DE4440716C2 - Rußfilteranlage für Verbrennungsmotor - Google Patents
Rußfilteranlage für VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rußfilteranlage für einen
Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor,
nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher defi
nierten Art.
Eine Rußfilteranlage dieser Art ist in der DE-OS 40 12
411 beschrieben.
Ein Nachteil von Verbrennungsmotoren, insbesondere von
Dieselmotoren, ist die Partikelemission. Durch das
Vorsehen von Filtern in der Abgasleitung des Verbren
nungsmotors wird versucht, diese Partikelemission zu
reduzieren.
Allerdings tritt hierbei der Nachteil auf, daß das
Filter durch die Partikeln zugesetzt wird und somit
der Gegendruck im Abgassystem rasch ansteigt, was den
Betriebsbereich des Motors stark einschränkt. Es sind
daher Verfahren zum Reinigen von Abgaspartikelfiltern
bekannt.
Beispielsweise ist aus der DE-OS 38 37 472 ein Verfah
ren zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters eines
Dieselmotores bekannt. Bei dem in der genannten Druck
schrift beschriebenen Verfahren wird ein Brenner ein
gesetzt, dem Brennstoff und sauerstoffhaltiges Gas in
variierbarem Verhältnis zugeführt wird. Nachteilig an
dem in der genannten Druckschrift offenbarten Verfah
ren ist jedoch, daß für den Betrieb des Brenners eine
zusätzliche Luftpumpe erforderlich ist.
Eine Rußfilteranlage für einen Dieselmotor ist aus der
DE-OS 37 29 861 bekannt. Die Regenerierung des Rußfil
ters erfolgt hierbei ebenfalls durch Ausbrennen der
Partikeln mit Hilfe eines Brenners, dem flüssiger
Brennstoff und Luft zugeführt wird. Um eine gute
Brennstoffaufbereitung zu erreichen, wird bei diesem
System eine Luftzerstäuberdüse verwendet.
Auch diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil
auf, daß für den Betrieb Druckluft und somit eine
Luftpumpe erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil
liegt darin, daß der gesamte Abgasmassenstrom erhitzt
werden muß, was sehr energieaufwendig ist. Außerdem
weisen Querstrommischer erfahrungsgemäß einen hohen
Druckverlust auf, welcher den Betriebsbereich des Mo
tors einschränkt und den Kraftstoffverbrauch erhöht.
Aus der DE-OS 40 25 017 ist eine Abgasleitung einer
Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter und einem
Regenerierungsbrenner zur Regenerierung des Filters
bekannt, wobei der Brenner in die Abgasleitung in Ab
gasströmungsrichtung vor dem Filter mündet. Zumindest
die Brennkammer des Brenners ist innerhalb der Abgas
leitung angeordnet und vom Abgas umströmbar. Die
Brennkammer ist hierbei so ausgebildet, daß die Abgase
stufenweise dem Heißgas des Brenners zumischbar sind.
In der bereits eingangs erwähnten DE-OS 40 12 411 ist
ein mit dem Abgas einer Brennkraftmaschine betreibba
rer Brenner zur Regenerierung einer Partikelfilterein
richtung beschrieben. Der Brenner weist eine Vorbrenn
kammer und eine sich axial daran anschließende Nach
brennkammer, welche einen größeren Durchmesser auf
weist als die Vorbrennkammer, auf. Des weiteren ist
eine Abgaszufuhreinrichtung für die Vor- und Nach
brennkammer vorgesehen. Die Abgaszufuhreinrichtung
teilt das Abgas in nach Menge und Richtung im wesent
lichen gleiche Abgasteilströme symmetrisch um den Um
fang wenigstens vor dem Eintritt in die Vorbrennkammer
auf.
