DE102009053379B4

DE102009053379B4 - Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Brenner

Info

Publication number: DE102009053379B4
Application number: DE102009053379.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Gockel; Torsten Goldbach
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-11-14
Filing date: 2009-11-14
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2029-11-15
Also published as: DE102009053379A1

Abstract

Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Brenner, wobei der Brenner Folgendes aufweist:eine Brennkammer (14), in der ein Gemisch aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas und Kraftstoff (34) verbrennbar ist,eine Leiteinrichtung (16), welche Verbrennungsluft (18) in die Brennkammer (14) leitet, wobei die Leiteinrichtung als Düse ausgebildet ist, welche sich in Strömungsrichtung verengt, undein Hochdruckeinspritzventil (20), welches ausgebildet ist, den Kraftstoff (34) direkt in die Brennkammer (14) einzuspritzen,wobei das Hochdruckeinspritzventil (20) koaxial zur Leiteinrichtung (16) derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff (34) an einer Einlassöffnung (36) der Düse der Leiteinrichtung (16) in die Brennkammer (14) eingespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Brenner, wobei der Brenner eine Brennkammer aufweist, in der ein Gemisch aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas und Kraftstoff verbrennbar ist..
Aus der DE 10 2004 055 383 A1 ist ein gattungsgemäßer Brenner bekannt, bei dem eine Brennkammer von einem Flammrohr umgeben ist. Der Brennstoff wird stromauf der Brennkammer in einen Luftstrom beigemischt und dieses Gemisch aus Luft und Brennstoff wird um einen Körper herum geleitet, wobei der Körper derart ausgebildet ist, dass sich stromab des Körpers eine turbulente Strömung ergibt. Ggf. wird der Verbrennungsluft heißes Abgas beigemischt.
DE 41 13 412 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff in einer Feuerungsanlage. Dies erfolgt in einem Einsatz, der innerhalb eines Brennerrohrs angeordnet ist. Die Brennstoffzufuhr erfolgt durch eine Brennstoffdüse. Luft wird tangential eingeführt und durch konische Verengung unter Drall eingebracht, wodurch sich eine überkritische Drallströmung entwickelt, die eine gute Vermischung bewirkt.
CH 698 007 A2 behandelt eine gestufte Mehrringdüse in einer Gasturbinenbrennkammer. Es werden drei voneinander unabhängige Verbrennungszonen erzeugt, die alle mit einem mageren Vorgemisch betrieben werden, versorgt durch einen radialen Einlauf der gestuften Mehrringdüse. Ein Hauptradialverwirbler mischt die Teile der einströmenden Luft mit separaten Brennstoffzufu hrsystemen.
In DE 198 20 281 A1 wird eine Mischeinrichtung eines Brenners beschrieben, die einen Zerstäuber für einen flüssigen Brennstoff aufweist sowie ein Luftleitrohr mit einem Drallerzeuger. Die Verbrennungsluft erhält im Falle niedriger Geschwindigkeiten des Brennstoffs eine hohe Geschwindigkeit. Hierdurch entsteht eine überkritische Drallströmung mit rückströmenden Bereichen, was in einer Stabilisierung der Flamme und einer hinreichenden Vermischung von Brennstoff und Luft resultiert.
DE 10 2006 031 869 A1 behandelt den Porenkörper eines Brenners, der bezogen auf die Gasstromrichtung hinter einem Freiflammbereich des Brennraums angeordnet ist. Er befindet sich somit vor dem Ausgangsbereich des Brennraums und nimmt dessen Querschnitt vollständig ein. Er heizt sich infolge des Betriebs des Brenners auf und begünstigt durch diese Aufheizung und die damit einhergehende Erhöhung der Temperatur der die Oberfläche vergrößernden Poren eine Nachverbrennung.
Die nachveröffentlichte WO 2010/022747 A1 betrifft eine Anlage zum künstlichen Altern von Abgaskatalysatoren mit einem Brenner zur Erzeugung eines Alterungsabgases.
DE 2 250 766 A offenbart einen Brenner für eine Abgasanlage umfassend eine Brennkammer, eine Luftleitwand mit schlitzförmigen Durchtrittsöffnungen, welche Verbrennungsluft in die Brennkammer leiten, sowie ein Kraftstoff-Magnetventil, welches ausgebildet ist, den Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen.
DE 39 39 958 A1 beschreibt einen Brenner, bei dem Kraftstoff über eine Düse in die Brennkammer des Brenners eingespritzt wird. Die Düse wird durch ein Pumpenteil einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der o.g. Art hinsichtlich des Betriebs und der Anwendungsmöglichkeiten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Brenner mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu weist der Brenner Folgendes auf: eine Brennkammer, in der ein Gemisch aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas und Kraftstoff verbrennbar ist; eine Leiteinrichtung, welche Verbrennungsluft in die Brennkammer leitet, wobei die Leiteinrichtung als Düse ausgebildet ist, welche sich in Strömungsrichtung verengt; und ein Hochdruckeinspritzventil, welches ausgebildet ist, den Kraftstoff (34) direkt in die Brennkammer einzuspritzen; wobei das Hochdruckeinspritzventil koaxial zur Leiteinrichtung derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff an einer Einlassöffnung der Düse der Leiteinrichtung in die Brennkammer eingespritzt wird.
