КОНСТРУКТИВНЫЙ УЗЕЛ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДЛЯ ГОРЕЛКИ ИСПАРИТЕЛЯ
COMBUSTION CHAMBER STRUCTURAL ASSEMBLY FOR THE EVAPORATOR BURNER

Изобретение относится к конструктивному узлу камеры сгорания для горелки испарителя, которая может быть использована, к примеру, в нагревательном приборе транспортного средства, приводимом в действие как система отопления при неработающем двигателе и/или как дополнительный подогреватель.
Такой конструктивный узел камеры сгорания известен из DE 10 2013 220 654 А1. Этот конструктивный узел камеры сгорания включает в себя корпус камеры сгорания с расположенной в направлении продольной оси корпуса камеры сгорания, в основном, цилиндрической периферийной стенкой и с расположенной в аксиальной концевой зоне периферийной стенки зоной днища. Периферийная стенка и зона днища ограничивают камеру сгорания, в которую вводится горючий материал через помещенную на держателе среды испарителя зоны днища пористую среду испарителя. Необходимый для воспламенения воздух для горения подается через систему входных отверстий воздуха, которая в аксиальной зоне периферийной стенки между пористой средой испарителя и установленной на периферийной стенке заслонкой от пламени включает в себя большое количество расположенных с распределением в аксиальном направлении и в направлении периферии входных отверстий для воздуха. Для поддержания процесса выпаривания горючего материала из пористой среды испарителя, в частности, на этапе запуска процесса воспламенения, в зоне днища предусмотрено выполненное с возможностью электрического возбуждения нагревательное устройство. Выполненное с возможностью электрического возбуждения нагревательное устройство позиционировано на обращенной от пористой среды испарителя и, таким образом, также от камеры сгорания, стороне держателя среды испарителя. На периферийной стенке установлен проходящий в камеру сгорания с небольшим зазором относительно обращенной к камере сгорания поверхности пористой среды испарителя и, в основном, параллельно этой поверхности, выполненный с возможностью электрического возбуждения элемент зажигания.
Задача предложенного на рассмотрение изобретения состоит в создании такого конструктивного узла камеры сгорания для горелки испарителя, в частности, для нагревательного прибора транспортного средства, который в процессе горения обеспечивал бы снижение выброса углекислого газа.
В соответствии с изобретением эта задача решается посредством конструктивного узла камеры сгорания для горелки испарителя, в частности, для нагревательного прибора транспортного средства, включающего в себя корпус камеры сгорания с расположенной в направлении продольной оси корпуса камеры сгорания периферийной стенкой и с ограничивающей совместно с периферийной стенкой камеру сгорания зоной днища, причем зона днища включает в себя держатель среды испарителя и на обращенной к камере сгорания стороне держателя среды испарителя пористую среду испарителя, причем на периферийной стенке предусмотрена первая заслонка от пламени с первым отверстием заслонки, а в периферийной стенке предусмотрена система входных отверстий для воздуха.
С аксиальным зазором относительно первой заслонки от пламени на обращенной от пористой среды испарителя аксиальной стороне первой заслонки от пламени предусмотрена вторая заслонка от пламени со вторым отверстием заслонки и система входных отверстий для воздуха между первой заслонкой от пламени и второй заслонкой от пламени включает в себя, по меньшей мере, одно входное отверстие для воздуха.
За счет использования системы входных отверстий для воздуха в аксиальной по ходу, то есть в расположенной на удалении от пористой среды испарителя, зоне периферийной стенки между двумя заслонками от пламени, создается возможность для того, чтобы посредством турбулентного введения воздуха для горения, в сочетании с генерированной в этой зоне обратной подачей отработанных газов, в процессе сгорания существенно снизить выброс углекислого газа (NOx).
В частности, на этапе запуска процесса горения образование смеси может быть поддержано посредством того и, тем самым, может быть также уменьшен выброс углекислого газа, что зона днища на обращенной от камеры сгорания стороне пористой среды испарителя включает в себя выполненное с возможностью электрического возбуждения нагревательное устройство.
Эффективное турбулентное течение может быть обеспечено посредством того, что система входных отверстий для введения воздуха осуществлена с периферийным компонентом направления потока.