Diese vorbekannte Rußfilteranlage arbeitet zwar ohne
zusätzliche Luftquelle, aber nachteilig dabei ist je
doch, daß der Brenner sehr kompliziert und aufwendig
aufgebaut ist, um eine Durchmischung von sauerstoff
haltigem Abgas mit in die Brennkammer eingespritztem
Brennstoff zu erzielen. Hierzu ist ein besonders ge
formtes Zuströmgehäuse notwendig, mittels dem eine
Drallströmung des zugeführten sauerstoffhaltigen Ab
gases erzeugt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Rußfilteranlage für einen Verbrennungsmotor zu
schaffen, welche ohne zusätzliche Luftquelle auskommt
und trotzdem einfach aufgebaut und damit kostengünstig
ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale
gelöst.
Durch die Anordnung der Verwirbelungseinrichtung in
der Nähe der Zerstäuberdüse und innerhalb des Flamm
rohres erfolgt eine starke Verwirbelung bzw. die Er
zeugung einer turbulenten Strömung des sauerstoff
haltigen Abgases, in welche der Kraftstoff mit Hilfe
der Zerstäuberdüse eingespritzt wird und sich mit dem
in dem Abgas vorhandenen Sauerstoff durchmischt. Das
auf diese Weise erzeugte Brenngemisch zündet hierdurch
spontan und die Verbrennung läuft schadstoffarm ab.
Eine komplizierte Ausgestaltung des Zuströmgehäuses
zur Verwirbelung des sauerstoffhaltigen Abgases, wie
dies beim Stand der Technik erforderlich ist, kann
hierbei entfallen. Vielmehr kann die Verwirbelungsein
richtung in einfacher Weise und somit kostengünstig
als Drallgitter oder als Ringspalt ausgeführt sein.
Bei den genannten Ausführungsformen wird aufgrund der
düsennahen Anordnung der Verwirbelungseinrichtung eine
sehr gute Vermischung des mittels der Zerstäuberdüse
eingespritzten Brennstoffs mit dem zugeführten sauer
stoffhaltigen Abgas erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprü
chen und den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzip
mäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbei
spiel der vorliegenden Erfindung mit einer als
Drallgitter ausgebildeten Verwirbelungseinrich
tung,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig.
1, und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Brennkammer
und eines Flammrohres für die erfindungsgemäße
Rußfilteranlage mit einer als Ringspalt ausge
bildeten Verwirbelungseinrichtung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Schnitt durch die
Rußfilteranlage dargestellt.
Die Rußfilteranlage weist einen nur schematisch dar
gestellten Filter 1 auf, der in einem Gehäuse 2 an
geordnet ist. In dem Gehäuse 2 ist außerdem eine
Brennkammer 7 angeordnet, die ein Flammrohr 3 und ei
nen Brennkammerkopf 4 mit einer Verwirbelungseinrich
tung in Form eines Drallgitters 14 aufweist.
In den Brennkammerkopf 4 sind eine Zerstäuberdüse 5
zum Einspritzen von Brennstoff sowie eine Glühkerze 6
zum Zünden des Brenngemisches eingebaut. Das Brennge
misch besteht aus fein zerstäubten Brennstoff, welcher
im Brennraum mit dem sauerstoffhaltigen Abgas aus dem
Dieselmotor vermischt wird.
Durch Öffnungen 8 im Flammrohr 3 wird in die Brennkam
mer 7 zusätzlich sauerstoffhaltiges Abgas eingebracht,
so daß eine vollständige schadstoffarme Verbrennung
gewährleistet ist. Die dem Filter 1 zugewandte offene
Seite des Flammrohres 3 ist abgeschrägt.
Das Gehäuse 2 weist einen Anschluß 9 auf, an dem eine
Abgasleitung 16, welche vom Verbrennungsmotor (nicht
dargestellt) zum Gehäuse 2 führt, angeschlossen ist.
Der Raum zwischen dem Anschluß 9 und dem Filter 1 ist
durch eine Trenn- bzw. Staueinrichtung 10 in zwei Kam
mern 11, 12 unterteilt. In dem vorliegenden Ausfüh
rungsbeispiel ist die Trenn- bzw. Staueinrichtung als
Stauwand 10 ausgeführt.
