DE3729861A1 - Russfiltervorrichtung fuer einen dieselmotor - Google Patents
Russfiltervorrichtung fuer einen dieselmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rußfiltervorrichtung für
einen Dieselmotor nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Dieselmotoren produzieren bei bestimmten Lastfällen
Ruß, der aus den Abgasen ausgefiltert werden sollte. In
Erprobung sind keramische Rußfilter, die den Ruß von 5
bis 8 Stunden Fahrbetrieb aufnehmen können. Danach muß
das Filter regeneriert werden. Die Regenerierung er
folgt durch Verbrennung der Rußpartikel mit hohen Ab
gastemperaturen von mindestens 600°C. Derartig hohe
Abgastemperaturen sind bei Dieselmotoren wegen des ho
hen Luftüberschusses nicht vorhanden. Derzeit sind Ver
fahren in Erprobung, bei denen die Filtervorrichtung
einen eigenen Brenner aufweist. Da dieser Brenner gegen
den pulsierenden Abgasdruck des Dieselmotors nicht
anarbeiten kann, sind Einrichtungen in Erprobung, bei
denen während der Regeneration das Filter über einen
zusätzlichen Schalldämpfer überbrückt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ruß
filtervorrichtung der im Oberbegriff des Patentan
spruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei der die
Regeneration des Filters während des Betriebs des
Dieselmotors ohne Umleitung der Motorabgase durchge
führt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an
gegebenen Merkmalen.
Bei der erfindungsgemäßen Rußfiltervorrichtung erfolgt
in der Hauptbrennkammer des Brenners eine nur teilweise
Verbrennung des zugeführten Brennstoffs mit Hilfe von
zwangsweise in einem bestimmten Mengenstrom zugeführter
Luft, jedoch ohne Rußbildung. Der unverbrannte Teil des
Brennstoffs wird zusammen mit den Brenngasen der Nach
brennkammer zugeführt, wo er durch den im Motorabgas
enthaltenen Sauerstoff verbrennt. Der erste Teil der
Verbrennung wird mit zugeführter externer Luft durch
geführt, und nur zur Nachverbrennung werden die Motor
abgase benutzt. Da Druckluft nur für die Hauptver
brennung in unterstöchiometrischer Menge zugeführt
wird, ist der Luftbedarf relativ gering.
Die Zerstäuberdüse des Brenners ist vorzugsweise eine
mit Drallelementen versehene Ringdüse. Diese Ringdüse
weist eine ringförmige Zerstäuberzunge auf, an der
innen Brennstoff entlangstreicht, der von dem rotie
renden Luftstrom unter Bildung eines Strömungskegels
feinzerstäubt wird. Eine zuverlässige stabile Ver
brennung wird trotz pulsierendem Gegendruck und trotz
Luftmangel durch Verwendung einer solchen "Luftzer
stäuberdüse" erreicht. Wird die gesamte Luft für die
Hauptverbrennung zugeführt mit einem Differenzdruck von
mindestens 10 mbar, erhält man unmittelbar hinter der
Düse eine intensive Mischung von feinem Brennstoffnebel
mit der Verbrennungsluft. Zusammen mit der durch die
Drallelemente der Zerstäuberdüse bewirkten Heißgas
rezirkulation führt dieses zu einer von den Druck
pulsationen unabhängigen Verbrennung.
Die dem Brenner zugeführte Druckluft kann dem Druck
luftsystem des Fahrzeugs entnommen und über eine mit
überkritischem Druckverhältnis betriebenen Düse der
Zerstäuberdüse zugeführt werden. Überkritisches Druck
verhältnis bedeutet, daß die Luft im engsten Düsenquer
schnitt mindestens mit Schallgeschwindigkeit strömt.
Damit kann eine von den Druckpulsationen des Motor
abgases unabhängige Leistung des Brenners gefahren
werden.
