DE102022212014A1 - Burner unit in the exhaust tract of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennereinheit (10) im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem im Abgastrakt angeordneten Mehrwegekatalysator und/oder einem SCR-System (Selective Catalytic Reduction) zur Behandlung der Abgase. Dieser wird mittels einer aus einer Brennkammer (20) der Brennereinheit (10) austretenden Gasströmung (32) temperiert. Die Brennereinheit (10) weist eine an die Brennkammer (20) angrenzende Dralleinheit (16) auf, deren mindestens ein Drallkanal (50) parallel oder orthogonal zur Hauptachse (12) der Brennereinheit (10) mit einem Überstand (56, 56`, 56") in die Brennkammer (20) mündet.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennereinheit (10) im Abgastrakt einer selbstzündenden oder fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zur Temperierung eines Mehrwegekatalysators.
The invention relates to a burner unit (10) in the exhaust tract of an internal combustion engine, with a multi-way catalyst arranged in the exhaust tract and/or an SCR system (Selective Catalytic Reduction) for treating the exhaust gases. This is tempered by means of a gas flow (32) emerging from a combustion chamber (20) of the burner unit (10). The burner unit (10) has a swirl unit (16) adjacent to the combustion chamber (20), at least one swirl channel (50) of which opens into the combustion chamber (20) with a projection (56, 56', 56") parallel or orthogonal to the main axis (12) of the burner unit (10).
Furthermore, the invention relates to the use of the burner unit (10) in the exhaust tract of a self-igniting or spark-ignited internal combustion engine for tempering a multi-way catalyst.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennereinheit im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem im Abgastrakt angeordneten Mehrwegekatalysator zur Behandlung der Abgase, der mittels einer aus einer Brennkammer der Brennereinheit austretenden Gasströmung temperiert wird. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennereinheit im Abgastrakt einer selbstzündenden oder fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zur Temperierung eines Mehrwegekatalysators.The invention relates to a burner unit in the exhaust tract of an internal combustion engine, with a multi-way catalyst arranged in the exhaust tract for treating the exhaust gases, which is tempered by means of a gas flow emerging from a combustion chamber of the burner unit. The invention also relates to the use of the burner unit in the exhaust tract of a self-igniting or externally ignited internal combustion engine for tempering a multi-way catalyst.
Stand der TechnikState of the art
Mit der Einführung der sogenannten RDE-Randbedingungen (Real Driving Emissions) ergeben sich ambitionierte Randbedingungen für die Beheizung von Katalysatoren. Die nun mögliche urbane spontane Kaltabfahrt mit hohen Lasten ohne Leerlaufphase bringt bisher vorgesehene innermotorische Katalysatorbeheizungen an ihre Grenzen, insbesondere dann, wenn gleichzeitig weiter reduzierte Emissionswerte, wie sie zum Beispiel mit EU7 zu erwarten sind, eingehalten werden müssen. In diesem Zusammenhang hat sich ein Abgasbrenner zur Beschleunigung des TWC-Light-Off (Three Way Catalysator, Light Off = Beginn der Umwandlung) und/oder von SCR-Systemen (Selective Catalytic Reduction) als äußerst wirkungsvolle Maßnahme herausgestellt. Für eine Anwendung von Abgasbrennern in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen (auch die Brennereinheit wird mit Dieselkraftstoff betrieben) hat sich erwiesen, dass bei diesem Anwendungsfall ein signifikant höheres Drallniveau erforderlich ist, als dies für den Benzinbetrieb der Fall ist. Dies führt dazu, dass die Strömung bei Eintritt in die Brennkammer des Abgasbrenners bei vergleichsweise höherem Drallniveau stärker an die Außenseite der Brennkammer abgelenkt wird und dadurch eine Rückströmung im Inneren der Injektorkammer im Zentrum der Brennkammer durch ein breites Strömungsfeld auf den Injektor hinzu begünstigt wird. Dadurch erfolgt eine höhere Wärmefreisetzung in unmittelbarer Nähe des Injektors. Dies ist zwar vorteilhaft für eine vollständige Verbrennung innerhalb