DE4440716A1 - Rußfilteranlage für Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rußfilteranlage für Ver­ brennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, nach der im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definierten Art.

Ein Nachteil von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, ist die Partikelemission. Durch das Vorsehen von Filtern in der Abgasleitung des Verbren­ nungsmotores 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 sauerstoffhaltigen 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, welche den Betriebsbereich des Mo­ tors einschränken und den Kraftstoffverbrauch erhöhen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine Rußfilteranlage für Verbrennungsmotoren zu schaffen, welche die genannten Nachteile des Stan­ des der Technik beseitigt und die ohne zusätzliche Luftquelle auskommt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Aufteilung des Raumes zwischen der Abgaslei­ tung und dem Abgaspartikelfilter in zwei Kammern, wo­ bei die Trenn- bzw. Staueinrichtung einen Durchlaß mit definiertem Strömungsquerschnitt aufweist, entsteht ein Druckgefälle, welches die Aufteilung des Abgas­ stromes in zwei Teilströme ermöglicht. Mit einem Teil­ strom wird das Filter direkt beaufschlagt, der andere Teil des Abgasstromes wird gezielt durch die Brennkam­ mer geleitet.

Somit kann ein Teil des Abgases aus dem Dieselmotor, welches für den Betrieb des Brenners genügend Rest­ sauerstoff enthält, mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum hineinströmen. Dabei wird die Stoßenergie des pulsierenden Abgases ausgenutzt.

Eine Verwirbelungseinrichtung am Boden der Brennkammer erzeugt innerhalb des Flammrohres eine stark verwir­ belte turbulente Strömung, in die der Kraftstoff mit Hilfe einer Zerstäuberdüse hineingespritzt wird. Das auf diese Weise erzeugte Brenngemisch zündet spontan und die Verbrennung läuft schadstoffarm ab.

Durch das Erzeugen eines Druckgefälles zwischen den beiden Kammern, bei dem die kinetische Abgasenergie aus der Abgasleitung genutzt wird, kann der Abgasmas­ senstrom einfach und problemlos an die gewünschten Stellen geleitet werden. Auf die Zuführung von Zusatz­ luft kann verzichtet werden.

Die Erfinder haben hierbei erkannt, daß durch ein ein­ faches Abtrennen des Raumes zwischen der Abgasleitung und dem Rußfilter ein derartiges Druckgefälle unter Ausnutzung der kinetischen Energie aus der Abgaslei­ tung leicht herstellbar ist. Die Einrichtung zum Tren­ nen des beschriebenen Raumes in zwei Kammern kann hierbei auf verschiedenste Arten ausgeführt sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig darge­ stellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Brennkammer und eines Flammrohres, und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer Brennkammer und eines Flammrohres für die erfindungsgemäße Rußfilteranlage.

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 einen Brennkammerkopf 4 mit einer Verwirbelungsein­ richtung 14 aufweist.

In den Brennkammerkopf 4 sind eine Zerstäuberdüse 5 zum Einspritzen von Brennstoff sowie eine Glühkerze 6 zum Zünden des Brenngemisches eingebaut. Das Brenn­ gemisch besteht aus fein zerstäubten Brennstoff, wel­ cher 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 Rußfilteranla­ ge 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, der Kammer 12 und in der Brennkammer 7, ein geringerer 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 Abgasmassenstromes hängt vom offenen Querschnitt in der Stauwand 10 ab.

Das Abgas, welches durch die Verwirbelungseinrichtung 14 und die Öffnungen 8 in den Brennraum 7 eintritt, strömt aufgrund des Druckgefälles zwischen der Kammer 11 und der Brennkammer 7, mit relativ hoher Geschwin­ digkeit in den Brennraum der Brennkammer 7 hinein. Im Brennraum der Brennkammer 7 erzeugt die kinetische Energie des Abgasmassenstromes aufgrund der auftreten­ den Richtungsänderungen nach dem Durchströmen der Ver­ wirbelungseinrichtung 14 und der Öffnungen 8 eine starke Turbulenz. Der durch die Zerstäuberdüse 5 in die turbulente Strömung eingespritzte Brennstoff, ver­ mischt sich intensiv mit dem sauerstoffhaltigen Abgas aus dem Dieselmotor und bildet ein leicht entzündbares Gemisch, welches durch die Glühkerze 6 im Brennraum 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 Partikel 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 Rußpartikel 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 14 aufgeprägt wird, stabilisiert die Flamme in der Brenn­ kammer 7. Die Stabilisierungswirkung ist hierbei so groß, daß sie sogar gegen das pulsierende, also schub­ weise Einbringen des Abgasmassenstromes 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 Drall­ strömung 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.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Flammrohres 3 bzw. der Brennkammer 7 schematisch dargestellt. Alle ande­ ren Bauteile der Rußfilteranlage können so wie in Zu­ sammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben ausge­ führt sein.