Alternativ kann die Verbrennungsluft durch ein Ver
drängergebläse gefördert werden. Auch hierbei wird der
Luftmassenstrom vom Gegendruck des Dieselabgasstroms
nicht oder nur geringfügig beeinflußt, und es wird ein
Brennerbetrieb mit vom pulsierenden Motordruck unbe
einflußtem Luftmengenstrom und damit unbeeinflußter
Brennerleistung gewährleistet. Wenn man den Luft
verdichter mit der Drehzahl des Dieselmotors koppelt
und den Kraftstoff ebenfalls mit einer Verdrängerpumpe
fördert, erhält man eine drehzahlproportionale Gemisch
mengensteuerung. Ändert sich die Drehzahl des Diesel
motors, so paßt sich die Brennerleistung dem
veränderten Abgasmassenstrom an. Hierdurch kann die
Temperatur am Filter während der Regeneration optimal
eingehalten werden.
Der Brenner ist so klein, daß er leicht in das Filter
gehäuse eingebaut und durch einen Wärmeaustauscher mit
dem Motorabgas gekühlt werden kann.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun
gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt der
Filtervorrichtung,
Fig. 2 einen detaillierten Längsschnitt durch die
Zerstäuberdüse,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von
Fig. 2, und
Fig. 4 ein anderes Beispiel der Luftversorgung der
Zerstäuberdüse.
Die in Fig. 1 dargestellte Filtervorrichtung weist ein
zylindrisches Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10 hat an
einem Ende einen radialen oder tangentialen Einlaß 11
für die Motorabgase und enthält ein den gesamten Ge
häusequerschnitt einnehmendes Keramikfilter 12. Am
anderen Ende des Gehäuses 10 befindet sich der Auslaß
stutzen 13, durch den die Motorabgase und Brenngase aus
dem Gehäuse austreten.
Der Abgaseinlaß 11 führt in eine ringförmige Verteiler
kammer 14, die die Hauptbrennkammer 15 des Brenners 16
umgibt. Die Zerstäuberdüse 17 ist an der Deckelwand 18
des Düsengehäuses 19 angebracht. Diese Deckelwand 18
ist an die Stirnwand des Gehäuses 10 angeflanscht und
begrenzt die Hauptbrennkammer 15. Die Brennstoffleitung
20 führt in das Düsengehäuse 19 hinein und ist direkt
mit der Zerstäuberdüse 17 verbunden. Das Düsengehäuse
19 hat ferner einen Lufteinlaß 21, durch den Druckluft
in das Innere des Düsengehäuses hineingepreßt wird. Wie
Fig. 2 zeigt, führt die Brennstoffleitung 20 durch das
Innere des Düsenkörpers 17 a hindurch und tritt an des
sen Stirnseite aus. Um das Austrittsrohr 20 a herum,
sind an der flanschartigen Stirnwand 22 des Düsenkör
pers zahlreiche luftleitende Drallelemente 23 in Form
von Flügeln angeordnet. Diese Drallelemente 23 sind
gemäß Fig. 3 in Umfangsrichtung schräggestellt und sie
verjüngen sich zum inneren Ende hin. Die Drallelemente
23 begrenzen Kanäle 24, durch die die radial einströ
mende Luft eine Umfangskomponente enthält. Jeder der
Kanäle 24 verringert sich im Querschnitt zu seinem
inneren Ende hin, so daß in jedem Kanal 24 die Luft
zunehmend beschleunigt wird.
Die Drallelemente 23 sind zwischen der Stirnwand 22 und
einer parallel zu dieser Stirnwand verlaufenden Platte
25 angeordnet. Die den Drallelementen 23 abgewandte
Stirnwand der Platte 25 bildet die Begrenzungswand
eines weiteren Düsenraumes, der ebenfalls mit Drall
elementen 26 ausgestattet ist, die an der Stirnseite
einer weiteren Platte 27 angebracht sind. Die Platte 27
verläuft parallel zur Platte 25 und ihre Drallelemente
26 sind in gleicher Weise ausgebildet und angeordnet
wie die Drallelemente 23 der Platte 22.
