DE3621913A1 - Vorrichtung zum verbrennen von feststoffteilchen im abgas von brennkraftmaschinen - Google Patents
Vorrichtung zum verbrennen von feststoffteilchen im abgas von brennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung für
Feststoffteilchen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Zum Entfernen von Ruß aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, insbe
sondere Diesel-Brennkraftmaschinen, ist es bereits durch die DE-OS
34 24 196 bekannt, die Rußpartikel durch eine elektrostatische Ruß
weiche aus dem Abgas auszuscheiden und diese einer Verbrennungsvor
richtung zum Verbrennen zuzuführen.
Bei einer in der deutschen Patentanmeldung P 35 26 074 vorgeschlage
nen Verbrennungsvorrichtung der o.a. Gattung ist der Auslaß des
Tauchrohrs, das einen mit Rußpartikeln beladenen Abgasstrom in die
Brennkammer leitet, gleichachsig gegen die Überströmöffnung zur Auf
bereitungskammer des Zündbrenners hin gerichtet, so daß die mit dem
Abgasstrom direkt auf die Pilotflamme geleiteten Partikel nur eine
geringe Verweilzeit in der Flammenzone haben. Aus diesem Grunde
kann es vorkommen, daß bei unterschiedlich großen Rußpartikeln die
Verbrennung nicht vollständig durchgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich
in der Verbrennungsflamme eine heiße, von der Glocke in einem be
grenzten Volumen aufrechterhaltene Kernzone bildet, in der die Tem
peratur weit oberhalb der Entflammungstemperatur der Rußpartikel
liegt. Außerdem tritt in diesem Bereich bei der Verbrennung eine Re
zirkulationsströmung auf, so daß die Verweilzeit der Rußpartikel in
der heißen Zone erhöht und daher eine sichere Verbrennung gewähr
leistet ist.
Durch eine vorteilhafte Weiterbildung gemäß den Merkmalen nach An
spruch 2 wird die Verweilzeit der Rußpartikel im Bereich hoher Tem
peratur verlängert, so daß eine weitere Steigerung des Ausbrandgra
des erzielt wird.
Durch eine zusätzliche Weiterbildung gemäß den Merkmalen nach An
spruch 4, werden der zugeführte Abgasstrom und die von ihm mitge
führten Rußpartikel vorgewärmt, so daß sie in der heißen Brennkammer
in sehr kurzer Zeit auf Reaktionstemperatur erhitzt werden. Hinzu
kommt, daß aufgrund des Restsauerstoffanteils des Abgasstroms Vor
reaktionen möglich sind, die den Ausbrandgrad ebenfalls günstig be
einflussen. Durch den Wärmeaustausch zwischen dem abfließenden Ver
brennungsgas und dem zugeführten Abgasstrom wird ferner eine hohe
Wärmeausnutzung erzielt. Andere vorteilhafte Weiterbildungen sind
durch in den anderen Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen der Ver
brennungsvorrichtung möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.
1 eine Verbrennungsvorrichtung im Längsschnitt, Fig. 2 einen
Glühkörper in Seitenansicht, Fig. 3 den Glühkörper nach Fig. 2 im
Querschnitt, Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Glühkör
pers in Seitenansicht, Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines
Glühkörpers im Längsschnitt und Fig. 6 und 7 ein fünftes Ausfüh
rungsbeispiel eines Glühkörpers im Längs- und Querschnitt.
Zum Entfernen von Rußteilchen aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen,
insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen, wird der Abgasstrom zunächst
durch eine beispielsweise durch die DE-OS 34 24 196 bekannte elek
trostatische Rußweiche und einen Fliehkraftabscheider geleitet, an
dessen einem Ausgang Abgas austritt, das weitgehenst von Ruß und an
deren Feststoffteilchen frei ist, und an dessen anderem Ausgang ein
Abgasteilstrom austritt, der mit den ausgeschiedenen Ruß- und Fest
stoffteilchen angereichert ist. Zum Entsorgen des Rußes wird der Ab
gasteilstrom einer nachgehend beschriebenen und in der Zeichnung
dargestellten Verbrennungsvorrichtung zugeführt.