der Brennkammer, hat jedoch zur Folge, dass die Bauteiltemperaturen in diesem lokalen Bereich deutlich ansteigen. Insbesondere der Kraftstoffinjektor und dessen Injektorspitzentemperatur stehen hier im Vordergrund. Die Temperaturen, die an der Injektorspitze herrschen, sollten möglichst unterhalb von 140 °C liegen. Auf Grund des Umstands, dass im Vergleich zu Benzin, Dieselkraftstoff je nach Spezifikation erst bei deutlich höheren Temperaturen verdampft, kann eine durch die Einspritzung verursachte Benetzung der Injektorkuppe mit Kraftstoff durch die Nähe der in der Brennkammer stehenden Flamme zu einer nicht vorgemischten, fetten Verbrennung führen, die diffusionskontrolliert abläuft. Dies hat zur Folge, dass in diesem Bereich der Flamme vermehrt Partikel entstehen und sich auf der Injektorkuppe Ablagerungen bilden. Derartige Ablagerungen besitzen im Allgemeinen schwammartige Eigenschaften, so dass es dort zur Einlagerung von immer mehr Kraftstoff kommt und demzufolge auch zu einer verstärkten Rußbildung, so dass dieser Effekt einen sich selbst verstärkenden Charakter aufweist. Des Weiteren können die gebildeten Ablagerungen an der Injektorkuppe dazu führen, dass sich die Spritzlöcher des Injektors zusetzen oder dass ein bestimmtes Einspritzmuster (Spray Targeting) eine geometrische Veränderung erfährt. In beiden Fällen kann dies die Funktionalität des Abgasbrenners signifikant beeinflussen, beginnend mit einer Verschlechterung der Emissionen bis hin zu Einschränkungen in der Startrobustheit.The introduction of the so-called RDE (Real Driving Emissions) boundary conditions has resulted in ambitious boundary conditions for the heating of catalysts. The now possible spontaneous cold urban departure with high loads without idling phase pushes previously planned internal engine catalyst heating to its limits, especially if further reduced emission values, such as those expected with EU7, have to be complied with at the same time. In this context, an exhaust gas burner to accelerate the TWC light-off (Three Way Catalyst, light off = start of conversion) and/or SCR systems (Selective Catalytic Reduction) has proven to be an extremely effective measure. For the use of exhaust gas burners in self-igniting internal combustion engines (the burner unit is also operated with diesel fuel), it has been shown that a significantly higher swirl level is required in this application than is the case for gasoline operation. This means that the flow is deflected more towards the outside of the combustion chamber when it enters the combustion chamber of the exhaust gas burner at a comparatively higher swirl level, thereby promoting backflow inside the injector chamber in the center of the combustion chamber through a wide flow field towards the injector. This results in a higher heat release in the immediate vicinity of the injector. Although this is advantageous for complete combustion within the combustion chamber, it does result in the component temperatures in this local area rising significantly. The focus here is particularly on the fuel injector and its injector tip temperature. The temperatures at the injector tip should be below 140 °C if possible. Due to the fact that, depending on the specification, diesel fuel only evaporates at significantly higher temperatures than gasoline, wetting of the injector tip with fuel caused by the injection can lead to non-premixed, rich combustion due to the proximity of the flame in the combustion chamber, which is diffusion-controlled. This results in an increased number of particles being produced in this area of the flame and deposits forming on the injector tip. Such deposits generally have sponge-like properties, meaning that more and more fuel is deposited there and, as a result, soot formation is increased, so that this effect is self-reinforcing. Furthermore, the deposits formed on the injector tip can lead to the injector's spray holes becoming blocked or to a certain injection pattern (spray targeting) undergoing a geometric change. In both cases, this can significantly affect the functionality of the exhaust gas burner, starting with a deterioration in emissions and ending with restrictions in starting robustness.
