[0001] Die Erfindung befaßt sich mit einem Brenner für schwer-entzündbare Gasgemische,
insbesondere für Abgase einer Brennkraftmaschine, mit einer Brennkammer, einer Zündeinrichtung
und einer Brennstoffeinspritzdüse.
[0002] Unter dem Begriff "schwer-entzündbare Gasgemische" sind bei der Erfindung solche
zu verstehen, die wenig Sauerstoff enthalten, oder bei denen es sich um schwierig
zu verbrennende Brennstoffe handelt. Bei einem Hauptanwendungsbeispiel eines solchen
Brenners wird dieser dazu benutzt, heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, die zur Einleitung
der Regenerierung einer Partikel-Filteranlage im Abgastrakt einer Diesel-Brennkraftmaschine
beispielsweise verwendet werden.
[0003] In der älteren Anmeldung derselben Anmelderin (P 37 28 712.5) ist ein derartiger
Abgasbrenner beschrieben, bei dem ein Zünd-Hilfsbrenner vorgesehen ist, der mit Druckluft
versorgbar ist. Gemäß einer anderen dort beschriebenen Ausbildungsform weist der
Brenner eine zusätzliche Lufteinblaseinrichtung in Höhe der Brennstoffdüse auf. Mit
diesen Maßnahmen soll insbesondere beim Anwendungsbeispiel zur Regenerierung einer
Abgasfilteranlage erreicht werden, daß die Regenerierung der Filteranlage unabhängig
vom Sauerstoffanteil im Abgas vorgenommen werden kann. Hierbei wird im Bereich um
die Zündeinrichtung ein äußerst zündwilliges Gemisch aufbereitet, um eine Zündung
des Brenners auch dann bewirken zu können, wenn der Sauerstoffgehalt des Abgases gering
ist. Dieser Sauerstoffgehalt des Abgases ist bekanntlich großen Schwankungen unterworfen,
die insbesondere vom momentanen Betriebspunkt im Motorkennlinienfeld der Diesel-Brennkraftmaschine
in Fahrzeugen abhängig sind. Dieser Restsauerstoffgehalt im Abgas kann zwischen etwa
20% und etwa 4% liegen.
[0004] In DE-OS 35 26 074 ist eine Einrichtung zur Entfernung von brennbaren Festkörperteilchen
aus Abgasen von Brennkraftmaschinen beschrieben, bei der ein Zündbrenner vorgesehen
ist, der über eine Überströmöffnung mit einer Brennkammer verbunden ist, wobei dem
Zündbrenner Zusatzluft und Kraftstoff zugeführt werden. In die Brennkammer wird über
ein erstes Tauchrohr ein mit den Festkörperteilchen angereicherter Abgasteilstrom
eingeleitet, der nach Abbrand der Festkörperteilchen zusammen mit in die Brennkammer
eingebrachter Zusatzluft zusammen mit den restlichen Verbrennungsprodukten über ein
zweites Tauchrohr als gereinigtes Abgas wieder abgeführt wird. Bei dieser Einrichtung
werden somit in der Brennkammer die brennbaren Festkörperteilchen des Abgases direkt
zu Abgasreinigungszwecken verbrannt. Ein Hinweis auf die Anwendung dieser Einrichtung
in Verbindung mit der Regenerierung von Rußfilteranlagen ist dort nicht beschrieben,
sondern diese Einrichtung stellt eine Alternative zu der Verwendung von Partikel-Filteranlagen
im Abgasbereich einer Diesel-Brennkraftmaschine beispielsweise dar.
[0005] Die Erfindung zielt darauf ab, einen Brenner für schwer-entzündbare Gasgemische
der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, der auch bei großem Sauerstoffmangel bzw.
geringem 0₂-Gehalt im Abgas zuverlässig gezündet und die Flamme im Brenner stabil
gehalten werden kann.
[0006] Nach der Erfindung zeichnet sich ein Brenner für schwer-entzündbare Gasgemische,
insbesondere für Abgase einer Diesel- Brennkraftmaschine, mit einer Brennkammer,
einer Zündeinrichtung und einer Brennstoffeinspritzdüse dadurch aus, daß in einem
in Düsenstrahlrichtung der Brennstoffeinspritzdüse gemessenen Abstand von der Mündungsöffnung
derselben ein Staukörper angeordnet ist, der sich etwa senkrecht zur Mittelachse der
Brennstoffeinspritzdüse erstreckt.
