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Technisches Feld
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Die vorliegende Offenbarung ist auf eine Abgasaufbereitungsvorrichtung und insbesondere auf einen kraftstoffbetriebenen Brenner für eine Abgasaufbereitungsvorrichtung gerichtet.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren, die Dieselmotoren, Ottomotoren, gasbetriebene Motoren und andere aus dem Stand der Technik bekannte Motoren aufweisen, können ein komplexes Gemisch luftverunreinigender Stoffe ausstoßen. Die luftverunreinigenden Stoffe können sich aus gasförmigen Stoffen, wie beispielsweise Stickoxiden und Kohlenmonoxid, und Partikelteilchen, die unverbrannte, auch als Ruß bekannte Kohlenstoffpartikel beinhalten können, zusammensetzen.
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In Folge eines erhöhten Umweltbewusstseins sind die Abgasemissionsstandards strenger geworden und die von einem Motor ausgestoßene Menge an gasförmigen Stoffen und Partikeln kann abhängig von dem Motortyp, der Größe des Motors und/oder der Motorklasse reguliert werden. Eine von Motorenherstellern angewandte Methode zum Einhalten der Emissionsvorschrift bestand darin, die gasförmigen Stoffe und Partikel aus dem Abgasstrom eines Motors unter Verwendung einer Abgasaufbereitungsvorrichtung zu entfernen. Eine Abgasaufbereitungsvorrichtung beinhaltet üblicherweise ein Filtermedium, das gestaltet ist, Partikel zu aufzufangen, und einen Katalysator, der dazu genutzt wird, die Stickoxide und/oder das Kohlenmonoxid zu absorbieren oder zu Inertfluiden umzuwandeln.
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Allerdings kann die Verwendung der Abgasaufbereitungsvorrichtung über lange Zeiträume einen Partikelaufbau in dem Filtermedium verursachen und dabei die Funktionalität des Filters und anschließend die Motorleistung reduzieren. Die gesammelten Partikel können aus dem Filter mittels eines Prozesses, der Regeneration genannt wird, entfernt werden. Zum Einleiten der Regeneration des Filters muss die Temperatur der im Filter eingeschlossenen Partikel über einen Verbrennungsschwellenwert, bei dem die Partikel weggebrannt werden, erhöht werden. Ein Weg, die Temperatur der Partikel zu erhöhen, besteht darin, Kraftstoff in den Abgasstrom des Motors einzuspritzen und den eingespritzten Kraftstoff zu entzünden. Die aus dieser Kraftstoffverbrennung resultierende Hitze kann zusätzlich zum Regenerieren des Filtermediums auch wahlweise oder alternativ dem Katalysator zum Verbessern des Betriebs der Vorrichtung zugeführt werden.
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Ein Weg zur Effizienzsteigerung dieses Erhitzungsprozesses besteht darin, den eingespritzten Kraftstoff vor und/oder während der Verbrennung mit Luft zu mischen. Das heißt, ein homogenes Luft-/Kraftstoffgemisch kann, wenn dieses gezündet wird, eine gleichmäßig verteilte Flamme erzeugen, die die Partikel effektiv aus dem Filtermedium wegbrennt und/oder die katalytische Vorrichtung heizt. Um diesen Mischungs- und Erhitzungsprozess zu steuern, kann es wichtig sein, die Zündung des Gemisches und/oder die Temperatur des Gemisches zu ermitteln, während der Prozess läuft.
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Ein Beispiel für Einspritzen von Kraftstoff und Zünden des eingespritzten Kraftstoffes zum Regenerieren eines Partikelfilters ist in dem
US Patent Nr. 4,987,738 (das '738 Patent), das Lopez-Crevillen et al. am 29. Januar 1991 erteilt wurde, beschrieben. Im Speziellen offenbart das '738 Patent einen Behälter, der einen Partikelfilter darin angeordnet aufweist. Ein Diffusor verbindet den Behälter mit einer Mischkammer, die wiederum mit einem Brenner verbunden ist. Eine Kraftstoffeinspritzdüse ist in dem Brenner zum Einspritzen von Kraftstoff in die Mischkammer während der Regeneration angebracht. Wenn der Kraftstoff unter Druck durch die Düse in die Mischkammer eingespritzt wird, wird auch Hochdruckluft durch den Brenner und die Mischkammer zum Zerstäuben des Kraftstoffes eingeführt. Ein ebenfalls in dem Brenner angebrachter Zünder wird dann angesteuert, so dass das zerstäubte Luft- Kraftstoffgemisch gezündet wird, und das brennende Gemisch wird mit den abgegebenen Abgasen kombiniert und durch den Diffusor in den Behälter eingeleitet. Dieses erhitzte Kraftstoffluftabgasgemisch wird dann zum Verbrennen der gefangenen Partikel genutzt.