Darstellung der ErfindungDescription of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Brennereinheit vorgeschlagen, die im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, mit einem im Abgastrakt angeordneten Mehrwegekatalysator und/oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) zur Behandlung der Abgase, der mittels einer aus einer Brennkammer der Brennereinheit austretenden Gasströmung temperiert wird, wobei die Brennereinheit eine an die Brennkammer angrenzende Dralleinheit aufweist, deren mindestens ein Drallkanal parallel oder orthogonal zu einer Hauptachse der Brennereinheit mit einem Überstand in die Brennkammer hineinragt.According to the invention, a burner unit is proposed which is arranged in the exhaust tract of an internal combustion engine, with a multi-way catalyst arranged in the exhaust tract and/or an SCR system (Selective Catalytic Reduction) for treating the exhaust gases, which is tempered by means of a gas flow emerging from a combustion chamber of the burner unit, wherein the burner unit has a swirl unit adjacent to the combustion chamber, at least one swirl channel of which projects into the combustion chamber with a projection parallel or orthogonal to a main axis of the burner unit.
Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die in die Brennkammer mit einem Drall in Umfangsrichtung versehene Zuluft derart durch die Begrenzungswände der Brennkammer umgelenkt beziehungsweise verwirbelt wird, dass eine sich in der Brennkammer einstellende Flamme sich nicht in Richtung der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors ausbreitet und demzufolge der Wärmeeintrag verringert wird, da die Flamme aufgrund der Zuluft in diesem Bereich in einem mageren Gemisch ausläuft (Quenching). Weil dadurch die Flamme den Kraftstoffinjektor nicht mehr erreicht, wird auf diese Weise sowohl die Maximaltemperatur des Injektors reduziert als auch dessen Verkokung grundsätzlich verhindert.This advantageously ensures that the supply air, which is provided with a swirl in the circumferential direction in the combustion chamber, is deflected or swirled by the boundary walls of the combustion chamber in such a way that a flame that forms in the combustion chamber does not spread in the direction of the injector tip of the fuel injector and the heat input is therefore reduced because the flame runs out in a lean mixture in this area due to the supply air (quenching). Because the flame no longer reaches the fuel injector, this reduces the maximum temperature of the injector and fundamentally prevents it from coking.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit prägt die Dralleinheit der in die Brennkammer einströmenden Zuluft eine Rotationsbewegung in Umfangsrichtung auf, bezogen auf die Hauptachse der Brennkammer. So kann die sich in der Brennkammer einstehende Flamme stabilisiert und vergleichmäßigt werden.In an advantageous development of the burner unit proposed according to the invention, the swirl unit imparts a rotational movement in the circumferential direction to the supply air flowing into the combustion chamber, relative to the main axis of the combustion chamber. In this way, the flame in the combustion chamber can be stabilized and made uniform.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit umfasst die Dralleinheit einen Injektorschacht zur Aufnahme eines Kraftstoffinjektors derart, dass dessen Injektorkuppe in den Drallkanal mündet. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die Injektorkuppe in sicherem Abstand von der sich in der Brennkammer ausbreitenden Flammenfront bleibt und Maximaltemperaturen im Bereich der Injektorkuppe wirkungsvoll vermieden werden können.In an advantageous development of the burner unit proposed according to the invention, the swirl unit comprises an injector shaft for accommodating a fuel injector such that its injector tip opens into the swirl channel. This arrangement ensures that the injector tip remains at a safe distance from the flame front spreading in the combustion chamber and maximum temperatures in the area of the injector tip can be effectively avoided.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit ist ein Drallkegel der aus dem Drallkanal austretenden Luftströmung so gewählt, dass die in die Brennkammer einströmende Zuluft eine in der Brennkammer erzeugte Flamme vom Drallkanal fernhält.In an advantageous development of the burner unit proposed according to the invention, a swirl cone of the air flow exiting the swirl channel is selected such that the supply air flowing into the combustion chamber keeps a flame generated in the combustion chamber away from the swirl channel.