конструктивным узлом камеры сгорания нагревательного прибора транспортного средства. Конструктивный узел камеры сгорания для приводимого в действие посредством горючего материала нагревательного прибора транспортного средства, содержащий: корпус (14) камеры сгорания с днищем (18) камеры сгорания и вытянутой в направлении продольной оси (L) корпуса и окружающей продольную ось (L) корпуса периферийной стенкой (16) камеры сгорания, причём днище (18) камеры сгорания и периферийная стенка (16) камеры сгорания ограничивают камеру (20) сгорания, пористую испаряющую среду (60) на обращённой к камере (20) сгорания внутренней стороне периферийной стенки (16) камеры сгорания и/или днища (18) камеры сгорания, подающий трубопровод (62) для горючего материала для подачи жидкого горючего материала в пористую испаряющую среду (60), первую зону (50) горения с первым устройством (68) подачи воздуха для горения, присоединённую к днищу (18) камеры сгорания для подачи первичного воздуха (V) для горения в камеру (20) сгорания, причём пористая испаряющая среда (60) расположена в первой зоне (50) горения, следующую в направлении продольной оси (L) корпуса за первой зоной (50) горения вторую зону (52) горения со вторым устройством (70) подачи воздуха для горения, присоединённую к периферийной стенке (16) камеры сгорания для подачи вторичного воздуха (V) для горения с аксиальным зазором относительно первой зоны (50) горения в камеру (20) сгорания. Изобретение позволяет снизить содержание вредных веществ, в частности, доли оксида азота и доли оксида углерода, в возникающем при сгорании отработавшем газе. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула