Zündbrenner in einer Vorrichtung zum Verbrennen von Festkörperpartikeln im Abgas von Brennkraftmaschinen

Abstract

 Ein Zündbrenner für eine Vorrichtung zum Verbrennen von Festkörperpartikeln, insbesondere Rußteilchen, im Abgas von Brennkraftmaschinen hat eine einen Glühkörper (14) aufnehmende hohlzylindrische Gemischaufbereitungskammer (10) und eine quer dazu verlaufende, über eine Öffnung (12) mit dieser in Verbindung stehende hohlzylindrische Glühkerzen-­Aufnahmekammer (11). Eine Kraftstoffzulaufleitung (28) mündet in der Aufnahmekammer (11) und eine Luftzuführleitung (18) in der Aufbereitungskammer (10). Zur Verbesserung der Gemischaufbereitung und zur weitgehenden Verhinderung einer Verkokung der Glühkerze (22) ist letztere im Bereich ihrer Glühwendel (25) von einer Schutzhülse (26) mit Radialabstand koaxial umschlossen. Die Kraftstoffzulaufleitung (28) endet in einem Mündungsstutzen (27), der in die Aufnahmekammer (11) radial hineinragt und unmittelbar vor der Schutzhülse (26) mündet

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] 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.

[0002] 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.

Vorteile der Erfindung

[0003] 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.

[0004] Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Zündbrenners möglich.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] Durch verschiedenartige Ausgestaltungen des der Gemischaustrittsöffnung vorgesetzten Brennermundes, z.B. als Düse oder als Diffusor, kann die Form der Flamme verschiedenartigen Anforderungen angepaßt werden.

Zeichnung

[0008] 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 Gemischaustritts­öffnung aufweisenden Endes einer Gemischaufbe­reitungskammer eines Zündbrenners gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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 ihre 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 (Fi. 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.

[0012] Die Wirkungsweise des beschriebenen Zündbrenners ist wie folgt:

[0013] 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.

Ansprüche

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.

3. 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.

Zeichnung