DE3828256A1

DE3828256A1 - Brenner fuer schwer-entzuendbare gasgemische

Info

Publication number: DE3828256A1
Application number: DE3828256A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kolodzie; Dieter Dr Goerlich; Roland Fiola
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-08-19
Publication date: 1989-09-21
Also published as: US4955183A; DE3869391D1; JPH02146408A; EP0331795A1; EP0331795B1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Brenner für schwer-ent zündbare Gasgemische, insbesondere für Abgase einer Brennkraftmaschine, mit einer Brennkammer, einer Zündein richtung und einer Brennstoffeinspritzdüse.

Unter dem Begriff "schwer-entzündbare Gasgemische" sind bei der Erfindung solche zu verstehen, die wenig Sauerstoff enthalten, oder bei denen es sich um schwierig zu verbren nende Brennstoffe handelt. Bei einem Hauptanwendungsbeispiel eines solchen Brenners wird dieser dazu benutzt, heiße Ver brennungsgase zu erzeugen, die zur Einleitung der Regene rierung einer Partikel-Filteranlage im Abgastrakt einer Diesel-Brennkraftmaschine beispielsweise verwendet werden.

In der älteren Anmeldung derselben Anmelderin (P 37 28 712.5) ist ein derartiger Abgasbrenner beschrieben, bei dem ein Zünd-Hilfsbrenner vorgesehen ist, der mit Druckluft ver sorgbar ist. Gemäß einer anderen dort beschriebenen Ausbil dungsform weist der Brenner eine zusätzliche Lufteinblasein richtung in Höhe der Brennstoffdüse auf. Mit diesen Maßnahmen soll insbesondere beim Anwendungsbeispiel zur Regenerierung einer Abgasfilteranlage erreicht werden, daß die Regenerie rung der Filteranlage unabhängig vom Sauerstoffanteil im Abgas vorgenommen werden kann. Hierbei wird im Bereich um die Zündeinrichtung ein äußerst zündwilliges Gemisch aufbe reitet, um eine Zündung des Brenners auch dann bewirken zu können, wenn der Sauerstoffgehalt des Abgases gering ist. Dieser Sauerstoffgehalt des Abgases ist bekanntlich großen Schwankungen unterworfen, die insbesondere vom momentanen Betriebspunkt im Motorkennlinienfeld der Diesel-Brennkraft maschine in Fahrzeugen abhängig sind. Dieser Restsauerstoff gehalt im Abgas kann zwischen etwa 20% und etwa 4% liegen.

In DE-OS 35 26 074 ist eine Einrichtung zur Entfernung von brennbaren Festkörperteilchen aus Abgasen von Brennkraftma schinen beschrieben, bei der ein Zündbrenner vorgesehen ist, der über eine Überströmöffnung mit einer Brennkammer ver bunden ist, wobei dem Zündbrenner Zusatzluft und Kraftstoff zugeführt werden. In die Brennkammer wird über ein erstes Tauchrohr ein mit den Festkörperteilchen angereicherter Ab gasteilstrom eingeleitet, der nach Abbrand der Festkörper teilchen zusammen mit in die Brennkammer eingebrachter Zu satzluft zusammen mit den restlichen Verbrennungsprodukten über ein zweites Tauchrohr als gereinigtes Abgas wieder ab geführt wird. Bei dieser Einrichtung werden somit in der Brennkammer die brennbaren Festkörperteilchen des Abgases direkt zu Abgasreinigungszwecken verbrannt. Ein Hinweis auf die Anwendung dieser Einrichtung in Verbindung mit der Re generierung von Rußfilteranlagen ist dort nicht beschrieben, sondern diese Einrichtung stellt eine Alternative zu der Verwendung von Partikel-Filteranlagen im Abgasbereich einer Diesel-Brennkraftmaschine beispielsweise dar.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen Brenner für schwer-ent zündbare Gasgemische der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, der auch bei großem Sauerstoffmangel bzw. geringem O₂-Gehalt im Abgas zuverlässig gezündet und die Flamme im Brenner sta bil gehalten werden kann.

Nach der Erfindung zeichnet sich ein Brenner für schwer-ent zündbare Gasgemische, insbesondere für Abgase einer Diesel Brennkraftmaschine, mit einer Brennkammer, einer Zündein richtung und einer Brennstoffeinspritzdüse dadurch aus, daß in einem in Düsenstrahlrichtung der Brennstoffeinspritz düse gemessenen Abstand von der Mündungsöffnung derselben ein Staukörper angeordnet ist, der sich etwa senkrecht zur Mittelachse der Brennstoffeinspritzdüse erstreckt.

