EP0252257A1 - Vorrichtung zum Verbrennen von Feststoffteilchen im Abgas von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Verbrennen von Feststoffteilchen, insbesondere Rußpartikel, im Abgas von Brennkraftmaschinen hat eine Brennkammer (1) und einen gleichachsig durch eine Überströmöffnung (6) angeschlossenen Zündbrenner (3). Der Zündbrenner, dem Kraftstoff und Verbrennungsluft zugeführt werden, hat in einer Aufbereitungskammer (4) einen mittig angeordneten, rotationssymmetrischen Glühkörper (40) und in einer Ausbauchung (36) der Aufbereitungskammer eine Glühkerze (37). Die Brennkammer (1) hat eine glockenförmige, zur Überströmöffnung hin offene heiße Brennkemmer (19) und hinter dieser mehrere labyrinthartige Ringkanäle (18, 21, 22), zu denen sich mittig ein Tauchrohr (10) zur Brennkammer hin erstreckt, durch welches ein die Rußpartikel (14) tragender Abgasstrom in die heiße Brennkammer geleitet wird. Der Abgasstrom mit den Rußpartikeln tritt durch radiale Auslässe (12) quer zur Erstreckungsrichtung der durch die Überströmöffnung (6) schlagenden Zündflamme in die heiße Brennkammer (19) ein. Die zugeführten Rußpartikel werden größtenteils in der heißen Brennkammer (19) und der Rest in den labyrinthartigen Kanälen verbrannt. Das Brennerabgas wird im Gegenstrom zu dem durch das Tauchrohr zugeführten, mit Rußpartikeln beladenen Abgas abgeführt.

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung für Feststoffteilchen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
• Zum Entfernen von Ruß aus dem Abgas von Brennkraftmaschine, insbe­sondere Diesel-Brennkraftmaschinen, ist es bereits durch die DE-OS 34 24 196 bekannt, die Rußpartikel durch eine elektrostatische Ruß­weiche aus dem Abgas auszuscheiden und diese einer Verbrennungsvor­richtung zum Verbrennen zuzuführen.
• Bei einer in der deutschen Patentanmeldung P 35 26 074 vorgeschlage­nen Verbrennungsvorrichtung der o.a. Gattung ist der Auslaß des Tauchrohrs, das einen mit Rußpartikeln beladenen Abgasstrom in die Brennkammer leitet, gleichachsig gegen die Überströmöffnung zur Auf­bereitungskammer des Zündbrenners hin gerichtet, so daß die mit dem Abgasstrom direkt auf die Pilotflamme geleiteten Partikel nur eine geringe Verweilzeit in der Flammenzone haben. Aus diesem Grunde kann es vorkommen, daß bei unterschiedlich großen Rußpartikeln die Verbrennung nicht vollständig durchgeführt wird.
Vorteile der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich in der Verbrennungsflamme eine heiße, von der Glocke in einem be­grenzten Volumen aufrechterhaltene Kernzone bildet, in der die Tem­perature weit oberhalb der Entflammungstemperatur der Rußpartikel liegt. Außerdem tritt in diesem Bereich bei der Verbrennung eine Re­zirkulationsströmung auf, so daß die Verweilzeit der Rußpartikel in der heißen Zone erhöht und daher eine sichere Verbrennung gewähr­leistet ist.
• Durch eine vorteilhafte Weiterbildung gemäß den Merkmalen nach An­spruch 2 wird die Verweilzeit der Rußpartikel im Bereich hoher Tem­peratur verlängert, so daß eine weitere Steigerung des Ausbrandgra­des erzielt wird.
• Durch eine zusätzliche Weiterbildung gemäß den Merkmalen nach An­spruch 4, werden der zugeführte Abgasstrom und die von ihm mitge­führten Rußpartikel vorgewärmt, so daß sie in der heißen Brennkammer in sehr kurzer Zeit auf Reaktionstemperatur erhitzt werden. Hinzu kommt, daß aufgrund des Restsauerstoffanteils des Abgasstroms Vor­reaktionen möglich sind, die den Ausbrandgrad ebenfalls günstig be­einflussen. Durch den Wärmeaustausch zwischen dem abfließenden Ver­brennungsgas und dem zugeführten Abgasstrom wird ferner eine hohe Wärmeausnutzung erzielt. Andere vorteilhafte Weiterbildungen sind durch in den anderen Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen der Ver­brennungsvorrichtung möglich.
