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Die
Erfindung geht aus von einem Stand der Technik betreffend eine Abgasreinigungsvorrichtung zum
Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmotors, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung
umfaßt: einen
Durchströmungsraum
mit einer Abgaseintrittseinrichtung, eine Filtereinrichtung, ausgebildet
als Abgasfilter- oder Rußfilter-Einrichtung,
eine Abgasaustrittseinrichtung und eine Filterregenerationseinrichtung.
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Der
von Dieselmotoren freigesetzte Ruß stellt aufgrund seines kanzerogenen
Potentials ein bedeutendes Gesundheitsrisiko dar. Partikelfilter, auch
Rußfilter
genannt, vermindern die bei der dieselmotorischen Verbrennung entstehenden
Rußpartikel
zum größten Teil.
Dabei ist das Prinzip der meisten bisher eingesetzten Systeme ähnlich.
Die Partikel werden in einem Keramikfilter mit großer Filteroberfläche gesammelt.
Da die Abgastemperatur zur Verbrennung der Partikel nicht ausreicht,
müssen
die Filter regelmäßig durch
Abbrennen des Rußes
regeneriert werden.
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Dieses „Freibrennen" des Filters geschieht
in der Regel im Stillstand nach der Fahrt mit Hilfe einer Glühkerze und
eines Gebläses
unter Kraftstoffzufuhr. Dazu wird auf mindestens 500°C erwärmte Luft
in den Abgasfilter eingeleitet, wodurch die Rußpartikel zu CO2 verbrennen
und der Filter regeneriert wird.
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In
DE 201 15 464 U1 ist
ein Filterregenerationseinrichtung in Form eines Brenners beschrieben, der
einen Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen mit darin angeordneter Glühkerze aufweist.
In die Brennkammer der Filterregenerationseinheit mündet der Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen, über den
ein fettes Brennstoff-Luft-Gemisch
zugeführt
wird, und ein Hauptstrom-Eintrittsstutzen, über den Verbrennungsluft zugeführt wird.
Unter einem fetten Brennstoff-Luft-Gemisch versteht man ein Brennstoff-Luft-Gemisch
mit Brennstoffüberschuß, im Gegensatz
zu einem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch, das Luftüberschuß aufweist.
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Der
Verbrennungs-Zuluftstrom zu der Filterregenerationseinheit wird
angetrieben von einem Gebläse,
das Verbrennungsluft oder anderes sauerstoffhaltiges Gas ansaugt.
Der Verbrennungs-Zuluftstrom zweigt sich im Bereich der Filterregenerationseinheit in
einen Bypass-Strom und einen Hauptstrom auf, wobei der Bypass-Strom über eine
Bypass-Leitung tangential in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen mündet und
der Hauptstrom über
einen Hauptstrom-Eintrittsstutzen
in die Brennkammer mündet.
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Der
Brennstoff wird im Bereich der Glühkerze in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen
eingeleitet. Dabei wird der Brennstoff entweder durch die Glühkerze selbst
oder über
eine separate Brennstoffzuführung
eingeleitet. Zusätzlich
erfolgt tangential in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen eine
Luftzuführung über die
Bypass-Leitung. Durch eine tangentiale Einmündung der Bypass-Leitung in den
Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen wird eine Verwirbelung und intensive
Vermischung von Brennstoff und Luft erreicht. Dadurch ist unmittelbar
an der Glühkerze
ein brennbares fettes Brennstoff-Luft-Gemisch vorhanden, was als
Ergebnis eine zuverlässige
Flammenbildung an der Glühkerze
und eine daraus folgende effiziente Wärmeerzeugung in der Brennereinheit
zur Folge hat. Durch die Einleitung von Verbrennungsluft über den
Hauptstrom-Eintrittsstutzen in die Brennkammer wird in der Brennkammer
aus dem primären fetten
Brennstoff-Luft-Gemisch
des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt,
das die nötige
Energie zum Freibrennen des Abgasfilters liefert.
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Zum
zeitlichen und/oder betraglichen Steuern der Brennstoff-Zufuhr,
der Luft-Zufuhr
und/oder der Glühkerzen-Bestromung
ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen.
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Diese
bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß bei drucklosem Einleiten
des Brennstoffs, z.B. durch Eintropfen, es häufig vorkommt, daß sich nicht
die gesamte eingeleitete Menge an Brennstoff entzündet. Dadurch
wird nicht die volle Wärmeleistung
der Brennkammer erreicht und die Glühkerze und die Brennkammer
verschmutzen vorzeitig.
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Ein
weiterer Nachteil der in o.g. Dokument beschriebenen Vorrichtung
besteht darin, daß die Verzweigung
der Luftleitung in einen ersten und einen zweiten Luft-Leitungs-Zweig
nicht auf eine effektive Luftströmung
optimiert sind. Häufig
gelangt nur eine geringe Luftmenge in den Brennstoff-Einlaß-Stutzen.
