DE4303720C2 - Partikelfiltersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Partikelfiltersystem, vorzugsweise für Diesel­ brennkraftmaschinen, mit einem Partikelfilter und einer diesem vorge­ lagerten, vorzugsweise zylindrischen Mischkammer, an deren Umfang mindestens eine tangential einmündende absperrbare Abgasleitung und an deren Stirnwand ein Regenerationsbrenner mit Anschlüssen für Brennstoff, Brennerluft, Zusatzluft und eine zylindrische Brennkammer angeordnet sind, wobei die Brennkammer in die Mischkammer im Be­ reich von deren Achse hineinragt und die eine Stirnseite mit einer Aus­ strömöffnung für die Brennkammergase aufweist.

Die DE 35 32 778 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Partikelfiltersystem mit einem Partikelfilter und einer diesem vorgelagerten Mischkammer, an deren Umfang mindestens eine einmündende Abgasleitung und an deren Stirnwand ein Regenerationsbrenner angeordnet sind. Die Zusatzluft wird in dem die Brennkammer darstellenden Mischrohr des Brenners dem Heißgas zugemischt, um dieses abzukühlen. Dieses Mischgas wird anschließend in der Mischkammer mit dem Abgas zusammengebracht. Durch dieses Mischverfahren ist die Einstellung einer vorgegebenen Temperatur in dem Partikelfilter schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Partikelfiltersystem an­ zugeben, dass das gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und sich insbesondere für Prüfstände von Dieselbrennkraftmaschinen eignet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Mischkammer eine als torusförmiges Rohr ausgebildete Einblasvorrichtung für die Zusatzluft vorgesehen und der Stirnseite vorgelagert ist und dass das torus-förmige Rohr Ausströmbohrungen zum Einblasen der Zusatzluft aufweist. Die für die Regeneration erforderliche Gastemperatur von ca. 550 bis 600 und max. 700°C erfordert einen Brenner, der mit etwa 3-fachem Luftüberschuss arbeitet. Da ein solcher Brenner nicht verfügbar ist, werden erfindungsgemäß die zu heißen Brennkammergase durch Ein­ blasen von Zusatzluft auf das gewünschte Temperaturniveau abgekühlt. Dies erfolgt in der Mischkammer.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass das torusförmige Rohr über eine Druckluftleitung in Strömungsverbindung mit einer Druck­ luftquelle von konstanter Temperatur, konstantem Druck und über­ kritischem Druckverhältnis steht. Da Druckluft sehr teuer ist, sollte die Regeneration mit geringstmöglicher Heißgasmenge und somit auch Druckluftmenge durchgeführt werden. Gute Voraussetzung dafür bietet die erfindungsgemäße Form der Einblasvorrichtung, deren symmetrische Gestaltung gute Voraussetzungen für eine gleichmäßige Beaufschlagung der kreisförmigen Stirnfläche des Partikelfilters bietet. Dabei kann die Einblasvorrichtung ringförmige Rohre beliebigen Querschnitts aufweisen. Das torusförmige Rohr ist besonders einfach herzustellen und eignet sich für die Anbringung von Ausströmbohrungen. Die bei Stationäranlagen üblicherweise vorhandene Druckluftquelle gestattet eine einfache Dosierung der unterschiedlichen Luftströme des Partikelfiltersystem mittels kritischer Düsen unterschiedlichen Querschnitts. Es ist aber auch möglich, die Luftversorgung durch ein Gebläse zu bewerkstelligen.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der das torus- förmige Rohr in etwa axial zur Achse der Brennkammer und mit Ab­ stand zu deren Stirnseite angeordnet ist, wird erreicht, daß die Vermi­ schung der Zusatzluft und der Brennkammergase unmittelbar nach deren Austritt aus der Brennkammer beginnen kann. Dabei bietet die symmetrische Anordnung des torus-förmigen Rohres eine gute Vor­ aussetzung für eine intensive Mischung von Zusatzluft und Brenn­ kammergas.

Es ist vorteilhaft, daß die Ausströmbohrungen am Innenumfang des torus-förmigen Rohres gleichmäßig verteilt und zur Ausströmrichtung der Brennkammergase hin gleichsinnig geneigt angeordnet sind. Da­ durch wird eine intensive Vermischung der Gasströme gefördert und ein Rückstau der Brennkammergase und eine damit verbundene Be­ einflußung des Brenners vermieden.

Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, daß die Ausströmbohrungen gegen­ über der Mittenebene des torus-förmigen Rohres einen radialen Nei­ gungswinkel von 20 bis 40°, vorzugsweise 30° und gegenüber der ra­ dialen Richtung einen tangentialen Neigungswinkel von 5 bis 10°, vorzugsweise 7,5° aufweisen. Die radiale Ausrichtung der Ausström­ bohrungen bewirkt eine Fokussierung der einzelnen Zusatzluftströme in der Brennkammerachse. Dadurch wird ein symmetrisches Abströ­ men der vermischten Gase in Richtung der Brennkammerachse be­ wirkt. Der Strömungskegel wird von 15° bei rein radialer Zusammen­ strömung durch eine tangentiale Komponente aufgeweitet. Es hat sich für eine gleichmäßige Beaufschlagung der Stirnseite des Partikelfilters mit Gasen gleicher Geschwindigkeit ein tangentialer Neigungswinkel der Ausströmbohrungen von 7,5° herausgestellt. Durch Übergang von der radialen in eine leicht tangentiale Strömungsrichtung wird der punktförmige Focus in einen ringförmigen Focus überführt, mit des­ sen Durchmesser der Öffnungswinkel des anschließenden Strömungs­ kegels wächst. Bei einem tangentialen Neigungswinkel von 7,5° ist der Strömungskegel ausgefüllt mit Regenerationsgas gleicher Ge­ schwindigkeit und Temperatur.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei die Aus­ strömbohrungen als kritische Düsen betrieben sind, wird eine beson­ ders einfache Mengendosierung der Zusatzluft erreicht. Außerdem wird das gesamte verfügbare Druckgefälle in stark turbulente Strahlen umgesetzt, die eine intensive Mischung auf kurzer Mischstrecke reali­ sieren. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf den großen Durchmesser der beim Prüfstandsbetrieb wegen des niedrigen Gegen­ drucks verwendeten Partikelfilters. Die turbulenten Zusatzluftstrahlen bewirken außerdem einen torus-förmigen Rezirkulationswirbel um die Brennkammer im vorderen Bereich der Mischkammer, der auf diese Weise ebenfalls regeneriert und völlig rußfrei wird. Um die bei dieser intensiven Strömung in der Mischkammer auftretenden Wärmever­ luste möglichst niedrig zu halten, ist dieselbe außen isoliert. Das glei­ che gilt auch für das Partikelfilter.

Es ist von Vorteil, daß der Regenerationsbrenner mit der Druckluft­ quelle über eine von einem Magnetventil beherrschte Luftversorgungs­ leitung in Strömungsverbindung steht, wobei stromab des Magnetven­ tils eine kritische Düse in der Luftversorgungsleitung vorgesehen ist. Dadurch wird eine einfache und genaue Dosierung der Brennerluft­ menge gewährleistet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß in die Luftversorgungsleitung stromab des Magnetventils eine kritische Düse mündet, die in direkter Strö­ mungsverbindung mit der Druckluftquelle steht und deren Quer­ schnitt kleiner ist, als der Querschnitt der kritischen Düse in der Luft­ versorgungsleitung. Auf diese Weise wird auch die Spülluft des Rege­ nerationsbrenners einfach und genau dosiert und durch Schließen des Magnetventils in der Luftversorgungsleitung eingeschaltet. Da diese mit der gleichen Druckluftquelle wie die Luftversorgungsleitung in Verbindung steht, erübrigt sich ein Magnetventil in der Spülluftlei­ tung. Diese liefert während des Regenerationsbetriebs einen kleinen konstanten Beitrag zur Brennluftmenge.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, daß die Zusatzluftmenge im Bereich der 3-fachen Brennerluftmenge und diese im Bereich der 10- fachen Spülluftmenge liegt. Diese auf einfache Weise durch entspre­ chende Wahl der Querschnitte der kritischen Düsen erreichte Auftei­ lung der unterschiedlichen Luftströme entspricht deren Funktion beim Regenerations- und Beladebetrieb des Partikelfiltersystems.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, wobei die Brenn­ stoffmenge des Regenerationsbrenners variierbar ist, kann die Lei­ stung des Regenerationsbrenners bei konstanten Luftmengen auf ein­ fache Weise geändert werden.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Regenerationsbrenner einen Flansch auf, der in einer Zentrierbohrung in der Stirnwand der Misch­ kammer zentriert ist, wobei der Durchmesser der Zentrierbohrung größer als der Außendurchmesser der Brennkammer ist, so daß Raum für die Durchführung der Druckluftleitung durch den Flansch gegeben ist. Auf diese Weise kann die Druckluftleitung als integraler Bestand­ teil des Regenerationsbrenners gestaltet werden und muß deshalb bei dessen Montage nicht gesondert demontiert werden.

