DE4307525A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel- Brennkraftmaschine, mit Hilfe eines Brenners mit einer Brenn­ kammer, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Es gibt eine Vielzahl von Vorschlägen für Verfahren und Vor­ richtungen zur Nachbehandlung der Abgase einer Diesel-Brenn­ kraftmaschine, um die in den Abgasen enthaltenen Rußpartikel zu beseitigen. Am bekanntesten ist die Anordnung eines Rußfil­ ters in der Abgasleitung. Da ein derartiger Rußfilter sich jedoch verhältnismäßig schnell zusetzt, müssen Maßnahmen zum Regenerieren desselben ergriffen werden. Es ist bekannt, zu diesem Zweck einen Brenner vorzusehen, der eine Brennkammer aufweist, in welche eine mit Dieselkraftstoff beschickte Brennstoffdüse und eine mit einer Luftpumpe verbundene Brenn­ luftleitung mündet. Das in der Brennkammer gebildete Kraft­ stoff-Luftgemisch wird durch eine Zündeinrichtung gezündet und die heißen Brenngase werden mit den Abgasen gemischt und heben die Abgastemperatur so weit an, daß die in dem Rußfilter ange­ sammelten Rußpartikel oxidieren. Bei fremdgezündeten Brenn­ kraftmaschinen werden derartige Brenner zum schnellen Auf­ heizen eines in der Abgasleitung angeordneten Katalysators eingesetzt.

Die für diesen Zweck vorgeschlagenen Brenner sind Gebläsebren­ ner mit Druckzerstäuberdüse, die sich in modernen Heizanlagen vielfach bewährt haben und eine hohen Wirkungsgrad aufweisen. Sie haben jedoch für den Einsatz als Nachbrenner in Abgasanla­ gen eine Reihe von Nachteilen. Für die Nachverbrennung werden Brennerleistungen von wesentlich weniger als 10 kW benötigt. Bei diesen geringen Leistungen wird die Düsenöffnung der Brennstoffdüse so klein, daß sie nach relativ kurzer Betriebs­ zeit zum Verkoken neigt, und zwar insbesondere dann, wenn der Brenner intermittierend betrieben wird und während der Ruhe­ zeiten ein Aufheizen der Düse durch die heißen Abgase erfolgt. Ein weiterer Nachteil derartiger Zerstäubungsbrenner besteht darin, daß die Flamme instabil ist, wenn der Gegendruck zu hoch wird und/oder pulsiert. Im Auspuffrohr sind jedoch stets Pulsationen vorhanden. Die Instabilität bei Druckschwankungen im Auspuffrohr rührt unter anderem daher, daß bei derartigen Zerstäubungsbrennern die Brennluftzufuhr mit einem geringen Druck von etwa 40 bis 100 mm WS erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem bei fremdgezün­ deten Brennkraftmaschinen eine sichere Anwärmung des Katalysa­ tors und bei Diesel-Brennkraftmaschinen die Beseitigung der Rußpartikel wirkungsvoller und zuverlässiger als bisher er­ folgt und unter Umständen auf ein Rußfilter verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft erzeugt, dieses Gemisch der Brennkammer zugeführt und dieser verbrannt wird und die Heißgase mit dem Abgasstrom vermischt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird somit das brennfähige Gemisch nicht erst in der Brennkammer, sondern außerhalb der Brennkammer erzeugt und es tritt somit aus der Brennerdüse ein brennfähiges Aerosol, dessen Flamme auch bei erhöhtem und wechselndem Gegendruck und bei Pulsationen in der Abgasleitung stabil bleibt. Dadurch, daß der Brennerdüse nicht nur Kraft­ stoff, sondern ein Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt wird, kann die Düsenöffnung auch bei kleinen Brennerleistungen ver­ hältnismäßig groß ausgeführt werden, so daß die Gefahr einer Verkokung weitgehend beseitigt ist.

Bei Diesel-Brennkraftmaschinen wird der gesamte Abgasstrom durch die Brennkammer geführt. Dies hat zur Folge, daß ein Großteil der Rußpartikel in den Bereich der heißen Brenngase gelangt und mit Hilfe des in den Abgasen enthaltenen Luftüber­ schusses verbrannt wird, so daß, wenn überhaupt, nur eine geringe Menge an Rußpartikel in einem nachgeschalteten Rußfil­ ter aufgefangen werden muß. Dieser Rußfilter wird aber durch die von den Brenngasen auf hohe Temperatur gebrachten Abgasen unverzüglich regeneriert.