[0007] Bei dem Brenner nach der Erfindung wird durch den Staukörper die Brennkammer in ihrer
Achsrichtung so unterteilt, daß sich im Bereich zwischen dem Staukörper und der Mündungsöffnung
der Brennstoffeinspritzdüse eine mit Sauerstoff angereicherte Zone bildet, die energiereich
ist und eine hohe Wärmestromdichte hat. In dieser Zone läßt sich eine stabile Pilotflamme
erzeugen, mittels der dann das schwer-entzündbare Gasgemisch in der Brennkammer des
Brenners gezündet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Auslegung trifft ein Teil
des von der Brennstoffeinspritzdüse abgegebenen Brennstoffs direkt auf den Staukörper,
der in einem solchen Bereich der Brennkammer liegt, daß dieser glühend wird.
[0008] Durch diese Temperaturanhebung bei glühendem Staukörper wird die Verbrennungswilligkeit
des Gemisches auch im Falle eines Schwer-endzündbaren Gasgemisches erhöht. Ein Flammabriß
bzw. ein Verlöschen der Flamme in der Brennkammer wird selbst dann vermieden, wenn
die in die Brennkammer eingespeisten Abgase einen niedrigen Sauerstoffgehalt haben
und/oder hohe Abgasmengen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten in die Brennkammer
eintreten. Somit gewährleistet der Staukörper beim erfindungsgemäßen Brenner zugleich,
daß die Flamme in der Brennkammer unabhängig von den Mengen und des Sauerstoffgehalts
des Abgases stabil aufrechterhalten wird. Der Staukörper bewirkt ferner, daß stromabwärts
desselben eine Verwirbelung erzeugt wird, wodurch die Vermischung der Gase in der
Brennkammer stromab des Staukörpers mit dem Brennstoff intensiviert wird. Hierdurch
werden günstigere Brennbedin gungen in der Brennkammer insgesamt gesehen erreicht.
[0009] Da gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung nur ein Teil des aus
der Brennstoffdüse austretenden Brennstoffs auf den Staukörper trifft, während der
Rest an diesem vorbeigeht, ist auch im Bereich der Brennkammer stromabwärts von dem
Staukörper Brennstoff vorhanden, der sich mit den dort befindlichen Gasen zu einem
brennbaren Gasgemisch vermischen kann, so daß die in der Zone zwischen der Brennstoffdüse
und dem Staukörper erzeugte Pilotflamme leicht in den stromabwärts des Staukörpers
liegenden Bereich zur Verbrennung des dort vorhandenen Gasgemisches übertreten kann.
[0010] Vorzugsweise ist der Staukörper als Stauscheibe ausgebildet und zweckmäßigerweise
koaxial zur Achse der Brennstoffdüse derart angeordnet, daß ein Ringraum zwischen
der Wand der Brennkammer und der Außenseite der Stauscheibe vorhanden ist, durch den
von der Brennstoffdüse abgegebener Brennstoff zu dem stromabwärts der Stauscheibe
liegenden Bereich der Brennkammer gelangen kann.
[0011] Gemäß einer alternativen Auslegungsform kann der Staukörper von einer Lochscheibe
gebildet werden, die eine Mittelöffnung hat und die an der Wand der Brennkammer angebracht
ist. In diesem Fall tritt der Brennstoff aus der Brennstoffeinspritzdüse durch die
Mittelöffnung der Lochscheibe in den von der Lochscheibe stromabwärtig liegenden Bereich
der Brennkammer des Brenners ein.
[0012] Gemäß einer Ausführungsvariante nach der Erfindung kann der Staukörper auch von einem
durchmesser-reduzierten Bereich der Brennkammer, wie z.B. einer Einschnürung gebildet
werden, so daß man in der Brennkammer keine zusätzlichen Bauteile, wie eine Stauscheibe
oder eine Lochscheibe vorzusehen braucht.
[0013] Eine weitere bevorzugte Ausbildungsform des Brenners nach der Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, daß beim Betreiben des Brenners mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine
Brennluft, d.h. Frischluft bzw. Zusatzluft wenigstens in den Bereich zwischen dem
Staukörper und der Brennstoffeinspritzdüse eingeleitet wird, so daß in der Zündphase
des Brenners schnell und zuverlässig eine Pilotflamme im Bereich zwischen der Brennstoffdüse
und dem Staukörper erzeugt werden kann.