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit beträgt der Überstand, um den der Drallkanal in die Brennkammer hineinragt zwischen 2 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 7 mm, bezogen auf die Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors.In an advantageous development of the burner unit proposed according to the invention, the projection by which the swirl channel projects into the combustion chamber is between 2 mm and 10 mm, preferably between 3 mm and 7 mm, relative to the injector tip of the fuel injector.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit ist der Drallkanal in einer Konizität ausgeführt. Dies ist fertigungstechnisch besonders einfach realisierbar.In an advantageous development of the burner unit proposed according to the invention, the swirl channel is designed to be conical. This is particularly easy to implement in terms of manufacturing technology.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit weist der Drallkanal eine kontinuierliche Querschnittsverringerung bis hin zu einem Düsenteil auf. Dadurch kann eine Beschleunigung der in die Brennkammer zugeführten, mit einem Drall in Umfangsrichtung versehenen Zuluft erreicht werden, was die Verbrennung innerhalb der Brennkammer günstig beeinflusst.In a further advantageous embodiment of the burner unit proposed according to the invention, the swirl channel has a continuous cross-sectional reduction up to a nozzle part. This makes it possible to accelerate the supply air fed into the combustion chamber and provided with a swirl in the circumferential direction, which has a positive effect on the combustion within the combustion chamber.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann alternativ der Drallkanal durch Kugelschalen gebildet sein, die entweder in Parallelanordnung zueinander mit identischer Krümmung, einen konstanten Strömungsquerschnitt bildend, oder in aufeinander zulaufender Anordnung, einen abnehmenden Strömungsquerschnitt bildend, angeordnet sind. Diese beiden Ausführungsvarianten begünstigen ebenfalls die Drallerzeugung innerhalb der Brennkammer.In an advantageous embodiment, the swirl channel can alternatively be formed by spherical shells that are either arranged parallel to one another with identical curvature, forming a constant flow cross-section, or arranged converging to one another, forming a decreasing flow cross-section. These two design variants also promote the generation of swirl within the combustion chamber.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Brennereinheit derart ausgeführt, dass der Drallkanal durch Kreiselschalenformen gebildet ist, die entweder in Parallelanordnung zueinander mit identischer Krümmung, einen konstanten Strömungsquerschnitt bildend, oder in aufeinander zulaufender Anordnung, einen abnehmenden Strömungsquerschnitt bildend, angeordnet sind. Durch diese alternative Ausführungsvariante können die obenstehend skizzierten Vorteile ebenfalls erreicht werden.In an advantageous embodiment, the burner unit is designed such that the swirl channel is formed by rotary shell shapes that are arranged either in parallel arrangement with identical curvature, forming a constant flow cross-section, or in a converging arrangement, forming a decreasing flow cross-section. The advantages outlined above can also be achieved with this alternative embodiment.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit besteht die Möglichkeit, den Drallkanal in der Dralleinheit durch eine ebene konische Fläche und durch eine Kugelschale zu bilden. Weitere Abwandlungen sind ebenfalls möglich.In the burner unit proposed according to the invention, it is possible to form the swirl channel in the swirl unit by means of a flat conical surface and a spherical shell. Other modifications are also possible.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit kann der Drallkanal der Brennkammer die eintretende Zuluft auch in orthogonaler Richtung, bezogen auf die Hauptachse der Brennkammer, zuführen. Durch die senkrecht zur Hauptachse der Brennkammer ausgeführte Lufteinströmung kann der sich in Rotationsrichtung auswirkende Drall begünstigt werden. Durch die Ausführungsvariante besteht ebenfalls die Möglichkeit, die sich innerhalb der Brennkammer rückströmungseffektbegünstigt in Richtung der Injektorkuppe ausbreitende Flamme von dieser entfernt zu halten, um dort die Maximaltemperaturen zu begrenzen.In an advantageous development of the burner unit proposed according to the invention, the swirl channel of the combustion chamber can also supply the incoming supply air in an orthogonal direction, relative to the main axis of the combustion chamber. The air inflow, which is perpendicular to the main axis of the combustion chamber, can promote the swirl that acts in the direction of rotation. The design variant also makes it possible to keep the flame, which spreads within the combustion chamber in the direction of the injector tip, favoring the backflow effect, away from it in order to limit the maximum temperatures there.