Bei dem Brenner nach der Erfindung wird durch den Staukörper die Brennkammer in ihrer Achsrichtung so unterteilt, daß sich im Bereich zwischen dem Staukörper und der Mündungs öffnung der Brennstoffeinspritzdüse eine mit Sauerstoff ange reicherte Zone bildet, die energiereich ist und eine hohe Wärmestromdichte hat. In dieser Zone läßt sich eine stabile Pilotflamme erzeugen, mittels der dann das schwer-entzündbare Gasgemisch in der Brennkammer des Brenners gezündet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Auslegung trifft ein Teil des von der Brennstoffeinspritzdüse abgegebenen Brennstoffs di rekt auf den Staukörper, der in einem solchen Bereich der Brennkammer liegt, daß dieser glühend wird.

Durch diese Tempera turanhebung bei glühendem Staukörper wird die Verbrennungswilligkeit des Gemisches auch im Falle eines schwer-entzündbaren Gasgemisches erhöht. Ein Flammabriß bzw. ein Verlöschen der Flamme in der Brennkammer wird selbst dann vermieden, wenn die in die Brennkammer eingespeisten Abgase einen niedrigen Sauerstoffgehalt haben und/oder hohe Abgasmengen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten in die Brennkammer eintreten. Somit gewährleistet der Staukörper beim erfindungsgemäßen Brenner zugleich, daß die Flamme in der Brennkammer unabhängig von den Mengen und des Sauerstoff gehalts des Abgases stabil aufrechterhalten wird. Der Stau körper bewirkt ferner, daß stromabwärts desselben eine Ver wirbelung erzeugt wird, wodurch die Vermischung der Gase in der Brennkammer stromab des Staukörpers mit dem Brennstoff intensiviert wird. Hierdurch werden günstigere Brennbedin gungen in der Brennkammer insgesamt gesehen erreicht.

Da gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfin dung nur ein Teil des aus der Brennstoffdüse austretenden Brennstoffs auf den Staukörper trifft, während der Rest an diesem vorbeigeht, ist auch im Bereich der Brennkammer strom abwärts von dem Staukörper Brennstoff vorhanden, der sich mit den dort befindlichen Gasen zu einem brennbaren Gasge misch vermischen kann, so daß die in der Zone zwischen der Brennstoffdüse und dem Staukörper erzeugte Pilotflamme leicht in den stromabwärts des Staukörpers liegenden Bereich zur Verbrennung des dort vorhandenen Gasgemisches übertreten kann.

Vorzugsweise ist der Staukörper als Stauscheibe ausgebildet und zweckmäßigerweise koaxial zur Achse der Brennstoffdüse derart angeordnet, daß ein Ringraum zwischen der Wand der Brennkammer und der Außenseite der Stauscheibe vorhanden ist, durch den von der Brennstoffdüse abgegebener Brennstoff zu dem stromabwärts der Stauscheibe liegenden Bereich der Brenn kammer gelangen kann.

Gemäß einer alternativen Auslegungsform kann der Staukörper von einer Lochscheibe gebildet werden, die eine Mittelöffnung hat und die an der Wand der Brennkammer angebracht ist. In diesem Fall tritt der Brennstoff aus der Brennstoffeinspritz düse durch die Mittelöffnung der Lochscheibe in den von der Lochscheibe stromabwärtig liegenden Bereich der Brennkammer des Brenners ein.

Gemäß einer Ausführungsvariante nach der Erfindung kann der Staukörper auch von einem durchmesser-reduzierten Bereich der Brennkammer, wie z.B. einer Einschnürung gebildet wer den, so daß man in der Brennkammer keine zusätzlichen Bau teile, wie eine Stauscheibe oder eine Lochscheibe vorzusehen braucht.

