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Stand der Technik
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Die sich ständig verschärfenden gesetzlichen Vorgaben zum Schutz der Gesundheit und der Umwelt, welche die Emissionen von Kraftfahrzeugen regeln, stellen eine Herausforderung für die Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen dar sowie an die Entwicklung von Abgasnachbehandlungstechniken. Besondere Bedeutung erlangt dabei die Verringerung von Partikelemissionen und hierbei vor allem Emissionen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen. So sind viele Verfahren und Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung entwickelt worden, um die in den Abgasen vorhandenen Rußpartikel zu beseitigen. Bekannt ist unter anderem der Einsatz von Partikelfiltersystemen (DPF Dieselpartikelfilter) zum Zurückhalten in Partikelform vorliegender Schadstoffe.
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Zur Partikelabscheidung werden Abgase durch ein hitzebeständiges Filtermedium geleitet. Die von dem Filtermedium zurückgehaltenen Partikel, welche insbesondere Durchmesser im Bereich von 10 bis 5000 nm aufweisen, belegen den Filter, wobei es zur Erhöhung des Druckverlustes über den Filter kommt, die eine kontinuierliche oder in Abständen erfolgende Regeneration des Filtermediums erforderlich macht. Die Regeneration erfolgt im Allgemeinen durch eine nahezu rückstandslose Verbrennung der abgelagerten Rußpartikel mit Sauerstoff. Allerdings sind zu Verbrennungen Temperaturen von ca. 600°C erforderlich, die im Abgas einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine selbst für Volllasten selten auftreten. Zu diesem Zwecke werden Brenner vorgesehen, um eine entsprechende Anhebung der Abgastemperatur zu erzielen.
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Aus
DE 100 24 254 A1 ist ein katalytischer Brenner bekannt, der zwischen Verbrennungskraftmaschine und Partikelfilter angeordnet ist. An einem Oxidationskatalysator wird nachmotorisch eingedüster Kraftstoff unter Freisetzung von Reaktionswärme umgesetzt, wobei die Abgastemperatur auf Regenerationstemperatur angehoben wird. Allerdings ist es erforderlich, dass die Temperatur der Abgase bereits einen bestimmten Wert erreicht haben muss, damit die an dem Oxidationskatalysator katalysierte Reaktion stattfindet. Unterhalb dieser Temperaturgrenze ist die Aktivität des Katalysators so gering, dass der eingedüste Kraftstoff nicht ausreichend umgesetzt wird und eine Regeneration ist nicht in jedem Motorlastbereich verlässlich möglich. Darüber hinaus ist eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung erforderlich, welche nur bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen mit Common-Rail-Technik möglich ist; ferner ist ein weit reichender Eingriff in das Motormanagement erforderlich.
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Ebenfalls bekannt ist der Einsatz einer Verbrennungseinrichtung in der Filtervorrichtung, um die erforderliche Temperatur im Abgasstrom zu erzeugen. Die Verbrennungseinrichtung umfasst eine Brennkammer und einen Brenner, wobei dosiert Kraftstoff und dosiert Verbrennungsluft zu einem zündfähigen Kraftstoff-/Luftgemisch vermischt werden. Das in der Brennkammer gebildete Kraftstoff-/Luftgemisch wird durch eine Zündeinrichtung gezündet, die heißen Brenngase mit Abgasen gemischt, so dass die Abgastemperatur so weit angehoben wird, dass der Oxidationskatalysator katalytisch aktiv wird bzw. die in dem Partikelfilter vorhandenen Rußpartikeln oxidieren.
