DE102022205806A1

DE102022205806A1 - Brenner für ein Abgasnachbehandlungssystem, Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102022205806A1
Application number: DE102022205806.2A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Klinkhammer; William Krein; Max Braunbeck; Manuel Biedron; Matthias Lausch; Christian Disch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2023-12-14
Also published as: WO2023237294A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (5) für ein Abgasnachbehandlungssystem (1), mit einem einen Brennraum (7) bildenden Gehäuse (6), wobei das Gehäuse (6) einen mit einer Abgasleitung (2) des Abgasnachbehandlungssystems (1) verbundenen oder verbindbaren Auslass (8) aufweist, mit einer Kraftstoffzuführeinrichtung (17) zum Zuführen von Kraftstoff (18) in den Brennraum (7), mit einer Frischluftzuführeinrichtung (21) zum Zuführen von Frischluft (22) in den Brennraum (7), und mit einem Zündelement (29) zum Entzünden eines in dem Brennraum (7) angeordneten Frischluft-Kraftstoff-Gemischs (27). Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse (6) derart ausgebildet ist, dass der Brennraum (7) einen zylinderförmigen Hauptabschnitt (9) und eine von dem Hauptabschnitt (9) radial nach außen vorstehende Ausbuchtung (10) aufweist, und dass das Zündelement (29) in der Ausbuchtung (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Abgasnachbehandlungssystem, mit einem einen Brennraum bildenden Gehäuse, wobei das Gehäuse einen mit einer Abgasleitung des Abgasnachbehandlungssystems verbundenen oder verbindbaren Auslass aufweist, mit einer Kraftstoffzuführeinrichtung zum Zuführen von Kraftstoff in den Brennraum, mit einer Frischluftzuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft in den Brennraum, und mit einem Zündelement zum Entzünden eines in dem Brennraum angeordneten Frischluft-Kraftstoff-Gemischs.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Zur Erreichung aktueller Emissionsgrenzwerte ist der Einsatz von Katalysatoren in Abgasnachbehandlungssystemen von Brennkraftmaschinen bekannt. Durch die Katalysatoren wird eine Konversion von gasförmigen Schadstoffen wie beispielsweise NOx, HC sowie CO in unschädliche Produkte wie N2, H2O und CO2 ermöglicht. Damit diese katalytischen Reaktionen ausreichend schnell ablaufen, sollte die Temperatur des Katalysators die sogenannte Light-Off-Temperatur von typischerweise 300 °C bis 400 °C überschreiten. Um diesen Zustand insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine schnell zu erreichen, werden oftmals sogenannte innermotorische Katalysator-Heizmaßnahmen angewandt. Dabei wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine durch späte Zündwinkel verschlechtert, wodurch die Abgastemperatur und der Enthalpieeintrag in den Katalysator erhöht werden.
Neben diesen innermotorischen Katalysator-Heizmaßnahmen sind auch externe Katalysator-Heizmaßnahmen bekannt. Beispielsweise offenbart die Offenlegungsschrift DE 195 04 208 A1 ein Abgasnachbehandlungssystem, bei dem der Abgasleitung des Abgasnachbehandlungssystems ein Brenner zugeordnet ist. Der Brenner weist ein Gehäuse auf, das einen Brennraum bildet. Der Brenner weist außerdem eine Kraftstoffzuführeinrichtung und eine Frischluftzuführeinrichtung auf. die Kraftstoffzuführeinrichtung ist dazu ausgebildet, dem Brennraum Kraftstoff zuzuführen. Die Frischluftzuführeinrichtung ist dazu ausgebildet, dem Brennraum Frischluft zuzuführen. Die Frischluft und der Kraftstoff durchströmen den Brennraum im Betrieb des Brenners als Frischluft-Kraftstoff-Gemisch. Weiterhin ist ein Zündelement zum Entzünden des in dem Brennraum angeordneten Frischluft-Kraftstoff-Gemischs vorhanden. Ein Auslass des Gehäuses ist mit der Abgasleitung des Abgasnachbehandlungssystems strömungstechnisch verbunden. In dem Brennraum verbranntes Frischluft-Kraftstoff-Gemisch wird entsprechend durch den Auslass der Abgasleitung zugeführt, um dadurch die Abgasleitung und insbesondere einen Katalysator der Abgasleitung zu erwärmen.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Brenner ein besonders vorteilhaftes Zündungsverhalten aufweist. Insbesondere wird die Zündung des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs verglichen mit vorbekannten Brennern schneller realisiert, sodass auch der Katalysator schneller erwärmt werden kann. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass das Gehäuse derart ausgebildet ist, dass der Brennraum einen zylinderförmigen Hauptabschnitt und eine von dem Hauptabschnitt radial nach außen vorstehende Ausbuchtung aufweist, und dass das Zündelement in der Ausbuchtung angeordnet ist. Werden im Rahmen der Offenbarung die Begriffe „axial“ und „radial“ verwendet, so beziehen sich die Begriffe auf die Längsmittelachse des zylinderförmigen Hauptabschnitts, es sei denn, dass ausdrücklich ein anderer Bezug offenbart ist. Der Brennraum weist erfindungsgemäß also zumindest zwei Abschnitte auf, den zylinderförmigen Hauptabschnitt und die von dem Hauptabschnitt vorstehende Ausbuchtung. Das Frischluft-Kraftstoff-Gemisch durchströmt den zylinderförmigen Hauptabschnitt im Betrieb des Brenners typischerweise spiralförmig beziehungsweise als Drallströmung. An einer dem Hauptabschnitt zugewandten Öffnungsfläche der Ausbuchtung erfolgt dabei ein Impulsaustausch zwischen der Drallströmung in dem Hauptabschnitt und dem Gasvolumen der Ausbuchtung. Dadurch wird in der Ausbuchtung eine bezogen auf die Drallströmung gegensinnig rotierende Rezirkulationsströmung erzeugt. Die Rezirkulationsströmung in der Ausbuchtung weist verglichen mit der Drallströmung in dem Hauptabschnitt eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit auf. Aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeit ist der konvektive Wärmeaustrag aus dem Zündelement verringert, verglichen mit der Anordnung des Zündelementes in dem Hauptabschnitt. Ein erhöhter konvektiver Wärmeaustrag aus dem Zündelement wäre nachteilig für das Zündverhalten des Brenners. Die Kraftstoffzuführeinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den Kraftstoff direkt in den Brennraum einzudosieren. Die Rezirkulationsströmung in der Ausbuchtung führt dazu, dass das Frischluft-Kraftstoff-Gemisch länger im Bereich des Zündelementes verweilt. Die längere Verweildauer im Bereich des Zündelementes hat zur Folge, dass eine effektive Verdampfung des Kraftstoffs stattfinden kann. Vorzugsweise ist das Zündelement nur in der Ausbuchtung angeordnet. Das Zündelement ragt also nicht in den Hauptabschnitt des Brennraums hinein und ist insofern außerhalb des Hauptabschnitts angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Zündelement derart angeordnet, dass die Rezirkulationsströmung in der Ausbuchtung konzentrisch zu dem Zündelement ist. Das Zündelement wird also von der Rezirkulationsströmung umströmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen den Hauptabschnitt bildenden ersten Gehäuseteil und einen die Ausbuchtung bildenden zweiten Gehäuseteil aufweist, wobei der erste und der zweite Gehäuseteil separat voneinander gefertigt sind, und wobei der zweite Gehäuseteil in einem Durchbruch einer Gehäusewand des ersten Gehäuseteils angeordnet ist. Diese Ausführung des Gehäuses ist fertigungstechnisch einfach realisierbar und deshalb bevorzugt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind der erste Gehäuseteil und der zweite Gehäuseteil einstückig miteinander ausgebildet. Wird im Folgenden auf den ersten und/oder den zweiten Gehäuseteil verwiesen, so können die Gehäuseteile sowohl separat voneinander gefertigt als auch einstückig miteinander ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Gehäuseteil einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Entsprechend weist auch der Hauptabschnitt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Schnittfläche ist bei einem Querschnitt senkrecht zu der Längsmittelachse des zylinderförmigen Hauptabschnitts ausgerichtet. Weist der erste Gehäuseteil einen kreisförmigen Querschnitt auf, so wird im Betrieb des Brenners eine besonders gleichförmige Drallströmung in dem Hauptabschnitt realisiert. Der erste Gehäuseteil kann jedoch auch einen von einer Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen. Beispielsweise weist der erste Gehäuseteil gemäß einer alternativen Ausführungsform einen ovalförmigen Querschnitt oder einen rechteckförmigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf.
Vorzugsweise weist der zweite Gehäuseteil einen Querschnitt mit einem C-förmigen Verlauf auf. Die Öffnung des C-förmigen Verlaufs ist dabei dem Hauptabschnitts zugewandt. Weist der zweite Gehäuseteil einen Querschnitt mit einem C-förmigen Verlauf auf, so wird im Betrieb des Brenners die Rezirkulationsströmung in der Ausbuchtung besonders zuverlässig gebildet. Vorzugsweise weist eine die Ausbuchtung bildende Innenfläche des zweiten Gehäuseteils einen insbesondere kontinuierlich gebogenen Verlauf auf. Dies ist für die Ausbildung einer gleichmäßigen Rezirkulationsströmung besonders vorteilhaft. Vorzugsweise ist der zweite Gehäuseteil topfförmig ausgebildet, sodass die Ausbuchtung dann muldenförmig ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Ausbuchtung in Umfangsrichtung des Hauptabschnitts über einen Umfangswinkel von 10° bis 50° erstreckt. Die Ausbuchtung erstreckt sich also nicht vollumfänglich entlang des zylinderförmigen Hauptabschnitts, sondern lediglich bereichsweise. Erstreckt sich die Ausbuchtung über einen Umfangswinkel von 10° bis 50°, so wird im Betrieb des Brenners die Rezirkulationsströmung in der Ausbuchtung besonders zuverlässig gebildet.
