排气净化装置用燃烧器的制造方法
【专利摘要】一种排气净化装置用燃烧器，包括管部、向管部内供给燃烧用空气的空气供给口、向管部内供给燃料的燃料供给口以及点火部。管部包括混合燃烧用空气和燃料以生成预混合空气-燃料混合物的预混合室、燃烧预混合空气-燃料混合物以生成燃烧后气体的燃烧室以及排放燃烧后气体的排放口。点火部点燃燃烧室中的预混合空气-燃料混合物。管部还包括设置在混合室上游用以生成其中心方向与燃料喷射方向对应的涡旋流的涡旋流生成装置和设置在预混合室中涡旋流生成装置下游用以扩散包含在涡旋流中的燃料的扩散单元。
【专利说明】排气净化装置用燃烧器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种排气净化装置用燃烧器，其用在将来自内燃机(以下称为“发动机”)的排气净化的排气净化装置中，并提高排气的温度。
【背景技术】
[0002]传统的柴油机的排气通道内包括用于捕捉排气中包含的微粒的柴油微粒过滤器(DPF)和其中含有氧化催化剂的排气净化装置。该排气净化装置对排气进行处理提高其温度以维持净化排气的作用。该处理措施通过燃烧被DPF收集的微粒使DPF再生并活化氧化催化剂。
[0003]例如，专利文献I公开了一种设置在DPF和氧化催化剂上游的燃烧器。经燃烧器提升温度后的排气被送至DPF和氧化催化剂，以使DPF被再生且氧化催化剂被活化。燃烧室包含一个预混合室，燃料和排气在其中被混合以生成一种预混合的空气-燃料混合物。预混合的空气-燃料混合物被送至点火装置(未示出)。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开专利公报2003-49636。
【发明内容】
[0007]本发明旨在解决的问题
[0008]形成具有均匀燃料浓度分布的预混合空气-燃料混合物是很困难的。因预混合空气-燃料混合物中非均匀的燃料浓度分布，燃烧后的气体含有一定量的未燃烧燃料。燃烧后的气体中的未燃烧燃料是不利的，因为其会导致不必要的燃料消耗。优选地，燃烧后的气体具有减量的未燃烧燃料，这也是出于环境考虑。
[0009]本发明的目的之一是提供一种排气净化装置用燃烧器，其通过使燃料浓度分布均匀来减少未燃烧燃料的排放量。
[0010]解决问题的方法
[0011]根据本公开的一个方面，提供一种排气净化装置用燃烧器。该燃烧器包括:管部，其包括用于混合燃烧用空气和燃料以生成预混合空气-燃料混合物的预混合室、用于燃烧预混合空气-燃料混合物以生成燃烧后气体的燃烧室以及用于排放燃烧后气体的排放口；用于向管部内提供燃烧用空气的空气供给口 ；用于向管部内提供燃料的燃料供给口 ；以及用于点燃燃烧室内的预混合空气-燃料混合物的点火部。管部还包括被设置在预混合室的上游且生成中心方向与燃料喷嘴方向对应的涡旋流的涡旋流生成单元以及被设置在预混合室中涡旋流生成单元下游且扩散涡旋流中含有的燃料的扩散单元。
[0012]根据本实施例，燃料向由涡旋流生成单元生成的涡旋流的中心喷射。燃料在卷入涡旋流的同时从涡旋流的中心向外扩散开来。扩散单元将燃料扩散入预混合室。这会使预混合空气-燃料混合物中燃料浓度分布的不均匀性最低化。即，在预混合空气-燃料混合物被供给至燃烧室之前，燃料的浓度分布在管部的径向上被均匀化。这会减少由燃料浓度分布不均匀所导致的未燃烧燃料的排放量。
[0013]在一实施例中，扩散单元包括直径小于管部内径的连接孔。