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Die zur ausreichenden Erwärmung des Abgasstromes benötigte Brennerleistung variiert in Abhängigkeit vom Motorbetrieb, wobei die Brennerleistung dem aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine angepasst ist. Wird der gesamte Abgasstrom auf die erforderliche Abbrenntemperatur gebracht, ist eine hohe Brennerleistung erforderlich, was zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führt. Zum Erreichen eines zündfähigen Kraftstoff-/Luftgemisches ist demnach eine große Luftmenge erforderlich, wobei ein großer Brenner erforderlich ist. Die Luftversorgung, welche aus einem Druckluftspeicher oder über eine elektrisch betriebene Luftpumpe erfolgt, belastet demnach durch relativ hohe Leistungsaufnahme das Bordnetz eines Fahrzeugs relativ stark, was insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschinen zu Nachteilen führen kann. Andererseits ergibt sich durch die gesteigerte Luftmenge eine entsprechend ansteigende Strömungsgeschwindigkeit in der Luftzufuhrleitung, wobei ein hoher Gegendruck auftritt. Nachteilig ist dabei, dass die Flamme instabil ist, wenn der Gegendruck zu hoch ist oder es zu Pulsationen in der Luftströmung der erforderlichen Verbrennungsluft kommt. Bei einer geringen Brennerleistung besteht ferner die Gefahr, dass die Aufbereitung des Kraftstoffs unzureichend ist. Bei einer unzureichenden Aufbereitung bzw. Zerstäubung des Kraftstoffs kann unverbrannter Kraftstoff in den Partikelfilter gelangen und diesen zerstören.
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DE 10 2009 051 327 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Temperatur der Verbrennungsluft eines Ölbrenners. Die Zuführung der Verbrennungsluft zu einer Mischzone des Brenners kann in Abhängigkeit eines Betriebsmodus' durch einen ersten und einen zweiten Zufuhrweg erfolgen, wobei jeweils auf unterschiedliche Weise der Verbrennungsluft Wärme zugeführt wird. Ebenfalls sind aus
DE 38 26 446 A1 Zerstäubungsbrenner für flüssige Brennstoffe bekannt, wobei Schweröl mit einem Primärluftstrom einem Düsenrohr zugeführt wird, das wiederum von einem Mantelrohr umgeben ist, über welches Sekundärluft zugeführt wird.
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US 4,256,450 offenbart eine Brennvorrichtung, die ein trichterförmiges Auslassrohr umfasst. In die Wandung des trichterförmig konfigurierten Auslassrohres sind elektrische Widerstände eingelassen, die der Erwärmung bzw. Vorwärmung der Brennkammer dienen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, die einen Brennraum umfasst indem ein Kraftstoff-/Luftgemisch erzeugt wird in die Zündeinrichtung durch mindestens einen elektrischen Heizer, insbesondere mindestens einen elektrischen Widerstand auszubilden. Demnach erfolgt die Beheizung des durch eine Brennerhülse gebildeten Brennraumes der Heizeinrichtung für Abgasnachbehandlung, insbesondere mittels auf einer Innenseite der Mantelfläche der den Brennraum bildenden Brennhülse aufgebrachten mindestens einen elektrischen Widerstands. Die Beheizung des mindestens einen elektrischen Widerstands erfolgt dadurch, dass bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung eine definierte Temperatur entsteht. Sobald diese definierte Temperatur erreicht ist, entzündet sich das in das Innere des durch die Brennerhülse dargestellten Brennraums eingebrachte Kraftstoff-/Luftgemisch. Zur Bereitstellung eines zündfähigen Kraftstoff-/Luftgemisches im Inneren des beispielsweise trichterförmig ausgebildeten Brennraumes werden Kraftstoff sowie Verbrennungsluft über ein oder mehrere Zufuhrleitungen in das Innere des Brennraumes geleitet, dort verwirbelt und durch das mindestens eine elektrische Heizelement in Wandnähe erwärmt, bis die Zündtemperatur erreicht ist.
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Einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, befindet sich an der Innenseite der den Brennraum bildenden Brennerhülse im Bereich der Heizelemente eine Isolationsschicht. Die Isolationsschicht wird bevorzugt gasdurchlässig ausgebildet, so dass sichergestellt ist, dass an der Innenseite der den Brennraum bildenden Brennerhülse, insbesondere dort, wo die höchsten Temperaturen auftreten, auch zündfähiges Kraftstoff-/Luftgemisch hingelangt, was bei Erreichen einer definierten Temperatur entzündet wird.
