УЗЕЛ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
COMBUSTION CHAMBER ASSEMBLY

Изобретение относится к узлу камеры сгорания в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, который в работающем на топливе отопителе транспортного средства служит для создания за счет сгорания топливо-воздушной смеси передающих тепло отработавших газов, чтобы передавать это тепло на нагреваемую среду, например на подаваемый в салон транспортного средства воздух или на циркулирующий в контуре теплоноситель.
Такой узел камеры сгорания известен из DE 102016117408. За счет наличия катализаторного устройства в камере для обратного потока отработавших газов можно в результате протекающей в катализаторном устройстве каталитической реакции существенно уменьшить, в частности, доли СО и НС в ОГ (отработавших газах).
Задачей изобретения является усовершенствование такого узла камеры сгорания так, чтобы расположенное в камере для обратного потока отработавших газов катализаторное устройство могло обеспечить более высокую эффективность снижения токсичных выбросов.
Согласно изобретению, эта задача решается посредством узла камеры сгорания для работающего на топливе отопителя транспортного средства, содержащего корпус с ограниченной круговой стенкой камерой сгорания и жаровую трубу, которая следует в направлении продольной оси корпуса за круговой стенкой и окружает открытую в направлении продольной оси камеру для потока отработавших газов, причем между жаровой трубой и окружающим ее корпусом образована камера для обратного потока отработавших газов, причем в первой осевой концевой зоне камеры для обратного потока отработавших газов камера для потока отработавших газов открыта к камере для обратного потока отработавших газов, а в камере для обратного потока отработавших газов расположено катализаторное устройство, через которое протекают отработавшие газы, протекающие в камере для обратного потока отработавших газов.
Этот узел камеры сгорания отличается тем, что предусмотрено нагревательное устройство для нагрева катализаторного устройства.
За счет наличия приданного катализаторному устройству нагревательного устройства становится возможным эффективно эксплуатировать катализаторное устройство не только в стационарном режиме, т.е. в состоянии, в котором, в основном, все системные компоненты узла камеры сгорания за счет протекающих через нее отработавших газов доведены до рабочей температуры или поддерживаются на рабочей температуре, но и, тем самым, уменьшить содержание СО и НС в отработавших газах близко к пределу обнаружения, а также существенно уменьшить пики отключения в выбросах СО и НС, возникающие при отключении оборудованного таким узлом камеры сгорания отопителя транспортного средства. Благодаря предложенной конструкции создана возможность нагрева катализаторного устройства, в частности даже при низких окружающих температурах, до начала эксплуатации или в начале эксплуатации и доведения до температуры в диапазоне или выше точки начала температурного скачка, например около 200ºС, или поддержания на этой температуре, пока с наступлением сгорания и протекающими через узел камеры сгорания и катализаторное устройство отработавшими газами даже без продолжения возбуждения нагревательного устройства в зоне катализаторного устройства не будет обеспечена требуемая для эффективной каталитической реакции температура.
Для обеспечения очень эффективной работы нагревательного устройства предложено, что оно, по меньшей мере, местами находится в теплопередающем контакте с катализаторным устройством. Этим обеспечивается прямой теплоперенос за счет направления тепла на катализаторное устройство, так что также в значительной степени можно исключить потери тепла.
Чтобы как можно эффективнее использовать имеющееся для этого в отопителе или узле камеры сгорания конструктивное пространство, катализаторное устройство может быть выполнено кольцеобразно окружающим продольную ось корпуса, а нагревательное устройство может иметь кольцеобразно окружающий продольную ось корпуса нагревательный участок.
Компактного, обеспечивающего в равной мере эффективную работу катализаторного устройства выполнения можно достичь за счет того, что на корпусе предусмотрены выступающие в камеру для обратного потока отработавших газов теплопередающие ребра и что катализаторное устройство расположено в камере для обратного потока отработавших газов, следуя за теплопередающими ребрами, и/или что катализаторное устройство расположено во второй осевой концевой зоне камеры для обратного потока отработавших газов.