Die Verbrennungsvorrichtung hat eine Brennkammer 1 in einem zylind
rischen Mantel 2 und daran gleichachsig anschließend einen Zündbren
ner 3 mit einer Brennstoffgemisch-Aufbereitungskammer 4 in einem
kappenförmigen Gehäuse 5. Die Brennkammer 1 und die Aufbereitungs
kammer 4 sind miteinander über eine Überströmöffnung 6 in einer
Trennwand 7 verbunden, in der die Überströmöffnung 6 die Form einer
zur Brennkammer 1 hin sich verengenden Düse hat.
In die zylindrische Brennkammer 1 ragt von dem im Zündbrenner 3 ge
genüberliegenden Ende gegen die Überströmöffnung 6 gleichachsig ein
Tauchrohr 10, dessen Ende 11 axial verschlossen ist und zur Über
strömöffnung 6 hin einen bestimmten Abstand hat. Nahe seinem Ende 11
hat das Tauchrohr 10 mehrere, beispielsweise zwei radiale Auslässe
12, durch die der durch das Tauchrohr 10 zugeführte, mit Rußparti
keln 14 beladene Abgasstrom 15 in die Brennkammer 1 gelangt. Die
Auslässe 12 liegen innerhalb eines Rohrstücks 16, das mit einer
Trennwand 17 am Tauchrohr 10 gleichachsig befestigt ist, so daß zwi
schen dem Außenumfang des Rohrstücks 16 und der Innenseite des Man
tels 2 der Brennkammer 1 ein ringförmiger Spalt 18 gebildet wird.
Die Trennwand 17 und der die Auslässe 12 des Tauchrohrs 10 umgebende
Teil des Rohrstücks 16 umschließen in Form einer Glocke eine zur
Überströmöffnung 6 hin offene heiße Brennkammer 19 mit einem be
grenzten Volumen. In dieser heißen Brennkammer 19 werden die aus den
Auslässen 12 austretenden Rußpartikel 14 entzündet und größtenteils
verbrannt. Die entstehenden Verbrennungsgase und die unvollständig
verbrannten Rußpartikel 14 treten am äußeren Umfang der glockenför
migen heißen Brennkammer 19 aus und werden an der Stirnkante des
Rohrstücks 16 zum Spalt 18 hin umgelenkt.
In den sich hinter der heißen Brennkammer 19 erstreckenden Teil des
Rohrstücks 16 ragt gleichachsig ein zweites Rohrstück 20, das mit
einem Flansch 21 am Mantel 2 der Brennkammer 1 befestigt ist. Die
Rohrstücke 16 und 20 unterteilen die Brennkammer 1 in mehrere mit
einander verbundene Ringspalte 18, 21 und 22, die ein Labyrinthsy
stem bilden und den Strömungweg des Verbrennungsgases verlängern.
Durch diese Ausbildung der Brennkammer 1 wird die Verweilzeit des
Verbrennungsgases erhöht und dadurch der Ausbrandgrad gesteigert. Am
Auslaßende des innersten Ringspaltes 22 schließt sich eine von einer
Tasse 24 gebildete Sammelkammer 25 an, durch die das Tauchrohr 10
ragt und von der ein Abgasstutzen 26 zum Abführen der Brennerabgase
27 wegführt. Durch die gleichachsige Anordnung des Tauchrohres 10 zu
dem vom Rohrstück 20 gebildeten innersten Ringspalt 22 wird ein Ge
genstromwärmetauscher gebildet, der eine hohe Wärmeausnutzung ge
währleistet. Die heißen Brennerabgase erwärmen über das Tauchrohr 10
den durch diesen geführten, mit Rußpartikeln beladenen Abgasstrom,
so daß die aus den Auslässen 12 austretenden Rußpartikel 14 inner
halb kurzer Zeit auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Aufgrund
der Vorwärmung im Tauchrohr 10 sind bei Dieselabgasen, die einen
Restsauerstoffanteil haben, bereits Vorreaktionen möglich, die den
Ausbrandgrad günstig beeinflussen.