Далее создание определенных условий обтекания при введении воздуха для горения может быть поддержано посредством того, что в периферийной стенке в аксиальной зоне между пористой средой испарителя и первой заслонкой от пламени не предусмотрено входное отверстие для воздуха. В предпочтительном варианте, таким образом, система входных отверстий для воздуха включает в себя входные отверстия для воздуха лишь в аксиальной зоне между двумя заслонками от пламени.
Применение такой системы входных отверстий для воздуха, когда, по меньшей мере, одно, предпочтительно каждое входное отверстие для воздуха имеет, в основном, ортогонально ориентированную относительно радиальной линии нормаль к плоскости отверстия, поддерживает формирование турбулентного течения.
Чтобы при сравнительно небольшом сопротивлении потоку иметь возможность сформировать с распределением по периферии равномерные условия обтекания, предлагается предусмотреть в направлении периферии, следом друг за другом, большое количество входных отверстий для воздуха. Подача воздуха для горения может быть осуществлена при этом, к примеру, посредством того, что окружающая периферийную стенку камера подачи воздуха через входные отверстия для воздуха соединена с камерой сгорания. Камера подачи воздуха может быть соединена с действующим в качестве системы подачи воздуха для горения компрессором, к примеру, компрессором бокового канала.
В альтернативном варианте осуществления предлагается, чтобы канал подачи воздуха через входное отверстие для воздуха был открыт к камере сгорания.
Чтобы вводимому в камеру сгорания воздуху для горения уже при протекании по входным отверстиям для воздуха придать определенное направление течения, предлагается, чтобы в сочетании, по меньшей мере, с одним, предпочтительно с каждым входным отверстием для воздуха была предусмотрена проводящая воздух в камеру сгорания в направлении соответствующего входного отверстия для воздуха направляющая проводящая воздух поверхность. При этом, к примеру, проводящая воздух поверхность может проводить воздух, в основном, в направлении периферии к соответствующему входному отверстию для воздуха.
Чтобы добиться прохождения воздуха для горения в камеру сгорания максимально далеко радиально вовне, предлагается располагать проводящую воздух поверхность радиально внутри проводимого ею воздушного потока.
Изменение направления потока, в частности, и радиальной зоны, в которой воздух для горения входит в камеру сгорания, может быть обеспечено посредством того, что по меньшей мере одна выполненная с возможностью изменения в своем радиальном позиционировании проводящая воздух поверхность имеет выполненную с возможностью изменения в своем радиальном позиционировании кромку для стекания. В частности, по меньшей мере, одна выполненная с возможностью изменения в своем радиальном позиционировании проводящая воздух поверхность в направлении радиально вовне и/или в направлении уменьшения поверхности поперечного сечения отверстия может быть предварительно прижата к соответствующему входному отверстию для воздуха. Посредством изменения давления воздуха, вызванного, к примеру, изменением интенсивности подачи системы подачи воздуха для горения, можно, таким образом, воздействовать на радиальное позиционирование такой подающей воздух поверхности.
Чтобы, с одной стороны, иметь возможность добиться конструктивного отделения пористой среды испарителя от предназначенного ей выполненного с возможностью электрического возбуждения нагревательного устройства, а, с другой стороны, обеспечить эффективный нагрев, предлагается, предусмотреть выполненное с возможностью электрического возбуждения нагревательное устройство на обращенной от камеры сгорания стороне держателя среды испарителя.
Далее для запуска процесса горения в аксиальной зоне между пористой средой испарителя и первой заслонкой от пламени может быть предусмотрен выполненный с возможностью электрического возбуждения элемент зажигания, который в предпочтительном варианте проходит от периферийной стенки в камеру сгорания.
Обратная подача отработанных газов в процесс горения может поддерживаться посредством того, что периферийная стенка в предпочтительном варианте от второй заслонки от пламени осуществлена в направлении от зоны днища с радиальным расширением.
Изобретение относится также к нагревательному прибору транспортного средства, включающему в себя конструктивный узел камеры сгорания в соответствии с изобретением, систему подачи воздуха для горения для подачи воздуха для горения к камере сгорания через систему входных отверстий для воздуха, а также систему подачи горючего материала для подачи горючего материала к камере сгорания через пористую среду испарителя.