Alternativ besteht bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit auch die Möglichkeit, den Drallkanal in Bezug auf eine vertikale Achse in gespiegelter Anordnung, beispielsweise zu einem eine Konizität aufweisenden Drallkanal, auszuführen. In dieser Ausführungsvariante sind in Bezug auf die vertikale Achse die den Drallkanal begrenzenden Wände entgegengesetzt geneigt, d. h. der Brennkammer zuweisend angeordnet.Alternatively, in the burner unit proposed according to the invention, it is also possible to design the swirl channel in a mirrored arrangement with respect to a vertical axis, for example to a swirl channel with a conical shape. In this embodiment, the swirl channel The walls bounding the chamber are inclined in opposite directions, i.e. facing the combustion chamber.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennereinheit im Abgastrakt einer selbstzündenden oder fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zur Temperierung eines Mehrwegekatalysators und/oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction).Furthermore, the invention relates to the use of the burner unit in the exhaust tract of a self-igniting or spark-ignited internal combustion engine for tempering a multi-way catalyst and/or an SCR system (Selective Catalytic Reduction).
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennereinheit kann insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen erreicht werden, dass die sich in der Brennkammer ausbreitende Flamme durch Rückströmungseffekte einen zu hohen Wärmeeintrag an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors verursacht. Die Verlängerung des Drallkanals in axialer Richtung oder die Luftzuführung in orthogonaler Richtung verhindert, dass die Flammenfront die Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors erreicht. Dies ist einerseits auf die stark entgegengesetzte Strömung bei der Flammenausbreitung zurückzuführen sowie auf den Umstand, dass die in der Brennkammer erzeugte Flamme aufgrund der Luft im unmittelbar vor der Mündung des Drallkanals liegenden Bereich „gequencht“ wird, d. h. die Flamme läuft in einem mageren Gemisch aus. Da bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit die Flamme den Kraftstoffinjektor, insbesondere dessen Injektorkuppe nicht mehr erreicht, wird auf diese Weise sowohl die Maximaltemperatur des Injektors reduziert als auch die Verkokung an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors grundsätzlich verhindert.The burner unit proposed according to the invention can be used, particularly in the case of self-igniting internal combustion engines, to ensure that the flame spreading in the combustion chamber causes excessive heat input to the injector tip of the fuel injector due to backflow effects. The extension of the swirl channel in the axial direction or the air supply in the orthogonal direction prevents the flame front from reaching the injector tip of the fuel injector. This is due on the one hand to the strongly opposing flow during flame propagation and to the fact that the flame generated in the combustion chamber is "quenched" by the air in the area immediately in front of the mouth of the swirl channel, i.e. the flame runs out in a lean mixture. Since the flame no longer reaches the fuel injector, in particular its injector tip, in the burner unit proposed according to the invention, this reduces the maximum temperature of the injector and fundamentally prevents coking on the injector tip of the fuel injector.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung beträgt der Überstand, um den der Drallkanal in die Brennkammer hineinragt, ausgehend von der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors, zwischen 3 mm und 7 mm.In the solution proposed according to the invention, the projection by which the swirl channel projects into the combustion chamber, starting from the injector tip of the fuel injector, is between 3 mm and 7 mm.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennereinheit kann erreicht werden, dass die Höchsttemperatur an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors erheblich reduziert werden kann. Eine Maximaltemperatur bei einer Brennerlaufzeit von 25 s mit beispielsweise 25 kW von über 300 °C kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auf ein Niveau von weniger als 25 °C reduziert werden.The burner unit proposed according to the invention makes it possible to significantly reduce the maximum temperature at the injector tip of the fuel injector. A maximum temperature of over 300 °C with a burner running time of 25 s with, for example, 25 kW can be reduced to a level of less than 25 °C by the solution proposed according to the invention.
Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung aufgrund der Vermeidung von schwammartigen Ablagerungen ein selbstverstärkender Effekt, insbesondere eine Verkokung der Injektorkuppe vermieden werden. Dadurch lässt sich die Standzeit des eingesetzten Kraftstoffinjektors erheblich erhöhen, ferner wird die Startrobustheit einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erheblich verbessert.Furthermore, the solution proposed according to the invention can prevent a self-reinforcing effect, in particular coking of the injector tip, by avoiding sponge-like deposits. This allows the service life of the fuel injector used to be significantly increased, and the starting robustness of a burner unit proposed according to the invention is also significantly improved by the solution proposed according to the invention.
Des Weiteren ist hervorzuheben, dass die signifikante Reduktion der Höchsttemperatur an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors mit dem großen Vorteil einhergeht, dass am Kraftstoffinjektor kein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf, so zum Beispiel von Kühlmasse aus dem Motorkreislauf der Verbrennungskraftmaschine abgezweigt werden muss, um den Kraftstoffinjektor zu temperieren. Dies stellt ein Alleinstellungsmerkmal dar, da durch die vorgeschlagene Verbrennungsführung innerhalb der Brennkammer eine starke Reduktion der Kosten erreicht werden kann.Furthermore, it should be emphasized that the significant reduction in the maximum temperature at the injector tip of the fuel injector is accompanied by the great advantage that no additional coolant circuit, such as cooling mass from the engine circuit of the internal combustion engine, has to be diverted to the fuel injector in order to control the temperature of the fuel injector. This is a unique selling point, since the proposed combustion control within the combustion chamber can achieve a significant reduction in costs.
Die Gestaltung des Drallkanals in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit, insbesondere in dessen Dralleinheit, kann auf vielfältige Weise erfolgen. So seien beispielsweise konische Flächen genannt, die parallel zueinander einen konstanten Strömungsquerschnitt bildend angeordnet sein können oder auch einen sich in Strömungsrichtung der einströmenden Zuluft verringernden Strömungsquerschnitt bis zu einem Düsenteil aufweisen. Neben ebenen Flächen, wie sie bei der konischen Ausbildung des Drallkanals zum Einsatz kommen können, lassen sich bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung auch Kugelschalen einsetzen, die mit identischer Krümmung parallel zueinander angeordnet werden können oder auch in einer aufeinander zulaufenden Anordnung platziert sein können. Daneben besteht die Möglichkeit, auch Kreiselschalenformen einzusetzen, die ebenfalls derart eingebaut werden können, dass diese einen konstanten Strömungsquerschnitt für die einströmende Zuluft darstellen oder aufeinander zulaufend platziert sein können.The design of the swirl channel in the burner unit proposed according to the invention, in particular in its swirl unit, can be done in a variety of ways. For example, conical surfaces can be mentioned, which can be arranged parallel to one another to form a constant flow cross-section, or which have a flow cross-section that decreases in the flow direction of the incoming supply air up to a nozzle part. In addition to flat surfaces, as can be used in the conical design of the swirl channel, spherical shells can also be used in the solution proposed according to the invention, which can be arranged parallel to one another with identical curvature or can also be placed in a converging arrangement. In addition, it is also possible to use gyroscopic shell shapes, which can also be installed in such a way that they represent a constant flow cross-section for the incoming supply air or can be placed converging.
Mischformen aus ebenen Flächen und sphärischen, d. h. gekrümmten Elementen, zur Ausgestaltung des Drallkanals sind ebenfalls möglich.Mixed forms of flat surfaces and spherical, i.e. curved, elements for the design of the swirl channel are also possible.