Die durch den Drucklufteinlaß 21 seitlich in das Düsen
gehäuse 19 einströmende Luft verteilt sich im Innern
des Düsengehäuses und strömt radial in die Kanäle 24
zwischen den Drallelementen 23 sowie in die entspre
chenden Kanäle zwischen den Drallelementen 26 ein.
Durch die Drallelemente erhält die Luft einen Drall,
d.h. eine kreisende Bewegung.
Die Platte 25 ist ringförmig ausgebildet und ihr inne
rer Rand hat die Form einer in Strömungsrichtung axial
abstehenden, ringförmigen, sich zum Ende hin konisch
verjüngenden Schneide 29. Auch die innere Kante der
ringförmigen Platte 27 ist in Strömungsrichtung axial
umgebogen und sie bildet einen konischen Ring 30, der
die Schneide 29 mit radialem Abstand umgibt.
Der aus dem Rohr 20 a austretende flüssige Brennstoff
wird von dem rotierenden Luftstrom erfaßt und auf die
Innenseite der Schneide 29 aufgesprüht. Die Schneide 29
wird zu beiden Seiten von rotierenden und sich axial
bewegenden Luftströmen umströmt, die den Brennstoff von
der kreisförmigen scharfen Spitze der Schneide 29 ab
reißen und ihn fein und gleichmäßig in Tröpfchenform
verteilen. Die Brennstofftröpfchen vermischen sich da
bei mit der Verbrennungsluft und treten zusammen mit
dieser in die rohrförmige Hauptbrennkammer 15 ein. In
folge der Drallinjektion unter hohem Druck entstehen
in der Hauptbrennkammer 15 ringförmige Strömungswalzen,
in denen ein Teil des Gemischstroms zurückgeführt wird,
und die um die Längsachse herum rotieren. Zum Zünden
des Gemisches ist in der Hauptbrennkammer 15 eine Elek
trode 31 angeordnet.
Die Hauptbrennkammer 15 ist an dem der Zerstäuberdüse
17 abgewandten Ende durch eine Ringwand 32 begrenzt,
die eine Öffnung 33 für den Austritt der Brenngase bil
det. Im Abstand hinter der Ringwand 32 befindet sich
eine Stirnwand 34, die den hinter der Hauptbrennkammer
15 liegenden Raum 35 begrenzt. An der Umfangswand der
Außenseite der Hauptbrennkammer 15 verlaufen Wärme
tauscherrippen 36, die sich bis zur Stirnwand 34 er
strecken. Zwischen diesen Wärmetauscherrippen 36 strö
men die Brenngase radial aus dem Raum 35 heraus in die
Nachbrennkammer 37, die an einem Ende durch das Filter
12 begrenzt wird.
Von der Verteilerkammer 14 führt ein ringförmiger
Durchlaß 38 zu den Wärmetauscherrippen 36. Die
Motorabgase strömen durch den Durchlaß 38 hindurch, an
den Wärmetauscherrippen 36 entlang, und werden dann mit
den Verbrennungsgasen vermischt, um mit diesen
gemeinsam in die Nachbrennkammer 37 einzuströmen. Von
dort strömt das heiße Gasgemisch durch das Filter 12
zum Auslaßstutzen 13.
Die Kammer 35 bildet an ihrem Umfang einen Querstrom
mischer 39, in dem eine intensive Mischung der Gas
ströme stattfindet.
Der Drucklufteinlaß 21 enthält eine kritisch durch
strömte Düse 40, die über ein Schaltventil 41 an den
Druckluftsammler 42 des Dieselmotors DM angeschlossen
ist. Die Abtriebswelle des Dieselmotors treibt (direkt
oder über eine Untersetzung) ein Gebläse 43, das den
Druckluftsammler 42 speist.