[0014]在此情况下，因为包括连接孔的扩散单元被设置在涡旋流生成单元的下游，预混合空气-燃料混合物保持回旋状态并通过连接孔。然后，预混合空气-燃料混合物被排放至连接孔的下游。当连接孔的出口周围形成流速提高的缩流时，连接孔的下游压力降低至低于上游压力。因此，缩流中的回旋燃料立即在预混合室中扩散开来。因此，供给至燃烧室的预混合空气-燃料混合物中的燃料浓度分布在管部的径向上被均匀化。
[0015]在一实施例中，扩散单元的连接孔被设置在燃料喷射方向的喷射中心线上。
[0016]在此情况下，因为扩散单元的连接孔被设置在喷射中心线上，大量的喷射燃料被排放在扩散单元的下游。这会减少扩散至管部内表面而未流入连接孔的燃料量，即，没有用于燃烧的燃料量。
[0017]在一实施例中，连接孔的直径与管部内径之比在0.25-0.33(含0.25和0.33)之间。
[0018]在此情况下，因为连接孔的内径与管部内径之比在上述范围内，被供给至燃烧室的预混合空气-燃料混合物在管部的径向上具有均匀的燃料浓度。
[0019]在一实施例中，扩散单元包含面向燃料喷射方向的遮蔽部、设置在遮蔽部周围的开口以及使由开口送出的预混合空气-燃料混合物沿预定方向回旋的旋流器。
[0020]在此情况下，喷向涡旋流中心的燃料撞击遮蔽部。这会在预混合空气-燃料混合物中生成剪力，并促进燃料和燃烧用空气的混合。当混合后的预混合空气-燃料混合物通过开口被排放至预混合室下游时，旋流器生成涡旋流。这将在燃烧室的径向上进一步混合预混合室的下游预混合空气-燃料混合物。因此，供给至燃烧室的预混合空气-燃料混合物具有均匀化的燃料浓度分布。
[0021]在一实施例中，旋流器相对于遮蔽部倾斜55° -70° (含55°和70° )的角度。
[0022]在此情况下，因为生成涡旋流的旋流器倾斜了上述范围的角度，供给至燃烧室的预混合空气-燃料混合物在管部径向上具有均匀的燃料浓度。
[0023]在一实施例中，排气净化装置用燃烧器还包括安排在预混合室和燃烧室之间的多孔板。
[0024]在此情况下，因为多孔板被安排在预混合室和燃烧室之间，在扩散单元和燃烧室之间界定出并形成下游预混合室。涡旋流因此在下游预混合室中容易生成并同时抑制燃烧室的逆火。于是，混合效率被提闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是根据本发明第一实施例的排气净化装置用燃烧器的示意图；
[0026]图2是沿图1的线2-2的剖视图；
[0027]图3是图1中燃烧器中设置的孔板的平面图；
[0028]图4是沿图1的线4-4的剖视图；
[0029]图5是沿图1的线5-5的剖视图；
[0030]图6A是显示燃料分布的均匀度与未燃烧燃料排放量之间关系的曲线图；[0031]图6B是显示燃料分布均匀度与燃烧稳定性之间关系的曲线图；
[0032]图7A是显示孔洞直径和管部内径之比与燃料分布均匀度之间关系的曲线图；
[0033]图7B是显示第二混合室的长度和管部内径之比与燃料分布均匀度之间关系的曲线图；
[0034]图8是显示图1中燃烧器包含孔板和省略孔板时未燃烧燃料排放量之间对比的图例；
[0035]图9是根据本发明的第二实施例的排气净化装置用燃烧器的示意图；
[0036]图10是图9的燃烧器中设置的旋流片的平面图；
[0037]图1lA是显示旋流片上旋流器的切起角度与燃料分布均匀度之间关系的曲线图；
[0038]图1IB是显示第二混合室长度和管部内径之比与燃料分布均匀度之间关系的曲线图；且
[0039]图12是显示图9中燃烧器具有旋流片和省略旋流片时未燃烧燃料排放量之间对比的图例。
【具体实施方式】
[0040](第一实施例)
