DE4025017C2 - Abgasleitung mit einem Partikelfilter und einem Regenerierungsbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasleitung einer Verbrennungsmaschine mit einem Partikelfilter und einem Brenner zur Regenerierung des Filters gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine derartige Abgasleitung geht aus der US-A-43 45 431 als bekannt hervor. Dabei sind Abgasleitungen und Brennkammer in Strömungsrichtung koaxial ineinander angeordnet. Das Abgas wird im Ringraum zwischen Brennkammer und Abgaslei­ tung spiralförmig verströmt; es wird jedoch keiner zusätz­ lichen Verwirbelung unterworfen. Der gesamte Abgasstrom strömt außen an der Brennkammerwand entlang. Die Heißgase treten aus der Brennkammer durch Perforationen der Brenn­ kammerwand in den die Brennkammer umgebenden Ringraum aus, wo die Vermischung der Heißgase mit den Abgasen erfolgt. Auch am inneren Ende der Brennkammer erfolgt eine weitere Vermischung der dort austretenden Heißgase mit den die Brennkammer umströmenden Abgasen. Die Brennkammer ist an ihrem inneren Ende bis auf eine zentral angeordnete kegel­ förmige Blende praktisch offen.

Bei der bekannten Abgasleitung kann unverbrannter Brenn­ stoff bis zum Filter gelangen, so daß dort mit einer heftige Nachverbrennungsreaktion zu rechnen ist, womit die Gefahr einer Zerstörung des Filters gegeben ist.

Aus der US-46 15 173 ist ein weiteres Abgassystem bekannt, bei dem ein Partikelfilter in einem Abschnitt einer Abgas­ leitung angeordnet ist. Dabei mündet vor dem Filter im spitzen Winkel ein Brenner in die Abgasleitung. Der mit Zerstäuberluft und Primärverbrennungsluft im Brenner vermischte Brennstoff wird mittels einer Zündkerze gezündet und strömt schließlich mehr oder weniger vollständig verbrannt schräg in die Abgasleitung ein. Das Heißgas wird dabei vornehmlich einseitig vom Abgas kontaktiert, wobei noch unverbrannter Brennstoff mit Restsauerstoff aus den Abgasen oxidiert wird.

Bei beiden bekannten Anordnungen erfolgt keine innige Mischung zwischen Heiß- und Abgasen. Außerdem erfolgt die Oxidation von unverbranntem Brennstoff mit Abgasrestsauer­ stoff relativ nahe am Filtereingang, so daß Stichflammen lokale Überhitzungen und damit die Zerstörung des Filters verursachen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgassystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei einem möglichst geringen Platzbedarf für den Brenner eine vollständige Verbrennung und eine gute Vermischung zwischen Abgas und Heißgas gewährleistet und eine Zerstö­ rung des Filters durch lokale Überhitzung vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Danach wird ein erster Anteil der Abgase innerhalb und ein weiterer Anteil der Abgase außerhalb des Brennraumes den Heißgasen zugemischt, wodurch der vorhandene Brennraum für die Vermischung mitgenutzt wird, und das Abgas kann rundum und damit in homogener Form dem Heißgas zugemischt werden, wobei die stufenweise Zumischung eine vollständige Vermi­ schung der beiden Gasströme gewährleistet.

Damit sind die weiteren Vorteile verbunden, daß ein wesent­ licher Anteil des unverbrannten Brennstoffes bereits früh­ zeitig vom Restsauerstoff oxidiert wird, so daß in der Nähe des Filters allenfalls nur noch kleine, das heißt kurze Stichflammen entstehen. Der Brenner kann demzufolge relativ nahe an den Filter heran angeordnet werden. Durch die stufenweise Zumischung des Abgases wird ferner die Gefahr ausgeschlossen, daß die Brennerflamme ausgeblasen wird.

Die vorstehende erfindungsgemäße Ausgestaltung hat zum Ergebnis, daß einerseits der Mischraumbedarf nicht erwei­ tert werden muß und daß andererseits durch die Aufteilung der Zustrom in die Brennkammer entsprechend dosiert werden kann, um ein Ausblasen der Brennerflamme zu vermeiden.