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Obwohl die Brennerkonfiguration des '738 Patents einen partikelbeladenen Filter angemessen regenerieren kann, kann er groß und ineffizient sein. Im Speziellen, weil die Mischkammer separat von der Brennereinrichtung und nachfolgend in Bezug auf den Strom durch die Brennereinrichtung angeordnet ist, kann sie wertvollen Bauraum in einem Motorraum oder einem Fahrgestell eines Fahrzeuges verbrauchen. Ferner kann die Brennerkonfiguration des '738 Patents keine Methode vorsehen, die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches oder die Temperatur des Verbrennungsprozesses zu ermitteln. Ohne eine Methode zum Bestätigen der Zündung, der Flammenlöschung oder zum Beobachten des Verbrennungsprozesses könnte der Prozess ineffizient oder gar nicht voranschreiten, ohne dass eine Anzeige seiner schlechten Leistung vermittelt, bemerkt oder erfasst wird.
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Darüber hinaus weisen aus dem Stand der Technik bekannte Brennerkonfigurationen hohe Geräuschentwicklungen und Vibrationen sowie zeitverzögerte Verbrennungen auf.
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Der Kraftstoffbrenner der vorliegenden Offenbarung löst eines oder mehrere der vorher angeführten Probleme.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die zuvor beschriebenen Probleme werden durch einen Nachbehandlungsbrenner nach Anspruch 1 und ein Energiesystem nach Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf einen Nachbehandlungsbrenner gerichtet. Der Nachbehandlungsbrenner kann ein Befestigungselement und einen mit dem Befestigungselement verbundenen Behälter aufweisen, so dass eine Verbrennungskammer geformt wird. Der Nachbehandlungsbrenner kann auch eine in dem Befestigungselement angeordnete Kraftstoffeinspritzdüse zum wahlweisen Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer und eine in dem Befestigungselement angeordnete und zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammer ausgebildete Luftzufuhrleitung aufweisen. Der Nachbehandlungsbrenner kann ferner einen in dem Befestigungselement angeordneten Zünder zum Entzünden des Kraftstoff-/Luftgemischs und ein in dem Befestigungselement angeordnetes und zum Ermitteln der Zündung ausgebildetes Thermoelement aufweisen. Ferner weist der Nachbehandlungsbrenner eine Hauptkraftstoffleitung, die in dem Befestigungselement angeordnet ist und mit der Kraftstoffeinspritzdüse strömungstechnisch verbunden ist, und eine Vorkraftstoffleitung, die in dem Befestigungselement angeordnet ist und mit der Kraftstoffeinspritzdüse strömungstechnisch verbunden ist, auf.
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Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung (der nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist) ist auf einen anderen Nachbehandlungsbrenner gerichtet. Dieser Nachbehandlungsbrenner kann auch ein Befestigungselement und einen mit dem Befestigungselement verbundenen Behälter aufweisen, so dass eine Verbrennungskammer geformt wird. Der Nachbehandlungsbrenner kann ferner eine in dem Befestigungselement angeordnete Kraftstoffeinspritzdüse zum wahlweisen Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer und eine in dem Befestigungselement angeordnete und zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammer ausgebildete Luftzufuhrleitung aufweisen. Der Nachbehandlungsbrenner kann zusätzlich einen in dem Befestigungselement angeordneten Zünder zum Zünden des Kraftstoff-/Luftgemischs und einen vollständig in dem Befestigungselement angeordneten Mischer zum Mischen des eingespritzten Kraftstoffes und der zugeführten Luft aufweisen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische und diagrammatische Darstellung einer beispielhaft offenbarten Energieeinheit;
- 2 ist eine Explosionsansicht einer beispielhaft offenbarten Aufbereitungsvorrichtung zum Anwenden in der Energieeinheit aus 1;
- 3 ist eine bildliche Draufsicht der Abgasaufbereitungsvorrichtung aus 2;
- 4A ist eine Querschnittsansicht der Abgasaufbereitungsvorrichtung aus 2;
- 4B ist eine weitere Querschnittsansicht der Abgasaufbereitungsvorrichtung aus 2; und
- 4C ist eine weitere Querschnittsansicht der Abgasaufbereitungsvorrichtung aus 2.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine Energieeinheit 10, die ein Common Rail Kraftstoffsystem 12, ein Reinigungssystem 13 und einen Nachbehandlungsbrenner 14 aufweist. Zum Zwecke dieser Offenbarung ist die Energieeinheit 10 als ein Viertaktdieselmotor gezeigt und beschrieben. Ein Fachmann wird allerdings erkennen, dass die Energieeinheit 10 ein anderer Typ eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise ein Ottomotor oder ein gasbetriebener Motor sein kann. Die Energieeinheit 10 kann einen Motorblock 16 beinhalten, der wenigstens teilweise eine Vielzahl an Verbrennungskammern (nicht dargestellt) definiert. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet die Energieeinheit 10 vier Verbrennungskammern. Allerdings ist es angedacht, dass die Energieeinheit 10 eine größere oder geringere Anzahl an Verbrennungskammern aufweisen kann und dass die Verbrennungskammern in einer Reihenkonfiguration, einer V-Konfiguration oder jeder anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
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Wie auch in 1 gezeigt ist, kann die Energieeinheit 10 eine Kurbelwelle 18, die drehbar in dem Motorblock 16 angeordnet ist, aufweisen. Eine Kurbelstange (nicht dargestellt) kann eine Vielzahl an Kolben (nicht dargestellt) mit der Kurbelwelle 18 verbinden, so dass eine gleitende Bewegung jedes Kolbens in der entsprechenden Verbrennungskammer zu einer Drehung der Kurbelwelle 18 führt. Ähnlich kann eine Drehung der Kurbelwelle 18 zu einer gleitenden Bewegung der Kolben führen.