[0041]现参照图1-图8对本发明的排气净化装置用燃烧器的第一实施例进行说明。
[0042]如图1所示，柴油机10的排气道11内包含用以捕捉排气中含有的微粒的DPF12。DPF12具有由如多孔碳化硅制成的蜂窝状结构，并捕捉排气中的微粒。排气净化装置用燃烧器20 (以下简称为燃烧器20)被安排在DPF12的上游。燃烧器20通过提高流入DPF12的排气的温度对DPF12执行再生处理。
[0043]燃烧器20具有双管结构，包括大体上呈圆柱形的第一管部30和内径大于第一管部30的第二管部60。第一管部30在与中心轴平行的方向(轴向)的两端上有开口。第一管部30在轴向上包括作为第一端部的基端部或底部，并且在轴向上包括作为第二端部的头部。第一管部30的底部固定在基板21上，基板21将底部的开口封闭。大体上呈环形的喷射板31被设置在第一管部30的头部的开口处。作为排气口的喷射口 32延伸通过喷射板31的中心。
[0044]涡旋流生成装置包括安排在第一管部30的基端部的翘起片35。如图2所示，翘起片35由在径向方向向内切制并翅起基端部圆周壁的一部分而形成。翅起片35在基端部圆周方向上被等距离设置。第一导入孔34由翘起片35形成用以将第一管部30的外部连接至内部。
[0045]如图1所示，多个第二导入孔36在更靠近第一管部30头部的部位贯通。第二导入孔36呈圆形，且在第一管部30的圆周方向上等距离形成。
[0046]如图1所示，基板21包括设置在第一混合室71径向方向上大体中心位置的燃料供给口 21A，其用以固定燃料供给单元37的喷射口。燃料供给单元37连接至燃料泵和燃料阀(两者未示出)。打开燃料阀将燃料输送至燃料供给单元37。输送至燃料供给单元37的燃料在燃料供给单元37中被汽化并被喷射至第一混合室71。
[0047]如图1所示，扩散单元包括设置在第一管部30的内部紧邻翘起片35更靠近喷射口 32的孔板40。如图3所示，孔板40呈圆盘形，且其直径与第一管部30的内径大体相同。孔板40的外周边缘与第一管部30的内表面相接合。孔洞40A作为连接孔贯通孔板40的中心。孔洞40A的开口面积A2小于总开口面积Al，即，A1>A2,总开口面积Al是设置在第一管部30上的第一导入孔34的开口面积的总和。如图1所示，孔板40、基板21以及第一管部30的基端部界定出并形成了第一混合室71。如图1所示，孔洞40A被设置在与燃料喷射方向(即燃料供给单元37喷射燃料的方向)相对应的位置。更详细地，孔洞40A被设置在代表燃料喷射中心的喷射中心线LI上。
[0048]如图1所示，包含多孔板的燃烧器头部55被设置在第一管部30内部孔板40和第二导入孔36之间。燃烧器头部55呈圆盘形，其直径与第一管部30的内径大体相同，且其外周边缘与第一管部30的内表面相接合。如图4所示，大量的圆形供给孔55A在燃烧器头部55的厚度方向贯通燃烧器头部55。金属网57被设置在燃烧器头部55更靠近喷射口 32的表面上以防止逆火。尽管本实施例将金属网57安排在燃烧器头部55更靠近喷射口 32的表面上，金属网57也可以被安排在燃烧器头部55更靠近基板21的表面上，或者两个表面上。
[0049]供给孔55A的总开口面积A3，即供给孔55A的开口面积的总和，比孔洞40A的开口面积A2大(A3>A2)。基于使用如燃料供给量、燃烧用空气导入量以及孔板40A的开口面积等多种信息参数所得出的模拟结果，供给孔55A的总开口面积A3被设置以使得流入燃烧室77的预混合空气-燃料混合物的流速大于火焰F的传播速度。第一管部30中形成的火焰F的轴向长度(火焰长度)可通过改变供给孔55A的数量进行调节。所以，供给孔55A的数量视火焰长度而定，以使得燃烧器20的容量与当时的说明书相符，同时保证燃烧室77的体积足够大以燃烧预混合空气-燃料混合物。
