DE102020128936B3

DE102020128936B3 - Abgasbrenner für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Abgasbrenner

Info

Publication number: DE102020128936B3
Application number: DE102020128936.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hemminger; Rico Fischer; Lukas Engin; Jerome Munier; Andrea Berton; Uli Sofan
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2040-11-04
Also published as: GB202115793D0; GB2601903A; GB2601903B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasbrenner (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend- einen Brennraum (2),- eine rohrförmige Einlassleitung (3) sowie eine rohrförmige Auslassleitung (4), die mit dem Brennraum (2) in Fluidverbindung stehen, wobei während des Betriebs des Abgasbrenners (1) durch die Einlassleitung (3) ein Fluid, insbesondere Prozessluft, in den Brennraum (2) einströmt,- ein Einspritzventil (5), das in den Brennraum (2) mündet und mittels dessen während des Betriebs des Abgasbrenners (1) eine definierte Kraftstoffmenge mit einer definierten Einspritzfrequenz in den Brennraum (2) eingespritzt wird, sowie- eine Zündeinrichtung (9), die sich in den Brennraum (2) hinein erstreckt und die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoff-Fluid-Gemisch, insbesondere das Kraftstoff-Prozessluft-Gemisch, innerhalb des Brennraums (2) zu zünden und dadurch zu verbrennen, wobei das bei diesem Verbrennungsprozess entstehende Gas durch die Auslassleitung (4) strömt und aus dem Abgasbrenner (1) heraustritt, wobei die Länge (L1) der Einlassleitung (3) so gewählt ist, dass sie etwa zwischen 90 mm und 120 mm liegt, und dass die Länge (L2) der Auslassleitung (4) so gewählt ist, dass sie ≤ 200 mm ist, und dass die Einspritzfrequenz des Einspritzventils (5) so gewählt ist, dass sich diese nicht mit der Eigenfrequenz des Abgasbrenners (1) überlagert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasbrenner für ein Kraftfahrzeug, umfassend

- einen Brennraum,
- eine rohrförmige Einlassleitung sowie eine rohrförmige Auslassleitung, die mit dem Brennraum in Fluidverbindung stehen, wobei während des Betriebs des Abgasbrenners durch die Einlassleitung ein Fluid, insbesondere Prozessluft, in den Brennraum einströmt,
- ein Einspritzventil, das in den Brennraum mündet und mittels dessen während des Betriebs des Abgasbrenners eine definierte Kraftstoffmenge mit einer definierten Einspritzfrequenz in den Brennraum eingespritzt wird, sowie
- eine Zündeinrichtung, die sich in den Brennraum hinein erstreckt und die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoff-Fluid-Gemisch, insbesondere das Kraftstoff-Prozessluft-Gemisch, innerhalb des Brennraums zu zünden und dadurch zu verbrennen, wobei das bei diesem Verbrennungsprozess entstehende Gas durch die Auslassleitung strömt und aus dem Abgasbrenner heraustritt.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Abgasbrenner.
Zur Verbesserung der Emissionswerte werden in Abgasbehandlungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen häufig Abgasbrenner der eingangs genannten Art eingesetzt. Derartige Abgasbrenner erhöhen die Temperatur des Abgases, um Reaktionen auszulösen, die erst beim Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle auftreten und zur Reinigung des Abgases beitragen. Beispielsweise können mithilfe eines Abgasbrenners auch Verrußungen beziehungsweise Verstopfungen eines Partikelfilters der Abgasbehandlungseinrichtung entfernt werden.
Aus der DE 195 15 204 A1 ist ein Brennstoffsystem bekannt, welches über ein elektrisches Signal ein Ventil periodisch steuert, um dosierte Brennstoffimpulse zu erhalten.
Die EP 2 735 714 A1 beschreibt einen Abgasbrenner im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, wobei Brennstoff mittels Einspritzventil oberhalb eines Filters eingespritzt wird und eine Steuereinheit ein Beginn und Ende einer Einspritzzeit regelt.
Es hat sich gezeigt, dass das Resonanzverhalten des Abgasbrenners dessen Brennstabilität beeinflusst und unter Umständen zu einer instabilen Verbrennung führen kann. Wichtige Größen, die einen Einfluss auf das Resonanzverhalten haben, sind insbesondere die Geometrie der Einlassleitung, die Geometrie der Auslassleitung, die Geometrie des Brennraums sowie die Einspritzfrequenz, mit der der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, einen Abgasbrenner für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, der eine besonders hohe Brennstabilität aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Abgasbrenner der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Abgasbrenner für ein Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Länge L1 der Einlassleitung so gewählt ist, dass sie etwa zwischen 90 mm und 120 mm liegt, und dass die Länge L2 der Auslassleitung so gewählt ist, dass sie ≤ 200 mm ist, und dass die Einspritzfrequenz des Einspritzventils so gewählt ist, dass sich diese nicht mit der Eigenfrequenz des Abgasbrenners überlagert. Durch die Kombination dieser erfindungsgemäßen Maßnahmen kann in vorteilhafter Weise das Resonanzverhalten des Abgasbrenners verbessert werden, so dass eine hohe Brennstabilität sichergestellt werden kann.
In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Durchmesser D1 der Einlassleitung so gewählt ist, dass er zwischen 25 mm und 40 mm liegt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Länge L2 der Auslassleitung so gewählt ist, dass sie im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 115 mm liegt. Vorzugsweise kann dann der Durchmesser D2 der Auslassleitung so gewählt sein, dass er im Bereich von etwa 25 mm bis etwa 30 mm liegt.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der Abgasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgeführt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