Eine weitere bevorzugte Ausbildungsform des Brenners nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß beim Betreiben des Brenners mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine Brenn luft, d.h. Frischluft bzw. Zusatzluft wenigstens in den Be reich zwischen dem Staukörper und der Brennstoffeinspritzdüse eingeleitet wird, so daß in der Zündphase des Brenners schnell und zuverlässig eine Pilotflamme im Bereich zwischen der Brennstoffdüse und dem Staukörper erzeugt werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung wird beim Betreiben des Brenners mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine das Abgas in die Brennkammer an einer Stelle eingeleitet, die in der Nähe des von der Brennstoff einspritzdüse abgewandten Endes der Brennkammer liegt. Hier durch wird erreicht, daß das von der Brennkraftmaschine kom mende Abgas nicht direkt in den Bereich zwischen der Brenn stoffeinspritzdüse und dem Staukörper gelangt, um die Auf bereitung eines äußerst zündwilligen Gasgemisches in diesem Bereich nicht nachteilig durch die Abgase der Brennkraftma schine zu beeinflussen.

In überraschender Weise hat sich gezeigt, daß sich eine deutlich ver besserte Funktion des Brenners erzielen läßt, wenn der Staukörper beispielsweise als Kegel, Kugel oder Kugelschale ausgelegt wird, die einem Kegel angenähert ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Brenners mit einem Staukörper,

Fig. 2 eine Draufsicht des Brenners nach Fig. 1 in der Schnittebene II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsva riante eines Brenners mit einer abgewandelten Ausführungsform eines Staukörpers, und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante eines Bren ners mit einer weiteren Ausführungsvariante eines Staukörpers.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Brenner insgesamt mit 1 bezeichnet. Der Brenner 1 weist eine Brennkammer 2 auf, an deren einem Ende eine Brennstoffeinspritzdüse 3 zur Brennstoffzufuhr vorge sehen ist. Mit einem Pfeil ist an dem von der Brennstoff einspritzdüse 3 gegenüberliegenden Ende der Brennkammer 2 der aus der Brennkammer 2 austretende heiße Verbrennungsgas strom angedeutet, der bei der bevorzugten Anwendungsform nach der Erfindung einer nicht näher dargestellten Par tikelfilter-Anlage im Abgastrakt einer Diesel-Brennkraftma schine beispielsweise zugeleitet wird, so daß der oder die Partikelfilter, wie Rußfilter, nach dem Zusetzen regeneriert werden kann, wobei mit den heißen Verbrennungsgasen aus der Brennkammer 2 der Abbrand der Rußpartikel im Rußfilter einge leitet werden kann. Der von der Mündungsöffnung 4 der Brenn stoffeinspritzdüse 3 abgegebene Düsenstrahl ist in gebrochenen Linien eingetragen. In Richtung dieses Düsenstrahls gesehen ist im Abstand von der Mündungsöffnung 4 der Brennstoffein spritzdüse 3 ein insgesamt mit 5 bezeichneter Staukörper ange ordnet, der bei der Ausbildungsform nach den Fig. 1 und 2 von einer Stauscheibe 6 gebildet wird, die entsprechend Fig. 2 über Stege 7 an der Wand 8 der Brennkammer 2 angebracht ist. Über die schematisch mit 9 angedeutete Öffnung tritt vorzugs weise sauerstoffreiche Luft, wie z.B. Frischluft oder Zusatz luft, in die Brennkammer 2 ein. Am von der Brennstoffeinspritz düse 3 abgewandt liegenden Ende der Brennkammer 2 ist ein Einlaß 10 dargestellt, über den von der Brennkraftmaschine beispielsweise kommende Abgase in die Brennkammer 2 eingeleitet werden. Ferner ist schematisch in den Figuren der Zeichnung und mit dem Bezugszeichen 11 versehen eine Zündeinrichtung dargestellt.

Der Staukörper 5 unterteilt die Brennkammer 2 in eine zwi schen der Brennstoffeinspritzdüse 3 und dem Staukörper 5 liegende erste Zone 2 a und eine stromabwärts von dem Stau körper 5 liegende zweite Zone 2 b.