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Das Common Rail Kraftstoffsystem 12 kann Bauteile beinhalten, die derart zusammenwirken, dass Einspritzungen an druckbeaufschlagtem Kraftstoff in jede der Verbrennungskammern erfolgen. Im Speziellen kann das Common Rail Kraftstoffsystem 12 einen Tank 20, der derart ausgebildet ist, dass eine Zufuhr an Kraftstoff aufrecht erhalten wird, und eine Kraftstoffpumpenanordnung 22 aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass der Kraftstoff druckbeaufschlagt wird und dass der druckbeaufschlagte Kraftstoff einer Vielzahl an Kraftstoffeinspritzdüsen (nicht dargestellt) über eine gemeinsame Kraftstoffleitung 24 zugeführt wird.
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Die Kraftstoffpumpenanordnung 22 kann eine oder mehrere Pumpvorrichtungen aufweisen, die derart funktionieren, dass der Druck des Kraftstoffs erhöht wird und einer oder mehrere druckbeaufschlagte Kraftstoffströme der gemeinsamen Kraftstoffleitung 24 zugeführt werden. In einem Beispiel beinhaltet die Kraftstoffpumpenanordnung 22 eine Niederdruckquelle 26 und eine Hochdruckquelle 28, die in Reihe geschalten sind und strömungstechnisch über eine Kraftstoffleitung 30 verbunden sind. Die Niederdruckquelle 26 kann eine Umschlagpumpe enthalten, die die Hochdruckquelle 28 mit einem niedrigen Förderdruck versorgt. Die Hochdruckquelle 28 kann den niedrigen Förderdruck aufnehmen und den Druck des Kraftstoffs in einen Bereich um 30-300 MPa erhöhen. Die Hochdruckquelle 28 kann mit der gemeinsamen Kraftstoffleitung 24 über eine Kraftstoffleitung 32 verbunden sein. Ein oder mehrere Filterelemente 34, wie beispielsweise ein Hauptfilter und ein Nebenfilter, können in der Kraftstoffleitung 32 in Reihenschaltung angeordnet sein, so dass Ablagerungen und/oder Wasser aus dem durch die Kraftstoffpumpenanordnung 22 druckbeaufschlagten Kraftstoff entfernt werden.
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Eine oder beide der Nieder- und Hochdruckquellen 26, 28 können betriebsbereit mit der Energieeinheit 10 verbunden und durch die Kurbelwelle 18 angetrieben werden. Die Nieder- und/oder Hochdruckquelle 26, 28 kann mit der Kurbelwelle 18 in einer einem Fachmann vollständig ersichtlichen Art und Weise verbunden sein, bei der eine Drehung der Kurbelwelle 18 zu einer entsprechenden Antriebsdrehung einer Pumpenwelle führt. Beispielsweise ist eine Pumpenantriebswelle 36 der Hochdruckquelle 28 derart in 1 gezeigt, dass sie mit der Kurbelwelle 18 über ein Zahnradpaar 38 verbunden ist. Es ist allerdings angedacht, dass eine oder beide der Nieder- und/oder Hochdruckquellen 26, 28 alternativ elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder in jeder anderen geeigneten Art und Weise angetrieben werden können. Es ist ferner angedacht, dass das Common Rail Kraftstoffsystem 12 alternativ einen anderen Typ eines Kraftstoffsystems, wie beispielsweise eine mechanische Kraftstoffeinspritzsystemeinheit beinhaltet, bei der der Druck des eingespritzten Kraftstoffs in den einzelnen Einspritzdüsen ohne die Verwendung einer Hochdruckquelle erzeugt oder erhöht wird.
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Das Reinigungssystem 13 kann ein Fluid mit Druck beaufschlagen und dieses druckbeaufschlagte Fluid zu Reinigungs- und/oder Verbrennungszwecken einem Nachbehandlungsbrenner 14 zuführen. Beispielsweise kann ein Fluid, wie verdichtete Luft oder Naturgas, dem Nachbehandlungsbrenner 14 derart zugeführt werden, dass Bauteile davon von Kraftstoffrückständen und/oder Verschmutzungen gereinigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann dieses Reinigungsfluid zum Vermischen mit den Einspritzungen an Kraftstoff aus der gemeinsamen Kraftstoffleitung 24 und dabei zum Unterstützen der Verbrennung in dem Nachbehandlungsbrenner 14 zugeführt werden. Zu diesen Zwecken kann das Reinigungssystem 13 eine Fluidquelle 44 wie beispielsweise einen Kompressor, eine Luftpumpe oder jede andere geeignete Quelle, und einen Speicherbehälter, wie beispielsweise einen Tank oder einen Speicher, der ausreichend Volumen hat, dass ein Reinigungs- und/oder Verbrennungsprozess mit oder ohne Betrieb der Fluidquelle 44 ausgeführt wird, aufweisen. Eine Reinigungsleitung 40 kann die Bauteile des Nachbehandlungsbrenners 14 strömungstechnisch mit der Fluidquelle 44 an jeder stromaufwärts liegenden Stelle verbinden. Ein Rückschlagventil 42 kann in der Reinigungsleitung 40 derart angeordnet sein, dass der Kraftstoff oder andere Verschmutzungen am Fließen durch die Reinigungsleitung 40 zur Fluidquelle 44 blockiert werden. Der Strom des Reinigungsfluids durch die Reinigungsleitung 40 kann durch eine geeignete Ventilanordnung (nicht dargestellt) gesteuert werden.