[0014] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung wird beim Betreiben
des Brenners mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine das Abgas in die Brennkammer
an einer Stelle eingeleitet, die in der Nähe des von der Brennstoffeinspritzdüse
abgewandten Endes der Brennkammer liegt. Hierdurch wird erreicht, daß das von der
Brennkraftmaschine kommende Abgas nicht direkt in den Bereich zwischen der Brennstoffeinspritzdüse
und dem Staukörper gelangt, um die Aufbereitung eines äußerst zündwilligen Gasgemisches
in diesem Bereich nicht nachteilig durch die Abgase der Brennkraftmaschine zu beeinflussen.
[0015] In überraschender Weise hat sich gezeigt, daß sich eine deutlich verbesserte Funktion
des Brenners erzielen läßt, wenn der Staukörper beispielsweise als Kegel, Kugel oder
Kugelschale ausgelegt wird, die einem Kegel angenähert ist.
[0016] Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Brenners mit einem Staukörper,
Fig. 2 eine Draufsicht des Brenners nach Fig. 1 in der Schnittebene II-II in Fig.
1,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante eines Brenners mit einer
abgewandelten Ausführungsform eines Staukörpers, und Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante
eines Brenners mit einer weiteren Ausführungsvariante eines Staukörpers.
[0017] In den Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen.
[0018] In Fig. 1 ist ein Brenner insgesamt mit 1 bezeichnet. Der Brenner 1 weist eine Brennkammer
2 auf, an deren einem Ende eine Brennstoffeinspritzdüse 3 zur Brennstoffzufuhr vorgesehen
ist. Mit einem Pfeil ist an dem von der Brennstoffeinspritzdüse 3 gegenüberliegenden
Ende der Brennkammer 2 der aus der Brennkammer 2 austretende heiße Verbrennungsgasstrom
angedeutet, der bei der bevorzugten Anwendungsform nach der Erfindung einer nicht
näher dargestellten Partikelfilter-Anlage im Abgastrakt einer Diesel-Brennkraftmaschine
beispielsweise zugeleitet wird, so daß der oder die Partikelfilter, wie Rußfilter,
nach dem Zusetzen regeneriert werden kann, wobei mit den heißen Verbrennungsgasen
aus der Brennkammer 2 der Abbrand der Rußpartikel im Rußfilter eingeleitet werden
kann. Der von der Mündungsöffnung 4 der Brennstoffeinspritzdüse 3 abgegebene Düsenstrahl
ist in gebrochenen Linien eingetragen. In Richtung dieses Düsenstrahls gesehen ist
im Abstand von der Mündungsöffnung 4 der Brennstoffeinspritzdüse 3 ein insgesamt
mit 5 bezeichneter Staukörper angeordnet, der bei der Ausbildungsform nach den Fig.
1 und 2 von einer Stauscheibe 6 gebildet wird, die entsprechend Fig. 2 über Stege
7 an der Wand 8 der Brennkammer 2 angebracht ist. Über die schematisch mit 9 angedeutete
Öffnung tritt vorzugsweise sauerstoffreiche Luft, wie z.B. Frischluft oder Zusatzluft,
in die Brennkammer 2 ein. Am von der Brennstoffeinspritzdüse 3 abgewandt liegenden
Ende der Brennkammer 2 ist ein Einlaß 10 dargestellt, über den von der Brennkraftmaschine
beispielsweise kommende Abgase in die Brennkammer 2 eingeleitet werden. Ferner ist
schematisch in den Figuren der Zeichnung und mit dem Bezugszeichen 11 versehen eine
Zündeinrichtung dargestellt.
[0019] Der Staukörper 5 unterteilt die Brennkammer 2 in eine zwischen der Brennstoffeinspritzdüse
3 und dem Staukörper 5 liegende erste Zone 2a und eine stromabwärts von dem Staukörper
5 liegende zweite Zone 2b.
[0020] Nachstehend wird die Arbeitsweise des vorstehend erläuterten Brenners 1 näher beschrieben.