Чтобы с помощью нагревательного устройства можно было подогреть не только катализаторное устройство, но и непосредственно примыкающую к нему зону узла камеры сгорания, предложено, что нагревательный участок расположен между катализаторным устройством и теплопередающими ребрами и находится в теплопередающем контакте с катализаторным устройством и теплопередающими ребрами. При этом катализаторное устройство может аксиально опираться в направлении первой осевой концевой зоны камеры для обратного потока отработавших газов на теплопередающие ребра.
Определенное позиционирование катализаторного устройства может быть далее обеспечено за счет того, что катализаторное устройство аксиально опирается в направлении от первой осевой концевой зоны на держатель корпуса камеры сгорания.
Чтобы можно было простым образом достичь термического контакта между нагревательным устройством и позиционированным в камере для обратного потока отработавших газов катализаторным устройством, предложено предусмотреть газонепроницаемо замыкающее камеру для обратного потока отработавших газов уплотнительное устройство, имеющее вводную выемку для нагревательного устройства. Уплотнительное устройство может быть расположено, например, между держателем корпуса камеры сгорания и корпусом.
Нагревательное устройство содержит преимущественно электрически возбуждаемый нагревательный проводник. Такой электрически возбуждаемый нагревательный проводник образует, с одной стороны, компактный и эффективно эксплуатируемый узел, который, с другой стороны, также в разнообразной и легко приспосабливаемой к конструктивным условиям конфигурации может интегрироваться в узел камеры сгорания.
Нагревательным проводником может быть, например, нагревательный проводник с рубашкой. В таком нагревательном проводнике с рубашкой окружающая лежащий внутри нагревательный элемент рубашка может быть электрически присоединена к нагревательному элементу и образовать, тем самым, проводящую зону нагревательного проводника.
Изобретение относится далее к отопителю транспортного средства, оборудованному выполненным, согласно изобретению, узлом камеры сгорания.
Изобретение подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
фиг. 1 - продольный разрез узла камеры сгорания для отопителя транспортного средства;
фиг. 2 - отдельно представляющий собой часть теплообменного устройства корпус узла камеры сгорания из фиг. 1;
фиг. 3 - корпус камеры сгорания с жаровой трубой и держателем корпуса камеры сгорания;
фиг. 4 - разрез катализаторного устройства узла камеры сгорания из фиг. 1;
фиг. 5 - нагревательное устройство узла камеры сгорания из фиг. 1 на виде в направлении стрелки V на фиг. 6;
фиг. 6 - нагревательное устройство из фиг. 5 на виде в направлении стрелки VI на фиг. 5;
фиг. 7 - выполненное с двумя уплотнительными шайбами уплотнительное устройство узла камеры сгорания из фиг. 1;
фиг. 8 - уплотнительную шайбу уплотнительного устройства из фиг. 7 на виде в направлении стрелки VIII.
На фиг. 1 изображен узел 10 камеры сгорания для работающего на топливе отопителя транспортного средства. Узел 10, изображенный в продольном разрезе вдоль своей продольной средней оси L, содержит в качестве существенных составных частей изображенный в продольном разрезе на фиг. 2 корпус 12 и изображенный в продольном разрезе на фиг. 3 корпус 14 камеры сгорания.
Корпус 12 имеет, в принципе, чашеобразную структуру с круговой стенкой 16 и примыкающей к ней стенкой 18 днища. В удаленной от стенки 18 днища осевой концевой зоне круговой стенки 16 на ней предусмотрен проходящий радиально наружу относительно продольной средней оси L кольцеобразный крепежный фланец 20. На обращенной к внутреннему пространству 22 корпуса 12 стороне от круговой стенки 16, например, в основном, в направлении продольной средней оси L отстоят теплопередающие ребра 24. Они проходят от стенки 17 днища близко к той осевой концевой зоне круговой стенки 16, где крепежный фланец 20 выдается радиально наружу. Здесь могут быть предусмотрены также теплопередающие ребра 26, которые продолжают в зоне стенки 18 днища, например, теплопередающие ребра 24.