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Es ist angedacht, dass eine separate Verbrennungsluftquelle (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann, wenn dies gewünscht wird. Im Speziellen kann das Reinigungsfluid in einigen Situationen etwas anderes als Luft beinhalten, wie beispielsweise Wasser, eine Reinigungslösung oder eine Kombination aus diesen Fluiden. In diesen Situationen kann die separate Quelle die für die Verbrennung in dem Nachbehandlungsbrenner 14 erforderliche Luft vorsehen.
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Der Nachbehandlungsbrenner 14 kann mit einer Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 verbunden sein. Insbesondere, da die Abgase aus der Energieeinheit 10 durch die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 strömen, können Partikel aus dem Abgasstrom durch katalysierte Drahtgeflechte oder keramische Honigwaben-Filtermedien 48 entfernt werden. Über die Zeit können sich Partikel in dem Filtermedium 48 aufbauen und, wenn diese unbeobachtet bleiben, könnten die Partikelaufbauten stark genug sein, dass der Abgasstrom durch die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 beschränkt oder sogar blockiert wird, was eine Erhöhung des Gegendrucks in der Energieeinheit 10 zulässt. Eine Zunahme des Gegendrucks der Energieeinheit 10 kann die Fähigkeit der Energieeinheit, Frischluft anzusaugen, reduzieren, was zu einer verringerten Leistung, erhöhten Abgastemperaturen und einem schlechten Kraftstoffverbrauch führt.
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Wie in 2 dargestellt, kann der Nachbehandlungsbrenner 14 Bauteile beinhalten, die derart zusammenwirken, dass sie periodisch den Aufbau der Partikel in dem Filtermedium 48 reduzieren. Diese Bauteile können unter anderem ein Befestigungselement 50, eine Einspritzdüse 52, einen Mischer 54, eine Zündkerze 56, ein Thermoelement 58 und einen Verbrennungsbehälter 59 aufweisen. Es ist angedacht, dass der Nachbehandlungsbrenner 14 zusätzliche und/oder verschiedenartige Bauteile, wie beispielsweise eine oder mehrere Voreinspritzdüsen, zusätzliche Haupteinspritzdüsen, eine Steuerung, einen Drucksensor, einen Strömungssensor, eine Strömungsblockierungsvorrichtung und andere aus dem Stand der Technik bekannte Bauteile enthalten kann.
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Das Befestigungselement 50 kann die Kraftstoffeinspritzdüse 52, den Mischer 54, die Zündkerze 56 und das Thermoelement 58 aufnehmen und strömungstechnisch verbinden. Insbesondere, wie in 3 gezeigt ist, kann das Befestigungselement 50 eine zentrale gestufte Bohrung 60, eine zentrale ausgesparte Öffnung 62, eine erste radial angeordnete Bohrung 64 und eine zweite radial angeordnete Bohrung 66 aufweisen. Das Befestigungselement 50 kann auch eine Vorkraftstoffleitung 68, eine Hauptkraftstoffleitung 70, eine verzweigte Reinigungsleitung 72, eine separate Reinigungsleitung 74 und Einlass- und Auslasskühlleitungen 76 und 78 aufweisen. Ein oder mehrere Rückschlagventile (nicht dargestellt) können in einer oder allen dieser Leitungen angeordnet sein, wenn dies gewünscht ist, so dass ein unidirektionaler Strom der entsprechenden Fluide sichergestellt wird und/oder das Volumen daraus, das eine periodische Reinigung erfordern könnte, minimiert wird.
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Eine zentrale gestufte Bohrung 60 kann die Kraftstoffeinspritzdüse 52 durch eine innere Oberfläche 80 (bezogen auf die Oberfläche des in 2 gezeigten Befestigungselements 50, das zur Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 geöffnet ist) aufnehmen. Wie in 4A gezeigt ist, kann die zentrale gestufte Bohrung 60 zusammen mit der Kraftstoffeinspritzdüse 52 eine Vorkraftstoffkammer 82, eine Hauptkraftstoffkammer 84 und eine Kühlmittelkammer 86 in den Stufen der Bohrung 60 formen. Die Vorkraftstoffkammer 82 kann strömungstechnisch mit der Vorkraftstoffleitung 68 (bezogen auf 3) verbunden sein, während die Hauptkraftstoffkammer 84 strömungstechnisch mit der Hauptkraftstoffleitung 70 verbunden sein kann. Die Kühlmittelkammer 86 kann sowohl mit der Einlass- als auch der Auslasskühlleitung 76, 78 strömungstechnisch verbunden sein. Ein Sprengring 88 (bezogen auf 2) kann die Kraftstoffeinspritzdüse 52 in der zentralen gestuften Bohrung 60 halten.