Dies hat den Vorteil, dass ein hochdynamischer und in seiner Leistung modellierfähiger Brenner zur Verfügung steht. Im Betrieb des Brenners in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine ist für ein Thermomanagement und für Regenerationsmaßnahmen in der Abgasreinigungsanlage ein motorisches oder anderweitiges Abgasmanagement für Regeneration und Thermomanagement nicht mehr notwendig. Bei der Anwendung in einer Abgasanlage mit Abgasnachbehandlung steht ein betriebssicheres und gleichzeitig motorunabhängiges Regenerieren beispielsweise eines Dieselpartikelfilters bzw. eines NO_x-Speicherkatalysators sowie eine Aufheizung von Oxidationskatalysatoren zur Verfügung. Der Brenner kann in Abgasreinigungssystemen sogar eine selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden in Abgasen übernehmen und entsprechende SCR-Systeme ersetzen. Weiterhin kann der Brenner einen Zusatznutzen, beispielsweise als Zuheizer beispielsweise für eine Fahrgastzelle, erhalten.
Ein besonders sicheres und schnelles Zünden bei einem Start des Brenners erzielt man dadurch, dass in der Brennkammer eine Zündvorrichtung, insbesondere eine Glühkerze, angeordnet ist.
Eine Zuführung von Verbrennungsluft in die Brennkammer erzielt man dadurch, dass die Leiteinrichtung vorgesehen ist, welche Verbrennungsluft in die Brennkammer leitet.
Einen beschleunigten und gezielten Eintritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer erzielt man dadurch, dass die Leiteinrichtung als Düse ausgebildet ist, welche sich in Strömungsrichtung verengt.
Eine drallstabilisierte Verbrennung in der Brennkammer erzielt man dadurch, dass in der Leiteinrichtung Drallgitterelemente derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die aus der Leiteinrichtung in die Brennkammer eintretende Verbrennungsluft um eine Längsachse der Leiteinrichtung rotiert (Drallbewegung).
Einen besonders einfachen und kompakten bzw. wenig Bauraum benötigenden Aufbau erzielt man dadurch, dass das Hochdruckeinspritzventil koaxial zur Leiteinrichtung in dieser angeordnet und ausgebildet ist, dass das Hochdruckeinspritzventil Kraftstoff an einer Einlassöffnung der Leiteinrichtung in die Brennkammer direkt in diese einspritzt.
Eine weitere Verbesserung der Verbrennung und die Möglichkeit der Beeinflussung einer Flammenform erzielt man dadurch, dass die Brennkammer von einem Flammrohr umgeben ist.
Eine thermische Isolierung der Brennkammer gegen die Umgebung mit geringen thermischen Verlusten aufgrund von Wärmedissipation durch eine Wandung des Flammrohres erzielt man dadurch, dass ein Gehäuse derart vorgesehen ist, dass am Außenumfang des Flammrohres mindestens ein Kanal ausgebildet ist, welcher mit einem Bereich des Brenners stromab des Flammrohres fluidleitend verbunden ist.
Dadurch, dass im Bereich einer Einlassöffnung der Düse in die Brennkammer das Flammrohr mindestens eine fluidleitende Verbindung zwischen der Brennkammer und dem Kanal am Außenumfang des Flammrohres aufweist, wird durch ein Zusammenwirken der fluidleitenden Verbindung und eines sich an der Einlassöffnung der Düse ergebenden Unterdruckes Abgas von einem Bereich stromab des Flammrohres über den Kanal am Außenumfang des Flammrohres in die Brennkammer zurück geführt. Dies verringert Schadstoffemissionen des Brenners und verbessert aufgrund der zusätzlichen thermischen Energie ein thermisches Abbrennen von Rückständen von Kraftstoffbestandteilen an der Wandung des Flammrohres.
Ein selbsttätiges Wiederentzünden nach einem unerwünschten Flammabriss in der Brennkammer während des Betriebs des Brenners erzielt man dadurch, dass stromab der Brennkammer ein offenporiger, feuerbeständiger Werkstoff, insbesondere ein Silizium-Karbid-Porenschaum, angeordnet ist.
Eine zusätzliche Abgasnachbehandlung des Abgases aus dem Brenner mit entsprechender Reduktion eines Schadstoffausstoßes erzielt man dadurch, dass der offenporige, feuerbeständige Werkstoff eine katalytische Beschichtung aufweist.
Eine Verringerung von Schadstoffemissionen des Brenners und eine Verbesserung eines thermischen Abbrennens von Rückständen von Kraftstoffbestandteilen an der Wandung des Flammrohres aufgrund zusätzlicher thermischer Energie erzielt man dadurch, dass Abgas des Brenners wenigstens teilweise in die Brennkammer zurückgeführt wird.
Eine besonders gute Vermischung von Verbrennungsluft und Kraftstoff erzielt man dadurch, dass der Kraftstoff koaxial zur Drallbewegung der Verbrennungsluft in die Brennkammer eingespritzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners.