Bei dem Brenner 1 wird in der ersten Zone 2a um die Brennstoffeinspritzdüse 3 gegebenenfalls
unter Zuleitung von Zusatzluft über die Öffnung 9 ein äußerst zündwilliges Gemisch
aus Brennstoff und Brennluft aufbereitet, wobei ein Teil des von der Brennstoffeinspritzdüse
3 abgegebenen Brennstoffs auf den Staukörper 5 trifft. Mit Hilfe der Zündeinrichtung
11 wird dieses so aufbereitete Gemisch in der ersten Zone 2a der Brennkammer 2 gezündet
und es bildet sich in dieser ersten Zone 2a eine Pilotflamme aus. Durch diese Pilotflamme
wärmt sich der Staukörper 5, der nach den Fig.1 und 2 als Stauscheibe 6 ausgelegt
ist, auf und hierdurch wird die Brennstoffverdampfung des auf den Staukörper 5 auftreffenden
Brennstoffteils des Brennstoffstrahls, der von der Brennstoffeinspritzdüse 3 kommt,
intensiviert, indem durch die durch die Aufwärmung des Staukörpers 5 bewirkte Temperaturanhebung
die Umgebungstemperatur in der Brennkammer 2 erhöht wird. Der so gebildete Brennstoffdampf
wird von dem Teil des Brennstoffs mitgerissen, der an dem Staukörper 5 vorbei in
die Brennkammer gelangt, so daß dann mit Hilfe der Pilotflamme in der ersten Zone
2a das Gasgemisch in der zweiten Zone 2b der Brennkammer mit Hilfe der hierbei freigesetzten
Energie zuverlässig zum Brennen gebracht werden kann. Dieses Gasgemisch in der zweiten
Zone 2b der Brennkammer 2 enthält als Hauptbrennstoff die über den Einlaß 10 eingeleiteten
Abgase der Brennkraftmaschine, deren Sauerstoffgehalt und deren Menge sowie Strömungsgeschwin
digkeit sich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine stark
ändern können. Der Staukörper 5 unterstützt zugleich die Durchmischung von Brennstoff
und Gas in der Zone 2b der Brennkammer 2, da durch den Staukörper 5 eine Verwirbelung
des Gasgemisches erzeugt wird.
[0021] Im Brennbetrieb des Brenners 1 kommt der Staukörper 5 zum Glühen, und durch die hierbei
abgestrahlte Wärme des glühenden Staukörpers 5 wird die Flammrückzündgeschwindigkeit
im Bereich der Flammwurzel aufgrund der Lage des Staukörpers 5 erhöht, so daß in der
Brennkammer 2 eine stabile Flamme aufrechterhalten wird. Selbst wenn über den Einlaß
10 Abgas mit niedrigem Sauerstoffgehalt und/oder hohe Abgasmengen bzw. das Abgas mit
hoher Strömungsgeschwindigkeit eintritt, wird dank der erfindungsgemäßen Auslegung
wirksam ein Abriß der Flamme in der Brennkammer 2 und hierdurch ein Verlöschen der
Flamme vermieden. Beim erfindungsgemäßen Brenner kann somit beim Einleiten des Brennbetriebes
zuverlässig eine Art Pilotflamme in der ersten Zone 2a der Brennkammer 2 durch die
Unterstützung des Staukörpers 5 erzeugt werden, so daß auch unter äußerst ungünstigen
Bedingungen das schwer-entzündbare Gasgemisch in der zweiten Zone 2b der Brennkammer
2 zum Brennen gebracht werden kann. Im Brennbetrieb des Brenners 1 wird mit Hilfe
des Staukörpers 5 eine stabile Flamme in der Brennkammer 2 selbst bei ungünstigen
Brennbedingungen in der zweiten Zone 2b der Brennkammer 2 aufrechterhalten.
[0022] Die nachstehend erläuterten Ausführungsvarianten des Brenners 1 stimmen hinsichtlich
der Wirkungs- und Funktionsweise überein, so daß nachstehend lediglich die konstruktiven
Unterschiede zu der anhand den Fig. 1 und 2 erläuterten Ausführungsform des Brenners
1 näher beschrieben werden.
[0023] Der Brenner 1 nach Fig. 3 weist als Staukörper 5a eine Lochscheibe 14 auf, die an
der Wand 8 der Brennkammer 2 in einem Abstand von der Brennstoffeinspritzdüse 3 angebracht
ist. Die Lochscheibe 14 hat etwa in axialer Verlängerung der Mündungsöffnung 4 der
Brennstoffeinspritzdüse 3 wenigstens eine Mittelöffnung 15, durch die Brennstoff von
der Brennstoffeinspritzdüse 3 in die zweite Zone 2b der Brennkammer 2 gelangen kann.
Der andere Teil des von der Brennstoffeinspritzdüse 3 abgegebenen Brennstoffes trifft
auf den scheibenförmigen Teil der Lochscheibe 14 auf, so daß der Staukörper 5a in
Form der Lochscheibe 14 zu den im wesentlichen gleichen Effekten wie der Staukörper
5 in Form der Stauscheibe 6 nach den Fig. 1 und 2 führt.