Von Vorteil ist auch, daß der Außendurchmesser des torus-förmigen Rohres kleiner als der Durchmesser der Zentrierbohrung ist. Dadurch kann auch das torus-förmige Rohr fest mit dem Regenerationsbrenner verbunden werden. Das erleichtert die Montage des Regenerations­ brenners und gewährleistet die gewünschte Lage des torus-förmigen Rohres.

Deshalb hat es auch Vorteile, daß das torus-förmige Rohr durch die Druckluftleitung und durch vorzugsweise zwei Stelzen mit dem Flansch fest verbunden ist, wobei die Druckluftleitung und die Stelzen parallel zu Mantellinien der Brennkammer und gleichmäßig über de­ ren Umfang verteilt sowie innerhalb des Durchmesser der Zentrier­ bohrung angeordnet sind. Auf diese Weise ist die Einblasvorrichtung für Zusatzluft integraler Bestandteil des Regenerationsbrenners, was die schon erwähnten Montage- und Justagevorteile hat.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, wobei im Bereich des Ausgangs der Mischkammer eine Drallbremse in Gestalt von vorzugsweise zwei sich rechtwinklig kreuzender, radial und in Achs­ richtung der Mischkammer stehender Bleche angeordnet ist, deren Breite von der Mischkammerachse nach außen hin zunimmt, wird er­ reicht, daß die Beladung des Partikelfilters durch die tangential in die Mischkammer einströmenden Abgase nicht nur am Umfang des Parti­ kelfilters sondern über dessen gesamten Querschnitt gleichmäßig er­ folgt. Zur genauen Abstimmung der Abgasströmung müssen Zahl, Lage und Form der Bleche den jeweiligen Strömungs- und Platzver­ hältnissen angepaßt werden.

Es ist von Vorteil, daß die Außenenden der Bleche mit zu diesem rechtwinklig angeordneten Blechstreifen verbunden sind, die gegen­ über der Wand der Mischkammer radiales Spiel aufweisen und die in Strömungsrichtung hinter der Drallbremse mit der Wand verbunden sind. Auf diese Weise kann die sich beim Beginn der Regeneration sich erhitzende Drallbremse sich ungehindert ausdehnen. Damit werden unerwünschte Spannungen von derselben und von der Mischkammerwand ferngehalten.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beispielsbe­ schreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung schematisch dargestellt ist.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Mischkammer mit Regenerationsbrenner und Einblasvorrichtung für die Zusatzluft.

Die Mischkammer 1 weist eine zylindrische Wand 20 auf, die an einer Seite durch eine Stirnwand 9 begrenzt ist und an ihrer anderen Seite einen Endflansch 21 trägt. An diesen schließen sich ein nicht darge­ stellter Übergangskonus und das ebenfalls nicht dargestellte Partikel­ filter an.

Am Umfang der Mischkammer 1 und benachbart zur Stirnwand 9 mündet eine Abgasleitung 2 tangential in die zylindrische Wand 20 ein. In der Abgasleitung 2 befindet sich eine nicht dargestellte Ab­ sperrklappe.