Besonders bevorzugt erstreckt sich die Ausbuchtung über einen Umfangswinkel von 20° bis 30°. Der Umfangswinkel, über den sich die Ausbuchtung erstreckt entspricht dem Öffnungswinkel der Ausbuchtung, bezogen auf die Längsmittelachse des Hauptabschnitts.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Axialerstreckung der Ausbuchtung kleiner ist als eine Axialerstreckung des Hauptabschnitts. Die Ausbuchtung erstreckt sich in axialer Richtung also lediglich bereichsweise entlang des Hauptabschnitts. Dadurch wird erreicht, dass die Ausbildung einer gleichmäßigen Drallströmung in dem Hauptabschnitt durch die Ausbuchtung kaum beeinträchtigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Verhältnis des Volumens des Hauptabschnitts zu dem Volumen der Ausbuchtung 200:1 bis 50:1 ist. Ein derartiges Verhältnis ist im Hinblick auf das Zündungsverhalten des Brenners besonders vorteilhaft. Bevorzugt ist das Verhältnis des Volumens des Hauptabschnitts zu dem Volumen der Ausbuchtung 175:1 bis 100:1. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis 150:1.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Gierwinkel des Zündelementes in einem Winkelbereich liegt, der mit 0° beginnt und mit 45° endet, wobei der Gierwinkel eine Verdrehung der Längsmittelachse des Zündelementes gegenüber der Längsmittelachse des Hauptabschnitts um eine Hochachse beschreibt, die senkrecht zu der Längsmittelachse des Hauptabschnitts ausgerichtet ist und durch die Längsmittelachse des Hauptabschnitts und durch das Zündelement verläuft, insbesondere durch eine Mitte des Zündelementes. Bei einer derartigen Ausrichtung des Zündelementes wird das Frischluft-Kraftstoff-Gemisch dem Zündelement im Betrieb des Brenners vorteilhaft zugeführt. Bevorzugt liegt der Gierwinkel in einem Winkelbereich, der mit 10° beginnt und mit 30° endet. Wie zuvor erwähnt wurde, durchströmt das Frischluft-Kraftstoff-Gemisch den Hauptabschnitt typischerweise als Drallströmung. Beträgt der Gierwinkel zwischen 10° und 30°, so kann erreicht werden, dass die Strömungsrichtung des in die Ausbuchtung einströmenden Frischluft-Kraftstoff-Gemischs senkrecht zu der Längsmittelachse des Zündelementes ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil eine symmetrische Rezirkulation des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs um die Zündkerze erreicht werden kann. Besonders bevorzugt beträgt der Gierwinkel 20°. Vorzugsweise weist der zweite Gehäuseteil zwei parallel zu der Längsmittelachse des Zündelementes ausgerichtete Seitenwände auf, wobei das Zündelement zwischen den Seitenwänden angeordnet ist. Weil die Seitenwände parallel zu dem Zündelement ausgerichtet sind, wird die Ausbildung der Rezirkulationsströmung durch die Seitenwände besonders vorteilhaft unterstützt. Ist der Gierwinkel ungleich 0°, so sind auch die beiden Seitenwände entsprechend schräg ausgerichtet. Vorzugsweise sind zusätzlich zu den beiden Seitenwänden zwei weitere Seitenwände vorhanden, die senkrecht zu den parallel zu der Längsmittelachse des Zündelementes ausgerichteten Seitenwänden ausgerichtet sind. Insbesondere beträgt der Gierwinkel 0°. Dies ist konstruktiv besonders einfach zu realisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Nickwinkel des Zündelementes in einem Winkelbereich liegt, der mit 0° beginnt und mit 70° endet, wobei der Nickwinkel eine Verdrehung der Längsmittelachse des Zündelementes gegenüber der Längsmittelachse des Hauptabschnitts um eine Querachse beschreibt, die senkrecht zu der Längsmittelachse des Hauptabschnitts und der Hochachse ausgerichtet ist und durch das Zündelement verläuft. Grundsätzlich ist ein geringer Nickwinkel vorteilhaft, weil dadurch der Bauraum des Brenners in radialer Richtung gering ist. Insbesondere ist der Nickwinkel 0°. Hierdurch kann ein möglichst geringer radialer Bauraum realisiert werden. Durch einen von 0° abweichenden Nickwinkel kann jedoch der Kontakt zwischen dem Zündelement und dem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch optimiert werden. Besonders bevorzugt liegt der Nickwinkel hierzu in einem Winkelbereich, der mit 20° beginnt und mit 30° endet.
