DE3732491A1 - Zuendbrenner fuer eine vorrichtung zum verbrennen von festkoerperpartikeln im abgas von brennkraftmaschinen - Google Patents
Zuendbrenner fuer eine vorrichtung zum verbrennen von festkoerperpartikeln im abgas von brennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Zündbrenner für eine
Vorrichtung zum Verbrennen von Festkörperpartikeln,
insbesondere Rußteilchen, im Abgas von Brennkraftmaschinen
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Solche Verbrennungsvorrichtungen dienen insbesondere bei
Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren zur unmittelbaren
Rußentsorgung des durch elektrostatische Rußweichen aus dem
Abgas ausgefilterten Rußes. Dieser wird mit einem
Abgasnebenstrom, der weniger als 1% des gesamten Abgases
ausmacht, der Brennkammer der Verbrennungsvorrichtung
zugeführt und dort bei einer Flammtemperatur zwischen
550°C-1000°C verbrannt. Die schadstoffreien
Verbrennungsprodukte und die Restgase werden über die
Auspuffanlagen der Brennkraftmaschine ausgestoßen. Zur
Erzeugung der Abbrennflamme ist an die Brennkammer der
Verbrennungsvorrichtung ein Zündbrenner angesetzt, wie er
beispielsweise in der DE-OS 36 21 914 beschrieben ist. In
dem dort als Drallbrenner ausgebildeten Zündbrenner wird in
der Gemischaufbereitungskammer flüssiger Kraftstoff und
Verbrennungsluft in dosierten Mengen verwirbelt und das
Gemisch über die Gemischaustrittsöffnung der Brennkammer
zugeführt, wo es nach Entflammung zusammen mit dem
rußbeladenen Abgas abbrennt. Die Entflammung wird von der
Glühkerze bewirkt, an deren Glühwendel sich das Gemisch
entzündet. Der Glühkörper in der Gemischaufbereitungskammer
übernimmt nach Gemisch-Entflammung und seiner Aufheizung
die Stabilisierung der Flammenbildung, so daß die Glühkerze
wieder abgeschaltet werden kann und lediglich zur
Inbetriebnahme oder für intermittierenden Betrieb der
Verbrennungsvorrichtung erforderlich ist. Die konstruktive
Gestaltung des Zündbrenners ist dabei ausschlaggebend für
die Qualität der Gemischaufbereitung und für die
Beanspruchung der Glühkerzen, wobei durch Unterbringung der
Glühkerze in der separaten Aufnahmekammer diese außerhalb
des Flammenbereichs liegt und damit deren thermische
Überlastung verhindert wird.
Der erfindungsgemäße Zündbrenner mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß einerseits
die Schutzhülse ein Auftreffen des in die
Zündkerzen-Aufnahmekammer einströmenden Kraftstoffes auf die
Glühwendel der Glühkerze und damit ein Verkoken der
Glühkerze verhindert wird, was zu einer erheblichen
Verlängerung der Standzeit der Glühkerze führt, und
andererseits durch die auch bei ausgeschalteter Glühkerze
immer heiße Schutzhülse eine gleichmäßige Verdampfung des
auf die Schutzhülse auftreffenden Kraftstoffes
gewährleistet wird. Dies führt zu einer sehr guten
Gemischaufbereitung und bereits bei kleinem
Verbrennungsluft-Kraftstoffverhältnis zu einer rußfreien
(blauen) Brennerflamme.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im
Anspruch 1 angegebenen Zündbrenners möglich.
Durch die etwa vertikale Anordnung der Aufnahmekammer und
die Anordnung der Verbindungsöffnung zwischen Aufnahmekammer
und Gemischaufbereitungskammer am unteren Ende der
Aufnahmekammer wird nicht nur eine vereinfachte Herstellung
des Gehäuses des Zündbrenners erzielt, sondern auch eine
Kraftstoffsumpfbildung in der Aufnahmekammer verhindert. Der
Zündbrenner ist damit stabiler gegenüber mechanischen
Erschütterungen als bekannte Zündbrenner.
Durch die Kühlung des Mantels der Aufnahmekammer im Bereich
des das Kerzenanschlußgewinde aufnehmenden
Innengewindeabschnittes gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung wird die Dauerhaltbarkeit der
elektrischen Anschlüsse der Glühkerze gewährleistet. Die
Kühlung kann dabei durch radial oder axial zur
Aufnahmekammer auf deren Umfang verlaufende Kühlrippen oder
durch einen den Innengewindeabschnitt umschließenden
Ringkanal bewirkt werden, durch welchen die der
Gemischaufbereitungskammer zugeführte Verbrennungsluft
hindurchgeleitet wird. Im letzten Fall wird zugleich die
Verbrennungsluft vorgewärmt, so daß zum Erreichen der
Zündtemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches geringere
Energie erforderlich ist.