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Auf die Isolationsschicht, die an die Innenseite der den Brennraum bildenden Brennerhülse aufgebracht, so zum Beispiel beschichtet oder auflaminiert ist, werden die Zu- und Rückführungen der elektrischen Kontaktierungen sowie die elektrischen Widerstände aufgebracht. Es besteht die Möglichkeit, die Anordnung der die Beheizung des Brennraumes sicherstellenden Heizwiderstände sowohl in Reihenschaltung als auch in Parallelschaltung auszubilden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die elektrischen Anschlüsse für das mindestens eine Heizelement an der Innenseite der den Brennraum begrenzenden Brennerhülse so gestaltet werden, dass sich ein einziges Heizelement, welches sich mäanderförmig über einen Teil des Innenumfanges oder über den gesamten Innenumfang des Isolationsmaterials an der Innenseite der Brennerhülse erstreckt, konfiguriert werden.
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Die elektrischen Heizwiderstände können auch in das Sintermaterial der Brennerhülse eingebettet sein, jedoch ist eine Isolation zur Brennerhülse erforderlich. Die Brennerhülse kann sowohl aus leitfähigem Metallschaum gefertigt sein, wie auch aus nicht leitfähigem Material gefertigt sein. Für den Fall, dass die Brennerhülse aus leitfähigem Metallschaum beispielsweise gefertigt wird, sind im Falle des Vorhandenseins eingebetteter Heizwiderstände, diese gegen die Brennerhülse zu isolieren. Die elektrischen Heizwiderstände in Gestalt eines Heizwiderstandsdrahtes, können in das Sintermaterial eingelegt sein; des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Brennerhülse mit leitfähigem Material zu bedrucken oder eine leitfähige Schicht auf die Brennerhülse aufzuspritzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine Ansicht der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizvorrichtung für Abgasnachbehandlung,
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2 an der Innenseite der abgewickelten Mantelfläche in Reihenschaltung angeordnete Widerstände,
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3 an der Innenseite der Mantelfläche der Brennerhülse in Parallelschaltung angeordnete Heizwiderstände und
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4 einen Schnitt durch Mantelfläche der Brennerhülseisolationsschicht an der Innenseite und ein auf diese aufgebrachtes Heizelement samt elektrischer Kontaktierung.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizeinrichtung zur Abgasnachbehandlung zu entnehmen.
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1 zeigt einen Brennraum 13 begrenzende Brennerhülse 12, die in der Ausführungsvariante gemäß 1 in Trichterform 16 beschaffen ist. Die Brennerhülse 12 könnte daneben durchaus auch einen zylindrischen Querschnitt mit an einem Ende angeordneten Bodenplatte aufweisen. Wie der Darstellung gemäß 1 des Weiteren entnommen werden kann, werden dem Brennraum 13, der durch die Brennerhülse 12 begrenzt ist, an einem Ende über eine Kraftstoffzufuhr 46 Kraftstoff zugeleitet, sowie über mindestens eine Luftzufuhr 48 Verbrennungsluft. Innerhalb des Brennraumes 13 erfolgt eine Durchmischung des in der Regel zerstäubt zugeführten Kraftstoffes und der Verbrennungsluft, die durch die Luftzufuhr 48 zugeleitet wird, so dass im Brennraum 13 im Inneren der Brennerhülse 12 ein zündfähiges Kraftstoff-/Luftgemisch 19 entsteht.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass in die Brennerhülse 12, die ein trichterförmiges oder ein zylindrisches Aussehen haben kann, die Kraftstoffzufuhr 46 und die mindestens eine Luftzufuhr 48 in der Öffnung 18 liegen. Die Öffnung 18 ist durch eine Berandung 20 begrenzt.