Vorzugsweise ist das Zündelement derart angeordnet, dass die Längsmittelachse des Zündelementes parallel zu der Längsmittelachse des Hauptabschnitts ausgerichtet ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein Brennraum beziehungsweise ein Gehäuse mit einer geringen Radialerstreckung realisiert werden kann. Weil der Gierwinkel 0° beträgt, ist diese Ausführungsform zudem konstruktiv einfach zu realisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse an zumindest einem Übergang von dem Hauptabschnitt in die Ausbuchtung eine Verrundung aufweist. Hierdurch wird der Eintritt des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs in die Ausbuchtung erleichtert. Wie zuvor erwähnt wurde, sind vorzugsweise zwei Seitenwände vorhanden, die parallel zu der Längsmittelachse des Zündelementes ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist in zumindest einer dieser Seitenwände eine Verrundung ausgebildet, und zwar am Übergang von dem Hauptabschnitt in die Ausbuchtung. Wie zuvor erwähnt wurde, sind zudem vorzugsweise zwei weitere Seitenwände vorhanden, die senkrecht zu den parallel zu der Längsmittelachse des Zündelementes ausgerichteten Seitenwänden ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist auch in zumindest einer dieser Seitenwände eine Verrundung ausgebildet, und zwar am Übergang von dem Hauptabschnitt in die Ausbuchtung. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Gehäuse an den Übergängen von dem Hauptabschnitt in die Ausbuchtung verrundungsfrei ausgebildet. Hierdurch wird die Herstellung des Gehäuses vereinfacht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Zündelement eine Glühkerze ist. Es hat sich gezeigt, dass ein als Glühkerze ausgebildetes Zündelement im Hinblick auf eine schnelle Zündung des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs besonders vorteilhaft ist. Ein weiterer zentraler Vorteil eines als Glühkerze ausgebildeten Zündelementes ist die Robustheit gegenüber Feuchtigkeit. Ein Brenner eines Abgasnachbehandlungssystems neigt aufgrund des Totvolumens im passiven Betrieb dazu, dass sich Kondensat in dem Brennraum und auch in der Frischluftzuführeinrichtung sammeln kann. Wird der Brenner dann gestartet kann dieses Kondensat auch zu dem Zündelement transportiert werden. Ist das Zündelement als Glühkerze ausgebildet, so wird das Zündelement durch das Kondensat beziehungsweise die Feuchtigkeit jedoch höchstens geringfügig beeinträchtigt. Besonders bevorzugt ist das Zündelement eine keramische Glühkerze. Keramische Glühkerzen können besonders hohe Temperaturen erreichen, was im Hinblick auf das Zündungsverhalten des Brenners von Vorteil ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Zündelement eine Zündkerze ist.
Vorzugsweise weist die Frischluftzuführeinrichtung eine hülsenförmige Frischluftzuführkammer auf, wobei die Frischluftzuführkammer den ersten Gehäuseteil radial umschließt, und wobei der zweite Gehäuseteil durch die Frischluftzuführkammer radial hindurchragt. Die Frischluft strömt also im Bereich der hülsenförmige Frischluftzuführkammer an dem Gehäuse vorbei, was dazu führt, dass die Frischluft durch Abwärme des Gehäuses erwärmt wird, bevor die Frischluft dann dem Brennraum zugeführt wird. Hierdurch wird ein besonders stabiler Betrieb des Brenners erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kraftstoffzuführeinrichtung und die Frischluftzuführeinrichtung gemeinsam eine Zweistoffdüse bilden. Werden dem Brennraum durch die Zweistoffdüse Frischluft und Kraftstoff zugeführt, so wird der Kraftstoff durch die Frischluft in feine Tropfen zerrissen, sodass der Kraftstoff in dem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch fein verteilt vorliegt. Hierdurch kann die Verdampfung des Kraftstoffs durch das Zündelement beschleunigt werden, wodurch schließlich auch die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs beschleunigt wird.