Durch verschiedenartige Ausgestaltungen des der
Gemischaustrittsöffnung vorgesetzten Brennermundes, z.B. als
Düse oder als Diffusor, kann die Form der Flamme
verschiedenartigen Anforderungen angepaßt werden.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer
Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Zündbrenners für eine
Verbrennungsvorrichtung in Kraftfahrzeugen,
Fig. 2 einen Schnitt des Zündbrenners gemäß Linie II-II
in Fig. 1,
Fig. 3 einen Längschnitt im Bereich des Abschnittes A
in Fig. 2 eines Zündbrenners gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 eine Draufsicht des Abschnittes A in Fig. 2
eines Zündbrenners gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 einen Längsschnitt des die Gemischaustritts
öffnung aufweisenden Endes einer Gemischaufbe
reitungskammer eines Zündbrenners gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel.
Der in Fig. 1 im Längsschnitt und in Fig. 2 im Querschnitt
jeweils schematisch dargestellte Zündbrenner weist eine
hohlzylindrische Gemischaufbereitungskammer 10, im folgenden
kurz Aufbereitungskammer 10 genannt, und eine
Glühkerzenaufnahmekammer 11, im folgenden kurz
Aufnahmekammer 11 genannt, auf. Beide Kammern 10,11
verlaufen rechtwinklig zueinander, wobei ihre Längsachsen in
einer Ebene liegen. In Einbaulage des Zündbrenners liegt
die Aufbereitungskammer 10 etwa horizontal und die
Aufnahmekammer 11 vertikal, wobei letztere mit ihrem einen
offenen Stirnende in eine kreiszylindrische Öffnung 12 in
der Kammerwand der Aufbereitungskammer 10 eingesetzt ist.
Die Aufbereitungskammer 10 ist an einem Stirnende
verschlossen und weist an ihrem anderen Stirnende eine
Gemischaustrittsöffnung 13 auf, an welche eine weiter nicht
dargestellte Brennkammer der Verbrennungsvorrichtung
angeschlossen wird. In der Aufbereitungskammer 10 ist
koaxial ein Glühkörper 14 angeordnet, der in der
geschlossenen Stirnwand der Aufbereitungskammer 10 befestigt
ist und sich durch die Aufbereitungskammer 10 hindurch bis
nahe an die Gemischaustrittsöffnung 13 erstreckt. Der
Glühkörper 14 hat mehrere, beispielsweise drei, von einem
Schacht 15 radial abstehende Ringrippen 16, von denen die
beiden der Gemischaustrittsöffnung 13 näherliegenden
Ringrippen 16 gleichmäßig über ihren Umfang verteilte
Durchbrüche 17 aufweisen. Nahe der geschlossenen Stirnwand
der Aufbereitungskammer 10 mündet eine Luftzuführleitung 18
mit zur Aufbereitungskammer 10 tangentialer
Einströmrichtung. Nahe der Gemischaustrittsöffnung 13 ist in
der Kammerwand ein Thermoelement 19 angeordnet, das radial
in die Aufbereitungskammer 10 bis in die Nähe des
stirnseitigen Endes des Glühkörpers 14 hineinragt. Auf die
Gemischaustrittsöffnung 13 ist ein mit der Kammerwand der
Aufbereitungskammer 10 einstückiger Brennermund 20
aufgesetzt, der als Diffusor mit zum freien Ende hin sich
erweiterndem Querschnitt ausgebildet ist. Wie in Fig. 5
dargestellt ist, kann der Brennermund 20 aber auch als Düse
mit zum freien Ende hin sich konisch verjüngendem
Querschnitt ausgebildet werden. Zur Befestigung des
Zündbrenners an der Verbrennungsvorrichtung trägt die
Aufbereitungskammer 10 in Nähe des Brennermundes 20 einen
radial abstehenden Befestigungsflansch 21, der einstückig
mit der Kammerwand ist.