In
DE 201 15 464 U1 ist
zur Einstellung der Luftströme
in den ersten und den zweiten Luft-Leitungs-Zweig vorgesehen, den
Strömungsquerschnitt
in dem ersten Luft-Leitungs-Zweig
durch einen querschnittsreduzierenden Einsetz-Körper zu vermindern. Auf diese
Weise entsteht ein erhöhter Staudruck
und es gelangt eine ausreichende Luftmenge in den zweiten Luft-Leitungs-Zweig
und in den Brennstoff-Einlaß-Stutzen.
Der Nachteil der in o.g. Dokument beschriebenen Vorrichtung ist
also darin zu sehen, daß zusätzliche,
störungsanfällige Einrichtungen
an der Lufteinleitung erforderlich sind, um eine effektive Funktion
sicherzustellen.
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Wenn
die Verbindung des Stutzens des zweiten Luft-Leitungszweiges mit
der Hauptluftleitung mittels Schweißen erfolgt, ist durch die Schweißnaht eine
nachteilige Querschnittsverengung des zweiten Luft-Leitungszweiges
im Bereich der Abzweigung gegeben.
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Darüber hinaus
weist die in o.g. Dokument beschriebene Steuerung den Nachteil auf,
daß der Brenner
Startschwierigkeiten haben kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsvorrichtung
so auszubilden, daß sie
einfach aufgebaut ist und effektiv arbeitet.
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Ferner
soll ein besonders effektives Arbeitsverfahren für eine solche Abgasreinigungsvorrichtung
geschaffen werden.
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Die
Aufgabe wird mit den Gegenständen
der Ansprüche
1, 9, 13 und 19 gelöst.
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Mit
der Filterregenerationseinrichtung gemäß Anspruch 1 wird es möglich, einen
Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen mit darin angeordneter Glühkerze lotrecht
zu justieren. Der Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen, der an der Brennereinheit der
Filterregenerationseinrichtung angeordnet ist, weist einen rohrförmigen Stutzen
auf, in dem eine Glühkerze
angeordnet ist und in den eine Luftleitung ein mündet. In den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen wird über separate
Zuleitungen Brennstoff und Luft zugeführt, dort unter Ausbildung
eines Brennstoff-Luft-Gemisches
gemischt, und dieses brennbare Brennstoff-Luft-Gemisch durch die
Glühkerze
entzündet.
Wesentlich ist es, daß es
sich um flüssigen Brennstoff
handelt, der eingetropft wird. Wenn der Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen
mit darin angeordneter Glühkerze
so gelagert ist, daß der
Stutzen lotrecht ausgerichtet ist, wird vermieden, daß Brennstofftropfen
auf die Glühkerze
oder die Innenwandung des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens fallen.
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Die
Justierbarkeit des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens wird dadurch
erreicht, daß der
Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen drehbar gelagert ist, so daß er durch
Verdrehen um eine Achse jeweils in eine lotrechte Lage gebracht
werden kann. Das gleiche Ergebnis wird erreicht, wenn nicht der
Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen als separates Teil um eine Achse
drehbar gelagert ist, sondern das Bauteil, mit dem der Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen
fest verbunden ist, z.B. die Brennereinheit.
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Eine
besonders effektive Ausrichtung ist möglich bei einer Ausbildung,
bei der die Glühkerze koaxial
in der Mittelachse des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens angeordnet
ist, da die Glühkerze
sodann optimal von dem Brennstoff-Luft-Gemisch umströmt werden kann. Dabei kann
vorgesehen sein, daß die
Glühkerze
in einen Schraubstutzen mit Außengewinde
eingesetzt wird, der in einem Innengewinde des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens
eingeschraubt wird. Der Brennstoff wird über eine Brennstoffleitung
direkt oder über
die Glühkerze
in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen eingetropft und dort mit
der Zuluft verwirbelt und vermischt.
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In
einer alternativen Ausführung
kann die Glühkerze
auch radial in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen hineinragen.
Allgemein ist jede Anordnung der Glühkerze denkbar, die eine sichere
Entzündung des
Brennstoff-Luft-Gemisches ermöglicht.
Dabei ist die Glühkerze
vorzugsweise stets so angeordnet, daß das Stromzuführungskabel
der Glühkerze
auf einfache Weise zu dem freiliegenden Ende der Glühkerze geführt und
dort angeschlossen werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist an einem Bauteil der Abgasreinigungsvorrichtung, – z.B. an
der Abgaseintrittseinrichtung, der Filtereinrichtung oder der Abgasaustrittseinrichtung – ein Montageflansch
vorgesehen, an dem die Filterregenerationseinrichtung montierbar
ist. Vorzugsweise weist zu diesem Zweck die Filterregenerationseinrichtung
einen Anschlußflansch
auf, der zu dem Montageflansch korrespondiert, um auf diese Weise
eine einfache Montage zu ermöglichen.