1 eine schematisch sehr stark vereinfachte Darstellung, die den grundlegenden Aufbau eines Abgasbrenners für ein Kraftfahrzeug, veranschaulicht,
2 eine grafische Darstellung, die den Einfluss des Durchmessers und der Länge einer Einlassleitung des Abgasbrenners auf dessen Brennstabilität veranschaulicht,
3 eine grafische Darstellung, die den Einfluss der Länge einer Auslassleitung des Abgasbrenners auf die Laufunruhe veranschaulicht.

Anhand der schematisch sehr stark vereinfachten Darstellung in 1 soll nachfolgend zunächst der grundlegende technische Aufbau eines Abgasbrenners 1 für ein Kraftfahrzeug näher erläutert werden, der in einer Abgasbehandlungseinrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und somit einen Teil derselben bildet. Es soll an dieser Stelle betont werden, dass die schematische Darstellung in 1 ausschließlich dem Zweck dient, einen Überblick über die einzelnen technischen Komponenten des Abgasbrenner 1 zu liefern. Geometrische Ausgestaltungen und bestimmte Dimensionierungen einzelner Komponenten des Abgasbrenners 1 sind folglich aus der Darstellung gemäß 1 nicht ableitbar.
Der Abgasbrenner 1 umfasst einen Brennraum 2, eine rohrförmige Einlassleitung 3 sowie eine rohrförmige Auslassleitung 4, die mit dem Brennraum 2 in Fluidverbindung stehen. Durch die Einlassleitung 3 kann ein Fluid, insbesondere Prozessluft, in den Brennraum 2 einströmen. Ferner umfasst der Abgasbrenner 1 ein Einspritzventil 5, das in den Brennraum 2 mündet und mittels dessen während des Betriebs des Abgasbrenners 1 eine definierte Kraftstoffmenge mit einer definierten Einspritzfrequenz in den Brennraum 2 eingespritzt werden kann. Darüber hinaus weist der Abgasbrenner 1 eine Zündeinrichtung 9 auf, die sich in den Brennraum 2 hinein erstreckt und die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoff-Fluid-Gemisch, insbesondere das Kraftstoff-Prozessluft-Gemisch, innerhalb des Brennraums 2 zu zünden und dadurch zu verbrennen. Das bei diesem Verbrennungsprozess entstehende Gas strömt anschließend durch die Auslassleitung 4 hindurch und tritt aus dem Abgasbrenner 1 heraus.
Es hat sich gezeigt, dass das Resonanzverhalten des Abgasbrenners 1 dessen Brennstabilität beeinflusst und unter Umständen auch zu einer instabilen Verbrennung führen kann. Wichtige Größen, die einen Einfluss auf das Resonanzverhalten des Abgasbrenners 1 haben, sind insbesondere die Geometrie der Einlassleitung 3, die Geometrie der Auslassleitung 4, die Geometrie des Brennraums 2 sowie die Einspritzfrequenz, mit der der Kraftstoff mittels des Einspritzventils 5 in den Brennraum 2 eingespritzt wird.
In 2 sind die Einflüsse des Durchmessers D1 und der Länge L1 der Einlassleitung 3 auf die Brennstabilität des Abgasbrenners 1 grafisch dargestellt. In einem ersten Wertepaarbereich 6 des Durchmessers D1 und der Länge L1 der Einlassleitung 3, der in dieser Darstellung durch eine Gerade 7 von einem zweiten Wertepaarbereich 8 des Durchmessers D1 und der Länge L1 der Einlassleitung 3 getrennt ist, liegt eine stabile Verbrennung vor. Demgegenüber ist die Verbrennung im zweiten Wertepaarbereich 8 instabil, so dass dort ein nicht-ideales Resonanzverhalten des Abgasbrenners 1 vorliegt. Folglich sollten der Durchmesser D1 und die Länge L1 der Einlassleitung 3 des Abgasbrenners 1 so gewählt werden, dass die Wertepaare stets innerhalb des ersten Wertepaarbereichs 6 liegen. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass bei einem kleinen Durchmesser D1 der Einlassleitung 3 deren Länge L1 ebenfalls relativ kurz gewählt werden sollte.
Wenn der Durchmesser D1 der Einlassleitung 3 so gewählt ist, dass er zwischen 25 mm und 40 mm liegt, ist es vorteilhaft, wenn die Länge L1 der Einlassleitung 3 so gewählt ist, dass sie etwa zwischen 90 mm und 120 mm liegt. In diesen Bereichen kann eine stabile Verbrennung stets sichergestellt werden.
Unter Bezugnahme auf 3 sind dort einige Ergebnisse von Untersuchungen gezeigt, die den Einfluss der Länge L2 der Auslassleitung 4 auf die Laufunruhe des Abgasbrenners 1 veranschaulichen. Aus dieser Darstellung ergibt sich, dass die Länge L2 der Auslassleitung 4 so gewählt werden sollte, dass gilt: L2 ≤ 200 mm. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Laufunruhe stets im Bereich von etwa 1 % und kleiner liegt. Vorzugsweise sollte die Länge L2 der Auslassleitung 4 so gewählt werden, dass sie im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 115 mm liegt, wenn der Durchmesser D2 der Auslassleitung 4 im Bereich von etwa 25 mm bis etwa 30 mm liegt.
Die Resonanz- beziehungsweise Eigenfrequenzen des Abgasbrenners 1 hängen insbesondere von der Temperatur, der Geometrie des Brennraums 2 sowie der Einlassgeometrie ab. Daher ist die Einspritzfrequenz des Einspritzventils 5 des Abgasbrenners 1 so gewählt, dass sich diese nicht mit der Eigenfrequenz des Abgasbrenners 1 überlagert.