Die für das Einströmen der Abgase in die Brennkammer vorge­ sehenen Leitöffnungen sind bevorzugt so angeordnet, daß das eintretende Abgas so geleitet wird, daß es innerhalb der Brennkammer nahe der Brennkammerwandung strömt. Bei einer zylindrischen Brennkammer wird der Abgasstrom spiralförmig mit einer stärkeren axialen Komponente strömen und sich mit der Peripherie des Heißgasstromes vermischen. Unverbrannter Brennstoff im zentrischen Bereich des Heißgases wird dabei bis zum Austritt aus der Brennkammer unoxidiert bleiben und erst mit dem zweiten Abgasanteil verbrannt werden. Die Sekundärverbrennung außerhalb des Brennraumes kann bei entsprechender Auslegung derart reduziert werden, daß trotz geringem Zwischenraum zwischen Brenner und Filter örtliche Überhitzungen des Filters vermieden werden.

Es ist zweckmäßig, daß die Abgasleitung im Bereich der Brennkammer so ausgestaltet ist, daß das Abgas spiralartig um den Brenner leitbar ist. Das erlaubt gleichzeitig eine Kühlung der Brennkammer, die gewünschte spiralförmige, wandnahe Strömung des ersten Abgasanteiles im Brennraum und eine verbesserte Durchmischung der Abgase und der Heißgase außerhalb des Brennraumes.

Die Vermischung der Gase außerhalb der Brennkammer kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch Leit-, Stau- und/oder Umlenkeinrichtungen begünstigt werden. Die Verwirbelung der Abgase erfolgt vorzugsweise im Bereich des Heißgasaustrittes. Dazu werden die Umlenk- bzw. Staueinrichtungen möglichst nahe an den Austrittsöffnungen der Heißgase angeordnet.

Als Stauscheiben ausgebildete Einrichtungen können vorteil­ haft gleichzeitig zur Fixierung des Brenners in der Abgas­ leitung verwendet und entsprechend ausgebildet werden.

Die Primärverbrennungsluft kann derart tangential in das Mischrohr eingeleitet werden, daß sie die Zerstäubung des Brennstoffes unterstützen kann. Mit Hilfe von Leiteinsätzen ist es dabei zusätzlich möglich, eine Rezirkulation des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Mischrohres zu bewirken.

Eine gute Zerstäubung und Vermischung ermöglicht eine gute Verbrennung im Vorfeld und eine Verkleinerung der Brenn­ stofftröpfchen, so daß größeren Stichflammen beim Kontakt der Heißgase mit dem Restsauerstoff aus den Abgasen entge­ gengewirkt werden kann. Durch entsprechende Dosierung der Primärluftzufuhr läßt sich der Verbrennungsablauf und insbesondere die Nachverbrennung weiterhin beeinflussen und optimieren.

Mit einem in der Primärluftzuführung vorgesehenen Rück­ schlagventil wird eine Strömungsumkehr innerhalb dieser Zuführung bei erhöhtem Gegendruck im Abgassystem vermieden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenner so ausgelegt, daß die Oxidierung des Brennstoffes von dessen Einspritzung bis zur vollständigen Verbrennung in Etappen erfolgt, und zwar zunächst durch Zumischen von Primärluft und anschließend durch stufenweises Zumischen von Abgas.

Die Brennstoffzufuhr zum Brenner der erfindungsgemäßen Abgasleitung wird vorzugsweise so geregelt, daß der Brenner beim Starten mit einer Brennstoffmenge beschickt wird, die ein rasches Anheben der Temperatur der Heißgase auf die Abgastemperatur erlaubt. Anschließend wird die Brennstoff­ menge so geregelt, daß ein gleitender Anstieg der Abgastem­ peratur vor dem Filter erfolgt. Damit sollen sprunghafte Temperaturwechsel im Filter und Umgebung vermieden werden.

Die Brennstoffzufuhr erfolgt vorzugsweise intermittierend mittels bekannter Einrichtungen.