Zeichnung
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fi­gur 1 eine Verbrennungsvorrichtung im Längsschnitt, Figur 2 einen Glühkörper in Seitenansicht, Figur 3 den Glühkörper nach Figur 2 im Querschnitt, Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Glühkör­pers in Seitenansicht, Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Glühkörpers im Längsschnitt und Figur 6 und 7 ein fünftes Ausfüh­rungbeispiel eines Glühkörpers im Längs- und Querschnitt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• Zum Entfernen von Rußteilchen aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen, wird der Abgasstrom zunächst durch eine beispielsweise durch die DE-OS 34 24 196 bekannte elek­trostatische Rußweiche und einen Fliehkraftabscheider geleitet, an dessen einem Ausgang Abgas austritt, das weitgehenst von Ruß und an­deren Feststoffteilchen frei ist, und an dessen anderem Ausgang ein Abgasteilstrom austritt, der mit den ausgeschiedenen Ruß- und Fest­stoffteilchen angereichert ist. Zum Entsorgen des Rußes wird der Ab­gasteilstrom einer nachgehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Verbrennungsvorrichtung zugeführt.
• Die Verbrennungsvorrichtung hat eine Brennkammer 1 in einem zylind­rischen Mantel 2 und daran gleichachsig anschließend einen Zündbren­ner 3 mit einer Brennstoffgemisch-Aufbereitungskammer 4 in einem kappenförmigen Gehäuse 5. Die Brennkammer 1 und die Aufbereitungs­kammer 4 sind miteinander über eine Überströmöffnung 6 in einer Trennwand 7 verbunden, in der die Überströmöffnung 6 die Form einer zur Brennkammer 1 hin sich verengenden Düse hat.
• In die zylindrische Brennkammer 1 ragt von dem im Zündbrenner 3 ge­genüberliegenden Ende gegen die Überströmöffnung 6 gleichachsig ein Tauchrohr 10, dessen Ende 11 axial verschlossen ist und zur Über­strömöffnung 6 hin einen bestimmten Abstand hat. Nahe seinem Ende 11 hat das Tauchrohr 10 mehrere, beispielsweise zwei radiale Auslässe 12, durch die der durch das Tauchrohr 10 zugeführte, mit Rußparti­keln 14 beladene Abgasstrom 15 in die Brennkammer 1 gelangt. Die Auslässe 12 liegen innerhalb eines Rohrstücks 16, das mit einer Trennwand 17 am Tauchrohr 10 gleichachsig befestigt ist, so daß zwi­schen dem Außenumfang des Rohrstücks 16 und der Innenseite des Man­tels 2 der Brennkammer 1 ein ringförmiger Spalt 18 gebildet wird. Die Trennwand 17 und der die Auslässe 12 des Tauchrohrs 10 umgebende Teil des Rohrstücks 16 umschließen in Form einer Glocke eine zur Überströmöffnung 6 hin offene heiße Brennkammer 19 mit einem be­grenzten Volumen. In dieser heißen Brennkammer 19 werden die aus den Auslässen 12 austretenden Rußpartikel 14 entzündet und größtenteils verbrannt. Die entstehenden Verbrennungsgase und die unvollständig verbrannten Rußpartikel 14 treten am äußeren Umfang der glockenför­migen heißen Brennkammer 19 aus und werden an der Stirnkante des Rohrstücks 16 zum Spalt 18 hin umgelenkt.
• In den sich hinter der heißen Brennkammer 19 erstreckenden Teil des Rohrstücks 16 ragt gleichachsig ein zweites Rohrstück 20, das mit einem Flansch 21 am Mantel 2 der Brennkammer 1 befestigt ist. Die Rohrstücke 16 und 20 unterteilen die Brennkammer 1 in mehrere mit­einander verbundene Ringspalte 18, 21 und 22, die ein Labyrinthsy­stem bilden und den Strömungweg des Verbrennungsgases verlängern. Durch diese Ausbildung der Brennkammer 1 wird die Verweilzeit des Verbrennungsgases erhöht und dadurch der Ausbrandgrad gesteigert. Am Auslaßende des innersten Ringspaltes 22 schließt sich eine von einer Tasse 24 gebildete Sammelkammer 25 an, durch die das Tauchrohr 10 ragt und von der ein Abgasstutzen 26 zum Abführen der Brennerabgase 27 wegführt. Durch die gleichachsige Anordnung des Tauchrohres 10 zu dem vom Rohrstück 20 gebildeten innersten Ringspalt 22 wird ein Ge­genstromwärmetauscher gebildet, der eine hohe Wärmeausnutzung ge­währleistet. Die heißen Brennerabgase erwärmen über das Tauchrohr 10 den durch diesen geführten, mit Rußpartikeln beladenen Abgasstrom, so daß die aus den Auslässen 12 austretenden Rußpartikel 14 inner­halb kurzer Zeit auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Aufgrund der Vorwärmung im Tauchrohr 10 sind bei Dieselabgasen, die einen Restsauerstoffanteil haben, bereits Vorreaktionen möglich, die den Ausbrandgrad günstig beeinflussen.