Предложенное на рассмотрение изобретение поясняется далее более детально со ссылкой на приложенные фигуры, на которых представлены:
фиг.1 - частичный вид в продольном разрезе конструктивного узла камеры сгорания для горелки испарителя нагревательного прибора транспортного средства, с разрезом вдоль линии I-I с фиг.2,
фиг.2 - поперечное сечение конструктивного узла камеры сгорания с фиг.1, с разрезом вдоль линии II-II с фиг.1,
фиг.3 - соответствующий фиг.1 вид альтернативного варианта осуществления конструктивного узла камеры сгорания, с разрезом вдоль линии III-III с фиг.4,
фиг.4 - поперечное сечение конструктивного узла камеры сгорания с фиг.3, с разрезом вдоль линии IV-IV с фиг.3,
фиг.5 - альтернативный вариант осуществления представленной на фиг.4 зоны системы входных отверстий для воздуха.
На фиг.1 представлен в продольном разрезе конструктивный узел 10 камеры сгорания, который включает в себя сформированную, к примеру из листового металла, в основном цилиндрическую, расположенную в направлении продольной оси L корпуса камеры сгорания периферийную стенку 12 и в ее аксиальной концевой зоне зону 14 днища. Зона 14 днища ограничивает совместно с периферийной стенкой 12 обозначенную, в целом, ссылочной позицией 16 камеру сгорания.
Зона 14 днища включает в себя, к примеру, также сформированный из листового металла держатель 18 среды испарителя. На обращенной к камере 16 сгорания стороне держателя 18 среды испарителя предусмотрена однослойная или многослойная пористая среда 20 испарителя, к примеру плетеное полотно, трикотажное полотно, флис, вспененная керамика и проч. Через входящий в держатель 18 среды испарителя трубопровод 22 для подачи горючего материала транспортируемый от системы подачи горючего материала, к примеру, дозирующего насоса, горючий материала вводится в пористую среду 20 испарителя. На обращенной к камере 16 сгорания поверхности 24 распределенный в пористой среде 20 испарителя за счет подающего действия капилляров, а также за счет воздействия силы тяжести, жидкий горючий материал в направлении камеры 16 сгорания испаряется. Посредством кольцеобразного держателя 26 пористая среда 20 испарителя в своей радиально внешней зоне прочно удерживается на держателе 18 среды испарителя. Зона 14 днища может быть, к примеру, в зоне кольцеобразного держателя 26 установлена на периферийной стенке 12. Вследствие выполнения различных использованных конструктивных элементов в предпочтительном варианте из листового металла, могут иметься двухсторонние соединения, выполненные посредством сварки, в частности, посредством лазерной сварки.
На обращенной от камеры сгорания обратной стороне держателя 18 среды испарителя предусмотрено лишь принципиально представленное, выполненное с возможностью электрического возбуждения, нагревательное устройство 28. Оно может включать в себя одну или несколько проходящих по обратной стороне держателя 18 среды испарителя нагревательных спиралей или участков нагревательных кабелей, которые в условиях электрического возбуждения нагревают держатель 18 среды испарителя и через него пористую среду 20 испарителя. Выполненное с возможностью электрического возбуждения нагревательное устройство 28 может быть закреплено на держателе среды испарителя посредством, к примеру, также выполненного из листового металла фиксирующего элемента 30.
На периферийной стенке 12 на небольшом расстоянии от поверхности 24 пористой среды 20 испарителя при помощи установленного на периферийной стенке 12 штуцера 34 установлен элемент зажигания 32, который может быть осуществлен, к примеру, в виде штифта накального зажигания и проходить, в основном, параллельно поверхности 24 пористой среды 20 испарителя в камеру сгорания 16. При электрическом возбуждении элемента 32 зажигания образованная в окружающем его пространстве смесь из пара горючего вещества и вводимого в камеру 16 сгорания воздуха для горения воспламеняется и, тем самым, запускает процесс горения.
На аксиальном расстоянии от пористой среды 20 испарителя или же от элемента 32 зажигания на периферийной стенке 12 предусмотрена первая заслонка 36 от пламени с образованным в ней по центру первым отверстием 38 заслонки. На аксиальном расстоянии от первой заслонки 36 от пламени и, соответственно, на обращенной от пористой среды 20 испарителя ее аксиальной стороне, на периферийной стенке 12 установлена вторая заслонка 40 от пламени с образованным в ней по центру вторым отверстием 42 заслонки. Аксиально между двумя заслонками 36, 40 от пламени предусмотрена система 44 входных отверстий для воздуха. Она включает в себя несколько входных отверстий 46 для воздуха, проходящих в направлении периферии вокруг продольной оси L корпуса камеры сгорания, следом друг за другом. В аксиальной зоне периферийной стенки 12, расположенной между зоной 14 днища и первой заслонкой 36 от пламени, не предусмотрено никаких входных отверстий для воздуха.