Claims

Abgasbrenner (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend - einen Brennraum (2), - eine rohrförmige Einlassleitung (3) sowie eine rohrförmige Auslassleitung (4), die mit dem Brennraum (2) in Fluidverbindung stehen, wobei während des Betriebs des Abgasbrenners (1) durch die Einlassleitung (3) ein Fluid, insbesondere Prozessluft, in den Brennraum (2) einströmt, - ein Einspritzventil (5), das in den Brennraum (2) mündet und mittels dessen während des Betriebs des Abgasbrenners (1) eine definierte Kraftstoffmenge mit einer definierten Einspritzfrequenz in den Brennraum (2) eingespritzt wird, sowie - eine Zündeinrichtung (9), die sich in den Brennraum (2) hinein erstreckt und die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoff-Fluid-Gemisch, insbesondere das Kraftstoff-Prozessluft-Gemisch, innerhalb des Brennraums (2) zu zünden und dadurch zu verbrennen, wobei das bei diesem Verbrennungsprozess entstehende Gas durch die Auslassleitung (4) strömt und aus dem Abgasbrenner (1) heraustritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L1) der Einlassleitung (3) so gewählt ist, dass sie etwa zwischen 90 mm und 120 mm liegt, und dass die Länge (L2) der Auslassleitung (4) so gewählt ist, dass sie ≤ 200 mm ist, und dass die Einspritzfrequenz des Einspritzventils (5) so gewählt ist, dass sich diese nicht mit der Eigenfrequenz des Abgasbrenners (1) überlagert.
Abgasbrenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D1) der Einlassleitung (3) so gewählt ist, dass er zwischen 25 mm und 40 mm liegt.
Abgasbrenner (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L2) der Auslassleitung (4) so gewählt ist, dass sie im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 115 mm liegt.
Abgasbrenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D2) der Auslassleitung (4) so gewählt ist, dass er im Bereich von etwa 25 mm bis etwa 30 mm liegt.
Kraftfahrzeug, umfassend einen Abgasbrenner (1), der in einer Abgasbehandlungseinrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgeführt ist.