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Die zentrale ausgesparte Öffnung 62 kann den Mischer 54 auch durch die innere Oberfläche 80 aufnehmen. Der Mischer 54 kann komplett in die zentralen ausgesparten Öffnung 62 eingepresst sein und/oder mit einem Sprengring 90 (bezogen auf 2) am Platz gehalten werden. Der Mischer 54 kann zentral mit der Kraftstoffeinspritzdüse 52 und dem Befestigungselement 50 ausgerichtet sein und winkelig im Bezug auf das Befestigungselement durch einen oder mehrere Führungsstifte 92 orientiert sein.
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Die erste radial angeordnete Bohrung 64 kann die Zündkerze 56 durch eine äußere Oberfläche des Befestigungselements 50 aufnehmen. Insbesondere kann die Zündkerze 56 Außengewinde aufweisen, die in Innengewinde der ersten radial angeordneten Bohrung 64 eingreifen. Die erste radial angeordnete Bohrung 64 kann mit der separaten Reinigungsleitung 74 derart verbunden sein, dass Kohlenstoff und andere Verschmutzungen periodisch aus der Bohrung 64 beseitigt werden und dabei am Aufbau auf der Zündkerze 56 und am Verursachen von unbeabsichtigter Lichtbogenbildung gehindert werden.
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Die zweite radial angeordnete Bohrung 66 kann das Thermoelement 58 durch die äußere Oberfläche des Befestigungselements 50 aufnehmen. Ähnlich der Zündkerze 56 kann auch das Thermoelement 58 Außengewinde aufweisen, die in Innengewinde der zweiten radial angeordneten Bohrung 66 eingreifen. Obwohl keine Leitungen zum Verbinden der Fluide mit dem Thermoelement 58 gezeigt sind, ist es angedacht, dass das Reinigungsfluid von dem Reinigungssystem 13 alternativ zu der zweiten radial angeordneten Bohrung 66 geführt werden kann, so dass der Aufbau an Verschmutzungen darin minimiert wird, wenn dies gewünscht wird.
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Die Einspritzdüse 52 kann in dem Befestigungselement 50 angeordnet sein und derart betrieben werden, dass eine Menge an druckbeaufschlagtem Kraftstoff zu vorherbestimmten Zeitpunkten, Kraftstoffdrücken und Kraftstofffließraten in den Verbrennungsbehälter 59 eingespritzt wird. Der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in den Behälter 59 kann mit der sensorischen Eingabe, die von dem Thermoelement 58, einem oder mehreren Drucksensoren (nicht dargestellt), einer Schaltuhr (nicht dargestellt) oder jeder anderen ähnlichen sensorischen Vorrichtung empfangen wird, synchronisiert werden, so dass die Einspritzungen an Kraftstoff im Wesentlichen einem Aufbau der Partikel in dem Filtermedium 48 entsprechen. Beispielsweise kann Kraftstoff eingespritzt werden, wenn die Temperatur der Abgase, die durch die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 strömen, einen vorherbestimmten Wert überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann Kraftstoff eingespritzt werden, wenn ein Druck der Abgase, die durch die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 strömen, eine vorherbestimmte Druckhöhe überschreitet oder ein Druckabfall über das Filtermedium 48 einen vorherbestimmten Differenzialwert überschreitet. Es ist angedacht, dass der Kraftstoff auch auf einer festgesetzten periodischen Basis zusätzlich oder unbeachtlich von Druck- und Temperaturbedingungen eingespritzt werden kann, wenn dies gewünscht wird. Der Mischer 54, zusammen mit dem Befestigungselement 50, kann eine Luftverteilungsleitung 94 formen, die aus dem Reinigungssystem 13 über einen Einlass 96 (bezogen auf 4C) mit Druckluft versorgt wird. Der Mischer 54 kann eine Vielzahl an kreisförmig angeordneten Belüftungsöffnungen 98 aufweisen, die strömungstechnisch die Luftverteilungsleitung 94 mit dem Verbrennungsbehälter 59 (bezogen auf 2) verbinden. Die Belüftungsöffnungen 98 können die Luft aus dem Reinigungssystem 13 mit Einspritzungen an Kraftstoff im Inneren des Verbrennungsbehälters 59 vermischen, so dass die Verbrennung darin verbessert wird. Es ist angedacht, dass die Belüftungsöffnungen 98 zusätzlich oder alternativ derart ausgebildet sein können, dass Druckluft zu Kühl- und/oder Isolierzwecken an die äußere Umgebung des Verbrennungsbehälters 59 geleitet wird, wenn dies gewünscht wird.