Окружающий периферийную стенку 12 радиально снаружи несущий элемент 48 корпуса камеры сгорания, посредством которого включающий в себя, в основном, периферийную стенку 12 и зону 14 днища корпус 50 камеры сгорания конструктивного узла 10 камеры сгорания установлен на элементе нагревательного прибора, ограничивает совместно с периферийной стенкой 12 кольцеобразно окружающую ее камеру 52 подачи воздуха. Через камеру 52 подачи воздуха транспортируемый от системы подачи воздуха, к примеру, от компрессора бокового канала, воздух подается в направлении камеры 16 сгорания. Воздух, проходящий через камеру 52 подачи воздуха, входит в зону входных отверстий 46 для воздуха в камеру 16 сгорания. Система 44 входных отверстий для воздуха включает в себя, как можно видеть на фигуре, два расположенных с периферийным зазором относительно друг друга входных отверстия 46 для воздуха. Разумеется, могло бы быть предусмотрено и более двух, расположенных в предпочтительном варианте с равномерным периферийным зазором относительно друг друга, входных отверстий для воздуха.
Входные отверстия 46 для воздуха образованы в зоне соответствующих формообразований 54 по типу жалюзи на периферийной стенке 12. Осуществленная посредством формообразования радиально вовнутрь проводящая воздух поверхность 56 проводит воздух, входящий через камеру 52 подачи воздуха, в основном, с направлением потока по периферии или тангенциально, в камеру 16 сгорания. При этом входные отверстия 46 для воздуха имеют, соответственно, в основном, ортогонально расположенную к радиальной линии относительно продольной оси L корпуса камеры сгорания нормаль N к плоскости отверстия.
За счет варианта осуществления системы 44 входных отверстий для воздуха с их проводящими воздух, в основном, в направлении периферии входными отверстиями 46 для воздуха, а также позиционирования этих входных отверстий 46 для воздуха аксиально между двумя заслонками 36, 40 от пламени, в аксиально ограниченной зоне генерируется эффективное турбулентное течение введенного в камеру 16 сгорания воздуха. Следствием этого турбулентного течения является, с одной стороны, эффективное перемешивание с поданным от пористой среды 20 испарителя паром горючего материала. С другой стороны, следствием этого турбулентного течения вокруг продольной оси L корпуса камеры сгорания является то, что часть покидающих камеру 16 сгорания через второе отверстие 42 заслонки в направлении равномерной, образованной посредством периферийной стенки 12 пламенной трубы 58 отработанных газов, за счет смешивания с введенным между двумя заслонками 36, 40 от пламени воздухом, снова подается обратно в процесс сжигания в камеру 16 сгорания. Это приводит к существенному сокращению образующейся при сжигании в камере 16 сгорания доли угарного газа в отработанных газах после сгорания.
Посредством выбора габаритов обоих отверстий 38, 42 заслонки можно оказывать воздействие на часть отработанных газов, поданных обратно в процесс горения. Чем больше второе отверстие 42 заслонки, по сравнению с первым отверстием 38 заслонки, тем больше часть воздуха, проведенного не в направлении камеры 16 сгорания или пористой среды 20 испарителя, а непосредственно в направлении жаровой трубы 58 и поданного через входные отверстия 46 для воздуха. Если первое отверстие 38 заслонки больше, по сравнению со вторым отверстием 42 заслонки, то проведенная через входные отверстия 46 для воздуха согласно фиг.1 вправо в направлении пористой среды 20 испарителя, а не в направлении жаровой трубы 58, часть воздуха для горения и, таким образом, также захваченная воздухом для горения в направлении камеры 16 сгорания часть отработанных газов, соответственно, больше.