Nachfolgend soll die Funktionsweise der Rußfilteranlage
beschrieben werden.
Durch den Anschluß 9 strömt das Abgas mit dem darin
enthaltenen Sauerstoffanteil aus dem Verbrennungsmotor
mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit in das Ge
häuse 2 ein.
Aufgrund der Stauwand 10 baut sich in der Kammer 11,
das heißt in der der Abgasleitung 16 zugewandten Kam
mer, ein Druck auf, welcher sich aus dem statischen
Druck in der Kammer 11 und dem Staudruck des einströ
menden Massenstromes (siehe Pfeil) zusammensetzt. Die
Stauwand 10 kann teilweise offen, aber auch als ge
lochte Schottwand ausgebildet sein.
Da in den an die Kammer 11 angrenzenden Bereichen,
nämlich der Kammer 12 und der Brennkammer 7, ein ge
ringerer Druck herrscht, wird der Abgasmassenstrom
aufgeteilt. Ein Teil desselben strömt direkt von der
Kammer 11 in die Kammer 12 und weiter zum Filter 1.
Der andere Teil des Abgasmassenstromes aus der Kammer
11 strömt in die Brennkammer 7. Die Aufteilung des Ab
gasmassenstromes hängt vom offenen Querschnitt in der
Stauwand 10 ab.
Das Abgas, welches durch die Verwirbelungseinrichtung
in Form eines Drallgitters 14 und die Öffnungen 8 in
den Brennraum 7 eintritt, strömt aufgrund des Druckge
fälles zwischen der Kammer 11 und der Brennkammer 7,
mit relativ hoher Geschwindigkeit in den Brennraum der
Brennkammer 7 hinein. Im Brennraum der Brennkammer 7
erzeugt die kinetische Energie des Abgasmassenstromes
aufgrund der auftretenden Richtungsänderungen nach dem
Durchströmen des Drallgitters 14 und der Öffnungen 8
eine starke Turbulenz. Der durch die Zerstäuberdüse 5
in die turbulente Strömung eingespritzte Brennstoff
vermischt sich intensiv mit dem sauerstoffhaltigen Ab
gas aus dem Dieselmotor und bildet ein leicht entzünd
bares Gemisch, welches durch die Glühkerze 6 im Brenn
raum der Brennkammer 7 gezündet wird.
Die nach der Zündung des beschriebenen Gemisches frei
werdende Wärme entweicht durch die in Richtung des
Filters 1 offene Seite des Flammrohres 3, wobei die am
Filter 1 angelagerten Partikeln durch den Heißgas
strahl aus der Brennkammer entzündet werden. Um die am
Filter 1 angelagerten Partikeln über einen möglichst
großen Bereich zu entzünden, ist die dem Filter 1 zu
gewandte Seite des Flammrohres 3 abgeschrägt, so daß
die austretende Heißgasströmung fächerförmig aufge
teilt wird. Die Reinigung des Filters 1 erfolgt da
durch, daß die im Filter 1 angelagerten Rußpartikeln
vom Heißgasstrahl aus der Brennkammer 7 entzündet wer
den, wobei sich die Flammenfront des brennenden Rußes
über das ganze Filter 1 ausbreitet.
Als Brennstoff wird der für den Verbrennungsmotor be
nötigte Kraftstoff verwendet; auf ein zusätzliches
Einbringen von Verbrennungsluft kann verzichtet wer
den, da das Abgas aus dem Verbrennungsmotor, wie be
reits erwähnt, ausreichend sauerstoffhaltig ist.
Der Anteil des Abgases, welcher nicht durch die Brenn
kammer 7 strömt, kann durch einen Durchlaß 13 in die
Kammer 12, also in Richtung auf den Filter 1 strömen.
Die Abgasmenge, welche durch den Durchlaß 13 strömt,
ergibt sich aus der Größe des Durchlasses 13.