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Der Mischer 54 kann Öffnungen beinhalten, so dass das Thermoelement 58 und die Zündkerze 56 aufgenommen werden. Im Speziellen kann sich das Thermoelement 58 über ein erstes Durchgangsloch 100 im Mischer 54 in den Verbrennungsbehälter 59 erstrecken, während die Zündkerze 56 sich über ein zweites Durchgangsloch 102 in den Verbrennungsbehälter 59 erstreckt. Eine geerdete Elektrode 104 kann sich von dem Mischer 54 bis nahe dem zweiten Durchgangsloch 102 erstrecken, so dass sie mit der Zündkerze 56 interagiert.
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Die Zündkerze 56 kann die Zündung des von der Einspritzdüse 52 in den Verbrennungsbehälter 59 eingesprühten Kraftstoffs vereinfachen. Im Speziellen kann die Temperatur der aus der Energieeinheit 10 austretenden Abgase während eines Regenerierungsvorgangs oder wenn ein Katalysator in der Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 eine erhöhte Temperatur erfordert zu gering sein, um eine Selbstentzündung des aus der Einspritzdüse 52 gesprühten Kraftstoffs zu bewirken. Um die Verbrennung des Kraftstoffs und anschließend der gefangenen Partikel einzuleiten, kann eine kleine Menge (d.h. ein Vorschuss) an Kraftstoff aus der Einspritzdüse 52 gesprüht oder anderweitig in Richtung der Zündkerze 56 eingespritzt werden, damit eine lokal angereicherte Atmosphäre, die durch die Zündkerze 56 fertig entzündbar ist, erzeugt wird. Ein über Elektroden der Zündkerze 56 erzeugter Funke kann die lokal angereicherte Atmosphäre durch Erzeugen einer Flamme, die ausgestoßen oder anderweitig in Richtung der gefangenen Partikel vorangetrieben wird, entzünden. Der Flammenstrahl, der sich von der Einspritzdüse 52 ausbreitet, kann die Temperatur in der Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 zu einer Höhe anheben, die eine effiziente Zündung einer größeren Menge (d.h. eines Hauptschusses) an Kraftstoff aus der Einspritzdüse 52 bereitwillig unterstützt. Wenn die Haupteinspritzung an Kraftstoff zündet, kann die Temperatur in der Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 fortschreiten, in eine Höhe, die die Zündung der in dem Filtermedium 48 gefangenen Partikel bewirkt, und/oder in eine Höhe anzusteigen, die einen effizienten Betrieb des Katalysators unterstützt.
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Die Zündkerze 56 kann mehrere Bauteile beinhalten, die derart zusammenwirken, dass der aus der Einspritzdüse 52 eingesprühte Kraftstoff entzündet wird. Insbesondere kann die Zündkerze 56 (bezogen auf 4B) einen Körper 106, einen Anschluss 108, der sich von einem Ende des Körpers 106 erstreckt, und eine zentrale Elektrode 110, die sich von einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Körpers 106 erstreckt, beinhalten. Der Körper 106 kann über ein Gewinde in der gestuften Bohrung 64 aufgenommen werden und von der zentralen Elektrode 110 durch ein isolierendes Element 112 getrennt sein. Der Anschluss 108 kann elektrisch mit der zentralen Elektrode 110, integral mit der zentralen Elektrode 110 verbunden sein oder komplett weggelassen werden, wenn dies gewünscht wird.
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Ein Lichtbogen kann zwischen der zentralen Elektrode 110 und der geerdeten Elektrode 104 erzeugt werden. Das heißt, die zentrale Elektrode 110 kann ein betriebsbereit an dem Körper 106 befestigtes Fußende 114, eine freie Endspitze 116 und einen sich von dem Fußende 114 zur freien Endspitze 116 erstreckenden Seitenbereich 118 aufweisen. Wenn die Zündkerze 56 in das Befestigungselement 50 eingebaut ist, kann sich die freie Endspitze 116 von einer ersten Oberfläche 120 des Mischers 54 durch das Loch 102 bis hinter eine zweite gegenüberliegende Oberfläche 122 des Mischers 54 erstrecken. Die geerdete Elektrode 104 kann ein Fußende 124, das mit der zweiten Oberfläche 122 des Mischers 54 verbunden ist (d.h. integral mit dem Mischer 54 geformt ist), und eine freie Endspitze 126 aufweisen. Die freie Endspitze 126 der geerdeten Elektrode 104 kann sich in Richtung des Seitenbereichs 118 der zentralen Elektrode 110 erstrecken und eine Radialstellung zwischen dem Fußende 124 und dem Seitenbereich 118 festlegen. Die Entfernung zwischen der freien Endspitze 126 und der freien Endspitze 116 kann derart gestaltet sein, dass, wenn eine Belastung durch den Anschluss 108 auf die zentrale Elektrode 110 ausgeübt wird, sich ein Bogen von der freien Endspitze 116 zu der freien Endspitze 126 der geerdeten Elektrode 104 bildet. Dieser Bogen kann die Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Verbrennungsbehälter 59 vereinfachen.