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine zeichnet sich mit den Merkmalen des Anspruchs 15 durch den erfindungsgemäßen Brenner aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Vorzugsweise weist das Abgasnachbehandlungssystem eine Abgasleitung mit einem Katalysator auf, wobei die Abgasleitung durch den Auslass des Gehäuses des Brenners mit dem Brennraum strömungstechnisch verbunden ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 ein Abgasnachbehandlungssystem in einer schematischen Darstellung,
2 eine Schnittdarstellung eines Brenners des Abgasnachbehandlungssystems,
3 eine weitere Schnittdarstellung des Brenners,
4 eine weitere Schnittdarstellung des Brenners,
5 eine weitere Schnittdarstellung des Brenners,
6 eine Schnittdarstellung des Brenners gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
7 eine Schnittdarstellung des Brenners gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Abgasnachbehandlungssystem 1. Das Abgasnachbehandlungssystem 1 weist eine Abgasleitung 2 mit einem Katalysator 3 auf. Das Abgasnachbehandlungssystem 1 ist einer Brennkraftmaschine 4 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs zugeordnet. Ein Auslass der Brennkraftmaschine 4 ist mit der Abgasleitung 2 strömungstechnisch verbunden, sodass ein im Betrieb der Brennkraftmaschine 4 anfallendes Abgas der Abgasleitung 2 zugeführt wird. Das Abgas der Brennkraftmaschine 4 durchströmt den Katalysator 3 der Abgasleitung 2, wobei durch den Katalysator 3 gasförmige Schadstoffe des Abgases wie beispielsweise NOx, HC oder CO in unschädliche Produkte konvertiert werden. Die Effizienz des Katalysators 3 korrespondiert dabei mit der Temperatur des Katalysators 3. Insbesondere bei Katalysatortemperaturen, die unterhalb einer sogenannten Light-Off-Temperatur liegen, werden die zuvor erwähnten Schadstoffe durch den Katalysator 3 gegebenenfalls nicht vollständig konvertiert. Dies kann beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 4 eintreten.
Um insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 4 die Erwärmung des Katalysators 3 zu beschleunigen, weist das Abgasnachbehandlungssystem 1 einen Brenner 5 auf. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Abgasnachbehandlungssystem 1 ist nur ein Katalysator 3 vorhanden und der Brenner 5 ist stromaufwärts des Katalysators 3 mit der Abgasleitung 2 strömungstechnisch verbunden. Vorzugsweise weist das Abgasnachbehandlungssystem 1 zwei in Reihe geschaltete Katalysatoren 3 auf, wobei der Brenner 5 dann stromaufwärts der Katalysatoren 3 oder zwischen den Katalysatoren 3 mit der Abgasleitung 2 strömungstechnisch verbunden ist. Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2, 3, 4 und 5 die Ausführung des Brenners 5 näher erläutert. 2 zeigt hierzu einen Längsschnitt des Brenners 5. 3 zeigt einen Querschnitt des Brenners 5 entlang der in 2 dargestellten Querschnittsebene A-A. 4 zeigt einen weiteren Querschnitt des Brenners 5 entlang der in 2 dargestellten Querschnittsebene A-A. 5 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des Brenners 5, nämlich entlang der in 2 dargestellten Schnittebene B-B.
Der Brenner 5 weist ein Gehäuse 6 auf, das einen Brennraum 7 bildet. Ein Auslass 8 des Gehäuses 6 ist mit der Abgasleitung 2 strömungstechnisch verbunden. Ein in dem Brennraum 7 verbranntes Frischluft-Kraftstoff-Gemisch ist der Abgasleitung 2 somit zuführbar, um dadurch den Katalysator 3 zu erwärmen. Das Gehäuse 6 ist derart ausgebildet beziehungsweise geformt, dass der Brennraum 7 einen zylinderförmigen Hauptabschnitt 9 und eine bezogen auf eine Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts 9 radial nach außen von dem Hauptabschnitt 9 vorstehende Ausbuchtung 10 aufweist. Das Gehäuse 6 weist einen den Hauptabschnitt 9 bildenden ersten Gehäuseteil 11 auf. Vorliegend weist der erste Gehäuseteil 11 den Auslass 8 auf. Auch der erste Gehäuseteil 11 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei der erste Gehäuseteil 11 im Bereich des Auslasses 8 konisch zuläuft. Das Gehäuse 6 weist außerdem einen die Ausbuchtung 10 bildenden zweiten Gehäuseteil 12 auf. Der zweite Gehäuseteil 12 ist separat von dem ersten Gehäuseteil 11 gefertigt und in einem Durchbruch 13 einer Gehäusewand 16 des ersten Gehäuseteils 11 angeordnet. Vorliegend ist der zweite Gehäuseteil 12 topfförmig ausgebildet. Der zweite Gehäuseteil 12 wird durch einen Boden 40 und vier Seitenwände 41, 42, 43 und 44 gebildet. Eine erste Seitenwand 41 liegt einer zweiten Seitenwand 42 gegenüber. Eine dritte Seitenwand 43 liegt einer vierten Seitenwand 44 gegenüber, wobei die Seitenwände 43 und 44 in 1 nicht erkenntlich sind, weil sie außerhalb der Schnittebene liegen. Wie aus den Figuren erkenntlich ist, weist eine die Ausbuchtung 10 bildende Innenfläche 51 des zweiten Gehäuseteils 12 einen gebogenen Verlauf auf, sodass die Seitenwände 41, 42, 43 und 44 kontinuierlich in den Boden 40 übergehen. An den Übergängen von den Seitenwänden 41, 42, 43 und 44 in den Boden 40 sind also Verrundungen vorhanden. Alternativ können die Übergänge auch verrundungsfrei ausgebildet sein. Die Seitenwände 41, 42, 43 und 44 gehen dann abrupt in den Boden 40 über. Eine maximale Axialerstreckung des zylinderförmigen Hauptabschnitts 9 ist größer als eine maximale Axialerstreckung der Ausbuchtung 10. Die Ausbuchtung 10 ist also auf einen Axialabschnitt des Hauptabschnitts 9 beschränkt.