In der Aufnahmekammer 11 ist koaxial eine Glühkerze 22
gehalten, die mit einem Kerzenanschlußgewinde 23 in einen
Innengewindeabschnitt 24 an dem der Öffnung 12 abgekehrten
Ende der Aufnahmekammer 11 eingeschraubt ist (Fig. 2). Die
Glühkerze 22 ragt mit ihrer Glühwendel 25 bis nahe an die
Öffnung 12 zu der Aufbereitungskammer 10. Im Bereich der
Glühwendel 25 ist die Glühkerze 22 von einer Schutzhülse 26
mit Radialabstand koaxial umschlossen, die im Hinblick auf
eine geringe Wärmekapazität und damit verbundene schnelle
Aufheizzeit dünnwandig ausgeführt ist, wobei ihre Wandstärke
vorzugsweise zwischen 0,1-0,3 mm liegt. In die
Aufnahmekammer 11 ragt radial ein Mündungsstutzen 27 einer
Kraftstoffzulaufleitung 28 hinein, dessen Mündung 29
unmittelbar vor der Außenwand der Schutzhülse 26 liegt.
Durch diese - auch bei vorübergehend abgeschalteter
Glühkerze 22 - heiße Schutzhülse 26 wird eine gleichmäßige
Verdampfung des zugeführten Kraftstoffes gewährleistet, was
die Gemischaufbereitung verbessert. Außerdem kann durch die
Schutzhülse 26 der Kraftstoff nicht in unmittelbaren Kontakt
mit der Glühwendel 25 der Glühkerze 22 gelangen, so daß
deren Verkokung weitgehend verhindert wird. Zur Verbesserung
der Zündung sind nahe dem freien offenen Stirnende der
Schutzhülse 26 in dieser Bohrungen 30 vorgesehen, die
gleichmäßig über den Umfang der Schutzhülse 26 verteilt
angeordnet sind.
Die Glühkerze 22 wird über zwei elektrische
Anschlußleitungen 31 und 32 mit Strom versorgt. Um eine
Überhitzung der elektrische Anschlüsse zu vermeiden, ist die
Aufnahmekammer 11 im Bereich ihres Innengewindeabschnittes 24
gekühlt. In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und 2 erfolgt
dabei die Kühlung durch die der Aufbereitungskammer 10
zugeführte Verbrennungsluft. Hierzu ist der Mantel der
Aufnahmekammer 11 im Bereich des Innengewindeabschnittes 24
von einem Ringkanal 33 umschlossen, der mit einer
Einlaßöffnung 34 und mit einer Auslaßöffnung 35 in die
Luftzuführleitung 18 eingeschaltet ist (Fig. 2). Beim
Durchströmen des Ringkanals 33 nimmt die Verbrennungsluft
Wärme auf, wodurch einerseits der Kerzenanschluß der
Glühkerze 22 gekühlt und andererseits die Verbrennungsluft
vorgewärmt wird, so daß eine gewisse Energieeinsparung beim
Aufheizen des Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisches auf
dessen Zündtemperatur erzielt wird. In einer vereinfachten
Bauweise können anstelle des Ringkanals 33 auch Kühlrippen
zur Kühlung des Kerzenanschlußgewindes 23 verwendet werden.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind dabei radiale
Kühlrippen 36 auf den Mantel der Aufnahmekammer 11 im
Bereich des Innengewindeabschnittes 24 aufgesetzt. Wie in
dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 zu sehen ist, können auch
axiale Kühlrippen 37 vorgesehen werden, die sich auf dem
Außenmantel der Aufnahmekammer 11 über den gesamten Bereich
des Innengewindeabschnittes 24 erstrecken.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Zündbrenners ist wie
folgt:
Zur Inbetriebnahme der Verbrennungsvorrichtung wird zunächst
die Glühkerze 37 des Zündbrenners mit Strom versorgt und
durch die Kraftstoffzulaufleitung 28 Kraftstoff in die
Aufnahmekammer 11 geleitet. Gleichzeitig wird über die
Luftzuführleitung 18 Verbrennungsluft in die
Aufbereitungskammer 10 gefördert, die infolge der
tangentialen Einströmrichtung in der Aufbereitungskammer 10
eine Drehströmung hervorruft. Der auf die von der Glühkerze
22 aufgeheizte Schutzhülse 26 auftreffende Kraftstoff
verdampft und vermischt sich in der Aufbereitungskammer 10
mit der Verbrennungsluft. Bei Erreichen einer bestimmten
Temperatur entzündet sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch, und
die Flamme schlägt durch die Gemischaustrittsöffnung 13 in
die angeschlossene Brennkammer der Verbrennungsvorrichtung.