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Der
Montageflansch und der korrespondierende Anschlußflansch kann mit einer Langloch/Schrauben-Verbindungseinrichtung
ausgestattet sein. Vorzugsweise weist der Anschlußflansch Langlöcher und
der Montageflansch Gewindelöcher zur
Aufnahme von Verbindungsschrauben auf. Dabei sind die Langlöcher vorzugsweise
in ihrer Erstreckung um die zentrale Achse des Anschlußflansches gekrümmt ausgebildet,
was die Justierung durch Drehen erheblich vereinfacht.
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Die
geometrische Anordnung der Abgasfiltervorrichtung kann so ausgebildet
sein, daß die
zentrale Achse des Montageflansches, an dem die Filterregenerationseinrichtung
angebracht wird, senkrecht zu der zentralen Achse des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens
bzw., falls die Glühkerze
koaxial zu der Achse des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens angeordnet ist,
auch senkrecht zur Ausrichtung der Glühkerze verläuft. Um in diesem Fall eine
lotrechte Ausrichtung des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens zu erreichen, verläuft die
zentrale Achse des Montageflansches waagrecht. Der Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen
kann durch Verdrehen des Anschlußflansches gegenüber dem
ortsfesten Montageflansch in eine lotrechte Lage gebracht werden.
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Mit
der Ausgestaltung der Filterregenerationseinrichtung gemäß Anspruch
9 oder 13 wird es möglich,
die Luftzuführung
zur Brennereinheit besonders effizient auszubilden.
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Die
Gestaltung nach Anspruch 9 sieht vor, daß die Bypass-Leitung in Strömungsrichtung
in einem spitzen Winkel (α)
von der im Bereich der Abzweigung geradlinigen Verbrennungsluftzuführung abgeht.
Der spitze Winkel (α)
weist dabei Werte zwischen 15 und 65 Grad auf. In einer vorteilhaften
Ausgestaltung liegen die Werte des Winkels (α) zwischen 30 und 50 Grad. Da
die abzweigende Bypass-Strömung
nur eine geringe Richtungsänderung
aufweist, liegen günstige
Strömungsverhältnisse
vor. Dadurch gelangt pro Zeiteinheit ein erheblich größeres Luftvolumen
in die Bypass-Leitung als bei einer radialen Abzweigung der Bypass-Leitung
von dem Rohr des Verbrennungs-Zuluftstroms.
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Durch
die günstigen
Strömungsverhältnisse gelangt
ohne zusätzliche
Maßnahmen
eine ausreichende Luftmenge in die Bypass-Leitung, so daß z.B. auf
querschnittsreduzierende Einsetz-Körper verzichtet werden kann.
Derartige Einsetz-Körper
können
z.B. als Gewindehülsen
ausgebildet sein, die in ein Gewinde des Hauptstrom-Eintrittsstutzens
einschraubbar sind, oder als Hülsen,
die in den Hauptstrom-Eintrittsstutzen eingepreßt werden. Durch den Verzicht auf
derartige Einsetz-Körper
wird die Herstellung und die Wartung der Verbrennungsluftzuführung vereinfacht
und ihre Störanfälligkeit
vermindert.
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In
einer alternativen Ausgestaltung nach Anspruch 13 ist vorgesehen,
daß die
Verbrennungsluftzuführung
eine Krümmung
aufweist und daß die
Abzweigung der Bypass-Leitung unmittelbar im Bereich der Krümmung der
Verbrennungsluftzuführung
erfolgt. In diesem Fall ist vorgesehen, daß die Bypass-Leitung tangential
zum Krümmungskreis
der Krümmung
der Verbrennungsluftzuführung
abzweigt. Dies bedeutet vorzugsweise, daß die Bypass-Leitung in der
Krümmungsebene
liegt, wobei die Krümmungsebene
die Rohrachsenebene des gekrümmten
Rohres der Verbrennungsluftzuführung
ist.
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Um
die günstigen
Strömungsverhältnisse
im Bereich der Abzweigung der Bypass-Leitung nicht durch querschnittsverengende
Schweißnähte zu stören, ist
es besonders vorteilhaft, wenn die Bypass-Leitung mit dem Rohr der
Verbrennungsluftzuführung
nicht über
Schweißen,
sondern über
Hartlöten
verbunden wird.
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Zwischen
dem Mündungsbereich
des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens in die Brennkammer, der sog.