Das Gehäuse 6 weist mehrere Verrundungen auf, die an jeweils einem Übergang von dem Hauptabschnitt 9 in die Ausbuchtung 10 angeordnet sind. Wie aus 1 erkenntlich ist, ist in den Seitenwänden 41 und 42 jeweils eine Verrundung 48 beziehungsweise 49 ausgebildet. Wie beispielsweise aus 2 erkenntlich ist, ist auch in der dritten Seitenwand 43 eine Verrundung 50 ausgebildet. Die vierte Seitenwand 44 ist vorliegend verrundungsfrei, sodass hier an einem Übergang von dem Hauptabschnitt 9 in die Ausbuchtung 10 eine Kante vorhanden ist.
Wie aus den 3 und 4 erkenntlich ist, weist der erste Gehäuseteil 11 vorliegend einen kreisförmigen Querschnitt auf. Entsprechend weist auch der Hauptabschnitt 9 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der zweite Gehäuseteil 12 weist einen Querschnitt mit einem C-förmigen Verlauf auf, wobei eine Öffnung des C-förmigen Verlaufs dem Hauptabschnitt 9 zugewandt ist. Die Ausbuchtung 10 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Hauptabschnitts 9 nur abschnittsweise entlang des Hauptabschnitts 9. Vorliegend erstreckt sich die Ausbuchtung 10 in Umfangsrichtung über einen Umfangswinkel von etwa 25° entlang des Hauptabschnitts 9. Das Verhältnis des Volumens des Hauptabschnitts 9 zu dem Volumen der Aussparung 10 ist vorzugsweise 200:1 bis 50:1, bevorzugt 175:1 bis 100:1, besonders bevorzugt 150:1. In den Figuren ist dieses Volumenverhältnis nicht exakt wiedergegeben, was der nur schematischen Darstellung des Brenners 5 geschuldet ist.
Der Brenner 5 weist außerdem eine Kraftstoffzuführeinrichtung 17 auf, die vorliegend als Kraftstoffinjektor 17 ausgebildet ist. Die Kraftstoffzuführeinrichtung 17 ist dazu ausgebildet, dem Brennraum 7 Kraftstoff 18 zuzuführen. Vorliegend ist die Kraftstoffzuführeinrichtung 17 dazu ausgebildet, den Kraftstoff 18 direkt in den Brennraum 7 einzudosieren. Die Kraftstoffzuführeinrichtung 17 weist hierzu eine Kraftstoffleitung 19 auf, die durch einen Kraftstoffeinlass 20 mit dem Brennraum 7 direkt verbunden ist. Der Brenner 5 weist außerdem eine Frischluftzuführeinrichtung 21 auf, die dazu ausgebildet ist, dem Brennraum 7 Frischluft 22 zuzuführen. Die Frischluftzuführeinrichtung 21 weist hierzu eine Frischluftleitung 23 auf, die durch einen Frischlufteinlass 24 mit dem Brennraum 7 verbunden ist. Der Kraftstoffeinlass 20 und der Frischlufteinlass 24 liegen dem Auslass 8 axial gegenüber. Die Frischluftleitung 23 weist eine hülsenförmige Frischluftzuführkammer 25 auf, die den ersten Gehäuseteil 11 radial umschließt. Der zweite Gehäuseteil 12 ragt durch die Frischluftzuführkammer 25 radial hindurch. Vorliegend bilden die Kraftstoffzuführeinrichtung 17 und die Frischluftzuführeinrichtung 21 gemeinsam eine Zweistoffdüse 26. Werden dem Brennraum 7 durch die Zweistoffdüse 26 Kraftstoff 18 und Frischluft 22 zugeführt, so wird der Kraftstoff 18 durch die Frischluft 22 in feine Tropfen zerrissen, sodass ein Frischluft-Kraftstoff-Gemisch 27 erhalten wird, in dem der Kraftstoff 18 fein verteilt vorliegt.