Die einstellbare Mindestbrennstoffmenge wird zur Aufrechterhaltung einer Zündflamme ausgelegt, die dann eingeregelt wird, wenn der Restsauerstoffanteil im Abgas gering, d. h. unter 6-8% zu liegen kommt. Dieses erfolgt beispielsweise bei Vollastbetrieb der Verbrennungsma­ schine. Demzufolge kann die Einstellung der Mindestbrenn­ stoffmenge in Abhängigkeit der Regelstange der Verbren­ nungsmaschine erfolgen. Die Einstellung der Mindestbrenn­ stoffmenge ist auch mittels eines Sauerstoffsensors möglich, der den Restsauerstoff des Abgases vor dem Brenner mißt.

Im übrigen wird die Brennstoffmenge vorzugsweise in Abhän­ gigkeit des Maschinenbetriebes geregelt und zwar derart, daß die Abgastemperatur vor dem Filter nach Erreichen der Partikelzündtemperatur konstant bleibt. Regelungsparameter können dabei die Drehzahl der Maschine, die Temperatur der aus der Maschine austretenden Abgase und dergleichen sein. Bevorzugt wird die Regelung in Abhängigkeit der unmittelbar vor dem Filter herrschenden Temperatur durchgeführt. Dieser Parameter schließt den Einfluß des Brenners ein.

Der Brenner bzw. die Brennerleistung wird somit innerhalb der Regenerierungsperioden in Abhängigkeit des Maschinenbetriebes geregelt, insbesondere um eine konstante Temperatur der durch den Filter durchtretenden Abgase zu erreichen, wobei die Temperaturhöhe zwischen 600 und 700°C gewählt wird. Die Einschaltung der Mindestbrennstoffmenge aufgrund geringen Abgas-Restsauerstoffes hat jedoch Priorität.

Die Einleitung der Regenerierphase kann nach bekannten Methoden, z. B. in Abhängigkeit der Druckdifferenz am Filter, erfolgen. Eine Regelung, die unter Nutzung des Partikelfeldemissions-Kennfeldes die im Zeitraum erzeugten Partikelmenge errechnet und bei Erreichen eines vorbestimmten Wertes die Regenerierphase einleitet, ist zu bevorzugen.

Die Beendigung einer Regenerierphase kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Abhängigkeit der Temperatur nach dem Filter geschehen. Dabei wird die Brennstoffzufuhr für den Brenner bei Erreichen einer Temperatur von 500°C nach dem Filter und nach dem Ablauf einer zusätzlichen Zeitspanne abgeschaltet. Der nach dem Erreichen von ca. 500°C aufrechtzuerhaltende Brennerbetrieb dient zur vollständigen Oxidierung des im Filter festgehaltenen Rußes. Die Zeitspanne, die um die 3 Minuten. bei niedriger Maschinenlast länger dauert, wird in Abhängigkeit der Verbrennungsmaschinendrehzahl geregelt
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Zeichnung zeigt einen Abschnitt einer Abgasleitung 10, in der ein Regenerierbrenner 11 und ein Partikelfilter 12 angeordnet sind. In diesem Bereich mündet ein Abgasrohrabschnitt 13 tangential in den nachfolgenden Abgasrohrabschnitt 14, in dem ein Flammenrohr 15 des Brenners 11 koaxial angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung wird das Abgas 16 spiralförmig in einem Ringraum 17, der das Flammenrohr 15 umgibt, zum Filter 12 geleitet.

Das Flammenrohr 15 ist in einer Umfangsebene mit Leitöffnungen 20 versehen, die auf dem Umfang in regelmäßigen Abständen aufgeteilt sind. Durch diese Leitöffnungen 20 gelangt ein Teil 16a der Abgase in den durch das Flammen­ rohr 15 gebildeten Brennraum 21. Die Leitöffnungen 20 sind so ausgebildet, daß der eintretende Gasanteil 16a in der Nähe der Wandung des Brennraumes 21 spiralförmig zirkuliert und dabei sich nur mit dem Randgebiet der vom Brenner erzeugten Heißgase 22 vermischt. Damit soll verhindert werden, daß der in den Brennraum 21 eintretende Abgasanteil 16a die Heißgasflamme 22 ausbläst. Es können bei Bedarf mehrere Reihen von Leitöffnungen im Flammenrohr 15 vorgesehen werden.