Die Stirnwand 9 weist eine Zentrierbohrung 10 auf, in die ein Regene­ rationsbrenner 3 eingesetzt und über einen Flansch 8 mit der Stirn­ wand verbunden wird. Der Regenerationsbrenner 3 weist einen Brennerkopf 22 mit einer Luftdrallzerstäuberdüse 14 auf, der mit einer nicht dargestellten Brennerluft- und Spülluftleitung sowie einer eben­ falls nicht dargestellten Brennstoffleitung verbunden ist. Der Brenner­ kopf 22 ist mit einer Brennkammer 5 fest verbunden, die in die Misch­ kammer 1 hineinragt. Diese weist eine Stirnseite 6 mit einer konzen­ trischen Ausströmöffnung 11 auf, in die ein Thermoelement 23 ragt, das mit dem Regenerationsbrenner 3 fest verbunden ist.

Vor der Stirnseite 6 ist mit geringem Abstand ein torusförmiges Rohr 4 angeordnet, das über eine Druckluftleitung 12 und zwei Stelzen 13 mit dem Flansch 8 fest verbunden ist. Auf diese Weise bilden die Ein­ blasvorrichtung für die Zusatzluft und der Regenerationsbrenner eine feste Einheit.

Auf der Innenseite des torus-förmigen Rohres 4 sind 32 Ausström­ bohrungen 7 vorgesehen. Diese sind gleichmäßig über den Umfang des torus-förmigen Rohres verteilt und im Sinne der aus der Brenn­ kammer 5 ausströmenden Brennergase geneigt. Die Neigung beträgt in radialer Richtung bezogen auf die Mittenebene des torus-förmigen Rohres 30°. Dazu kommt die nicht dargestellte tangentiale Neigung der Ausströmbohrungen von 7,5° zur radialen Richtung.

Im Bereich des Ausgangs 16 der Mischkammer 1 ist eine Drallbremse 17 angeordnet. Diese besteht aus zwei sich kreuzenden Blechen 18, die über Blechstreifen 19 auf der Innenseite der Wand 20 befestigt sind. Zwischen den Blechstreifen 19 und der Innenseite der Wand 20 ist ein radiales Spiel vorgesehen. Die Bleche 18 stehen radial und in Richtung der Achse der Mischkammer 1 ausgerichtet. Ihre Breite nimmt von der Mitte nach außen hin zu.

Das erfindungsgemäße Partikelfiltersystem funktioniert folgenderma­ ßen:
Beim Beladen des Partikelfilters tritt Abgas durch die Abgasleitung 2 in die Mischkammer ein, bildet dort eine Drallströmung, die durch die Drallbremse 17 so modifiziert wird, daß das Partikelfilter gleichmäßig mit Partikeln beladen wird. Dabei kann zur Abstimmung von Abgas­ drall und Drallbremse dieselbe durch Variation der Zahl, Lage und Form der Bleche 18 modifiziert werden. Während der Beladung des Partikelfilters wird der Regenerationsbrenner 3 von Spülluft durch­ strömt, die eine Verschmutzung desselben durch Partikel verhindert. Beim Umschalten auf Regenerationsbetrieb wird zunächst die Abgas­ leitung 2 verschlossen und der Regenerationsbrenner 3 unter Zugabe von Brennerluft und Brennstoff gezündet. Unmittelbar nach Zündung und Stabilisierung der Regenerationsbrennerflamme wird die Zusatz­ luft eingeschaltet, die, wie die Spülluft und Brennerluft, aus einer Druckluftquelle stammt und über eine Verlängerung 24 mit der Druckluftleitung 12 in Strömungsverbindung steht.

Die Zusatzluft strömt mit großer Geschwindigkeit und Turbulenz aus den Ausströmbohrungen 7 aus und bildet zusammen mit dem aus der Ausströmöffnung 11 austretenden Brennergas einen Strömungskegel mit gleichmäßiger Geschwindigkeit- und Temperaturverteilung, der die gesamte Stirnfläche des Partikelfilters mit Heißgas von ca. 600° beaufschlagt. Dabei ist die Heißgasgeschwindigkeit so abgestimmt, daß eine schonende und vollständige Regeneration des Partikelfilters mit einem geringstmöglichen Aufwand an Druckluft verwirklicht wird.