Vorbrennkammer, und dem Mündungsbereich des
Hauptstrom-Eintrittsstutzens in die Brennkammer, der sog. Hauptbrennkammer,
kann an der Innenwandung der Brennkammer eine sichelförmige Lamelle,
die sogenannte Sichel, angeordnet sein. Die Sichel wird derart angeordnet,
daß der
am weitesten von der Wand der Brennkammer abstehende Vorsprungsrand
dicht an dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen und dessen Mündung in
die Brennkammer angeordnet ist, gewissermaßen radial gleichgerichtet
ist. Durch die Sichel wird die Vorbrennkammer von der sich in Strömungsrichtung
der Gase anschließenden
Hauptbrennkammer teilweise getrennt, was eine besonders gute Vermischung
des fetten Brennstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen
mit der Verbrennungsluft aus dem Hauptstrom-Eintrittsstutzen begünstigt.
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Ungeachtet
der Verbesserung der Lufteinleitung, die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Filterregenerationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 oder
13 erzielt wird, können
in den Luftleitungen, insbesondere in der Bypass-Leitung und in dem
Hauptstrom-Eintrittsstutzen, Drosselvorrichtungen vorgesehen sein,
die eine weitere Verbesserung der Lufteinleitung ermöglichen.
Hierbei können
querschnittsreduzierende Einsetz-Körper verwendet werden, wie
sie oben beschrieben wurden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Steuerung
der Filterregenerationseinrichtung bei dem Betriebsverfahren gemäß Anspruch
19 wird es möglich,
die Effektivität
der Filterregenerationseinrichtung hinsichtlich des Startens des
Brenners zu optimieren. Durch diese Steuerung erfolgt der Brennvorgang
in einer sehr zuverlässigen
und wirksamen Weise, so daß die Filtereinrichtung
in einem hohen Maße
regeneriert wird. Die Steuerung der Abgasreinigungsvorrichtung erfolgt
in zwei Phasen, wobei die erste Phase zum Starten des Brenners und
zum Aufheizen der Filtereinrichtung dient und die zweite Phase zur
Verbrennung des Rußes
in der Filtereinrichtung dient.
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Über eine
Brennstoffpumpe wird Brennstoff in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen
geleitet, und über
ein Gebläse
angetrieben strömt
Verbrennungsluft über
die Verbrennungsluftzuführung
in die Brennkammer und den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen.
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Die
Glühkerze
der Filterregenerationseinrichtung wird bei Betrieb des Verbrennungsmotors durch
die heißen
Motorabgase erhitzt. Soll unmittelbar nach Ende des Motorbetriebs
der Brenner gestartet werden, ist es unter Umständen aufgrund der Regelcharakteristik
der Glühkerze
nicht möglich,
die noch heiße
Glühkerze
auf die für
den Brennerstart notwendige Temperatur von 800°C zu heizen.
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Die
erfindungsgemäße Steuerung
umgeht diese Schwierigkeit, indem die Glühkerze vor Beginn der Brennerstarts
durch ein Gebläse
mit Umgebungsluft abgekühlt
wird. Nach Abkühlen
der Glühkerze
wird die Glühkerze
durch Bestromung auf eine Temperatur von 800°C vorgeglüht. Bei dieser Temperatur der
Glühkerze
ist ein zuverlässiger
Brennerstart möglich.
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Die
Erfindung wird nun an Ausführungsbeispielen
anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine
Schnittansicht einer Abgasfiltervorrichtung mit einem ersten Ausführungsbeispiel
eines Abgaseintrittsmoduls mit Brennereinheit;
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2 eine
Draufsicht des in 1 dargestellten Abgaseintrittsmoduls;
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3 eine
Druntersicht der in 1 dargestellten Brennereinheit;
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4 eine
Teilschnittansicht der in 3 dargestellten
Brennereinheit längs
der Schnittlinie IV-IV;
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5 eine
Teilschnittansicht der in 4 dargestellten
Brennereinheit längs
der Schnittlinie V-V;
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Die 1 zeigt
eine Abgasreinigungsvorrichtung 10, gebildet aus einem
Abgaseintrittsmodul 20, einem Filtermodul 30,
einem Abgasaustrittsmodul 40 und einer Brennereinheit 50.
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Das
Abgaseintrittsmodul 20, das Filtermodul 30 und
das Abgasaustrittsmodul 40 sind im wesentlichen rohrförmig ausgebildet
mit gleichen Außendurchmessern
und gleichen Innendurchmessern. Die Module sind lösbar miteinander
verbunden und jeweils mit ineinandergehenden Ein- und Ausgängen ausgebildet.
Die Verbindungsstellen sind in der 1 nur schematisch
angedeutet. Die Module können
beispielsweise durch Schellen miteinander verbunden sein. Dabei
ist der Ausgang des Abgaseintrittsmoduls 20 mit dem Eingang
des Filtermoduls 30 verbunden, und der Ausgang des Filtermoduls 30 ist mit
dem Eingang des Abgasaustrittsmoduls 40 verbunden. Die
Module 20, 30, 40 sind koaxial so angeordnet,
daß sich
eine zentrale Achse 11 der Abgasreinigungsvorrichtung 10 ausbildet,
die gleichzeitig die Achse jedes einzelnen Moduls 20, 30, 40 bildet.