Die Menge der Rußpartikel im Abgas einer Diesel-Brennkraftma­ schine ist drehzahl- und lastabhängig, wobei bei hoher Last viel Ruß und bei hoher Drehzahl eine große Abgasmenge anfällt. Um eine sichere Beseitigung der Rußpartikel oder zumindest eines Großteils desselben zu erreichen ist es daher zweckmä­ ßig, die Menge des der Brennkammer zugeführten Kraftstoff- Luftgemisches in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine zu steuern. Da moderne Diesel-Brenn­ kraftmaschinen bereits elektronische, kennfeldgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen aufweisen, können die in diesem Kennfeld gespeicherten Parameter zur Steuerung der dem Brenner zugeführten Gemischmenge verwendet werden.

Insbesondere wenn in der Abgasleitung hinter dem Brenner ein Katalysator vorgesehen ist, kann es zweckmäßig sein, die Menge des der Brennkammer zugeführten Kraftstoff-Luftgemisches (auch) in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgase hinter der Brennkammer zu steuern, um eine Überhitzung des Katalysa­ tors zu vermeiden bzw. ein entsprechendes Aufheizen desselben zu erreichen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine zuverlässige Zün­ dung des Kraftstoff-Luftgemisches gewährleistet, da dieses Gemisch, wie erwähnt nicht in der Brennkammer, sondern außer­ halb derselben erzeugt wird, so daß sichergestellt ist, daß ein zündfähiges Gemisch mit einer Luftzahl von etwa 1,0 bis 1,3 vorliegt. Um sicherzustellen, daß diese Verhältnisse auch beim Anlassen der Brennkraftmaschine vorliegen, ist es zweck­ mäßig, den Brenner vor oder spätestens mit dem Anlassen der Brennkraftmaschine einzuschalten und dadurch wird vermieden, daß in die Brennkammer Abgas gelangen kann, bevor der Brenner anspringt, was die Zündung des aus der Brennerdüse austreten­ den Gemisches beeinträchtigen könnte.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die am einen Ende geschlossene Brennkammer in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist und mit dieser einen Ringraum bildet, der durch Öffnungen in der Wand der Brennkammer mit deren Innenraum in Verbindung steht, daß sich an das offene Ende der Brennkammer ein Auspuffrohr an­ schließt, daß der Ringraum von einer Querwand begrenzt ist, die den gesamten Abgasstrom zwingt, von der Ringkammer durch die Öffnungen in die Brennkammer und von dort in das Auspuff­ rohr zu strömen, und daß am geschlossenen Ende der Brennkammer eine Brenndüse angeordnet ist, die mit einem das zündfähige Kraftstoff-Luftgemisch erzeugenden Einrichtung verbunden ist und durch die das Gemisch in die Brennkammer eingeführt wird. Zur Erzielung einer rußfreien Verbrennung ist es dabei zweck­ mäßig, wenn sich die Brennkammer von der Düse trichterförmig erweitert, vorzugsweise entsprechend dem Spritzkegel der Düse.