[0024] Beim Brenner 1 nach Fig. 4 ist ein Staukörper 5b vorgesehen, der den freien Durchtrittsquerschnitt
der Brennkammer 2 reduziert. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Staukörper 5b
in Form einer Einschnürung der Brennkammer 2 ausgebildet. Mit diesem Staukörper 5b
in Form einer Einschnürung 16 werden im wesentlichen dieselben Effekte wie vorangehend
im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 erzielt.
[0025] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt,
sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann
im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Insbesondere
können auch Kombinationen der vorangehend erläuterten Ausbildungsformen des Staukörpers
5, 5a, 5b vorgesehen werden, oder des können beispielsweise in Abständen voneinander
entfernt auch zwei oder mehrere Staukörper 5, 5a, 5b in Strömungsrichtung gesehen
hintereinander angeordnet werden. Selbstverständlich kann die Wirkung des Staukörpers
5, 5a, 5b auch durch eine entsprechende Ausbildung der Innenwand 8 des Brennkammer
2 und/oder eine entsprechende Anordnung der Brennstoffeinspritzdüse 3 erzielt werden.
Ferner ist es möglich, daß die Brennstoffeinspritzdüse 3 auch in Abweichung von den
dargestellten Beispielen nicht koaxial in der Brennkammer 2 vorgesehen ist, sondern
beispielsweise achsversetzt oder geneigt angeordnet sein kann.
[0026] Wie in Fig. 1 in gebrochenen Linien eingetragen ist, kann die Stauscheibe 6 durch
einen Staukegel 5′ oder einen kugelschalenförmigen Staukörper 5˝ ersetzt werden. Als
Staukörper 5 könnte auch ein solcher mit Kugelgestalt gewählt werden. Hierdurch kann
bei fertigungstechnischer Vereinfachung ein effizienterer Betrieb des Brenners 1
erreicht werden.
Bezugszeichenliste
[0027]
1 Brenner insgesamt
2 Brennkammer
2a erste Zone
2b zweite Zone
3 Brennstoffeinspritzdüse
4 Mündungsöffnung von Brennstoffeinspritzdüse 3
5 Staukörper
5a Staukörper in Fig. 3
5b Staukörper in Fig. 4
6 Stauscheibe
7 Stege
8 Wand von Brennkammer 2
9 Öffnung für Brennluft
10 Einlaß für Abgase
11 Zündeinrichtung
14 Lochscheibe in Fig. 3
15 Mittelöffnung derselben
16 Einschnürung in Fig. 4
5′ Staukegel
5˝ Kugelschale
1. Brenner für schwer-entzündbare Gasgemische, insbesondere für Abgase einer Brennkraftmaschine,
mit einer Brennkammer, einer Zündeinrichtung und einer Brennstoffeinspritzdüse, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem in Düsenstrahlrichtung der Brennstoffeinspritzdüse (3) gemessenen Abstand
von der Mündungsöffnung (4) derselben ein Staukörper (5, 5a, 5b) angeordnet ist,
der sich etwa senkrecht zur Mittelachse der Brennstoffeinspritzdüse (3) erstreckt.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des aus der Brennstoffeinspritzdüse
(3) austretenden Brennstoffs auf den Staukörper (5, 5a, 5b) trifft, während der Rest
an diesem vorbeigeht.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (5)
als Stauscheibe (6) ausgebildet ist.
4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (5a)
von einem mit wenigstens einer Mittelöffnung (15) versehenen Lochscheibe (14) gebildet
wird, die an der Wand (8) der Brennkammer (2) angebracht ist.
5. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (5b)
von einem im durchmesserreduzierten Bereich der Brennkammer (2) gebildet wird.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durchmesser-reduzierte
Bereich eine Einschnürung (16) der Brennkammer (2) ist.
7. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim
Betreiben des Brenners (1) mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine Brennluft wenigstens
in den Bereich (2a) zwischen dem Staukörper (5, 5a, 5b) und der Brennstoffeinspritzdüse
(3) eintritt.
8. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim
Betreiben des Brenners (1) mit Abgas der Diesel-Brennkraftmaschine das Abgas im Bereich
(2b) des von der Brennstoffeinspritzdüse (3) abgewandten Endes der Brennkammer (2)
in diese eintritt.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper
(5, 5′, 5˝) eine in Staurichtung sphärisch gekrümmte Fläche aufweist.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper als Staukegel
(5′) ausgebildet ist.
11. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper als Kugelschale
(5˝) ausgebildet ist.