Wenn das Ventil 41 geöffnet ist und Brennstoff in die
Brennstoffleitung 20 gepumpt wird, gelangen Brennstoff
und Luft zur Zerstäuberdüse 17. Durch den in der Zer
stäuberdüse 17 aufgeprägten Drall stabilisiert sich die
Flamme und brennt trotz der unterstöchiometrischen
Luftmenge rußfrei. Das Abgas des Motors gelangt über
den Einlaß 11 und die Verteilerkammer 14 zwischen die
Wärmetauscherrippen 36, um die Wand der Hauptbrennkam
mer 15 zu kühlen. Nach dem Vermischen von Motorabgas
und Verbrennungsgas im Querstrommischer 39 erfolgt das
Ausbrennen der Flamme mit Hilfe des im Abgas enthalte
nen Restsauerstoffs in der nach Brennkammer 37. Das so
aufgeheizte Gas strömt durch das keramische Filter 12
und brennt den Ruß ab.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die der
Zerstäuberdüse 17 zugeführte Druckluft von einer volu
metrischen Pumpe oder Verdrängerpumpe 45 erzeugt wird.
Die Verdrängerpumpe 45 ist über eine Kupplung 46, mit
der Abtriebswelle 47 des Dieselmotors DM (direkt oder
über ein Getriebe) gekuppelt. Der Brennstoff wird der
Brennstoffleitung 20 ebenfalls über eine Verdränger
pumpe 48 zugeführt, die von der Abtriebswelle 47 des
Dieselmotors angetrieben ist. Da die Mengen von Druck
luft und Brennstoff beide in Abhängigkeit von der Mo
tordrehzahl variieren, ihr gegenseitiges Verhältnis
aber konstant bleibt, erfolgt eine drehzahlproportio
nale Gemischmengensteuerung. Dadurch paßt sich die
Brennerleistung bei variierender Drehzahl des Diesel
motors immer dem veränderten Abgasmengenstrom an. Da
durch kann die Temperatur am Filter während der Regene
ration weitgehend konstant gehalten werden.
Claims (8)
1. Rußfiltervorrichtung für einen Dieselmotor, mit
einem an die Abgasleitung angeschlossenen Filter
(12) und einem Brenner (16) zum Freibrennen des
Filters, wobei der Brenner (16) eine
Zerstäuberdüse (17) für Brennstoff und einen
Brennraum aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Luftstromzerstäuberdüse (17) Druckluft
im Verhältnis zum Brennstoff unterstöchio
metrisch in konstantem Mengenstrom zugeführt
wird, daß der Brennraum in eine sich an die Luft
stromzerstäuberdüse (17) anschließende Haupt
brennkammer (15) und eine dahinter angeordnete
Nachbrennkammer (37) unterteilt ist und daß die
Abgase des Dieselmotors zur Nachverbrennung des
Brennstoffs in die Nachbrennkammer (37) einge
leitet werden.
2. Rußfiltervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptbrennkammer (15) durch eine
Ringwand (32) begrenzt ist.
3. Rußfiltervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptbrennkammer (15) von einem
Wärmetauscher (36) umgeben ist, den die Abgase
vor Erreichen der Nachbrennkammer (37)
durchströmen.
4. Rußfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß hinter der Hauptbrennkammer (15) ein
Querstrommischer (39) angeordnet ist, der von
den Abgasen des Brenners radial und von den
Abgasen des Motors axial durchströmt wird.
5. Rußfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zerstäuberdüse (17) eine mit Drall
elementen (23, 26) versehene Luftstromzerstäuber
düse ist.
6. Rußfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckluft dem Druckluftsystem des
Fahrzeugs entnommen und über eine bei kritischem
Druckverhältnis betriebene Düse (40) der
Zerstäuberdüse (17) zugeführt wird.
7. Rußfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckluft von einem Verdrängergebläse
(43) erzeugt wird.
8. Rußfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner (16), zusammen mit dem Filter
(12), im selben Gehäuse (10) angeordnet ist.
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