Корпус 12, выполненный, в частности, также для термической стабильности из металла, например алюминия, может образовать часть теплообменного устройства, которое может содержать, например, дополнительный, окружающий корпус 12 чашеобразный корпус, так что между корпусом 12 и этим дополнительным корпусом образовано пространство для протекания нагреваемого жидкого теплоносителя. В качестве альтернативы корпус 12 на своей наружной стороне может обтекаться, например, нагреваемым и подаваемым в салон транспортного средства воздухом.
Изображенный на фиг. 3 корпус 14 камеры сгорания 28 образует, с одной стороны, радиально окружающую ее круговую стенку 30 и примыкающую к круговой стенке 30, выполненную в данном примере за одно целое с ней жаровую трубу 32. На переходе от камеры сгорания 28 или круговой стенки 30 к жаровой трубе 32 расположена жаровая бленда 34. Приблизительно в зоне примыкания жаровой бленды 34 к круговой стенке 30 или жаровой трубе 32 на наружной стороне предусмотрен держатель 36 корпуса камеры сгорания, который образует выступающий радиально наружу крепежный фланец 38.
На фиг. 3 не показан предусматриваемый в удаленной от жаровой трубы 32 осевой концевой зоне круговой стенки 30 узел днища, который аксиально замыкает камеру сгорания 28. На таком узле днища может быть предусмотрена, например, пористая испарительная среда, в которую подается жидкое топливо и из которой она может выходить в виде пара в камеру сгорания 28. Такой пористой испарительной среде может быть придан электрически возбуждаемый нагрев, чтобы, в частности, на фазе запуска режима горения поддерживать испарение топлива. Далее, например также через узел днища (не показан) или стенку днища или предусмотренный на нем (ней) воздуховпускной патрубок может подаваться примешиваемый к парам топлива воздух для горения. В качестве альтернативы или дополнительно этот воздух для горения может подаваться в камеру сгорания 28 через предусмотренные в круговой стенке 30 воздуховпускные отверстия.
Круговая стенка 30 или выполненная, например, за одно целое с ней жаровая труба 32, жаровая бленда 34 и держатель 36 корпуса камеры сгорания могут быть изготовлены, например, из листового металла.
На фиг. 1 в собранном состоянии корпус 14 камеры сгорания вставлен в корпус 12, так что оба выдающихся радиально наружу крепежных фланца 20, 38 лежат аксиально рядом друг с другом. С помощью проходящих через крепежные фланцы 20, 38 болтов и т.п. (не показаны) узел 10 камеры сгорания может быть присоединен к корпусу, ограничивающему, например, также ведущее к камере сгорания 28 пространство для потока воздуха. Чтобы в зоне примыкания держателя 36 корпуса камеры сгорания к корпусу 12, т.е. в зоне лежащих рядом друг с другом крепежных фланцев 20, 38, достичь герметичного от выхода отработавших газов замыкания, между обоими крепежными фланцами 20, 38 расположено уплотнительное устройство 44, подробно изображенное на фиг. 7, 8 и выполненное с двумя кольцеобразными уплотнительными шайбами 40, 42.
Уплотнительные шайбы 40, 42 изготовлены преимущественно из гибкого, т.е. деформируемого и термостойкого, материала, так что за счет соответствующего ввода усилия через упомянутые болты уплотнительные шайбы 40, 42, создавая герметичное замыкание, могут быть зажаты между обоими крепежными фланцами 20, 38.