Zum Erzeugen einer Zünd- oder Pilotflamme, die aus der Aufberei
tungskammer 4 des Zündbrenners 3 durch die Überströmöffnung 6 gegen
das Ende 11 des Tauchrohrs 10 in die heiße Brennkammer 19 schlägt,
münden in die Aufbereitungskammer 4 eine Brennstoffzuführleitung 30
und eine oder mehrere, beispielsweise zwei Luftzuführleitungen 31,
32. Die Eintrittsöffnungen 33, 34 der Luftzuführleitungen 31, 32
münden gleichgerichtet tangential in die Aufbereitungskammer 4 nahe
der Trennwand 7, so daß die Verbrennungsluft mit Drall in die Aufbe
reitungskammer 4 einströmt. Die Brennstoffzuführleitung 30 mündet in
eine durch einen Ansatz 35 gebildete Ausbauchung 36 der Aufberei
tungskammer 4. In diese außermittige Ausbauchung 36 ragt eine an
sich bekannte Glühkerze 37, die zum Starten der Verbrennungsvorrich
tung mit einem elektrischen Strom versorgt wird. Mittig in der Auf
bereitungskammer 4 des Zündbrenners 3 ist ein rotationssymmetrischer
Glühkörper 40 angeordnet. Er ist an der Stirnwand des Gehäuses 5 be
festigt und erstreckt sich zur Überströmöffnung 6 hin. Der Glühkör
per 40 hat mehrere, beispielsweise drei von einem Schaft 41 radial
abstehende Ringrippen 42, von denen die der Überströmöffnung nahen
Ringrippen 42 gleichmäßig verteilte Durchbrüche 43 haben.
Zum Erzeugen der Pilotflamme und zum Zuführen von für die Verbren
nung der Rußpartikel 4 nötigen Luft ist in die Brennstoffzuführlei
tung 30 ein Steuerventil 45 oder eine Pumpe und in die Luftzuführung
ein Gebläse 46 geschaltet, die beide von einem zentralen Steuergerät
47 so gesteuert werden, daß die für die Verbrennung nötigen Mengen
an Brennstoff und Luft dosiert zugeführt werden.
Mit dem Steuergerät 47 ist außerdem die Glühkerze 37 verbunden. Fer
ner ist das Steuergerät 47 zur Flammenüberwachung im Aufbereitungs
raum 4 des Zündbrenners 3 mit einem in das Gehäuse eingesetzten Sen
sor 48 verbunden, der als optischer Sensor, als Temperatursonde oder
als Ionenstromsonde ausgebildet sein kann.
Um die Wärme der Verbrennungsvorrichtung gut auszunützen, ist diese
nach außen isoliert. Dazu umgibt eine äußere Schale 50 das Gehäuse 5
des Zündbrenners 3, den Mantel 2 der Brennkammer 1 und die Tasse 24
der Sammelkammer 25. Durch den von der Schale 50 gebildeten Ringraum
51 wird von dem Gebläse 46 die für die Verbrennung nötige Verbren
nungsluft 52 hindurchgedrückt, wobei sich diese erwärmt und gleich
zeitig als Kühlmittel für die Verbrennungsvorrichtung dient. Die
Schale 50 hat im Bereich der Sammelkammer 25 einen Einlaßstutzen 53
und im Bereich des Zündbrenners 3 einen Auslaßstutzen 54, der über
eine Leitung 55 mit den Luftzuführungsleitungen 31, 32 verbunden ist.
Zur Inbetriebnahme der beschriebenen Verbrennungsvorrichtung wird
zunächst die Glühkerze 37 mit Strom versorgt und durch die Brenn
stoffzuführleitung 30 vorzugsweise flüssiger Kraftstoff in die Aus
bauchung 36 der Aufbereitungskammer 4 geleitet. Gleichzeitig fördert
das Gebläse 46 Verbrennungsluft in die Aufbereitungskammer 4 durch
die beiden Eintrittsöffnungen 33, 34. Bei Erreichen einer bestimmten
Temperatur entzündet sich das Brennstoff-Luftgemisch in der Aufbe
reitungskammer 4 und die Flamme schlägt durch die Überströmöffnung 6
in die glockenförmige heiße Brennkammer 19. Nach einiger Zeit er
reicht der Glühkörper 40 Zündtemperatur, so daß die Flammenbildung
stabilisiert wird. Die Glühkerze 37 kann nun abgeschaltet werden.
Die unter Drall infolge der tangentialen Zuführung der Luft durch
die Überströmöffnung 6 in die heiße Brennkammer 19 schlagende Zünd
flamme wird durch die Ausbildung der Überströmöffnung 6 als Düse in
der Axialen konzentriert, so daß in der Mitte der heißen Brennkammer
19 eine sehr heiße Verbrennungskernzone gebildet wird, in der die
Rußpartikel 14 schnell auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Nach
einer Rezirkulation in der Brennkammer 19 strömen die Verbrennungs
abgase unter weiterer Reaktion durch einen relativ langen, durch die
Ringspalte 18, 21 und 22 gebildeten Weg in die Sammelkammer 25 und
von dort als sauberes, abgekühltes Abgas ab.