Die das Kraftstoff-Luftgemisch erzeugende Einrichtung weist vorzugsweise eine Luftpumpe und eine Kraftstoffpumpe auf, die gemeinsam, vorzugsweise von einem Elektromotor, angetrieben sind, wobei die Förderleitung der Kraftstoffpumpe in die An­ saugleitung der Luftpumpe mündet und die Förderleitung der Luftpumpe mit der Brennerdüse verbunden ist, und wobei die Fördermengen der Luftpumpe und der Kraftstoffpumpe so aufein­ ander abgestimmt sind, daß ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird. Die Zündung erfolgt, wie bei Brennern üblich, durch nahe der Austrittsöffnung der Brennerdüse angeordnete Elektroden. Durch das Einführen des Kraftstoffes in die Ansaugleitung der Luftpumpe wird der Kraftstoff in der Luftpumpe sehr intensiv mit der Luft vermischt, so daß sich ein homogenes Kraftstoff- Luftgemisch bildet. Die Fördermenge der Einrichtung kann durch Veränderung der Drehzahl des Elektromotors variiert werden, um die Menge des in die Brennkammer eingebrachten und dort verbrannten Kraftstoff-Luftgemisches dem Abgasvolumen und der Rußzahl, also der Menge der Rußpartikel pro Volumeneinheit, anzupassen. Wird zum Antrieb ein Elektromotor verwendet, so kann dieser kennfeldgesteuert sein, wobei ein Kennfeld verwendet wird, in dem die Rußzahl in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine abgelegt ist. Be­ kanntlich erhöht sich die Rußzahl mit ansteigender Last und das Abgasvolumen mit steigender Drehzahl, so daß bei Vollast und Höchstdrehzahl die größte Menge an Rußpartikeln anfällt. Die Drehzahl des Elektromotors kann dabei stufenlos regelbar sein, es kann jedoch auch ausreichend sein, wenn die Drehzahl nur in zwei oder drei Stufen veränderbar ist. Alternativ kann der Antrieb von der Brennkraftmaschine erfolgen, wobei dann ein Mengenregelventil in der Aerosolleitung vorgesehen wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es gelingen, prak­ tisch alle im Abgas enthaltenen Rußpartikel in der Brennkammer zu verbrennen. Aus Sicherheitsgründen und um zu erwartende strengere Abgasvorschriften zu erfüllen, ist es jedoch zweck­ mäßig, in dem Auspuffrohr hinter der Brennkammer ein Rußfilter anzuordnen, das die wenigen nicht verbrannten Rußpartikel auffängt und das durch die erhöhte Temperatur der durch die Brenngase aufgeheizten Abgase sehr schnell regeneriert wird.

Die Abgase von Diesel-Brennkraftmaschinen enthalten neben Rußpartikeln unter anderem auch Kohlenwasserstoffe und geringe Menge an Kohlenoxid, die in einem Oxidationskatalysator un­ schädlich gemacht werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung würde ein derartiger Katalysator in dem Auspuffrohr hin­ ter der Brennkammer angeordnet und normalerweise mit dem Ruß­ filter kombiniert werden, indem die Innenfläche des Rußfilters mit einer entsprechenden katalytischen Beschichtung versehen wird. Um eine Überhitzung des Katalysators zu vermeiden bzw. bei einem Kaltstart ein schnelles Erwärmen des Katalysators zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Menge des Kraftstoff-Luftge­ misches in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgase hinter der Brennkammer zu steuern.

Wenn der Brenner nicht kontinuierlich betrieben wird, was an sich im Hinblick darauf, daß beim Betrieb einer Diesel-Brenn­ kraftmaschine ständig Ruß, wenn auch in unterschiedlichen Men­ gen anfällt, zweckmäßig ist, so sollte in der das Kraftstoff- Luftgemisch führenden Förderleitung ein elektrisch betätig­ bares Absperrventil angeordnet sein, mit dem verhindert wird, daß nach dem Abstellen noch im Verdichter vorhandenes Brennöl über die Brennerdüse in die Brennkammer gelangen kann.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nachbehandlung der Abgase einer Diesel-Brennkraftmaschine wird im folgenden unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Abschnitt einer Abgasleitung einer Diesel-Brennkraftmaschine bezeichnet, in den die Abgase von links entsprechend den Pfeilen einströmen. In der Abgas­ leitung 1 ist eine Brennkammer 2 eines allgemein mit 3 be­ zeichneten Aerosolbrenners angeordnet, die mit der Abgaslei­ tung einen Ringraum 4 bildet. Die Brennkammer 2 ist an ihrem in der Zeichnung linken Ende geschlossen und an ihrem in der Zeichnung rechten Ende offen. An das offene Ende der Brennkam­ mer 2 schließt sich ein Auspuffrohr 5 an. Das rechte Ende der Brennkammer 2 ist im Ausführungsbeispiel nach außen umgebogen und zwischen den Endflanschen der Abgasleitung 1 und des Aus­ puffrohres 5 befestigt. Dieses umgebogene Ende bildet eine Wand 6, die den Ringraum 4 von dem Auspuffrohr 5 trennt. In der Wand der Brennkammer 2 ist eine Vielzahl von Öffnungen 7 vorgesehen. Die in die Abgasleitung 1 eintretenden Abgase sind also gezwungen, durch die Öffnungen 7 in die Brennkammer 2 und von dort in das Auspuffrohr 5 zu strömen.