Der Brenner 5 weist außerdem eine Zündeinheit 28 zum Entzünden des in dem Brennraum 7 angeordneten Frischluft-Kraftstoff-Gemischs 27 auf. Die Zündeinheit 28 weist ein in der Ausbuchtung 10 angeordnetes Zündelement 29 auf. Das Zündelement 29 ragt durch einen Durchbruch des zweiten Gehäuseteils 12 in die Ausbuchtung 10 hinein. Das Zündelement ist parallel zu der dritten Seitenwand 43 und der vierten Seitenwand 44 ausgerichtet. Das Zündelement 29 ist dabei nur in der Ausbuchtung 10 des Brennraums 7 angeordnet, sodass das Zündelement 29 nicht in den zylinderförmigen Hauptabschnitt 9 hineinragt. Vielmehr weist ein freies Ende 46 des Zündelementes 29 gegenüber dem Hauptabschnitt 9 einen zurückgezogenen Einbaustand auf. Es ist also ein Radialabstand 31 zwischen dem Zündelement 29 und dem zylinderförmigen Hauptabschnitt 9 vorhanden. Vorliegend ist das Zündelement 29 eine Glühkerze 29, besonders bevorzugt eine keramische Glühkerze 29. Das Zündelement 29 kann jedoch auch eine andere Art von Zündelement 29 sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Zündelement 29 als Zündkerze ausgebildet.
Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Zündelement 29 derart angeordnet, dass eine Längsmittelachse 32 des länglichen Zündelementes 29 schräg zu der Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts 9 ausgerichtet ist.
Die Ausrichtung des Zündelementes 29 relativ zu der Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts 9 wird durch einen Nickwinkel α des Zündelementes 29 und einen Gierwinkel β des Zündelementes 29 beschrieben. Der Gierwinkel β beschreibt eine Verdrehung der Längsmittelachse 32 des Zündelementes 29 gegenüber der Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts 9 um eine Hochachse H, die senkrecht zu der Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts 9 ausgerichtet ist und durch die Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts und das Zündelement 29 verläuft. Der Nickwinkel α beschreibt eine Verdrehung der Längsmittelachse 32 des Zündelementes 29 gegenüber der Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts 9 um eine Querachse Q, die senkrecht zu der Längsmittelachse 14 des Hauptabschnitts 9 und der Hochachse H ausgerichtet ist und durch das Zündelement 29 verläuft.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Nickwinkel α etwa 20°. Es kann jedoch auch ein davon abweichender Nickwinkel α vorgesehen sein. Vorzugsweise liegt der Nickwinkel α in einem Winkelbereich, der mit 0° beginnt und mit 70° endet, besonders bevorzugt in einem Winkelbereich, der mit 20° beginnt und mit 30° endet.
Der Gierwinkel β des Zündelementes 29 ist in 5 erkenntlich. Vorliegend beträgt der Gierwinkel β etwa 30°. Vorzugsweise liegt der Gierwinkel β in einem Winkelbereich, der mit 0° beginnt und mit 45° endet, besonders bevorzugt in einem Winkelbereich, der mit 10° beginnt und mit 30° endet. Ist der Gierwinkel β ungleich 0°, so sind die dritte Seitenwand 43 und die vierte Seitenwand 44 dem Gierwinkel β entsprechend schräg ausgerichtet.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 4 die Funktionsweise des Brenners 5 näher erläutert. 4 zeigt hierzu die Strömungsrichtung des Fischluft-Kraftstoff-Gemischs 27 in dem Brennraum 7. Wie aus 4 erkenntlich ist, strömt das Frischluft-Kraftstoff-Gemisch 27 im Sinne einer Drallströmung 33 durch den zylinderförmigen Hauptabschnitt 9 des Brennraums 7. Die Drallströmung 33 wird durch ein Drallgitter 47 erzeugt, das stromaufwärts des Frischlufteinlasses 24 in der Frischluftleitung 23 angeordnet ist. An einer dem Hauptabschnitt 9 zugewandten Öffnungsfläche 15 der Ausbuchtung 10 erfolgt ein Impulsaustausch zwischen der Drallströmung 33 in dem Hauptabschnitt 9 und dem Gasvolumen der Ausbuchtung 10. Der Impulsaustausch wird durch die Verrundung 50 in der dritten Seitenwand 43 begünstigt. Aufgrund des vorteilhaften Gierwinkels β ist die Strömungsrichtung des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs 27 senkrecht zu der Längsmittelachse 32 des Zündelementes 29, wie in 5 erkenntlich ist. Durch den Impulsaustausch wird in der Ausbuchtung 10 eine bezogen auf die Drallströmung 33 gegensinnig rotierende Rezirkulationsströmung 35 in der Ausbuchtung 10 erzeugt. Die Rezirkulationsströmung 35 weist verglichen mit der Drallströmung 33 eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit auf. Aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeit in der Ausbuchtung 10 ist der konvektive Wärmeaustrag aus dem Zündelement 29 verringert, verglichen mit einer Anordnung des Zündelementes 29 in dem Hauptabschnitt 9. Hierdurch kann mittels des Zündelementes 29 eine effektive Erwärmung des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs 27 erreicht werden. Dies führt dazu, dass der Kraftstoff 18 des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs 27 im Bereich der Ausbuchtung 10 schnell verdampft, was letztlich zu einer schnellen Zündung des Frischluft-Kraftstoff-Gemischs 27 an derselben Glühkerze 29 führt.