Die in der 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines Brenners einer erfindungsgemäßen Abgasanlage umfasst ein Brennergehäuse 10, ein Flammrohr 12, welches eine Brennkammer 14 umgibt, eine Düse 16, welche Verbrennungsluft 18 in die Brennkammer 14 einleitet, ein Hochdruckeinspritzventil (HDEV) 20, welches Kraftstoff 34 direkt in die Brennkammer 14 einspritzt, und eine Glühkerze 22, welche in die Brennkammer 14 hinein ragt und zum Starten einer Verbrennung innerhalb der Brennkammer 14 dient. Das Flammrohr 12 ist innerhalb des Brennergehäuses 10 derart angeordnet und ausgebildet, dass sich ein Ringkanal 24 zwischen dem Flammrohr 12 und dem Brennergehäuse 10 ergibt, welcher mit einem Brennerraum 26 stromab des Flammrohres 12, also einem Raum, wo Abgas aus der Verbrennung in der Brennkammer 12 vorliegt, fluidleitend verbunden ist. Weiterhin weist das Flammrohr 12 in einem Bereich, in dem die Düse 16 in die Brennkammer 14 mündet, Öffnungen 28 auf, die die Brennkammer 14 fluidleitend mit dem Ringkanal 24 zwischen Flammrohr 12 und Brennergehäuse 10 verbinden. In der Düse 16 sind Drallgitterelemente 30 angeordnet, welche eine Drallbewegung der in die Brennkammer 14 einströmenden Verbrennungsluft 18 erzeugen. Weiterhin weist die Düse 16 eine Aufnahme 32 zum Halten des Hochdruckeinspritzventils 20 derart auf, dass das Hochdruckeinspritzventil 20 koaxial zur Düse 16 angeordnet ist und entlang einer Längsachse der Drallbewegung der Verbrennungsluft 18 in der Brennkammer 14 den Kraftstoff in diese einspritzt.
Das zur Kraftstoffeinspritzung vorgesehene Hochdruckeinspritzventil 20 entspricht beispielsweise demjenigen aus einem direkteinspritzenden Ottomotor mit einem maximalen Einspritzdruck von 120 bar und einem Bentwinkel von 0°. Der Bentwinkel bezeichnet eine Abweichung des Spraykegels von der Mittelachse des Hochdruckeinspritzventils 20 bei der Einspritzung. Ein Bentwinkel von 0°bedeutet, dass keine Abweichung von der Mittelachse gegeben ist und die Einspritzung rotationssymmetrisch erfolgt. Die Kraftstoffversorgung für das HDEV 20 wird beispielsweise durch einen Abgriff an einer Fahrzeugkraftstoffpumpe bei 5 bis 10 bar oder durch einen Abgriff am Kraftstoffhochdruck-Rail des Motoreinspritzsystems bei 10 bis 30 bar dargestellt.
Das Hochdruckeinspritzventil 20 wird von der für die Verbrennung zugeführten Verbrennungsluft 18 umspült, so dass keine weiteren Kühlmaßnahmen (Wasserkühlung) notwendig sind. Die drallstabilisierte Verbrennung wird dadurch erreicht, dass die Verbrennungsluft 18 durch die Düse 16 mit integrierten Drallgitterelementen 30 geleitet wird und so die Verbrennungsluft in Rotation versetzt wird. An einem Austritt 36 der Düse 16 in die Brennkammer 14 befindet sich auch die Aufnahme 32 für das Hochdruckeinspritzventil 20. Durch den sich ergebenden Ringspalt zwischen der Aufnahme 32 und der Düse 16 wird die Verbrennungsluft 18 in diesem Bereich beschleunigt. Hierdurch ergeben sich in dem Bereich der Brennkammer 14, in den die Düse 16 mündet, lokale Unterdruckgebiete mit deren Unterstützung eine interne Abgasrückführung des Brenners über den Ringkanal 24 und die Öffnungen 28 erfolgt.
Innerhalb der Brennkammer befindet sich das sog. Flammrohr 12. Dieses hat folgende Funktionen. Innerhalb des Flammrohres 12 wird der eingespritzte Kraftstoff 34 verdampft und entzündet. Über den Ringkanal 24 zwischen Brennergehäuse 12 und Flammrohr 12 wird heißes Abgas 38 aus dem Bereich 26 stromab des Flammrohres 12 in die Brennkammer 14 zurückgeführt, um das Verdampfen des Kraftstoffes 34 zu unterstützen. Die Entzündung des Kraftstoffluftgemisches erfolgt über die Glühkerze 22, die beispielsweise als eine Serien-Glühwendelkerze aus einer Standheizung ausgebildet ist.
Durch ein pulsierendes Motorabgas kann es zu Flammabrissen in der Brennkammer 14 kommen. Um dies zu verhindern, ist am Brenneraustritt im Bereich des Raumes 26 stromab des Flammrohres 12 ein offenporiger, feuerfester Werkstoff 40, wie beispielsweise Silizium-Karbid-Porenschaum, angeordnet. Bei einem eventuellen Flammabriss kann sich das Kraftstoff-LuftGemisch am heißen Porenschaum 40 wieder selbst entzünden, so dass dieser Werkstoff 40 die Funktion eines Flammhalters hat. Durch die große Oberfläche der porösen Schaumstruktur des Flammhalters wird eventuell nicht verbrannter Kraftstoff an dessen Oberfläche nachoxidiert. Optional ist eine katalytische Beschichtung des offenporigen, feuerfesten Werkstoffs 40 vorgesehen.
Der erfindungsgemäße Brenner arbeitet hoch dynamisch und ist in einem weiten Bereich der Leistung und Luftzahl (Lambdawert) modellierbar. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, den Brenner für das Katalysatorheizen (-7°C Test) und die Partikelfilterregeneration mager zu betreiben sowie für die NO_x-Speicherkatalysatorregeneration eine Fettphase einzuleiten. Diese Funktionen sind weitestgehend motorunabhängig darstellbar. Des Weiteren ist der nicht erfindungsgemäße Einsatz als Zuheizer bzw. Standheizung möglich.
Bezugszeichenliste

