DE4440716C2 - Rußfilteranlage für Verbrennungsmotor - Google Patents

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.