Der Drall, welcher der Brennkammerströmung in der
Brennkammer 7 durch die Verwirbelungseinrichtung, näm
lich dem Drallgitter 14, aufgeprägt wird, stabilisiert
die Flamme in der Brennkammer 7. Die Stabilisierungs
wirkung ist hierbei so groß, daß sie sogar gegen das
pulsierende, also schubweise Einbringen des Abgasmas
senstromes in das Gehäuse 2 standhält.
In dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist die
Staueinrichtung zwischen den Kammern 11 und 12 als
Stauwand 10 ausgeführt. Die Stauwand 10 kann aber auch
durch ein Lochblech ersetzt werden.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II der
Fig. 1. In dieser Ansicht ist die Verwirbelungsein
richtung, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
als Drallgitter 14 ausgeführt ist, deutlich zu erken
nen. Das Drallgitter 14 hat die Aufgabe, eine Drallströmung
mit hoher Geschwindigkeit zur Stabilisierung
der Flamme zu erzeugen. In die Drallströmung des
sauerstoffhaltigen Abgases wird der Kraftstoff mit der
Zerstäuberdüse 5 hineingespritzt, wodurch eine sehr
gute Brennstoffaufbereitung erreicht wird. Die Vor
teile einer derartigen guten Durchmischung wurden be
reits erwähnt.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Flammrohres 3 mit einer Verwirbelungseinrichtung. Aus
Übersichtlichkeitsgründen wurde hier auf die Darstel
lung aller weiteren Bauteile der Rußfilteranlage ver
zichtet.
Zusätzlich zu den Öffnungen 8 im Flammrohr 3 ist an
dem der Zerstäuberdüse 5 zugewandten Ende des Flamm
rohres 3 ein Ringspalt 17 vorgesehen, der ebenfalls
die Funktion einer Verwirbelungseinrichtung zur Flam
menstabilisierung hat. Aufgrund des hohen Druckge
fälles zwischen der Kammer 11 und der Brennkammer 7
strömt das sauerstoffhaltige Abgas mit hoher Geschwin
digkeit in die Brennkammer 7 ein und wird durch geeig
net gestaltete Abrißkanten im Ringspalt 17 bzw. nach
dem Verlassen des Ringspaltes 17 verwirbelt. Der Ring
spalt 17 ist hierbei in der Nähe der Zerstäuberdüse 5
angeordnet, so daß aufgrund der Verwirbelungen des
eintretenden Abgasmassenstromes gleichzeitig auch der
eingespritzte Brennstoff verwirbelt wird und sich so
mit eine gute Gemischaufbereitung ergibt.
Selbstverständlich kann die Verwirbelungseinrichtung
auch andersartig ausgeführt sein.
Die Größe des Durchlasses 13 (siehe Fig. 1) zwischen
den Kammern 11 und 12 ist abhängig von der Größe des
Abgasmassenstromes sowie von der zu erzielenden Be
schleunigung des Abgasmassenstromes beim Einströmen in
die Brennkammer 7.
Claims (4)
1. Rußfilteranlage für einen Verbrennungsmotor, insbe
sondere einen Dieselmotor, mit einem an eine Abgas
leitung des Verbrennungsmotors angeschlossenen Fil
ter und einem Brenner zum Freibrennen des Filters,
wobei der Brenner eine Zerstäuberdüse für Brenn
stoff und eine wenigstens teilweise von einem
Flammrohr begrenzte Brennkammer aufweist, und wobei
eine Verwirbelungseinrichtung zum Verwirbeln von in
die Brennkammer einführbarem sauerstoffhaltigem
Abgas aus dem Verbrennungsmotor vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verwirbelungseinrichtung (14, 17) in der Nähe
der Zerstäuberdüse (5) und innerhalb des Flammroh
res (3) angeordnet ist.
2. Rußfilteranlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verwirbelungseinrichtung als Drallgitter (14)
ausgeführt ist.
3. Rußfilteranlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verwirbelungseinrichtung als Ringspalt (17)
ausgeführt ist.
4. Rußfilteranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die dem Filter (1) zugewandte Seite des Flammrohres
(3) abgeschrägt ist.
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