Der Restanteil 16b der Abgase 16 strömt um das Flammenrohr 15 herum und gelangt an eine senkrecht zur Strömungsachse angeordnete Stauscheibe 25, die mit Durchlässen 26 versehen ist, durch die der zweite Abgasanteil 16b nach Durchtritt verwirbelt wird (27). Die Verwirbelung 27 erfolgt in der Umgebung der aus dem Flammenrohr 15 austretenden Heißgase 28. Für den Heißgasaustritt aus der Brennkammer 21 sind radiale Austrittsöffnungen 29 vorgesehen, die mindestens in einer Ebene am Umfang des Flammenrohres 15 in regelmäßigen Abständen verteilt sind. Die Stirnseite 30 des Flammenrohres 15, die parallel zur Eintrittsfläche 31 des Filters 12 verläuft, ist geschlossen.

Durch die vorstehend beschriebene Abgas- und Heißgasführung erfolgt eine stufenweise Oxidierung des in den Brenner 11 eingeführten Brennstoffes. Die Anzahl der Oxidationsetappen kann im axialen Verlauf der Heißgase 22 verviel­ facht werden, indem durch mehrere Reihen von Öffnungen das Abgas 16 in mehreren Stufen dem Heißgas 22 zugemischt wird.

Zusätzlich zu dem Restsauerstoff aus den Abgasen 16 wird dem Brenner 11 Primärluft 40 zugeführt. Mit der Primärluft und dem Abgasrestsauerstoff wird eine vollständige Verbrennung im Brenner 11 bei jeder Betriebslast der die Abgase 16 produzierenden Verbrennungsmaschine gewährleistet. Der Brenner 11 ist hierzu mit einem Mischrohr 41 versehen, in das die Primärluftzuführung 42 tangential ein mündet. Aus der Zerstäuberdüse 45 gelangt Brennstoff- Luftgemisch in das Mischrohr 41. Die Primärluft 40 unterstützt die Zerstäubung des Brennstoffes 46 und bringt das Brennstoff-Luftgemisch 46 innerhalb des Mischrohres 41 in eine Drallbewegung. Durch Leiteinsätze innerhalb des Mischrohres 41 kann eine Rezirkulation des im Mischrohr 41 gezündeten Brennstoffluftgemisches bewirktwerden, um eine vollständige Nutzung des im Mischraum 47 verfügbaren Sauerstoffes und eine Feinzerstäubung des Brennstoffes zu erreichen.

Eine oder mehrere weitere Oxidiationsetappen von noch nicht verbranntem Brennstoff erfolgen im Brennraum 21 durch die vorstehend beschriebene Einführung vom ersten Abgasanteil 16a. Die vollständige Verbrennung wird spätestens an dem der Zerstäuberdüse 45 entgegengesetzten Ende des Flammenrohres 15 erfolgen, wenn das Heißgas 28 aus dem Flammenrohr 15 heraustritt und sich mit dem Restabgasanteil 16b vermischt.