[0050]如图1所示，燃烧器头部55、第一管部30的内表面以及孔板40界定出并形成第二混合室72。第二混合室72通过孔洞40A连接至第一混合室71。第一混合室71和第二混合室72形成预混合室73。
[0051]燃烧器头部55、第一管部30以及喷射板31形成生成火焰F的燃烧室77。燃烧室77通过燃烧器头部55上形成的供给孔55A连接至第二混合室72，并通过喷射口 32连接至DPF12。延伸穿过第一管部30的插孔在燃烧室77中形成，其位置较第二导入孔36的位置更靠近燃烧器头部55。火花塞61的点火部62被插入该插孔。
[0052]如图1所示，第二管部60被固定在基板21上与第一管部30同轴，且其底部的开口被基板21封闭。环形闭合板63在靠近顶部开口的部位将第二管部60的内表面与第一管部30的外表面之间的空间封闭。
[0053]固定有空气供给通道64的入口的空气供给口 60A被设置在靠近第二管部60的头部开口处。第二管部60包括空气供给口 60A，其位置较在第一管部30上形成的第二导入孔36更靠近头部开口。如图5所示，第二管部60的内表面包括设置在空气供给口 60A的开口附近的导板68。导板68以悬臂状方式固定至第二管部60，其状态是导板68的侧面沿第二管部60的内表面方向倾斜。导板68倾斜的方向与第一管部30中的翘起片35相同。
[0054]如图1所示，空气供给通道64上游端包括柴油机10的进气通道13，且连接至压缩机15的下游侧，压缩机15与设置在排气通道11中的涡轮机14 一同转动。
[0055]空气供给通道64还包括能改变空气供给通道64中流路的横截面积的空气阀65。控制单元(未示出)控制空气阀65的开启和关闭。当空气阀65处于开启状态时，一部分流经进气通道13的进气从空气供给通道64中被导入至第二管部60。
[0056]环形的分配室67被设置在第二管部60的内表面与第一管部30的外表面之间，用以将燃烧用空气分配至第一混合室71和燃烧室77。如图5所示，分配室67凭借第一管部30的圆周壁环绕第一管部30。S卩，分配室67通过设置在第一管部30基端部的第一导入孔34连接至第一混合室71，并通过大体形成在第一管部中心的第二导入孔36连接至燃烧室77。
[0057]现在说明第一实施例的燃烧器20的操作。
[0058]当DPF12的再生处理开始时，空气阀65保持在打开状态，且燃料供给单元37和火花塞61被启动。当空气阀65处于打开状态时，流经进气通道13的一部分进气从空气供给通道64经由空气供给口 60A被导入至分配室67用作燃烧用空气。此时，如图5所示，导板68引导燃烧用空气，由此抑制了与倾斜的导板68相反的流动。如图5中的箭头所示，燃烧用空气按照预定的方向保持回旋并沿与向着喷射口 32的方向相反的方向流动。
[0059]导入至分配室67的一部分燃烧用空气通过第二导入孔36被导入至燃烧室77。如图2所示，剩余部分的燃烧用空气通过第一导入孔34被导入至第一混合室71。如上所述，导板68和翘起片35向同一个方向倾斜。所以，燃烧用空气不会失去回旋力。相反地，燃烧用气体获得回旋力并被导入至第一混合室71。
[0060]由翘起片35生成的涡旋流流向孔洞40A，同时在第一管部30的径向中央部分，也就是燃料供给单元37供给燃料的区域汇集。如上所述，孔洞40A的位置被设置在喷射中心线LI上，且燃烧用空气的回旋中心与燃料供给单元37的燃料喷射方向相重叠。燃料卷入涡旋流并从涡旋流的中心向外扩散开来。喷射的大部分燃料通过孔洞40A。这阻止了燃料向第一管部30的内表面扩散，并抑制了不必要的燃料消耗。