Nachstehend wird die Arbeitsweise des vorstehend erläuterten Brenners 1 näher beschrieben. Bei dem Brenner 1 wird in der ersten Zone 2 a um die Brennstoffeinspritzdüse 3 gegebenenfalls unter Zuleitung von Zusatzluft über die Öffnung 9 ein äußerst zündwilliges Gemisch aus Brennstoff und Brennluft aufbereitet, wobei ein Teil des von der Brennstoffeinspritzdüse 3 abgegebe nen Brennstoffs auf den Staukörper 5 trifft. Mit Hilfe der Zündeinrichtung 11 wird dieses so aufbereitete Gemisch in der ersten Zone 2 a der Brennkammer 2 gezündet und es bildet sich in dieser ersten Zone 2 a eine Pilotflamme aus. Durch diese Pilotflamme wärmt sich der Staukörper 5, der nach den Fig. 1 und 2 als Stauscheibe 6 ausgelegt ist, auf und hierdurch wird die Brennstoffverdampfung des auf den Staukörper 5 auftreffen den Brennstoffteils des Brennstoffstrahls, der von der Brennstoffeinspritzdüse 3 kommt, intensiviert, indem durch die durch die Aufwärmung des Staukörpers 5 bewirkte Temperaturanhebung die Umgebungstemperatur in der Brennkammer 2 erhöht wird. Der so gebil dete Brennstoffdampf wird von dem Teil des Brennstoffs mit gerissen, der an dem Staukörper 5 vorbei in die Brennkammer gelangt, so daß dann mit Hilfe der Pilotflamme in der ersten Zone 2 a das Gasgemisch in der zweiten Zone 2 b der Brennkammer mit Hilfe der hierbei freigesetzten Energie zuverlässig zum Brennen gebracht werden kann. Dieses Gasgemisch in der zwei ten Zone 2 b der Brennkammer 2 enthält als Hauptbrennstoff die über den Einlaß 10 eingeleiteten Abgase der Brennkraftmaschine, deren Sauerstoffgehalt und deren Menge sowie Strömungsgeschwin digkeit sich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine stark ändern können. Der Staukörper 5 unterstützt zugleich die Durchmischung von Brennstoff und Gas in der Zone 2 b der Brennkammer 2, da durch den Staukör per 5 eine Verwirbelung des Gasgemisches erzeugt wird.

Im Brennbetrieb des Brenners 1 kommt der Staukörper 5 zum Glühen, und durch die hierbei abgestrahlte Wärme des glühen den Staukörpers 5 wird die Flammrückzündgeschwindigkeit im Bereich der Flammwurzel aufgrund der Lage des Staukörpers 5 erhöht, so daß in der Brennkammer 2 eine stabile Flamme auf rechterhalten wird. Selbst wenn über den Einlaß 10 Abgas mit niedrigem Sauerstoffgehalt und/oder hohe Abgasmengen bzw. das Abgas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit eintritt, wird dank der erfindungsgemäßen Auslegung wirksam ein Abriß der Flamme in der Brennkammer 2 und hierdurch ein Verlöschen der Flamme vermieden. Beim erfindungsgemäßen Brenner kann somit beim Einleiten des Brennbetriebes zuverlässig eine Art Pilot flamme in der ersten Zone 2 a der Brennkammer 2 durch die Un terstützung des Staukörpers 5 erzeugt werden, so daß auch un ter äußerst ungünstigen Bedingungen das schwer-entzündbare Gasgemisch in der zweiten Zone 2 b der Brennkammer 2 zum Brennen gebracht werden kann. Im Brennbetrieb des Brenners 1 wird mit Hilfe des Staukörpers 5 eine stabile Flamme in der Brennkammer 2 selbst bei ungünstigen Brennbedingungen in der zweiten Zone 2 b der Brennkammer 2 aufrechterhalten.

Die nachstehend erläuterten Ausführungsvarianten des Brenners 1 stimmen hinsichtlich der Wirkungs- und Funktionsweise über ein, so daß nachstehend lediglich die konstruktiven Unter schiede zu der anhand den Fig. 1 und 2 erläuterten Ausführungs form des Brenners 1 näher beschrieben werden.

Der Brenner 1 nach Fig. 3 weist als Staukörper 5 a eine Loch scheibe 14 auf, die an der Wand 8 der Brennkammer 2 in einem Abstand von der Brennstoffeinspritzdüse 3 angebracht ist. Die Lochscheibe 14 hat etwa in axialer Verlängerung der Mündungsöffnung 4 der Brennstoffeinspritzdüse 3 wenigstens eine Mittelöffnung 15, durch die Brennstoff von der Brenn stoffeinspritzdüse 3 in die zweite Zone 2 b der Brennkammer 2 gelangen kann. Der andere Teil des von der Brennstoffein spritzdüse 3 abgegebenen Brennstoffes trifft auf den schei benförmigen Teil der Lochscheibe 14 auf, so daß der Staukörper 5 a in Form der Lochscheibe 14 zu den im wesentlichen glei chen Effekten wie der Staukörper 5 in Form der Stauscheibe 6 nach den Fig. 1 und 2 führt.