Vor dem geschlossenen linken Ende der Brennkammer 2 ist eine Brennerdüse 8 konzentrisch zur Längsmittelachse der Brennkam­ mer 2 angeordnet. Die Brennkammer 2 hat einen sich von der Brennerdüse 8 trichterförmig erweiternden Abschnitt 9, an den sich ein zylindrischer, die Öffnungen 7 enthaltender Abschnitt 10 anschließt.

Die Brennerdüse 8 wird von einer Einrichtung 11 mit einem zündfähigen Kraftstoff-Luftgemisch versorgt. Die Einrichtung 11 weist eine Luftpumpe 12 und eine Kraftstoffpumpe 13 auf, die im Ausführungsbeispiel eine gemeinsame Antriebswelle 14 haben, die von einem regelbaren Elektromotor 15 angetrieben wird. Die Saugleitung 16 der Kraftstoffpumpe 13 ist mit dem Dieselkraftstoff enthaltenden Kraftstoffbehälter der nicht dargestellten Brennkraftmaschine verbunden. Ihre Förderleitung 17 mündet in die Saugleitung 18 der Luftpumpe 12, beispiels­ weise einer Flügelzellenpumpe. Der Kraftstoff wird in der Luftpumpe 12 innig mit der angesaugten Luft vermischt und das sich ergebende Aerosol wird durch die Förderleitung 19 der Luftpumpe 12 der Brennerdüse 8 zugeführt. Das in die Brennkam­ mer 2 eintretende Kraftstoff-Luftgemisch wird in üblicher Weise durch Zündelektroden 20 gezündet. Die heißen Brenngase vermischen sich mit den durch die Öffnungen 7 in die Brennkam­ mer 2 eintretenden Abgasen und verbrennen aufgrund ihrer hohen Temperatur die in den Abgasen enthaltenen Rußpartikel. Die verhältnismäßig wenigen, nicht verbrannten Rußpartikel werden in einem mit einem Oxidationskatalysator kombinierten Rußfil­ ter 21 aufgefangen, das an das Auspuffrohr 5 angeschlossen ist. Da ein Großteil der Rußpartikel in der Brennkammer oxi­ diert wird, ist die Beladung des Rußfilters nur gering, und es erfolgt stets eine sehr schnelle Regenerierung durch die von den Brenngasen auf hohe Temperatur gebrachten Abgasen.

Um die Brennerleistung des Aerosolbrenners 3 an den Anfall an Rußpartikel in den Abgasen anzupassen, wird die Drehzahl des Elektromotors 15 und damit die Menge des der Brenndüse zuge­ führten Kraftstoff-Luftgemisches mittels eines elektronischen Steuergerätes 22 vorzugsweise über den gesamten Betriebsbe­ reich der Brennkraftmaschine geregelt. Das Steuergerät 22 enthält ein Rußkennfeld, in welchem die Rußzahl in Abhängig­ keit von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine abgelegt ist. Das Steuergerät 22 erhält also der Drehzahl n und der Last p_e der Brennkraftmaschine entsprechende Signale und regelt entsprechend dem abgelegten Kennfeld die Drehzahl des Elektromotors entweder stufenweise oder kontinuierlich durch einfach Spannungsregelung oder durch Pulsweitenmodula­ tion der Versorgungsspannung. Die Variation der Drehzahl der Einheit 11 ändert an dem zündfähigen Verhältnis des Kraftstof­ fes und der Luft nichts, da die Fördermengen der Luftpumpe 12 und der Kraftstoffpumpe 3 zueinander so abgestimmt sind, daß ein zündfähiges Gemisch mit einem Lambda von etwa 1,0 bis 1,3 erzeugt wird.

Das Steuergerät 22 erhält außerdem ein Temperatursignal t von einem Temperatursensor 23 im Auspuffrohr 5 stromab der Brenn­ kammer 2. Damit kann die Drehzahl des Elektromotors 15 und damit die Fördermenge der Einheit 11 temperaturabhängig derart geregelt werden, daß einerseits bei einem Kaltstart ein schnelles Erwärmen des Katalysatorfilters 21 erreicht, ande­ rerseits jedoch eine Überhitzung verhindert wird.

Wird die Einheit 11 nicht kontinuierlich, sondern intermittie­ rend betrieben, so ist es zweckmäßig, in der Förderleitung 19 der Luftpumpe 12 ein elektromagnetisches Absperrventil 24 vorzusehen, das beim Abschalten des Brenners 3 die Förderlei­ tung 19 absperrt, wodurch verhindert wird, daß in der Luftpum­ pe 12 noch vorhandenes Brennöl in die Brennerdüse 8 gelangen und dort verkoken kann.