Der Brenner wird jeweils bei Bedarf während des Betriebes der Verbrennungsmaschine in Betrieb genommen. Für die Inbetriebnahme des Brenners 11 ist ein Regler 50 vorgesehen, der in Abhängigkeit des Füllgrades des Filters 12 ein Brennstoffventil 51 und ein Primärluftventil 52 betätigt. Die Einleitung der Regenerierphase kann in Abhängigkeit des Gegendruckes im Abgasrohr 14, der Druckdifferenz vor und nach dem Filter 12, der Betriebszeit der Verbrennungsmaschine oder anderen Parametern erfolgen. Es wird ein Verfahren empfohlen, bei dem das Partikelemissionskennfeld berücksichtigt wird. Die Partikelemission läßt sich in Verbindung mit der Drehzahl bzw. der Last der Verbrennungsmaschine bestimmen. Anhand dieses Kennfeldes und lastabhängigen Betriebszeiten kann die Beladung des Filters abgeschätzt bzw. berechnet werden. Bei Erreichen eines maximalen Beladungswertes wird der Brennerbetrieb aufgenommen, indem die Brennstoffdüse 51 und die Primärluftdüse 52 geöffnet werden. Zur Regelung des Brennerbetriebes wird die Primärluftmenge auf einen bestimmten Wert konstant gehalten, während die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit vom Betrieb der Verbrennungsmaschine geregelt wird. Die Regelung der Brennstoffmenge besteht zunächst in dem Durchlaß einer größeren Startmenge, die zusammen mit Zerstäuberluft 53 aus der Zerstäuberdüse 45 in den Mischraum 47 eingespritzt, dort gezündet und mit der Primärluft 40 vermischt wird. Die erhöhte Brennstoffstartmenge hängt von der zu Beginn der Regenierungsphase gemessenen Abgastemperatur ab. Dazu ist in der Abgasleitung 14 vor dem Filter 12 ein Temperaturfühler 60 vorgesehen, dessen Signale in den Regler 50 eingegeben werden. Die erhöhte Startmenge dient zur raschen Anhebung der Temperatur des erzeugten Heißgases 22 auf die herrschende Abgastemperatur.

Die anschließende Aufheizphase der Abgase 16 erfolgt gleitend, bis eine Temperatur von ca. 700°C erreicht wird. Das langsame Aufheizen soll Temperaturspannungen und Folgeschäden des Abgassystemes und insbesondere des Filters 12 vermeiden. Nach Erreichen der erwünschten Partikelver­ brennungstemperatur wird die Regelung der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit der Signale des Temperaturfühlers 60 in der Weise fortgesetzt, daß eine möglichst konstante Temperatur aufrechterhalten wird.

Die vorstehend beschriebene Regelung wird begleitet mit einer Überwachung des Restsauerstoffes im Abgas 16, durch die eine Beeinflussung der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit des Restsauerstoffes erfolgt, die Priorität in der Brennstoffregelung hat. Sie dient zur Sicherstellung einer Vollverbrennung des zugeführten Brennstoffes. Das Brennersystem ist so ausgelegt, daß die vollständige Verbrennung in Etappen vollzogen wird, und zwar in der Nacheinandernutzung der Zerstäuberluft 43, der in das Mischrohr eingeführten Primärluft 40, des Sauerstoffes des in das Flammenrohr eingeführten Abgases 16a und schließlich des Restsauerstoffes aus dem außerhalb des Brennraumes 21 zugemischten Abgasanteiles 16b. Die Sekundärverbrennungsluft aus den Abgasen ist damit in das Verbrennungsverfahren eingeschlossen. Bei Vollastbetrieb der die Abgase 16 produzierende Verbrennungsmaschine wird das Abgas nur einen geringen Restsauerstoffanteil haben, so daß eine erhöhte Brennstoffmenge bei erhöhtem Temperaturbedarf nicht vollständig verbrannt werden würde. Um Perioden mit unvollständiger Verbrennung des Brennstoffes zu vermeiden, wird die Brennstoffzufuhr unabhängig von dem momentanen Bedarf auf eine Mindestmenge reduziert, und zwar solange der Restsauerstoff­ gehalt die vorgegebene Grenze unterschreitet. Diese Grenze hängt von der Auslegung des gesamten Brennersystemes und der damit verbundenen Primärluftmenge ab. In der Regel wird das System so abgestimmt, daß bei einem Restsauerstoff von weniger als 6 bis 8%, der Brennstoff auf einen Wert reduziert, der gerade noch ausreicht, um eine Zündflamme aufrechtzuerhalten. Nachdem in diesem Fall so gut wie kein Sauerstoff aus den Abgasen verfügbar ist, ist die Primärluftmenge 40 so bemessen, daß sie in Verbindung mit der Mindestmenge des Brennstoffes eine vollständige Verbrennung gewährleistet. Erst nach Anhebung des Restsauerstoffes wird der Weg zur normalen Regelung wieder freigegeben.