• Zum Erzeugen einer Zünd- oder Pilotflamme, die aus der Aufberei­tungskammer 4 des Zündbrenners 3 durch die Überströmöffnung 6 gegen das Ende 11 des Tauchrohrs 10 in die heiße Brennkammer 19 schlägt, münden in die Aufbereitungskammer 4 eine Brennstoffzuführleitung 30 und eine oder mehrere, beispielsweise zwei Luftzuführleitungen 31, 32. Die Eintrittsöffnungen 33, 34 der Luftzuführleitungen 31, 32 münden gleichgerichtet tangential in die Aufbereitungskammer 4 nahe der Trennwand 7, so daß die Verbrennungsluft mit Drall in die Aufbe­reitungskammer 4 einströmt. Die Brennstoffzuführleitung 30 mündet in eine durch einen Ansatz 35 gebildete Ausbauchung 36 der Aufberei­tungskammer 4. In diese außermittige Ausbauchung 36 ragt eine an sich bekannte Glühkerze 37, die zum Starten der Verbrennungsvorrich­tung mit einem elektrischen Strom versorgt wird. Mittig in der Auf­bereitungskammer 4 des Zündbrenners 3 ist ein rotationssymmetrischer Glühkörper 40 angeordnet. Er ist an der Stirnwand des Gehäuses 5 be­festigt und erstreckt sich zur Überströmöffnung 6 hin. Der Glühkor­per 40 hat mehrere, beispielsweise drei von einem Schaft 41 radial abstehende Ringrippen 42, von denen die der Überströmöffnung nahen Ringrippen 42 gleichmäßig verteilte Durchbrüche 43 haben.
• Zum Erzeugen der Pilotflamme und zum Zuführen von für die Verbren­nung der Rußpartikel 4 nötigen Luft ist in die Brennstoffzuführlei­tung 30 ein Steuerventil 45 oder eine Pumpe und in die Luftzuführung ein Gebläse 46 geschaltet, die beide von einem zentralen Steuergerät 47 so gesteuert werden, daß die für die Verbrennung nötigen Mengen an Brennstoff und Luft dosiert zugeführt werden.
• Mit dem Steuergerät 47 ist außerdem die Glühkerze 37 verbunden. Fer­ner ist das Steuergerät 47 zur Flammenüberwachung im Aufbereitungs­raum 4 des Zündbrenners 3 mit einem in das Gehäuse eingesetzten Sen­sor 48 verbunden, der als optischer Sensor, als Temperatursonde oder als Ionenstromsonde ausgebildet sein kann.
• Um die Wärme der Verbrennungsvorrichtung gut auszunützen, ist diese nach außen isoliert. Dazu umgibt eine äußere Schale 50 das Gehäuse 5 des Zündbrenners 3, den Mantel 2 der Brennkammer 1 und die Tasse 24 der Sammelkammer 25. Durch den von der Schale 50 gebildeten Ringraum 51 wird von dem Gebläse 46 die für die Verbrennung nötige Verbren­nungsluft 52 hindurchgedrückt, wobei sich diese erwärmt und gleich­zeitig als Kühlmittel für die Verbrennungsvorrichtung dient. Die Schale 50 hat im Bereich der Sammelkammer 25 einen Einlaßstutzen 53 und im Bereich des Zündbrenners 3 einen Auslaßstutzen 54, der über eine Leitung 55 mit den Luftzuführungsleitungen 31, 32 verbunden ist.
• Zur Inbetriebnahme der beschriebenen Verbrennungsvorrichtung wird zunächst die Glühkerze 37 mit Strom versorgt und durch die Brenn­stoffzuführleitung 30 vorzugsweise flüssiger Kraftstoff in die Aus­bauchung 36 der Aufbereitungskammer 4 geleitet. Gleichzeitig fördert des Gebläse 46 Verbrennungsluft in die Aufbereitungskammer 4 durch die beiden Eintrittsöffnungen 33, 34. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur entzündet sich das Brennstoff-Luftgemisch in der Aufbe­reitungskammer 4 und die Flamme schlägt durch die Überströmöffnung 6 in die glockenförmige heiße Brennkammer 19. Nach einiger Zeit er­reicht der Glühkörper 40 Zündtemperatur, so daß die Flammenbildung stabilisiert wird. Die Glühkerze 37 kann nun abgeschaltet werden. Die unter Drall infolge der tangentialen Zuführung der Luft durch die Überströmöffnung 6 in die heiße Brennkammer 19 schlagende Zünd­flamme wird durch die Ausbildung der Überströmöffnung 6 als Düse in der Axialen konzentriert, so daß in der Mitte der heißen Brennkammer 19 eine sehr heiße Verbrennungskernzone gebildet wird, in der die Rußpartikel 14 schnell auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Nach einer Rezirkulation in der Brennkammer 19 strömen die Verbrennungs­abgase unter weiterer Reaktion durch einen relativ langen, durch die Ringspalte 18, 21 und 22 gebildeten Weg in die Sammelkammer 25 und von dort als sauberes, abgekühltes Abgas ab.