Der Aerosolbrenner 3 wird vorzugsweise vor oder spätestens beim Starten der Diesel-Brennkraftmaschine eingeschaltet, um sicherzustellen, daß im Moment der Inbetriebnahme des Brenners 3 nicht bereits Abgase in der Brennkammer 2 vorhanden sind, die ein Zünden des Kraftstoff-Luftgemisches erschweren könn­ ten. Während des Betriebes werden die in die Brennkammer 2 eingeströmten Abgase durch die Flamme von der Brennerdüse 8 ferngehalten.

Wie erwähnt, gelangt der gesamte Abgasstrom durch die Öffnun­ gen 7 in die Brennkammer 2. Dabei strömt er vorher entlang der Wand der Brennkammer 2, insbesondere entlang dem trichter­ förmigen Abschnitt 9, der im Betrieb des Brenners 3 rotglühend ist. Es erfolgt also bereits hier eine Voraufheizung des Ab­ gasstromes, bevor er in die Brennkammer 2 gelangt, in der nun die weitgehend vollständige Verbrennung der Rußpartikel im Abgas stattfindet, da die Temperatur der Brenngase in der Brennkammer 2 etwa 1500 C beträgt, während die Zündtemperatur der Rußpartikel bei etwa 500 C liegt. Auch wenn durch das Zumischen des volumenmäßig weitaus größeren Abgasstromes zu den Brenngasen eine erhebliche Temperaturabsenkung erfolgt, liegt die Temperatur in der Brennkammer 2 immer noch weit über der Zündtemperatur der Rußpartikel.

Claims (12)

1. Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraft­ maschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit Hilfe eines Brenners mit einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft erzeugt, dieses Gemisch der Brennkammer zugeführt und in dieser ver­ brannt und das Heißgas mit dem Abgasstrom gemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Nachbehandlung der Abgase ei­ ner Diesel-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Abgasstrom durch die Brennkammer geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des der Brennkammer zugeführten Kraftstoff-Luftgemi­ sches in Abhängigkeit von Betriebsparametern (Drehzahl und Last) der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner vor oder spätestens mit den Anlassen der Brennkraft­ maschine eingeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge des der Brennkammer zugeführten Kraftstoff-Luftgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgase hinter der Brennkammer gesteuert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprü­ chen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am einen Ende geschlossene Brennkammer (2) in der Abgasleitung (1) der Brennkraftmaschine angeordnet ist und mit dieser einen Ring­ raum (4) bildet, der durch Öffnungen (7) in der Wand der Brennkammer (2) mit deren Innenraum in Verbindung steht, daß sich an das offene Ende der Brennkammer (2) ein Auspuffrohr (5) anschließt, daß der Ringraum (4) von einer Querwand (6) begrenzt ist, welche den gesamten Abgasstrom zwingt, von dem Ringraum (4) durch die Öffnungen (7) in die Brennkammer (2) und von dort in das Auspuffrohr (5) zu strömen, und daß am anderen Ende der Brennkammer (2) eine Düse (8) angeordnet ist, die mit einer das zündfähige Kraftstoff-Luftgemisch erzeugenden Einrichtung (11) verbunden ist und durch die das Gemisch in die Brennkammer (2) eingeführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brennkammer (2) von der Düse (8) her trichterförmig erweitert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kraftstoff-Luftgemisch erzeugende Einrichtung (11) eine Luftpumpe (12) und eine Kraftstoffpumpe (13) aufweist, die gemeinsam vorzugsweise von einem Elektromotor (15), ange­ trieben sind, daß die Förderleitung (17) der Kraftstoffpumpe (13) in die Ansaugleitung (18) der Luftpumpe (12) mündet und die Förderleitung (19) der Luftpumpe (12) mit der Düse (8) verbunden ist, und daß die Fördermengen der Luftpumpe und der Kraftstoffpumpe so aufeinander abgestimmt sind, daß ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Elektromotors (15) mehrstufig oder stufenlos regelbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Förderleitung (19) der Luftpumpe (12) ein Absperrventil (24) vorgesehen ist, das bei ausgeschaltetem Brenner (3) ge­ schlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auspuffrohr (5) ein Rußfilter (21) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auspuffrohr (5) ein Oxidationskatalysator (21) angeord­ net ist.