Für die mit Priorität zu betreibende Begrenzung der Brennstoffmenge kann eine Regelung vorgesehen werden, die mit der Regelstangenposition der Verbrennungsmaschine verknüpft wird. Damit wird direkt der Vollastbetrieb signalisiert und über den Regler 50 zur Reduzierung der Brennstoffmenge verarbeitet. Dieser Regelung kann aber auch in Abhängigkeit der Signale einer Sauerstoffmeßsonde 55 erfolgen, die beispielsweise am Abgaseintritt in das Abgasrohr 14 angebracht ist, in dem der Brenner 11 angeordnet ist.

Die Beendigung der Regenerierperiode kann beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur 62 nach dem Filter durchgeführt werden. Eine Temperatur 62 an dieser Stelle von ca. 500°C ist ein Signal für die Oxidation der im Filter 12 festgehaltenen Partikel. Um die Oxidation vervollständigen zu lassen, wird der Brennerbetrieb, nachdem 500° gemessen werden, noch eine Zeitspane von einigen Minuten aufrechterhalten. Es empfiehlt sich, diese Zeitspanne in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl bzw. des Lastbetriebes zu bestimmen bzw. zu verändern, und zwar derart, daß die Zeitspanne mit niedrigerer Last verlängert wird. Ist die Verbrennungsmaschine beim Messen von 500° nach dem Filter 12 im Vollastbetrieb, dann reichen ca. 3 Minuten aus, um die Partikeloxidierung zu vervollständigen. Bei geringerem Lastbetrieb wird man diese Zeitspanne auf 5 bis 6 Minuten verlängern.

Claims (5)

1. Abgasleitung einer Verbrennungsmaschine mit einem Partikelfilter (12) und einem eingangsseitig an eine Zerstäuberdüse (45) für ein Brennstoff-Luftgemisch angeschlos­ senen Brenner (11) zur Regenerierung des Filters, wobei die Brennkammer (21) des Brenners (11) innerhalb der Abgasleitung (14) in Abströmrichtung vor dem Filter (12) angeordnet ist, und wobei ein die Brennkammer (21) umgrenzendes perforiertes Flammenrohr (15) spiralförmig von einem ersten Abgasanteil (16b) umströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Abgasanteil (16a) durch Leitöffnungen (20) im Flammenrohr (15) in die Brennkammer (21) gelangt und diese in Abströmrichtung durchströmt, daß das Flammenrohr (15) bis nahe an den Filter (12) heranreicht und am Ende durch eine Stirnwand (30) verschlossen ist, wo­ bei die Heißgase (28) an dem der Zer­ stäuberdüse (45) entgegengesetzten Ende der Brennkammer (21) durch über den Umfang des Flammenrohrs (15) verteilt angeordnete Austrittsöffnungen (29) radial ausströmen, und daß der erste Abgasanteil (16b) in dem zwischen Abgasleitung (14) und Flammenrohr (15) gebildeten Ringraum (17) gegen eine Stauscheibe (25) strömt, die mit Durchläs­ sen (26) versehen ist, in deren Ausström­ bereich die Heißgase (28) aus der Brenn­ kammer ausmünden, so daß dort eine innige Vermischung der beiden Abgasanteile (16a, 16b) stattfindet.

2. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abgasanteil (16a) derart in die Brennkammer (21) geleitet wird, daß er dort spiralförmig zirkuliert und sich nur mit der Peripherie des Heißgasstroms (22) in der Brennkammer vermischt.

3. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammenrohr (15) koaxial im Inne­ ren der Abgasleitung (14) angeordnet ist.

4. Abgasleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (30) des Flammenrohrs (15) parallel zur Eintrittsfläche (31) des Filters (12) verläuft.

5. Abgasleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammenrohr (15) in einer oder mehreren Querebenen mit Leitöffnungen (20) versehen ist.