6 zeigt einen Längsschnitt des Brenners 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei dem in 6 dargestellten Brenner 5 ist der Nickwinkel α 0°. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Radialerstreckung der Brennkammer 5 verringert werden kann.
7 zeigt eine Schnittdarstellung des Brenners 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei dem in 7 dargestellten Brenner 5 ist der Gierwinkel β 0°. Diese Ausführungsform des Brenners 5 ist konstruktiv besonders einfach zu realisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19504208 A1 [0004]

Claims

Brenner für ein Abgasnachbehandlungssystem, mit einem einen Brennraum (7) bildenden Gehäuse (6), wobei das Gehäuse (6) einen mit einer Abgasleitung (2) des Abgasnachbehandlungssystems (1) verbundenen oder verbindbaren Auslass (8) aufweist, mit einer Kraftstoffzuführeinrichtung (17) zum Zuführen von Kraftstoff (18) in den Brennraum (7), mit einer Frischluftzuführeinrichtung (21) zum Zuführen von Frischluft (22) in den Brennraum (7), und mit einem Zündelement (29) zum Entzünden eines in dem Brennraum (7) angeordneten Frischluft-Kraftstoff-Gemischs (27), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) derart ausgebildet ist, dass der Brennraum (7) einen zylinderförmigen Hauptabschnitt (9) und eine von dem Hauptabschnitt (9) radial nach außen vorstehende Ausbuchtung (10) aufweist, und dass das Zündelement (29) in der Ausbuchtung (10) angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) einen den Hauptabschnitt (9) bildenden ersten Gehäuseteil (11) und einen die Ausbuchtung (10) bildenden zweiten Gehäuseteil (12) aufweist, wobei der erste und der zweite Gehäuseteil (11,12) separat voneinander gefertigt sind, und wobei der zweite Gehäuseteil (12) in einem Durchbruch (13) einer Mantelwand (16) des ersten Gehäuseteils (11) angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseteil (11) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gehäuseteil (12) einen Querschnitt mit einem C-förmigen Verlauf aufweist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausbuchtung (10) in Umfangsrichtung des Hauptabschnitts (9) über einen Umfangswinkel von 10° bis 50° erstreckt, besonders bevorzugt über einen Umfangswinkel von 20° bis 30°.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Axialerstreckung der Ausbuchtung (10) kleiner ist als eine Axialerstreckung des Hauptabschnitts (9).
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des Volumens des Hauptabschnitts (9) zu dem Volumen der Ausbuchtung (10) 200:1 bis 50:1 ist, bevorzugt 175:1 bis 100:1, besonders bevorzugt 150:1.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gierwinkel (β) des Zündelementes (29) in einem Winkelbereich liegt, der mit 0° beginnt und mit 45° endet, besonders bevorzugt in einem Winkelbereich, der mit 10° beginnt und mit 30° endet, wobei der Gierwinkel (β) eine Verdrehung der Längsmittelachse (32) des Zündelementes (29) gegenüber der Längsmittelachse (14) des Hauptabschnitts (9) um eine Hochachse (H) beschreibt, die senkrecht zu der Längsmittelachse (14) des Hauptabschnitts (9) ausgerichtet ist und durch die Längsmittelachse (14) des Hauptabschnitts und das Zündelement (29) verläuft.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nickwinkel (α) des Zündelementes (29) in einem Winkelbereich liegt, der mit 0° beginnt und mit 70° endet, besonders bevorzugt in einem Winkelbereich, der mit 20° beginnt und mit 30° endet, wobei der Nickwinkel (α) eine Verdrehung der Längsmittelachse (32) des Zündelementes (29) gegenüber der Längsmittelachse (14) des Hauptabschnitts (9) um eine Querachse (Q) beschreibt, die senkrecht zu der Längsmittelachse (14) des Hauptabschnitts (9) und der Hochachse (H) ausgerichtet ist und durch das Zündelement (29) verläuft.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündelement (29) derart angeordnet ist, dass eine Längsmittelachse (32) des Zündelementes (29) parallel zu der Längsmittelachse (14) des Hauptabschnitts (9) ausgerichtet ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) an zumindest einem Übergang von dem Hauptabschnitt (9) in die Ausbuchtung (10) eine Verrundung (48,49,50) aufweist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündelement (29) eine insbesondere keramische Glühkerze (29) ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftzuführeinrichtung (21) eine hülsenförmige Frischluftzuführkammer (25) aufweist, wobei die Frischluftzuführkammer (25) den ersten Gehäuseteil (11) radial umschließt, und wobei der zweite Gehäuseteil (12) durch die Frischluftzuführkammer (25) radial hindurchragt.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzuführeinrichtung (17) und die Frischluftzuführeinrichtung (21) gemeinsam eine Zweistoffdüse (26) bilden.
Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen Brenner (5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.