На фиг. 1 видно, что внутри жаровой трубы 32 образована открытая в направлении стенки 18 днища корпуса 12 камера 46 для потока отработавших газов. Возникающие при сжигании в камере сгорания 28 отработавшие газы текут вдоль камеры 46 к стенке 18 днища и там при выходе из жаровой трубы 32 отклоняются радиально наружу. Отработавшие газы поступают затем в первую осевую концевую зону 48 камеры 50 для обратного потока отработавших газов, образованного между наружной стороной жаровой трубы 32 и круговой стенкой 16 корпуса 12. При этом отработавшие газы текут вдоль теплопередающих ребер 24 через камеру 50 и передают тепло на корпус 12 за счет контакта с теплопередающими ребрами 24 и внутренней поверхностью круговой стенки 16.
Отработавшие газы, протекающие в камере 50 вдоль теплопередающих ребер 24, текут в направлении ее второй осевой концевой зоны 52. В этой второй осевой концевой зоне 52 теплопередающие ребра 24 заканчиваются, а в камере 50 расположено катализаторное устройство 54. Это катализаторное устройство 54, выполненное, например, в виде окислительного катализатора, может быть выполнено с кольцеобразным, обтекаемым отработавшими газами носителем, на поверхности которого предусмотрено каталитически активное покрытие. Этот носитель может быть выполнен, например, пористым или с ячеистой структурой для образования большой, каталитически активной поверхности. Изображенное также на фиг. 4 катализаторное устройство 54 имеет согласованную с кольцеобразной геометрией сечения камеры 50 для обратного потока отработавших газов кольцеобразную структуру, так что оно может быть позиционировано между жаровой трубой 32 или круговой стенкой 30 корпуса 14 камеры сгорания и круговой стенкой 16 корпуса 12, в основном, без радиального зазора движения. В направлении от первой осевой концевой зоны 48 камеры 50 для обратного потока отработавших газов катализаторное устройство 54 может аксиально опираться на радиальное расширение 56 держателя 36 корпуса камеры сгорания и удерживаться, тем самым, в определенном положении. В направлении первой осевой концевой зоны 48 катализаторное устройство 54 может аксиально поддерживаться выступающими внутрь от круговой стенки 16 теплопередающими ребрами 24 и удерживаться, тем самым, в определенном положении.
Для достижения этого поддерживающего взаимодействия между кольцеобразным катализаторным устройством 54 и теплопередающими ребрами 24 может быть расположен также кольцеобразной формы нагревательный участок 58 электрически возбуждаемого нагревательного устройства 60. Последнее может быть снабжено, например, нагревательным проводником 62, выполненным преимущественно в виде нагревательного проводника с рубашкой. У такого нагревательного проводника с рубашкой проходящий внутри него, термически активный нагревательный элемент окружен также электропроводящей рубашкой, образующей проводящий участок нагревательного проводника. Во избежание короткого замыкания наружу эта рубашка на своей наружной стороне и, разумеется, также внутри по отношению к нагревательному элементу может быть покрыта электроизолирующим материалом.
В соответствии с кольцеобразной структурой катализаторного устройства 54 или камеры 50 для обратного потока отработавших газов нагревательный проводник 62 может быть согнут в кругообразную конфигурацию, так что концевая зона 64 нагревательного проводника 62 замыкает кольцеобразную структуру. В этой зоне нагревательный проводник может быть выведен из зоны камеры 50 для обратного потока отработавших газов проходящим сначала радиально наружу, затем аксиально, а после этого снова радиально наружу присоединительным участком.
Для определенного позиционирования, в частности, кольцеобразного нагревательного участка 58 в осевых концевых зонах теплопередающих ребер 24 предусмотрены аксиально открытые и неполностью размещающие в себе нагревательный участок 58 позиционирующие углубления 66. Размещенный в позиционирующих углублениях 66 нагревательный участок 58 аксиально выдается за теплопередающие ребра 24, так что между нагревательным участком 58 и опирающимся через него на теплопередающие ребра 24 катализаторным устройством 24 возникает прямой теплопередающий контакт. В зоне изображенного на фиг. 2 вверху теплопередающего ребра 24 позиционирующее углубление 66 удлинено радиально наружу до круговой стенки 16 для размещения в этой зоне проходящего радиально наружу участка 68 нагревательного проводника 62. Для ввода примыкающего и проходящего, в основном, аксиально участка 70 нагревательного проводника 62 катализаторное устройство 54 может иметь в этой периферийной зоне соответствующую осевую выемку.