Des Weiteren kann in alternativer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit eine orthogonale Zuströmung der einströmenden Zuluft realisiert werden, bei der die einströmende Zuluft senkrecht zur Hauptachse der Brennkammer zugeführt wird. Dies beeinflusst in vorteilhafter Weise den sich einstellenden Drallpunkt. Je größer der in der Brennkammer erzeugte Drall ist, eine desto bessere Zerstäubung des eingesetzten Kraftstoffs, insbesondere Diesel bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, lässt sich erreichen, was der vollständigen Verbrennung äußerst zuträglich ist. Neben einem in orthogonaler Richtung verlaufenden Eintrag der zugeführten Luft in die Brennkammer besteht auch die Möglichkeit, eine zur Vertikalachse gespiegelte Anordnung des Drallkanals einzusetzen, der beispielsweise eine um eine vertikale Achse gekippte Anordnung zur Brennkammer hin verwirklicht.Furthermore, in an alternative embodiment of the burner unit proposed according to the invention, an orthogonal inflow of the incoming air can be realized, in which the incoming air is supplied perpendicular to the main axis of the combustion chamber. This has an advantageous effect on the swirl point that is established. The greater the swirl generated in the combustion chamber, the better the atomization of the fuel used, especially diesel in self-igniting internal combustion engines, can be achieved, which is extremely beneficial for complete combustion. In addition to an orthogonal introduction of the supplied air into the combustion chamber, it is also possible to arrange the swirl in a mirrored manner to the vertical axis. channel, which, for example, realizes an arrangement tilted about a vertical axis towards the combustion chamber.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 eine Brennereinheit gemäß dem Stand der Technik mit auf den Krafstoffinjektor unmittelbar auftreffender Flammenfront, -
2 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit mit einem Drallkanal, der in einer Konizität ausgebildet ist, -
3 eine Gegenüberstellung der Temperaturniveaus an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors in der Variante gemäß dem Stand der Technik nach1 und bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen ersten Ausführungsvariante gemäß2 , -
4 eine zweite Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der einen sich in Strömungsrichtung der einströmenden Zuluft abnehmenden Strömungsquerschnitt aufweist, -
5 eine dritte Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der aus parallel zueinander angeordneten Kugelschalen gebildet ist, -
6 eine vierte Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der aus aufeinander zulaufenden Kugelschalen mit einem abnehmenden Strömungsquerschnitt ausgeführt ist, -
7 eine fünfte Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der durch Kreiselschalenformen begrenzt wird, wobei hier ein konstanter Strömungsquerschnitt für die einströmende Zuluft verwirklicht ist, -
8 eine sechste Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal mit Kreiselschalenformen, die zueinander so angeordnet sind, dass sich in Strömungsrichtung der einströmenden Zuluft ein abnehmender Strömungsquerschnitt einstellt, -
9 eine Mischform, bei der der Drallkanal der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit durch eine ebene konische Fläche einerseits und durch eine Kreiselschalenform andererseits begrenzt ist, -
10 eine orthogonale Einströmung der einströmenden Zuluft in die Brennkammer und -
11 eine Anordnung der Brennereinheit, bei der der Drallkanal an der vertikalen Achse gespiegelt ist, im Vergleich zur Variante gemäß2 .
-
1 a burner unit according to the state of the art with a flame front directly impinging on the fuel injector, -
2 a first embodiment of the burner unit proposed according to the invention with a swirl channel which is formed in a conicity, -
3 a comparison of the temperature levels at the injector tip of the fuel injector in the variant according to the state of the art according to1 and in the first embodiment proposed according to the invention according to2 , -
4 a second design variant of the burner unit with a swirl channel which has a flow cross-section that decreases in the flow direction of the incoming supply air, -
5 a third variant of the burner unit with a swirl channel formed from spherical shells arranged parallel to each other, -
6 a fourth design variant of the burner unit with a swirl channel made up of converging spherical shells with a decreasing flow cross-section, -
7 a fifth design variant of the burner unit with a swirl channel which is limited by rotary shell shapes, whereby a constant flow cross-section for the incoming supply air is realized, -
8th a sixth design variant of the burner unit with a swirl channel with rotary shell shapes, which are arranged in such a way that a decreasing flow cross-section is established in the flow direction of the incoming supply air, -
9 a mixed form in which the swirl channel of the burner unit proposed according to the invention is limited by a flat conical surface on the one hand and by a gyroscopic shell shape on the other hand, -
10 an orthogonal inflow of the incoming supply air into the combustion chamber and -
11 an arrangement of the burner unit in which the swirl channel is mirrored on the vertical axis, compared to the variant according to2 .