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Das
Abgaseintrittsmodul 20 ist auf der dem Filtermodul 30 zugewandten
Seite offen ausgebildet und auf der anderen Seite mit einen Innenboden 21i und
einen Außenboden 21a ausgebildet.
Der Außenboden 21a wird
von einem kreisringförmigen
Montageflansch 23 unter Ausbildung von Spiel zwischen der
Außenwand
des Montageflansches 23 und dem freien inneren Schenkel
des Außenbodens 21a durchgriffen.
In dem Montageflansch 23 sind axiale Gewindelöcher 23g auf
einem konzentrisch zur Mittelachse des Montage flansches 23 orientierten
Teilkreis mit konstanter Winkelteilung angeordnet. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind 8 Gewindelöcher 23g auf
dem Teilkreis angeordnet, wie in 2 zu sehen
ist. Die Gewindelöcher 23g sind
zur Aufnahme von nicht dargestellten Verbindungsschrauben ausgebildet.
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Das
Abgaseintrittsmodul 20 weist eine Aufnahme für eine mit
flüssigem
Brennstoff gespeiste Brennereinheit 50 auf, die in den 3 bis 5 dargestellt
ist. Die Brennereinheit 50 ist, wie in 1 gezeigt,
an dem Abgaseintrittsmodul 20 stirnseitig angeordnet ist.
Die Brennereinheit 50 ist im wesentlichen als eine rohrförmige Brennkammer 50k mit
einem Brennermantel 50m und einem Brennerboden 50b ausgebildet
(s. 4 und 5). Der Brennermantel 50m und
der Brennerboden 50b können
als dünne
Wandung der Brennkammer 50k ausgebildet sein.
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Die
Brennereinheit 50 weist einen Anschlußflansch 53 auf (s. 3 bis 5),
der komplementär
zu dem Montageflansch 23 (s. 1 und 2) des
Abgaseintrittsmoduls 20 ausgebildet ist. Zur Einstellung
der Relativlage der Brennereinheit 50 zum Abgaseintrittsmodul 20 ist
der Anschlußflansch 53 mit
Langlöchern 53l ausgebildet
(s. 3). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist er mit 4
Langlöchern 53l ausgebildet,
die mit konstanter Winkelteilung gleichmäßig verteilt auf einem Teilkreis
auf dem Anschlußflansch 53 angeordnet
sind. Die Gewindelöcher 23g sind
gleichmäßig auf
einem Teilkreis mit konstanter Winkelteilung auf dem Montageflansch 23 angeordnet.
Dabei stimmen die Teilkreise der Gewindelöcher 23g (s. 2)
des Montageflansches 23 und der Langlöcher 53I des Anschlußflansches 53 überein.
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Die
Brennkammer 50k durchgreift den Anschlußflansch 53 zentrisch
(s. 5), wobei der Brennermantel 50m gasdicht
mit dem Anschlußflansch 53 verbunden ist.
Ein rohrförmiger
Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z, eine rohrförmige Verbrennungsluftzuführung 54v und
eine rohrförmige Montagehülse 55 zur
Aufnahme eines Temperatursensors durchgreifen oberhalb des Anschlußflansches 53 den
Brennermantel 50m und sind gasdicht mit diesem verbunden,
beispielsweise durch eine Schweißnaht.
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Der
Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z mündet radial in die Brennkammer 50k ein.
Dabei bilden die Achse des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z und
die Achse der Brennkammer 50k einen Winkel von 90° (s. 4).
In den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z mündet eine
nicht dargestellte Brennstoffleitung. Durch die Brennstoffleitung
wird, angetrieben durch eine nicht dargestellte Brennstoffpumpe,
Brennstoff in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z geleitet
und dort im Bereich der Glühkerze 57 eingetropft.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird der Brennstoff durch
die Glühkerze
eingeleitet.
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Die
Glühkerze
wird in eine in den Figuren nicht dargestellten Schraubhülse eingesetzt,
die ein Außengewinde
trägt,
das in ein entsprechendes Innengewinde im Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z eingeschraubt
werden kann. Die Glühkerze 57 ist
in dem Ausführungsbeispiel,
wie in 5 am besten erkennbar, koaxial in dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z angeordnet,
so daß das
beheizte Ende der Glühkerze 57 in
das Innere des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z ragt
und das Anschlußende
der Glühkerze 57 aus
dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z heraus steht,
so daß es über ein
nicht dargestelltes elektrisches Kabel an eine nicht dargestellte
steuerbare Stromquelle angeschlossen werden kann.
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Wie
in 3 besonders gut zu sehen ist, weist die Verbrennungsluftzuführung 54v eine
Krümmung
auf, z.B. ist sie wie im abgebildeten Beispiel um 90° abgewinkelt,
d.h. L-förmig
ausgebildet. Im Bereich der Krümmung
der Verbrennungsluftzuführung 54v verzweigt
sich die Verbrennungsluftzuführung 54v in
eine Bypass-Leitung 54b und in einen Hauptstrom-Eintrittsstutzen 54h.