На фиг. 7 и 8 в сочетании с фиг. 1 показано, что уплотнительное устройство 44 выполнено так, что нагревательный проводник 62 может быть выведен через него наружу. Для этой цели уплотнительная шайба 42, примыкающая непосредственно к крепежному фланцу 20 и, тем самым, аксиально непосредственно замыкающая камеру 50 для обратного потока отработавших газов, имеет сквозное отверстие 72 для проходящего, в основном, аксиально участка 70 нагревательного проводника 62. От сквозного отверстия 72 радиально наружу проходит аксиально открытая выемка 74, аксиально напротив которой лежит соответствующая, открытая аксиально и радиально наружу выемка 76 другой уплотнительной шайбы 40. Таким образом, нагревательный проводник 62 своим участком 78, радиально проходящим и примыкающим к аксиально проходящему участку 70, удерживается или размещен между обеими уплотнительными шайбами 40, 42 в соответствующих выемках 74, 76. За счет гибкости уплотнительных шайб 40, 42 и при креплении корпуса 12 вместе с держателем 36 корпуса камеры сгорания посредством упомянутых болтов обе уплотнительные шайбы 40, 42 деформируются так, что они газонепроницаемо охватывают также проходящую через них зону нагревательного проводника 62. За счет усилия, оказываемого при этом, в частности, на корпус 12 также аксиально, он с деформацией уплотнительного устройства 44 движется к держателю 36 корпуса камеры сгорания, в результате чего создана возможность зажатия катализаторного устройства 54 в определенном положении между радиальным расширением 56 держателя 36 корпуса камеры сгорания и теплопередающими ребрами 24 корпуса 12 или аксиально опирающимся на них нагревательным участком 58 нагревательного устройства 60.
За счет наличия приданного катализаторному устройству 54 нагревательного устройства 60 создана возможность на фазе или до фазы запуска режима горения путем возбуждения нагревательного устройства 60 подогреть катализаторное устройство 54, так что оно еще в начале горения имеет температуру, лежащую выше точки начала температурного скачка, и даже на фазе запуска режима горения, в частности за счет уменьшения содержания СО и НС в отработавших газах, можно достичь небольших токсичных выбросов. Поскольку за счет нагревательного участка 58 нагревательного устройства 60 можно подогреть не только катализаторное устройство 54, но и поддерживающие его концевые зоны теплопередающих ребер 24, в начале режима горения тепло, накопленное протекающими через камеру 50 отработавшими газами в теплопередающих ребрах 24, передается на катализаторное устройство 54 и, тем самым, эффективно используется для его нагрева.
В заключение следует указать на то, что при сохранении принципов изобретения в нем могут быть предусмотрены конструктивные изменения. Так, например, нагревательный участок 58 нагревательного устройства 60 может иметь структуру, отличающуюся от круглой геометрической формы. Например, нагревательный участок 58 может быть выполнен с несколькими спиралеобразно проходящими витками или с волно- или зигзагообразной структурой проходить вокруг продольной средней оси. Возможное также ромбовидное прохождение в периферийном и/или радиальном направлении.
Катализаторное устройство 54 при соответственно более коротком выполнении теплопередающих ребер 24 можно было бы «подвинуть» ближе к первой осевой концевой зоне 48 камеры 50 для обратного потока отработавших газов, так что, например, катализаторное устройство 54 можно было бы позиционировать приблизительно в продольной средней зоне камеры 50. В принципе, в направлении течения последовательно могут быть расположены также несколько таких устройств каталитического действия, причем тогда, например, одному или нескольким из этих катализаторных устройств может быть придано такое нагревательное устройство. Также, например вверх по потоку перед катализаторным устройством, в камере для обратного потока отработавших газов могут быть предусмотрены другие компоненты, например накопитель углеводородов.