Neben dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Glühkörpers,
der eine Gasvermischung fördernde und die Flamme zur Überströmöff
nung 6 zur Brennkammer 1 hin leitende Flächen hat, sind andere Ge
staltungsformen möglich. Im Prinzip sind rotationssymmetrische For
men bevorzugt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat der
Glühkörper 40 eine zylindrische Grundform, in die kreuzweise vier
Längsnuten 61 eingearbeitet sind, so daß vier Längsrippen 62 gebil
det werden. In die radial äußere Fläche der Längsrippen 62 sind zu
sätzlich Längsnuten 63 eingeformt, deren Tiefe geringer ist als die
der Längsnuten 61. Anstelle von achsparallelen Längsnuten können in
den Glühkörper 40, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 darge
stellt ist, auch nur eine oder zwei Nuten 65 eingearbeitet sein, die
wendelförmig verlaufen und so dem Glühkörper die Form einer Schnecke
66 verleihen. Anstelle einer kompakten Gestaltung kann der Glühkör
per 40 auch die Form einer zylindrischen Hülse 70 haben, deren Man
tel von mehreren Durchbrüchen 71, 72 der Bohrungen durchsetzt ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 verlaufen die Durchbrüche 71
radial zur Längsachse des Glühkörpers. Dagegen durchsetzen die Durch
brüche 72 die Hülse 70 beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6
und 7 zur Radialen schräg, so daß die durchtretenden Gase einen
Drall erhalten.
Ergänzend wird bemerkt, daß die Teile der Verbrennungsvorrichtung
die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie insbesondere der Glüh
körper 40, aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff bestehen, bei
spielsweise aus einer unter dem Namen "Inconel" bekannten Nickel
basislegierung oder aus Keramik.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Verbrennen von Feststoffteilchen, insbesondere
Rußpartikel, im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einer zylind
rischen Brennkammer (1), mit einer durch eine Überströmöffnung (6)
mit der Brennkammer verbundenen Brennstoffgemisch-Aufbereitungskam
mer (4), in der eine Pilotflamme erzeugt und durch die Überströmöff
nung in die Brennkammer gerichtet wird, mit einem gleichachsig in
die Brennkammer gegen die Überströmöffnung ragenden, einen Auslaß
(12) aufweisenden Tauchrohr (10), durch das ein mit den Feststoff
teilchen (14) beladener Gasstrom (15) in die Brennkammer geleitet
wird, und mit einem das Verbrennungsgas (27) führenden, das Tauch
rohr teilweise umgebenden Abführrohr (20), dadurch gekennzeichnet,
daß der Auslaß (12) des Tauchrohrs (10) radial mündet, und daß das
Tauchrohr im Bereich des Auslasses von einer gegen die Überströmöff
nung (6) offenen, von der Wand der Brennkammer (1) radial beabstan
deten, glockenförmigen heißen Brennkammer (19) umgeben ist, derart,
daß die von der Pilotflamme gezündete Verbrennungsflamme innerhalb
eines begrenzten Volumens mit heißer Kernzone gefaßt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich
stromabwärts der die heiße Brennkammer (19) umschließenden Glocke
(16, 17) mehrere labyrinthartig ineinander übergehende Ringkanäle
(18, 20, 21) anschließen, innerhalb denen gleichachsig das Tauchrohr
(10) verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zy
lindrische Mantel der Glocke (16, 17) rückwärtig verlängert ist und
zusammen mit dem Mantel (2) der Brennkammer (1) sowie mit einem in
neren Rohrstück (20) die Ringkanäle (18, 21, 22) bildet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Glocke (16, 17) gleichachsig zur Überströmöffnung
(6) ausgerichtet ist, die als Düse mit zur Glocke hin sich verrin
gerndem Querschnitt ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an
die Brennkammer (1) eine von einer Tasse (24) umschlossene Sammel
kammer (25) mit einem Auslaß (26) anschließt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß am Ende des Tauchrohrs (10) mehrere radiale Düsen (12)
angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Brennstoff-Aufbereitungskammer (4) ein Glühkör
per (40) angeordnet ist.
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