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Das Thermoelement 58 kann die Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches in der Verbrennungskammer 59 erfolgreich bestätigen. Ein Thermoelement besteht gewöhnlich aus einem Bimetallstab innerhalb einer rostfreien Stahlhülle. Wenn sich der Stab erhitzt, wird ein Gleichstrom erzeugt, der gemessen werden kann, und der Wert des gemessenen Stromes kann die Temperatur in Verbindung mit dem Stab anzeigen. Das Thermoelement 58 kann sich durch den Mischer 54 in den entzündeten Flammenstrahl in dem Verbrennungsbehälter 59 zum Anzeigen der Temperatur darin erstrecken. Wenn eine in dem Verbrennungsbehälter 59 gemessene Temperatur einen vorherbestimmten Wert übersteigt, kann daraus gefolgert werden, dass die Zündung des Luft-Kraftstoffgemisches erfolgt ist. Ähnlich kann gefolgert werden, dass, wenn die in dem Verbrennungsbehälter 59 gemessene Temperatur unter den vorherbestimmten Wert fällt, der Flammenstrahl erloschen ist. Es ist angedacht, dass die Einspritzungen an Kraftstoff und/oder die Fliessrate oder der Druck der Luft, die in den Verbrennungsbehälter 59 eingeleitet wird, in Abhängigkeit zu dem Wert des durch das Thermoelement 58 erzeugten Stromes variieren kann.
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Der Verbrennungsbehälter 59 (bezogen auf 2) kann ein röhrenförmiges Element, das derart ausgebildet ist, dass es ein entzündetes Kraftstoff-/Luftgemisch (d.h. den Flammenstrahl) von dem Nachbehandlungsbrenner 14 in den Abgasstrom der Aufbereitungsvorrichtung 46 leitet. Insbesondere kann der Verbrennungsbehälter 59 eine zentrale Öffnung 128 beinhalten, die den Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzdüse 52 und die Luft aus der Verteilungsleitung 94 strömungstechnisch mit dem Abgasstrom verbindet. Der Verbrennungsbehälter 59 kann eine Flammenstabilisierungsplatte 130 an einem Ende der zentralen Öffnung 128 aufweisen, um eine Begrenzung, die die Pulsierungen in der Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 minimiert, vorzusehen. Das heißt, der innere Durchmesser der Flammenstabilisierungsplatte 130 kann geringer als der innere Durchmesser der zentralen Öffnung 128 sein. Der Verbrennungsbehälter 59 kann gewöhnlich gerade sein und eine vorherbestimmte Länge aufweisen, die während der Herstellung gemäß einer gewünschten Flammeneinleitungsstelle (die Entfernung, über die sich eine Flamme, die aus der Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches resultiert, von dem Verbrennungsbehälter 59 in den Abgasstrom erstreckt) festgesetzt wird. In einem Beispiel kann diese gewünschte Einleitungsstelle ungefähr 12 Inch von der Flammenstabilisierungsplatte 130 des Verbrennungsbehälters 59 betragen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Der kraftstoffbetriebene Brenner der vorliegenden Offenbarung kann in einer Vielfalt an Kraftstoffaufbereitungsvorrichtungen angewandt werden, die beispielsweise Partikelfänger, die periodische Regenerierung erfordern, katalytische Umwandler, die eine vorherbestimmte Temperatur für einen optimalen Betrieb erfordern, und andere ähnliche Vorrichtungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, beinhalten. Tatsächlich kann der offenbarte Kraftstoffbrenner in jedes Motorsystem eingebaut werden, das aus wahlweise erhöhten Temperaturen einen Nutzen zieht. Der Betrieb der Energieeinheit 10 wird nun erklärt.
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Bezug nehmend auf 1, kann Luft und Kraftstoff in die Verbrennungskammer der Energieeinheit 10 für eine nachgeschaltete Verbrennung hineingesaugt werden. Im Speziellen kann der Kraftstoff aus dem gemeinsamen Kraftstoffleitungssystem 12 in die Verbrennungskammern der Energieeinheit 10 eingespritzt, mit der Luft darin vermischt und durch die Energieeinheit 10 verbrannt werden, um eine mechanische Arbeitsausgabe und einen Abgasstrom an heißen Gasen zu erzeugen. Der Abgasstrom kann ein komplexes Gemisch an Luftverunreinigungen enthalten, die sich aus gasförmigem und festem Material, das Partikel enthalten kann, zusammensetzen. Wenn dieser partikelbeladene Abgasstrom von den Verbrennungskammern durch die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 geleitet wird, können die Partikel durch das Filtermedium 48 aus dem Abgasstrom gefiltert werden. Über die Zeit können sich die Partikel in dem Filtermedium 48 aufbauen und, wenn dies unbeobachtet bleibt, kann der Aufbau stark genug sein, dass der Abgasstrom durch die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 beschränkt oder sogar blockiert wird. Wie oben angezeigt, kann die Beschränkung des Abgasstromes aus der Energieeinheit 10 den Gegendruck der Energieeinheit 10 erhöhen und die Fähigkeit der Einheit, Frischluft anzusaugen, reduzieren, was zu einer abnehmenden Leistung der Energieeinheit 10, ansteigenden Abgastemperaturen und einem schlechten Kraftstoffverbrauch führt.