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Der perspektivischen Darsicht in die Öffnung 18 gemäß 1 ist zu entnehmen, dass sich an einer Innenseite 32 der Mantelfläche 16 eine Zündeinrichtung 22 befindet.
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Die Zündeinrichtung 22 ist hier als mäanderförmig ausgebildeter Heizwiderstand ausgebildet, der in Mäanderform an der Innenseite 32 der Mantelfläche 14 angebracht ist und über eine erste elektrische Kontaktierung 24 sowie eine zweite elektrische Kontaktierung 26 mit einer Spannung beaufschlagt werden kann. Wird die Zündeinrichtung 22 in Gestalt mindestens eines elektrischen Heizwiderstandes 28 bestromt, so steigt deren Temperatur im Wandbereich, d. h. an der Innenseite 32 des Brennraums 13 an.
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2 zeigt eine Ausführungsvariante der elektrischen Verschaltung der Zündeinrichtung in Gestalt mehrerer Heizwiderstände.
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2 zeigt eine abgewickelte Darstellung einer Innenseite 32 der Mantelfläche 14 der Brennerhülse 12. In 2 ist eine Reihenschaltung 30 elektrischen Widerstandes 28 in 2 dargestellt als R1 bis ... RN zu entnehmen. Die Reihenschaltung 30 wird über den ersten elektrischen Kontakt 24 bzw. den zweiten elektrischen Kontakt 26 bestromt und dient der Innenseite 32 der hier abgewickelt dargestellten Mantelfläche 14 der Brennerhülse 12.
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Anstelle der in 2 dargestellten acht elektrischen Widerstände 28 könnte auch eine größere bzw. auch eine geringe Anzahl von Heizwiderständen 28 an der Innenseite 32 der Mantelfläche 14, die den Brennraum 13 begrenzt, vorgesehen sein. Die Geometrie der in 2 dargestellten elektrischen Heizwiderstände 28 könnte auch Teile der die einzelnen Heizwiderstände 28 R1 bis ... RN mit Strom versorgenden Leitung umfassen, so dass an der Innenseite 32 der Mantelfläche 14 ein zusammenhängender großer elektrischer Heizwiderstand, gebildet aus einer Anzahl von kleineren Heizwiderständen, angeordnet werden kann.
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3 zeigt die Anordnung elektrischer Heizwiderstände an der Innenseite der den Brennraum begrenzenden Brennerhülse in einer Parallelschaltung.
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3 ist zu entnehmen, dass in dieser Ausführungsvariante beispielsweise sechs Heizwiderstände 28 R1 bis ... RN im Rahmen einer Parallelschaltung 34 verschaltet sind. Die Parallelschaltung 34, gebildet durch sechs elektrische Heizwiderstände, wird analog zu der in 2 dargestellten Reihenschaltung 30 über den ersten elektrischen Kontakt 24 bzw. den zweiten elektrischen Kontakt 26 bestromt.
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Mit den beiden in den 2 und 3 dargestellten Verschaltungsvarianten der die Zündeinrichtung 22 darstellenden elektrischen Heizwiderstände 28, kann die Innenseite 32 der den Brennraum 13 bildenden Brennerhülse 12 auf eine Temperatur gebracht werden, bei der das Kraftstoff-/Luftgemisch 19 im Brennraum 13 zündet. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung der Zündeinrichtung 22 kann auf die bisher eingesetzte Glühkerze verzichtet werden. Des Weiteren ist durch die Integration der Zündeinrichtung 22 in die Mantelfläche 16 der Heizvorrichtung 10 zur Abgasnachbehandlung deren Geometrie einfacher, da Bauraum für die Montage der Glühkerze bzw. deren Anschlüsse wegfällt, was die Zahl der Einbauorte bzw. den Einbauraum günstiger scheinen lässt.
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Der Darstellung gemäß 4 ist ein Schnitt durch die Mantelfläche der den Brennraum begrenzenden Brennerhülse zu entnehmen.