• Neben dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsform des Glühkörpers, der eine Gasvermischung fördernde und die Flamme zur Überströmöff­nung 6 zur Brennkammer 1 hin leitende Flächen hat, sind andere Ge­staltungsformen möglich. Im Prinzip sind rotationssymmetrische For­men bevorzugt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 hat der Glühkörper 40 eine zylindrische Grundform, in die kreuzweise vier Längsnuten 61 eingearbeitet sind, so daß vier Längsrippen 62 gebil­det werden. In die radial äußere Fläche der Längsrippen 62 sind zu­sätzlich Längsnuten 63 eingeformt, deren Tiefe geringer ist als die der Längsnuten 61. Anstelle von achsparallelen Längsnuten können in den Glühkörper 40, wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 darge­stellt ist, auch nur eine oder zwei Nuten 65 eingearbeitet sein, die wendelförmig verlaufen und so dem Glühkörper die Form einer Schnecke 66 verleihen. Anstelle einer kompakten Gestaltung kann der glühkör­per 40 auch die Form einer zylindrischen Hülse 70 haben, deren Man­tel von mehreren Durchbrüchen 71, 72 der Bohrungen dudrchsetzt ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 verlaufen die Durchbrüche 71 radial zur Längsachse des Glühkörpers. Dagegendurchsetzen die Durch­brüche 72 die Hülse 70 beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 6 und 7 zur Radialen schräg, so daß die durchtretenden Gase einen Drall erhalten.
• Ergänzend wird bemerkt, daß die Teile der Verbrennungsvorrichtung die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie insbesondere der Glüh­körper 40, aus einem hochtemperaturfestern Werkstoff bestehen, bei­spielsweise aus einer unter dem Namen "Inconel" bekannten Nickel­basislegierung oder aus Keramik.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Verbrennen von Feststoffteilchen, insbesondere Rußpartikel, im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einer zylind­rischen Brennkammer (1), mit einer durch eine Überströmöffnung (6) mit der Brennkammer verbundenen Brennstoffgemisch-Aufbereitungskam­mer (4), in der eine Pilotflamme erzeugt und durch die Überströmöff­nung in die Brennkammer gerichtet wird, mit einem gleichachsig in die Brennkammer gegen die Überströmöffnung ragenden, einen Auslaß (12) aufweisenden Tauchrohr (10), durch das ein mit den Feststoff­teilchen (14) beladener Gasstrom (15) in die Brennkammer geleitet wird, und mit einem das Verbrennungsgas (27) führenden, das Tauch­rohr teilweise umgebenden Abführrohr (20), dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (12) des Tauchrohrs (10) radial mündet, und daß das Tauchrohr im Bereich des Auslasses von einer gegen die Überströmöff­nung (6) offenen, von der Wand der Brennkammer (1) radial beabstan­deten, glockenförmigen heißen Brennkammer (19) umgeben ist, derart, daß die von der Pilotflamme gezündete Verbrennungsflamme innerhalb eines begrenzten Volumens mit heißer Kernzone gefaßt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich stromabwärts der die heiße Brennkammer (19) umschließenden Glocke (16, 17) mehrere labyrinthartig ineinander übergehende Ringkanäle (18, 20, 21) anschließen, innerhalb denen gleichachsig das Tauchrohr (10) verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zy­lindrische Mantel der Glock (16, 17) rückwärtig verlängert ist und zusammen mit dem Mantel (2) der Brennkammer (1) sowie mit einem in­neren Rohrstück (20) die Ringkanäle (18, 21, 22) bildet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Glocke (16, 17) gleichachsig zur Überströmöffnung (6) ausgerichtet ist, die als Düse mit zur Glocke hin sich verrin­gerndem Querschnitt ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Brennkammer (1) eine von einer Tass (24) umschlossene Sammel­kammer (25) mit einem Auslaß (26) anschließt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß am Ende des Tauchrohrs (10) mehrere radiale Düsen (12) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 1 bis 6, dadurch gekenn­zeichnet, daß in der Brennstoff-Aufbereitungskammer (4) ein Glühkör­per (40) angeordnet ist.

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