[0061]其中混合有燃烧用空气和燃料的预混合空气-燃料混合物按照预定的方向保持回旋，并在形成缩流后通过孔洞40A的出口排放至第二混合室72。预混合空气-燃料混合物从孔洞40A排出时具有不均匀的燃料浓度分布。然而，缩流在孔洞40A的出口附近形成。这将在孔洞40A的出口附近生成很大的剪力，而且预混合空气-燃料混合物在第二混合室72中被进一步混合。孔洞40A的下游气压降低至低于上游气压，且预混合空气-燃料混合物在整个第二混合室72扩散。
[0062]图3所示的孔板40的孔洞40A具有直径D1。第二混合室72的内径为D (见图1)。优选地，孔洞40A的直径Dl与第二混合室72的内径D之比，或孔洞比D1/D，在0.25-0.33 (含0.25和0.33)之间的范围内。孔洞40A的直径Dl被设置使得比值在上述范围内。这将增加预混合空气-燃料混合物的燃料分布均匀度。术语“燃料分布均匀度”是指第一管部30径向方向的预混合空气-燃料混合物在即将供给至燃烧室77前其中的燃料浓度分布的均匀度。
[0063]现在对一种燃料分布均匀度的计算方法加以说明。在燃烧室77内的多个测量点测量燃料浓度。在测量点测得的一组浓度的浓度分散度通过以下公式计算。在此，r是燃料分布均匀度的值，η是燃料浓度测量点的数目，iPi是在每个测量点测得的燃料浓度，9ave
是燃料浓度的平均值。该公式显示，r越接近1，燃料分布均匀度越高。
[0064][公式I]
【权利要求】
1.一种排气净化装置用燃烧器，包括: 管部，所述管部包括: 预混合室，用于混合燃烧用空气和燃料以生成预混合空气-燃料混合物； 燃烧室，用于燃烧所述预混合空气-燃料混合物以生成燃烧后气体；以及 用于排放燃烧后气体的排放口； 空气供给口，用于向所述管部内供应所述燃烧用空气； 燃料供给口，用于向所述管部内提供燃料；以及 点火部，用于点燃所述燃烧室中的所述预混合空气-燃料混合物， 其中，所述管部还包括: 涡旋流生成单元，其被设置在所述预混合室上游并生成中心方向与燃料喷射方向对应的涡旋流；以及 扩散单元，其被设置在所述预混合室中所述回旋流生成单元下游并将包含在涡旋流中的燃料扩散。
2.根据权利要求1所述的排气净化装置用燃烧器，其中所述扩散单元包括直径小于所述管部内径的连接孔。
3.根据权利要求2所述的排气净化装置用燃烧器，其中所述扩散单元的连接孔被设置在所述燃料喷射方向的喷射中心线上。
4.根据权利要求2或3所述的排气净化装置用燃烧器，其中所述连接孔的直径与所述管部内径之比在0.25-0.33的范围内。
5.根据权利要求1所述的排气净化装置用燃烧器，其中所述扩散单元包括面向燃料喷射方向的遮蔽部、设置在所述遮蔽部周围的开口以及将从所述开口送出的所述预混合空气-燃料混合物沿预定方向回旋的旋流器。
6.根据权利要求5所述的排气净化装置用燃烧器，其中所述旋流器相对于所述遮蔽部的倾斜角度在55° -70°的范围内。
7.根据权利要求1-6任一所述的排气净化装置用燃烧器，所述燃烧器还包括设置在所述预混合室和所述燃烧室之间的多孔板。
【文档编号】F01N3/025GK104024733SQ201380004661
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2012年8月8日
【发明者】津曲一郎, 涩谷亮, 小出敦 申请人:日野自动车株式会社, 株式会社三五