Claims (15)

1. Partikelfiltersystem, vorzugsweise für Dieselbrennkraftmaschinen, mit einem Partikelfilter und einer diesem vorgelagerten, vorzugsweise zylindrischen Mischkammer (1), an deren Umfang mindestens eine tan­ gential einmündende absperrbare Abgasleitung (2) und an deren Stirn­ wand (9) ein Regenerationsbrenner (3) mit Anschlüssen für Brennstoff, Bren­ nerluft, Zusatzluft und eine zylindrische Brennkammer (5) angeordnet sind, wobei die Brennkammer in die Mischkammer im Bereich von deren Achse hineinragt und die eine Stirnseite (6) mit einer Ausström­ öffnung (11) für die Brennkammergase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischkammer (1) eine als torus- förmiges Rohr (4) ausgebildete Einblasvorrichtung für die Zusatzluft vorgesehen und der Stirnseite (6) vorgelagert ist und dass das torus- förmige Rohr (4) Ausströmbohrungen (7) zum Einblasen der Zusatzluft aufweist.

2. Partikelfiltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das torusförmiges Rohr (4) über eine Druckluftleitung (12) in Strömungsverbindung mit einer Druckluft­ quelle von konstanter Temperatur, konstantem Druck und über­ kritischem Druckverhältnis steht.

3. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das torus-förmige Rohr (4) in etwa ko­ axial zur Achse der Brennkammer (5) und mit Abstand zu deren Stirn­ seite (6) angeordnet ist.

4. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmbohrungen (7) am Innen­ umfang des torus-förmigen Rohres (4) gleichmäßig verteilt und zur Ausströmrichtung der Brennkammergase hin gleichsinnig geneigt an­ geordnet sind.

5. Partikelfiltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmbohrungen (7) gegenüber der Mittenebene des torus-förmigen Rohres (4) einen radialen Nei­ gungswinkel von 20 bis 40°, vorzugsweise 30° und gegenüber der ra­ dialen Richtung einen tangentialen Neigungswinkel von 5 bis 10°, vorzugsweise 7,5° aufweisen.

6. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmbohrungen (7) als kritische Düsen betrieben sind.

7. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerationsbrenner (3) mit der Druckluftquelle über eine von einem Magnetventil beherrschte Luft­ versorgungsleitung in Strömungsverbindung steht, wobei stromab des Magnetventils eine kritische Düse in der Luftversorgungsleitung vor­ gesehen ist.

8. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in die Luftversorgungsleitung stromab das Magnetventils eine kritische Düse mündet, die in direkter Strö­ mungsverbindung mit der Druckluftquelle steht und deren Quer­ schnitt kleiner ist, als der Querschnitt der kritischen Düse in der Luft­ versorgungsleitung.

9. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzluftmenge im Bereich der dreifachen Brennerluftmenge und diese im Bereich der 10-fachen Spülluftmenge liegt.

10. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffmenge des Regenera­ tionsbrenners (3) variierbar ist.

11. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerationsbrenner (3) einen Flansch (8) aufweist, der in einer Zentrierbohrung (10) in der Stirn­ wand (9) der Mischkammer (1) zentriert ist, wobei der Durchmesser der Zentrierbohrung (10) größer als der Außendurchmesser der Brennkammer (5) ist, so daß Raum für die Durchführung der Druck­ luftleitung (12) durch den Flansch (8) gegeben ist.

12. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des torus-för­ migen Rohres (4) kleiner als der Durchmesser der Zentrierbohrung (10) ist.

13. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das torus-förmige Rohr (4) durch die Druckluftleitung (12) und durch vorzugsweise zwei Stelzen (13) mit dem Flansch (8) fest verbunden ist, wobei die Druckluftleitung (12) und die Stelzen (13) parallel zu Mantellinien der Brennkammer (5) und gleichmäßig über deren Umfang verteilt sowie innerhalb des Durch­ messers der Zentrierbohrung angeordnet sind.

14. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich eines Ausgangs (16) der Mischkammer (1) eine Drallbremse (17) vorzugsweise in Gestalt von zwei sich rechtwinklig kreuzender, radial und in Achsrichtung der Mischkammer (1) stehender Bleche (18) angeordnet ist, deren Breite von der Mischkammerachse nach außen hin zunimmt.

15. Partikelfiltersystem nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der Bleche (18) mit zu diesen rechtwinklig angeordneten Blechstreifen (19) verbunden sind, die gegenüber einer Wand (20) der Mischkammer (1) radiales Spiel aufweisen und die in Strömungsrichtung hinter der Drallbremse (17) mit der Wand (20) verbunden sind.