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Wie aus der Schnittdarstellung gemäß 4 hervorgeht, kann die Mantelfläche 14 der Brennerhülse 12 beispielsweise aus Sintermaterial 36 gefertigt sein. Mittels einer zweiten Haftschicht 44 wird an die Innenseite 32 der Mantelfläche 14 der Brennerhülse 12 ein insbesondere gasdurchlässig gestaltetes Isolationsmaterial 38 aufgebracht, so zum Beispiel beschichtet oder laminiert. Auf die Oberseite dieses insbesondere gasdurchlässig beschaffenen Isolationsmaterials 38 wird die Zündeinrichtung 22 in Gestalt eines oder mehrerer elektrischer Heizelemente aufgebracht. Wie in der Schnittdarstellung gemäß 4 dargestellt, entsteht somit ein Schichtaufbau. Das Sintermaterial 36, welches die Mantelfläche 14 darstellt, bildet den Träger des auf das Isolationsmaterial 38 aufgebrachten elektrischen Heizwiderstandes 28. Dieser kann insbesondere derart gestaltet werden, dass die erste elektrische Kontaktierung 24 sowie die zweite elektrische Kontaktierung 26 Teil des eigentlichen elektrischen Heizwiderstandes 28 sind, so dass sich ein Bauelement darstellt, dessen Länge – insbesondere bei mäanderförmiger Auslegung – die Innenseite 32 der den Brennraum 13 begrenzenden Mantelfläche 14 der Brennerhülse 12 beheizt. Durch die Beschaffenheit des Isolationsmaterials 38, insbesondere einen Gasdurchtritt erlauben, ist sichergestellt, dass sich im Bereich der Innenseite 32 der Mantelfläche 14 am Ort, an dem die höchste Temperatur durch Beheizung der Heizwiderstände 28 erfolgt, auch zündfähiges Kraftstoff-/Luftgemisch 19 befindet und eine Zündung, ausgehend von der Innenseite 32 des Brennraumes 13 des darin enthaltenen Kraftstoff-/Luftgemisches 19 ausgeht.
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Der elektrische Heizwiderstand 28 kann sich – wie in Zusammenhang mit 1 angedeutet – über ein Umfangssegment an der Innenseite 32 der Brennerhülse 12 erstrecken, er kann hinsichtlich seiner mäanderförmig ausgebildeten Umfangserstreckung auch so ausgebildet sein, dass der mindestens eine elektrische Heizwiderstand 28 in Ringform die gesamte Innenumfangsfläche oder Teilsegmente von dieser, seien sie 90°, 180°, 270° oder Abstufungen dazwischen, überdeckt, so dass eine Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches 19 im Brennraum 13 entlang eines „Zündringes” erfolgen kann, wodurch eine rasche Temperatursteigerung zur Nachoxidation von in einem Dieselpartikelfilter oder dergleichen vorhandenen Partikel, insbesondere Rußpartikeln erfolgen kann und das dafür nötige Temperaturniveau ≥ 600°C rasch bereitgestellt wird.
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Für den Fall, dass die elektrischen Heizwiderstände 28 R1 ... bis RN in das Sintermaterial 36 der Brennhülse 12 eingebettet sind, sind die Heizwiderstände 28 R1 ... bis RN gegen die Brennerhülse zu isolieren. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Brennerhülse 12 anstatt aus leitfähigem Metallschaum beispielsweise auch aus einem nicht leitfähigen Material zu fertigen. Die Heizwiderstände 28 können zum Beispiel in Form eines Widerstandsdrahtes in das Sintermaterial 26 eingelegt sein; des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Brennerhülse 12 mit einem leitfähigen Material zu bedrucken, was die Heizwiderstände 18 darstellt. Alternativ kann auf die Brennerhülse 12 auch eine leitfähige Schicht aufgespritzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10024254 A1 [0003]
- DE 102009051327 A1 [0006]
- DE 3826446 A1 [0006]
- US 4256450 [0007]