Nach einiger Zeit erreicht der Glühkörper 14 Zündtemperatur,
so daß die Flammenbildung stabilisiert wird. Die Glühkerze
22 wird nunmehr abgeschaltet. Die unter Drall durch die
Gemischaustrittsöffnung 13 in die Brennkammer schlagende
Zündflamme wird durch die Ausbildung des Brennermundes als
Düse (Fig. 5) in der Achse der Brennkammer konzentriert, so
daß in der Mitte der Brennkammer eine sehr heiße
Verbrennungskernzone gebildt wird, in welcher die mit dem
Abgasnebenstrom der Brennkammer zugeführten Rußpartikel
schnell auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Durch die
Ausbildung des Brennermundes als Diffusor (Fig. 1) kann eine
Verlagerung und Verbreiterung der Verbrennungskernzone
erreicht werden. Der Stärke des für eine stabile Verbrennung
notwendigen Dralls des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann durch
verschiedene Querschnitte der Luftzuführleitung 18
beeinflußt werden. Zur Überwachung des Zündbrenners und zur
Regelung der Brennertemperatur auf einen konstanten Wert
dient das Thermoelement 19 oder ein anderer Sensor, der die
Flammtemperatur des Zündbrenners sensiert.
Claims (8)
1. Zündbrenner für eine Vorrichtung zum Verbrennen von
Festkörperpartikeln, insbesondere Rußteilchen, im Abgas
von Brennkraftmaschinen, mit einer einen Glühkörper
koaxial aufnehmenden hohlzylindrischen
Gemischaufbereitungskammer, die an einem Stirnende
verschlossen ist und an dem anderen Stirnende eine
Gemischaustrittsöffnung aufweist, mit einer zur
Gemischaufbereitungskammer quer verlaufenden, eine
Glühkerze koaxial aufnehmenden hohlzylindrischen
Aufnahmekammer, die mit der Gemischaufbereitungskammer
in Verbindung steht, mit einer in der Aufnahmekammer
mündenden Kraftstoffzulaufleitung und mit einer in der
Gemischaufbereitungskammer mit tangentialer
Einströmrichtung mündenden Luftzuführleitung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glühkerze (22) im Bereich der
Glühwendel (25) von einer vorzugsweise dünnwandigen
Schutzhülse (26) mit Radialabstand koaxial umschlossen
ist und daß die Kraftstoffzulaufleitung (28) in einem
radial in die Aufnahmekammer (11) hineinragenden
Mündungsstutzen (27) endet, dessen Mündungsöffnung (29)
sehr dicht an der Schutzhülse (26) liegt.
2. Zündbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Achsen von Gemischaufbereitungskammer (10) und
Aufnahmekammer (11) in einer Ebene liegen und daß die
Aufnahmekammer (11) mit ihrem einen offenen Stirnende in
einer kreiszylindrischen Öffnung (12) in der Kammerwand
der Gemischaufbereitungskammer (10) mündet.
3. Zündbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aufnahmekammer (11) in Einbaulage des Zündbrenners
mit annähernd horizontaler Ausrichtung der
Gemischaufbereitungskammer (10) oberhalb letzterer mit
etwa vertikaler Ausrichtung liegt.
4. Zündbrenner nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß im unteren Bereich der Schutzhülse
(26) über ihren Umfang vorzugsweise gleichmäßig
verteilte Radialbohrungen (30) eingebracht sind.
5. Zündbrenner nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mündung der Luftzuführleitung
(18) nahe dem verschlossenen Stirnende der
Gemischaufbereitungskammer (10) liegt.
6. Zündbrenner nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aufnahmekammer (11) an einem
Stirnende einen Innengewindeabschnitt (24) zum
Einschrauben der Glühkerze (22) aufweist und daß der
Mantel der Aufnahmekammer (11) im Bereich des
Innengewindeabschnittes (24) gekühlt ist.
7. Zündbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mantel der Aufnahmekammer (11) im Bereich des
Innengewindeabschnittes (24) rechtwinklig abstehende,
sich radial oder axial erstreckende Kühlrippen (36, 37)
trägt.
8. Zündbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mantel der Aufnahmekammer (11) im Bereich des
Innengewindeabschnittes (24) von einem Ringkanal (33)
umschlossen ist, der mit einem Ein- und Auslaß (34, 35)
in der Luftzuführleitung (18) eingeschaltet ist.
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