Beim Brenner 1 nach Fig. 4 ist ein Staukörper 5 b vorgesehen, der den freien Durchtrittsquerschnitt der Brennkammer 2 re duziert. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Staukörper 5 b in Form einer Einschnürung der Brennkammer 2 ausgebildet. Mit diesem Staukörper 5 b in Form einer Einschnürung 16 werden im wesentlichen dieselben Effekte wie vorangehend im Zusam menhang mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 erzielt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das vorliegen de Beispiel beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Ins besondere können auch Kombinationen der vorangehend erläu terten Ausbildungsformen des Staukörpers 5, 5 a, 5 b vorge sehen werden, oder es können beispielsweise in Abständen voneinander entfernt auch zwei oder mehrere Staukörper 5, 5 a, 5 b in Strömungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet werden. Selbstverständlich kann die Wirkung des Staukörpers 5, 5 a, 5 b auch durch eine entsprechende Ausbildung der In nenwand 8 des Brennkammer 2 und/oder eine entsprechende An ordnung der Brennstoffeinspritzdüse 3 erzielt werden. Ferner ist es möglich, daß die Brennstoffeinspritzdüse 3 auch in Abweichung von den dargestellten Beispielen nicht koaxial in der Brennkammer 2 vorgesehen ist, sondern beispielsweise achsversetzt oder geneigt angeordnet sein kann.

Wie in Fig. 1 in gebrochenen Linien eingetragen ist, kann die Stau scheibe 6 durch einen Staukegel 5′ oder einen kugelschalenförmigen Staukörper 5′′ ersetzt wenden. Als Staukörper 5 könnte auch ein solcher mit Kugelgestalt gewählt werden. Hierdurch kann bei fertigungs technischer Vereinfachung ein effizienterer Betrieb des Brenners 1 erreicht werden.

Bezugszeichenliste

1 Brenner insgesamt
2 Brennkammer
2 a erste Zone
2 b zweite Zone
3 Brennstoffeinspritzdüse
4 Mündungsöffnung von Brennstoffeinspritzdüse 3
5 Staukörper
5 a Staukörper in Fig. 3
5 b Staukörper in Fig. 4
6 Stauscheibe
7 Stege
8 Wand von Brennkammer 2
9 Öffnung für Brennluft
10 Einlaß für Abgase
11 Zündeinrichtung
14 Lochscheibe in Fig. 3
15 Mittelöffnung derselben
16 Einschnürung in Fig. 4
5′ Staukegel
5′′ Kugelschale

Claims

1. Brenner für schwer-entzündbare Gasgemische, ins besondere für Abgase einer Brennkraftmaschine, mit einer Brennkammer, einer Zündeinrichtung und einer Brennstoffeinspritzdüse, dadurch gekennzeich net, daß in einem in Düsenstrahlrichtung der Brennstoff einspritzdüse (3) gemessenen Abstand von der Mündungsöff nung (4) derselben ein Staukörper (5, 5 a, 5 b) angeordnet ist, der sich etwa senkrecht zur Mittelachse der Brennstoff einspritzdüse (3) erstreckt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des aus der Brennstoffeinspritzdüse (3) austretenden Brennstoffs auf den Staukörper (5, 5 a, 5 b) trifft, während der Rest an diesem vorbeigeht.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Staukörper (5) als Stauscheibe (6) aus gebildet ist.

4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Staukörper (5 a) von einem mit wenigstens einer Mittelöffnung (15) versehenen Lochscheibe (14) ge bildet wird, die an der Wand (8) der Brennkammer (2) ange bracht ist.

5. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Staukörper (5 b) von einem im durchmesser- reduzierten Bereich der Brennkammer (2) gebildet wird.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durchmesser-reduzierte Bereich eine Einschnürung (16) der Brennkammer (2) ist.

7. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betreiben des Brenners (1) mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine Brennluft wenigstens in den Bereich (2 a) zwischen dem Staukörper (5, 5 a, 5 b) und der Brennstoffeinspritzdüse (3) eintritt.

8. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betreiben des Brenners (1) mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine das Abgas im Bereich (2 b) des von der Brennstoffeinspritzdüse (3) abgewandten Endes der Brennkammer (2) in diese eintritt.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Staukörper (5) als Staukegel (5′) kugelförmig oder als eine an die Kegelform angenäherte Kugelschale (5′′) aus gebildet ist.