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Um den unerwünschten Aufbau an Partikeln in der Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 zu vermeiden, kann das Filtermedium 48 regeneriert werden. Die Regenerierung kann periodisch oder basierend auf einer Auslösebedingung erfolgen, wie beispielsweise einem Zeitablauf des Motorbetriebs, einer Druckdifferenz, die über das Filtermedium 48 gemessen wird, einer Temperatur der Abgase, die aus der Energieeinheit 10 strömen, oder jeder anderen Bedingung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Wie in 2 gezeigt ist, kann die Einspritzdüse 52 zum Starten der Regenerierung veranlasst werden, Kraftstoff wahlweise in einer gewünschten Menge, zu einem gewünschten Druck und/oder Zeitpunkt in die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 einzuleiten. Wenn eine Einspritzung an Kraftstoff aus der Einspritzdüse 52 in die Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 hineinsprüht wird, kann Luft über die Belüftungsöffnungen 98 des Mischers 54 mit dem Kraftstoff vermischt werden. Wenn dieses Kraftstoff-/Luftgemisch in den Verbrennungsbehälter 59 wirbelt, kann ein Strom über den Anschluss 108 zu der zentralen Elektrode 110 geleitet werden. Wenn der Strom in der zentralen Elektrode 110 hergestellt ist, kann sich ein Bogen von der freien Endspitze 116 der zentrale Elektrode 110 zur freien Endspitze 126 der geerdeten Elektrode 104 bilden und dabei das Gemisch entzünden. Der entzündete Strom an Kraftstoff und Luft kann dann die Temperatur der Partikel, die in dem Filtermedium 48 gefangen sind, auf Verbrennungshöhe der gefangenen Partikel erhöhen, die Partikel wegbrennen und dabei das Filtermedium 48 regenerieren. Ein ähnlicher Prozess kann ausgeübt werden, um die Temperatur eines geeigneten Katalysators zu erhöhen, wenn dies gewünscht wird.
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Zwischen und/oder während den Erhitzungsvorgängen, kann die Kraftstoffeinspritzdüse 52 und/oder die Zündkerze 56 wahlweise von Kraftstoff und/oder Verunreinigungen gereinigt werden, um einen einwandfreien Betrieb zu sichern. Um die Kraftstoffeinspritzdüse 52 und die Zündkerze 56 zu reinigen, kann ein Reinigungsfluid von der Quelle 44 durch eine Reinigungsleitung 40, vorbei an dem Rückschlagventil 42 und durch die gestuften Bohrungen 60, 64 geleitet werden. Das Reinigungsfluid, das in die gestuften Bohrungen 60, 64 strömt, kann jeglichen restlichen Kraftstoff und Verunreinigungen in diesen Bohrungen in den Verbrennungsbehälter 59 pressen. Durch das Entfernen des Kraftstoffs und/oder der Verunreinigungen aus den gestuften Bohrungen 60, 64 kann die Wahrscheinlichkeit, dass die Kraftstoffeinspritzdüse 52 verstopft oder dass ein Bogen an einer anderen Stelle als der freien Endspitze 116 der zentralen Elektrode 110 erzeugt wird, sicher gestellt werden.
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Der Platz in dem Motorraum der Energieeinheit 10 kann aufgrund der Gestaltung des Nachbehandlungsbrenners 14 erhalten werden. Das heißt, weil der Mischer 54 komplett in dem Befestigungselement 50 enthalten ist, wird sehr wenig, wenn überhaupt, nutzbarer Platz durch den Mischer 54 verbraucht. Der vergrößerte Platz in dem Motorraum der Energieeinheit 10 kann die Gestaltungsflexibilität anderer Bauteile, die mit der Energieeinheit 10 verbunden sind, verbessern.
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Zusätzlich kann der Betrieb der Abgasaufbereitungsvorrichtung 46 sehr effizient sein, weil der Nachbehandlungsbrenner 14 ein Thermoelement enthält. Insbesondere, wenn basierend auf der Temperaturanzeige des Thermoelements 58 festgestellt wird, dass keine Flamme in dem Verbrennungsbehälter 59 existiert, und Kraftstoff in den Verbrennungsbehälter 59 eingespritzt wurde, kann eine Fehlerbehandlung veranlasst werden. Während der Fehlerbehandlung kann das weitere Einspritzen an Kraftstoff verhindert werden, um verschwendeten Kraftstoff zu minimieren. Es ist angedacht, dass die Temperaturanzeige des Thermoelements 58 auch als Eingabe zum Steuern der Kraftstoffrate und/oder Luftzufuhrrate des Nachbehandlungsbrenners 14 genutzt werden kann, wenn dies gewünscht wird.
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Für Fachleute wird es offenkundig sein, dass verschiedene Abänderungen und Abwandlungen des kraftstoffbetriebenen Brenners der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden können, ohne von dem Inhalt der Offenbarung abzuweichen. Weitere Ausführungsformen werden den Fachleuten unter Berücksichtigung der Spezifikation und durch Verwendung des kraftstoffbetriebenen Brenners, der hierin offenbart ist, ersichtlich werden. Es ist angedacht, dass die Spezifikation und die Beispiele lediglich als beispielhaft mit einem wahren Umfang der Offenbarung, die durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Equivalente angegeben sind, angesehen werden.