Die Bypass-Leitung 54b wird zum Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z geführt und
durchgreift die Wand des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z tangential.
Auf diese Weise strömt der
Bypass-Strom tangential in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z, und zwar
tangential um die Glühkerze 57,
die koaxial in dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z angeordnet
ist. Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte Verwirbelung und Durchmischung
von Luft und Brennstoff. Es entsteht bereits im Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z ein brennfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch,
welches sicher zündet.
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Die
Abzweigung der Bypass-Leitung 54b von der Verbrennungsluftzuführung 54v erfolgt
in Strömungsrichtung
und zwar in einer Weise, daß die Rohrachse
der Bypass-Leitung 54b mit einer Bezugsebene einen spitzen
Winkel α einschließt (s. 4).
Dabei wird die Bezugsebene des spitzen Winkels α durch die Rohrachsenebene der
gekrümmten
Verbrennungsluftzuführung 54v gebildet. Die
im Bereich der Abzweigung geradlinigen Rohrachsen, und zwar die
Rohrachse der Bypass-Leitung 54b und die Rohrachse der
Verbrennungsluftzuführung 54v,
verlaufen in einer Ebene, die senkrecht zu der oben genannten Bezugsebene
steht. Unmittelbar nach der Abzweigung der Bypass-Leitung 54b von der
Verbrennungsluftzuführung 54v weist
auch die Bypass-Leitung 54b eine Krümmung von 90° auf, so daß sie tangential
in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z einmündet.
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Alternativ
zu der in den 3 bis 5 dargestellten
Abzweigung der Bypass-Leitung 54b von der
Verbrennungsluftzuführung 54v ist
eine Abzweigung der Bypass-Leitung 54b von der Verbrennungsluftzuführung 54v unmittelbar
im Bereich der Krümmung
der Verbrennungsluftzuführung 54v möglich. Bei
dieser Ausgestaltung zweigt die Bypass-Leitung 54b tangential
zum Krümmungskreis
der Krümmung der
Verbrennungsluftzuführung 54v ab.
Dies bedeutet, daß die
Bypass-Leitung 54b in der Krümmungsebene liegt, wobei die
Krümmungsebene
die Rohrachsenebene des gekrümmten
Rohres der Verbrennungsluftzuführung 54v ist.
Nach der Abzweigung der Bypass-Leitung 54b von der Verbrennungsluftzuführung 54v wird
die Bypass-Leitung 54b so geführt, daß sie tangential in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z einmündet.
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Im
Bereich der Abzweigung ist die Außenwandung der Bypass-Leitung 54b mit
der Außenwandung
der Verbrennungsluftzuführung 54v über Hartlöten verbunden,
d.h. nicht eingeschweißt,
um eine Querschnittsreduzierung durch Schweißnähte zu vermeiden. Über den
spitzen Winkel α bzw. über die
tangentiale Abzweigung im Bereich der Krümmung wird eine dynamische
Luftabzweigung und eine ausreichende Lufteinströmung in die Bypass-Leitung 54b erreicht,
anders als bei einer nicht dargestellten radialen Abzweigung der
Bypass-Leitung 54b von der Verbrennungsluftzuführung 54v. Dadurch
kann auf zusätzliche
Einrichtungen zur Luftmengen-Aufteilung, wie z.B. Einsetz-Körper zur Querschnittsverminderung,
verzichtet werden.
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Ein
Teilstrom der Verbrennungsluft ist also mit Hilfe der Bypass-Leitung 54b dem
Brennstoff vor dem Eintritt in die Brennkammer 50k direkt
zugemischt. Wegen der tangentialen Anordnung der Bypass-Leitung 54b an
dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z ist
das hinter der Einmündung
des Bypass-Leitung 50b in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z ausgebildete
Brennstoff-Luft-Gemisch verwirbelt und tritt so aus dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z in
die Mischkammer 50k ein. Dieses erste Brennstoff-Luft-Gemisch,
das im Bereich des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z und
der Vorbrennkammer vorliegt, ist ein fettes Gemisch, um den gewünschten
Zündpunkt
zu gewährleisten.
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Der
Hauptstrom der Verbrennungsluft tritt nun über den Hauptstrom-Eintrittsstutzen 54h in
die in Strömungsrichtung
gelegene Hauptbrennkammer ein. Er vermischt sich in der Hauptbrennkammer
mit dem ersten Brennstoff-Luft-Gemisch
und bildet mit diesem ein zweites, mageres Brennstoff-Luft-Gemisch
mit für
die Verbrennung optimalem Brennstoff-Luft-Verhältnis, um die gewünschte Energieentwicklung
zu gewährleisten
und gleichzeitig eine komplette Verbrennung ohne Rußbildung
zu erbringen. Wegen der tangentialen Einmündung des Hauptstrom-Eintrittsstutzens 54h in
die Brennkammer 50k ist auch das zweite Brennstoff-Luft-Gemisch
in einer stabilen Drallströmung
verwirbelt und deshalb optimal durchmischt.