10: Brennergehäuse
12: Flammrohr
14: Brennkammer
16: Düse
18: Verbrennungsluft
20: Hochdruckeinspritzventil (HDEV)
22: Glühkerze
24: Ringkanal zwischen dem Flammrohr 12 und dem Brennergehäuse 10
26: Brennerraum stromab des Flammrohres 12
28: Öffnungen in Flammrohr 12
30: Drallgitterelemente
32: Aufnahme zum Halten des Hochdruckeinspritzventils 20
34: Kraftstoff
36: Austritt der Düse 16 in die Brennkammer 14
38: Abgas
40: SiC Porenschaum

Claims

Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Brenner, wobei der Brenner Folgendes aufweist: eine Brennkammer (14), in der ein Gemisch aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas und Kraftstoff (34) verbrennbar ist, eine Leiteinrichtung (16), welche Verbrennungsluft (18) in die Brennkammer (14) leitet, wobei die Leiteinrichtung als Düse ausgebildet ist, welche sich in Strömungsrichtung verengt, und ein Hochdruckeinspritzventil (20), welches ausgebildet ist, den Kraftstoff (34) direkt in die Brennkammer (14) einzuspritzen, wobei das Hochdruckeinspritzventil (20) koaxial zur Leiteinrichtung (16) derart angeordnet ist, dass der Kraftstoff (34) an einer Einlassöffnung (36) der Düse der Leiteinrichtung (16) in die Brennkammer (14) eingespritzt wird.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (14) des Brenners eine Zündvorrichtung (22) angeordnet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leiteinrichtung (16) des Brenners Drallgitterelemente (30) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die aus der Leiteinrichtung (16) in die Brennkammer eintretende Verbrennungsluft (18) um eine Längsachse der Leiteinrichtung (16) rotiert.
Abgasanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ferner ein Flammrohr (12) aufweist, das die Brennkammer (14) umgibt.
Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang des Flammrohres (12) mindestens ein Kanal (24) ausgebildet ist, welcher mit einem Bereich (26) des Brenners stromab des Flammrohres (12) fluidleitend verbunden ist.
Abgasanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Einlassöffnung (36) der Düse (16) in die Brennkammer (14) das Flammrohr (12) mindestens eine fluidleitende Verbindung (28) zwischen der Brennkammer (14) und dem Kanal (24) am Außenumfang des Flammrohres (12) aufweist.
Abgasanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ferner einen offenporigen, feuerbeständigen Werkstoff (40) aufweist, der stromab der Brennkammer (14) angeordnet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der offenporige, feuerbeständige Werkstoff (40) eine katalytische Beschichtung aufweist.
Abgasanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ferner ausgebildet ist, Abgas des Brenners wenigstens teilweise in die Brennkammer (14) zurückzuführen.