Другой вариант осуществления конструктивного узла камеры сгорания представлен на фиг.3 и 4. В то время как основная конструкция корпуса 10 камеры сгорания с периферийной стенкой 12 и зоной 14 днища соответствует описанной ранее и, поэтому, ссылаются на соответствующие варианты осуществления, при этом варианте осуществления воздух для горения проводится между двумя заслонками 36, 40 от пламени лишь в одной единственной периферийной зоне. Для этого предусмотрен входящий, в основном, тангенциально или в направлении периферии в периферийную стенку 12, имеющий форму ниши, проводящий воздух корпус 60, на конце которого образовано входное отверстие 46 для воздуха, в основном, с ортогональной относительно радиального направления нормалью N к отверстию. Проводящий воздух корпус 60 предусмотрен на конце проходящей, в основном, в направлении продольной оси L корпуса камеры сгорания, трубы 62 подачи воздуха, по которой воздух, транспортируемый от системы подачи воздуха для горения, проходит вперед. Служащая для подачи воздуха и кольцеобразно окружающая периферийную стенку 12 объемная зона, которая в варианте осуществления в соответствии с фиг.1 предусмотрена в форме камеры 52 подачи воздуха, в данном варианте осуществления согласно фиг.3 отсутствует.
Несмотря на то, что в представленном на фиг.3 и 4 варианте осуществления посредством введенного, в основном, в направлении периферии или тангенциально в пространственную зону между двумя заслонками 36, 40 от пламени воздуха также можно добиться эффективной турбулентности и, таким образом, генерированной этой турбулентностью обратной подачи отработанных газов в процесс горения, в данном варианте осуществления реализовано улучшенное отделение камеры 16 сгорания от служащей для подачи воздуха объемной зоны. Следствием этого является тот факт, что в случае ошибочного запуска, когда горючий материал был подан, воспламенение не произошло, опасность того, что горючий материал через систему 44 входных отверстий для воздуха может попасть в зону системы транспортировки воздуха для горения или даже вовне, явно уменьшена.
Следующий вариант осуществления конструктивного узла камеры сгорания представлен на фиг.5. В этом варианте осуществления предусмотрена, в соединении с входным отверстием 46 для воздуха, проводящая воздух поверхность 56, направляющая подаваемый в направлении к камере 16 сгорания воздух в направлении к входному отверстию 46 для воздуха, в основном, в направлении периферии, не непосредственно в проводящем воздух корпусе 60, а на выполненном, к примеру, из пружинной стали проводящем воздух элементе 64. Он имеет, к примеру, в зоне входного отверстия 46 для воздуха выполненную, ввиду своей эластичности, с возможностью радиального перемещения, кромку 66 для стекания. В своей другой периферийной концевой зоне проводящий воздух элемент 64 может быть установлен на проводящем воздух корпусе 60.
В не нагруженном, отпущенном состоянии проводящий воздух элемент 64 максимально смещен радиально вовне, так что кромка 66 для стекания имеет максимальный зазор относительно продольной оси L корпуса камеры сгорания. С увеличением давления воздуха или с увеличением интенсивности подачи проведенный в направлении входного отверстия 46 для воздуха воздушный поток прижимает проводящий воздух элемент 64 радиально вовнутрь, так что кромка 66 для стекания равным образом смещается радиально вовнутрь и, соответственно, освобожденное для введения воздуха поперечное сечение отверстия уменьшается в направлении радиально вовнутрь. Так как у такого рода систем с турбулентным течением количество завихрений обратно пропорционально среднему действующему радиусу места вхождения воздуха, то посредством воздействия на радиальное положение кромки 66 для стекания можно, соответственно, оказывать воздействие на количество завихрений и, таким образом, также на процесс обратной подачи для выходящих из камеры сгорания отработанных газов.
Следующее воздействие на процесс обратной подачи может быть достигнуто посредством того, что, как пояснено на фиг.3, периферийная стенка 12 осуществлена, к примеру, от второй заслонки 40 от пламени с радиальным расширением. К примеру, в данном случае может быть предусмотрено конусообразное расширение с углом раскрытия в диапазоне 8° относительно осуществленной цилиндрической периферийной стенки 12. Жаровая труба 58 осуществлена, таким образом, в виде диффузора, что поддерживает внутреннее обратное течение отработанных газов.
Также следует указать на то, что ранее описанные концепции осуществления могут быть скомбинированы друг с другом. Так, в сочетании с одним или несколькими представленными на фиг.1 входными отверстиями 46 для воздуха мог бы быть предусмотрен переменный в своем радиальном позиционировании проводящий воздух элемент 64. Также в представленном на фиг.1 варианте осуществления конструктивного узла 10 камеры сгорания периферийная стенка 12, к примеру, в зоне, в которой имеется также жаровая труба 58, могла бы быть осуществлена по типу диффузора с радиальным расширением.