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Im
Bereich zwischen der Eintrittsöffnung
des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z und der Eintrittsöffnung des Hauptstrom-Eintrittsstutzens 54h in
die Brennkammer 50k ist radial an der Innenwandung der
Brennkammer 50k eine sichelförmige Lamelle, eine sogenannte
Sichel 56 (s. 3), angebracht, und zwar unmittelbar
dem Eintritt des ersten Brennstoff-Luft-Gemisches nachgeschaltet.
Die Sichel 56 ist, wie in 3 erkennbar,
auf der dem Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z abgewandten
Seite der Brennkammer 50k offen, so daß das erste Brennstoff-Luft-Gemisch
axial in die Hauptbrennkammer strömen kann. Durch die Anordnung
der Sichel 56 wird die Vorbrennkammer von der Hauptbrennkammer
getrennt und eine stabile Spiralströmung ausgebildet. Die Sichel 56 ist
stoffschlüssig
mit der Innenwand des Brennermantels 50m verbunden, beispielsweise
durch Hartlöten
oder Schweißen.
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Die
Verbrennungszuluft wird durch ein nicht steuerbares Gebläse in die
Brennkammer 50k und den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z eingebracht, wodurch
eine bestimmte Luftmenge geliefert wird. Gesteuert wird bei dem
Ausführungsbeispiel
lediglich die Brennstoffzufuhr über
eine Brennstoffpumpe. Der Brennstoff wird nicht unter Druck eingespritzt,
sondern nur eingeleitet. Er tropft also unter Schwerkraft ein. Deshalb
muß die
Brennereinheit 50 in der Einbaustellung so gedreht sein,
daß der
Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z und damit eine darin axial
angeordnete Glühkerze 57 in
der Lotrechten angeordnet sind. Um diese lotrechte Anordnung des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z zu
gewährleisten,
sind im Anschlußflansch 53 der
Brennereinheit 50 Langlöcher 53I angeordnet,
die mit den in Gewindelöchern 23g im
Montageflansch 23 angeordneten Verbindungsschrauben zusammenwirken.
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In
dem Ausführungsbeispiel
ist die Filterregenerationseinrichtung über den Montageflansch 23 und
den Anschlußflansch 53 am
Abgaseintrittsmodul 20 angeordnet (s. 1).
Dabei sind die Module 20, 30, 40 und
die Brennkammer 50k koaxial so miteinander verbunden, daß sie eine
gemeinsame zentrale Achse 11 aufweisen. Die Achse des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z und
auch die der Glühkerze 57 steht
senkrecht auf dieser zentrale Achse 11. Es ist eine lotrechte
Ausrichtung des Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzens 54z und
der Glühkerze 57 wünschenswert,
so daß der
in den Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z eingeleitete
Brennstoff unter Einfluß der
Schwerkraft senkrecht nach unten in Richtung der Vorbrennkammer
eintropft. Dazu wird die Abgasreinigungsvorrichtung 10 so
angeordnet, daß die
zentrale Achse 11 in der Horizontalen liegt. Durch die
Ausbildung des Anschlußflansches 53 der Brennkammer 50k mit
Langlöchern 53l kann
die Brennereinheit 50 um die zentrale Achse 11 gedreht werden,
weil die im Montageflansch 23 angeordneten Verbindungs schrauben
in den Langlöchern 53l des
Anschlußflansches 53 gleiten
können.
Zur Justierung wird die Brennereinheit 50 so weit um die
zentrale Achse 11 gedreht, bis der Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen 54z und
die Glühkerze 57 lotrecht
ausgerichtet sind.
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Es
kann vorgesehen sein, den lichten Querschnitt der Bypass-Leitung 54b und/oder
des Hauptstrom-Eintrittsstutzens 54h durch nicht dargestellte Drosselvorrichtungen
einstellbar auszubilden und auf diese Weise das Mischungsverhältnis des
ersten und/oder des zweiten Brennstoff-Luft-Gemischs für den Verbrennungsprozeß zu optimieren,
beispielsweise bezüglich
Flammentemperatur, Brennstoffverbrauch oder Abgaszusammensetzung.
Als Drosselvorrichtungen können
z.B. austauschbare Einsetz-Körper
Verwendung finden, die als Hülsen
in ein Innengewinde des Hauptstrom-Eintrittsstutzens 54h einschraubbar
sind oder als Hülsen
in den Hauptstrom-Eintrittsstutzen 54h eingepreßt werden.