Der Brennkammer 20 ist eine Zündkammer 24 zugeordnet, in welche eine Glühkerze 26 hineinragt. Über die Zündkammer 24 erfolgt die Zündung eines zündfähigen Gemischs aus über den Kraftstoffinjektor 14 in die Brennkammer 20 eintretenden Kraftstoffs und mit einem Drall in die Brennkammer 20 einströmender Zuluft 22. Stromab einer Stirnseite 44 der Brennkammer 20 befindet sich ein Austritt 30, über welchen eine austretende Gasströmung 32 die Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 beispielsweise in Richtung eines Mehrwegekatalysators oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) verlässt. Wie aus
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, identical or similar elements are designated by identical reference numerals, whereby a repeated description of these elements is omitted in individual cases. The figures only represent the subject matter of the invention schematically.
Wie der Darstellung gemäß
Alternativ besteht die Möglichkeit, auch die Innenkante des in die Brennkammer 20 mündenden Drallkanals 50 in einem Überstand 56 auszubilden, alternativ zur in
Durch die in
Die Verlängerung 52 des Drallkanals 50 in die Brennkammer 20 hinein führt dazu, dass die Spitzentemperatur an der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 reduziert werden kann. Dies ist in
Aus der Darstellung gemäß
Wie aus der Darstellung gemäß
Auch in der Ausführungsvariante gemäß
Oberhalb der Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 befindet sich besagte Zündkammer 24, die eine Glühkerze 26 aufnimmt, die das Gemisch aus einströmender Zuluft 22, die unter dem Drallkegel 34 in die Brennkammer 20 einströmt, und den über den Kraftstoffinjektor 14 in die Brennkammer 20 einströmenden Kraftstoff, d. h. dieses Kraftstoff-/Luftgemisch entzündet.Above the
Durch die erfindungsgemäß erreichte signifikante Reduktion der Höchsttemperatur an der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass kein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf, beispielsweise dargestellt durch Kühlwasser aus dem Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine, geschaffen werden muss, um den Kraftstoffinjektor 14 zu kühlen. Dies kann aufgrund des relativ geringen Wärmeeintrags in die Injektorkuppe 42 durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eingespart werden.The significant reduction in the maximum temperature at the
Der Darstellung gemäß
Die über die Luftzufuhr 28 einströmende Zuluft 22 passiert die Zündkammer 24, in der diese die zur Zündung des in der Brennkammer 20 gebildeten Kraftstoff-/Luftgemischs erforderliche Zündung bewirkt.The
Die austretende Gasströmung 32 strömt in Strömungsrichtung 36 durch den Austritt 30 in einen nicht dargestellten Mehrwegekatalysator, ein SCR-System (Selective Catalytic Reduction) oder eine andere Komponente des Abgastrakts einer Verbrennungskraftmaschine.The escaping
Das in der Brennkammer 20 gebildete Kraftstoff-/Luftgemisch aus durch den Kraftstoffinjektor 14 eingespritztem, vernebeltem Kraftstoff und mit im Drallkegel 34 einströmender Zuluft 22 wird durch die Glühkerze 26 der Zündkammer 24 gezündet.The fuel/air mixture formed in the
Auch in dieser Ausführungsvariante erzeugt die Flamme 46 die austretende Gasströmung 32, die über den Austritt 30 in Richtung eines hier nicht dargestellten Mehrwegekatalysators oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine strömt, um die hier beispielhaft genannten Komponenten auf Betriebstemperatur zu bringen.In this embodiment variant, the
Der Ausführungsvariante gemäß
In sämtlichen, anhand der
In sämtlichen Ausführungsvarianten gemäß den
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 4132814 A1 [0002]DE 4132814 A1 [0002]
- DE 19504208 A1 [0003]DE 19504208 A1 [0003]
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