Im Gegensatz zu dem Flammrohr, das bereits im Zusam­ menhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde, weist das Flammrohr 3 der Fig. 4 zusätzlich zu den Öffnungen 8 noch weitere Öffnungen auf, die nachfolgend als Pri­ märbohrungen 15 bezeichnet werden.

Die Primärbohrungen 15 sind, wie die Öffnungen 8, in der Wandung des Flammrohres 3 vorgesehen. Durch die Primärbohrungen 15 kann ebenfalls sauerstoffhaltiges Abgas in die Brennkammer 7 einströmen. Beim Einströmen in die Brennkammer 7 treten starke Turbulenzen in der Brennraumströmung auf, so daß der durch die Zerstäu­ berdüse 5 eingespritzte Brennstoff mit dem sauerstoff­ haltigen Abgas eine gute Gemischbildung erfährt.

Hierzu ist es notwendig, die Primärbohrungen 15 in ei­ nem nicht zu großen Abstand von der Zerstäuberdüse 5 entfernt vorzusehen.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Flammrohres 3. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde hier ebenfalls auf die Darstellung aller weiteren Bau­ teile der Rußfilteranlage verzichtet.

Zusätzlich zu den Öffnungen 8 im Flammrohr 3 ist an dem der Zerstäuberdüse 5 zugewandten Ende des Flamm­ rohres 3 ein Ringspalt 14 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 14 bzw. nach dem Verlassen des Ringspaltes 14 verwirbelt. Der Ring­ spalt 14 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 somit eine gute Gemischaufbereitung ergibt.

Selbstverständlich kann die Verwirbelungseinrichtung 14 auch andersartig ausgeführt sein. Aufgrund des Druckgefälles zwischen der Kammer 11 und dem Brennraum 7 sind noch unterschiedliche andersartige Ausführungs­ formen der Verwirbelungseinrichtung 14 möglich.

Die Größe des Durchlasses 13 (siehe Fig. 1 und Fig. 2) zwischen den Kammern 11 und 12 ist abhängig von der Größe des Abgasmassenstromes sowie von der zu erzie­ lenden Beschleunigung des Abgasmassenstromes beim Ein­ strömen in die Brennkammer 7.

Claims (7)

1. Rußfilteranlage für Verbrennungsmotoren, insbeson­ dere Dieselmotoren, mit einem an eine Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeschlossenen Filter und einem Brenner zum Freibrennen des Filters, wobei der Brenner eine Zerstäuberdüse für Brennstoff und eine Brennkammer aufweist, ,welche in dem Gehäuse des Filters vorgesehen ist, wobei die Brennkammer durch ein sich in Richtung des Filters erstrecken­ des Flammrohr abgegrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Trenn- bzw. Staueinrichtung (10) der Raum zwischen der Abgasleitung (16) und dem Filter (1) in zwei Kammern (11, 12) unterteilt ist, wobei die Brennkammer (7) durch Öffnungen (8, 15) in dem Flammrohr (3) mit der der Abgasleitung zugewandten Kammer (11) verbunden ist und die offene Seite des Flammrohres (3) der an den Filter (1) angrenzenden Kammer (12) zugewandt ist, wobei beide Kammern (11, 12) durch wenigstens einen Durchlaß (13) miteinander verbunden sind.

2. Rußfilteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn- bzw. Staueinrichtung als Stauwand (10) ausgeführt ist, in der Durchtrittsöffnungen ange­ ordnet sind.

3. Rußfilteranlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Brennkammer (7) eingespritzte Kraftstoff durch eine Verwirbelungseinrichtung (14) mit dem sauerstoffhaltigen Abgas vermischbar ist.

4. Rußfilteranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungseinrichtung als Drallgitter (14) ausgeführt ist.

5. Rußfilteranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungseinrichtung als Primärgitter (14) ausgeführt ist.

6. Rußfilteranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungseinrichtung als Ringspalt (14) in dem dem Filter (1) abgewandten Ende des Flammrohres (3) ausgeführt ist.

7. Rußfilteranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Filter (1) zugewandte Seite des Flammrohres (3) abgeschrägt ist.