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Wie
in 1 dargestellt, ist die Brennkammer 50k der
Brennereinheit 50 außerhalb
des Abgaseintrittsmoduls 20 angeordnet. Das in der Brennkammer 50k gebildete
Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt im Abgaseintrittsmodul 20 und
erhitzt auf diese Weise den in dem Filtermodul 30 angeordneten Filter 32 so
stark, daß in
den Poren des Filters 32 gebildete Ablagerungen, beispielsweise
Rußpartikel, verbrennen
und der Filter 32 auf diese Weise regeneriert wird.
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Die
Steuerung des Brennstoff-Luft-Gemischs und des Verbrennungsluftstroms über die Verbrennungsluftzuführung 54v sieht
bei dem Ausführungsbeispiel
zwei Phasen vor. Eine erste Phase dient zum Starten des Brenners
und zum Aufheizen des Filters 32. Hierbei wird zunächst die
Glühkerze 57 mit
Umgebungsluft abgekühlt.
Dazu wird von dem nicht dargestellten Gebläse Luft aus der Umgebung angesaugt
und in die Verbrennungsluftzuführung 54v eingeblasen.
Diese Abkühlung
muß aufgrund
der Regelcharakteristik des eingebauten Überhitzungsschutzes der Glühkerze 57 erfolgen,
da sich sonst die durch die Motorabgase bereits stark aufgeheizte Glühkerze 57 selbst
abregeln würde.
Danach wird die Glühkerze 57 über Bestromung
vorgeglüht
auf über 800°C. Sodann
werden die Brennstoffpumpe und das Gebläse gleichzeitig gestartet und
die Glühkerze 57 über einen
Zeitraum von 40 bis 60 Sekunden nachgeglüht. Das durch eine hohe Brennstoffmenge
fett eingestellte Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet sich an der Glühkerze 57 und
entwickelt eine Flamme. Danach folgt eine zweite Phase als Brennphase. Hierbei
wird bei geringer zugeführter
Brennstoffmenge über
die Verbrennungsluftzuführung 54v genügend Luftüberschuß zugeführt, um
den im Filter 32 sitzenden Ruß zu verbrennen. In der Brennphase wird
die Glühkerze
nicht weiter bestromt.
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Zur Überwachung
der Flammenbildung dient ein Temperatursensor, der in einer Montagehülse 55 angeordnet
ist. Die Montagehülse 55 ragt
in einer radialen Ebene in die Brennkammer 50k hinein.
Sie liegt dabei mit ihrer Achse in der Ebene des Eintritts des Hauptstrom-Eintrittsstutzens 54h in
die Brennkammer 50k. Die Montagehülse 55 ist an ihrem
in die Brennkammer 50k einragenden Ende über einen
Boden 55b geschlossen. Als Temperatursensor ist ein Widerstandselement
verwendet, das bis auf den Boden 55b aufsteht, um zu verhindern,
daß sich
zwischen dem Temperatursensor und dem Boden 55b ein Luftpolster
ausbildet. Die am Widerstandselement anliegende Spannung wird über nicht
dargestellte Drähte
von einem nicht dargestellten Spannungsmeßgerät abgegriffen und die gemessenen Spannungswerte
an eine nicht dargestellte Steuerungseinheit übertragen. Die Drähte werden
von außen über das
ausragende Ende der Montagehülse 55 zu
dem Widerstandselement geführt.
Um die Übersichtlichkeit
der Figuren zu erhalten, wurde lediglich die Montagehülse 55 eingezeichnet.
-
Der
Temperatursensor überwacht
die Flammenbildung und liefert der Steuerung die Information, ob
der Brenner gestartet hat. Die genaue Position des Temperatursensors
ist daher wesentlich für
die exakte Steuerung. Deshalb wird die Montagehülse 55 in einer definierten
Position bezüglich
der Brennkammer 50k durch Schweißen fest mit dem Brennermantel 50m verbunden.
Aufgrund der genau definierten Position des Temperatursensors ist
es möglich, ein
Temperaturprofil als Sollprofil in der Steuerungs-Software zu hinterlegen.
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- 10
- Abgasreinigungsvorrichtung
- 11
- Zentrale
Achse
- 20
- Abgaseintrittsmodul
- 21a
- Außenboden
- 21i
- Innenboden
- 23
- Montageflansch
- 23g
- Gewindeloch
- 30
- Filtermodul
- 32
- Filter
- 40
- Abgasaustrittsmodul
- 50
- Brennereinheit
- 50b
- Brennerboden
- 50k
- Brennkammer
- 50m
- Brennermantel
- 53
- Anschlußflansch
- 53l
- Langloch
- 54b
- Bypass-Leitung
- 54h
- Hauptstrom-Eintrittsstutzen
- 54v
- Verbrennungsluftzuführung
- 54z
- Brennstoff-Luft-Eintrittsstutzen
- α
- Spitzer
Winkel
- 55
- Montagehülse für Temperatursensor
- 55b
- Boden
- 56
- Sichel
- 57
- Glühkerze