Brenner für Dieselmotorenabgas-Partikelfilter

Abstract

 Der Brenner (2) zur Erzeugung der für die thermische Regeneration von Partikelfiltern (40) für Dieselmotorenabgas erforderliche Wärme ist, dadurch gekennzeichnet,

(a) daß er eine Hauptbrennkammer (4) aufweist, in deren Umfangswand eine Brennstoff-Zuführöffnung (20) für eine Brennstoff-Hauptmenge und eine Verbrennungsluft-Zuführöffnung (22) für eine Verbrennungsluft-Hauptmenge vorgesehen sind;

(b) daß an dem Brennkammerboden (10) der Hauptbrennkammer (4) eine Vorbrennkammer (6) angesetzt ist;

(c) daß an der Umfangswand der Vorbrennkammer (6) ein forttragender, hohler Stutzen (26) vorgesehen ist, in dem eine elektrische Zündeinrichtung (22) angeordnet ist und der eine Brennstoff-Zuführöffnung (34) für eine Brennstoff-Grundmenge aufweist; und

(d) daß in der Umfangswand der Vorbrennkammer (6) eine Verbrennungsluft-Zuführöffnung (24) für eine Verbrennluft-Grundmenge vorgesehen ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Erzeugung der für die thermische Regeneration von Partikelfiltern für Dieselmotorenabgas erforderlichen Wärme.

[0002] Das Abgas von Dieselmotoren enthält bekanntlich Partikel, die hauptsächlich aus Ruß bestehen. Man ist bestrebt, realistisch gangbare Wege zu finden, diese Partikel zurückzuhalten, ehe das Dieselmotorenabgas ins Freie geblasen wird, und der Erfolg versprechendste Weg hierzu sind Partikelfilter in der Abgasleitung des betreffenden Dieselmotors. Es hat sich aber gezeigt, daß sich die Partikelfilter schon nach relativ kurzer Betriebszeit des Dieselmotors mehr und mehr zusetzen, so daß die Partikelfilter in relativ kurzen Zeitabständen von den darin festgehaltenen Partikeln wieder befreit werden müssen. Zu diesem Zweck ist die thermische Regeneration von Partikelfiltern bekannt, bei der jeweils für eine Regenerationsphase die Temperatur am Partikelfilter durch Wärmezufuhr von einem Brenner soweit gesteigert wird, d.h. auf in der Regel mindestens 650-700 °C gebracht wird, daß die im Partikelfilter festgehaltenen Partikel abbrennen.

[0003] Die technisch möglichst günstige Gestaltung von Brennern für die thermische Regeneration von Partikelfiltern ist problematisch. Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, daß die Brenner während der Regenerationsphase in der Regel eine stark unterschiedliche Wärmemenge pro Zeiteinheit erzeugen müssen, die im wesentlichen von der gerade anfallenden Abgasmenge pro Zeiteinheit und der Temperatur des Abgases im Bereich des Partikelfilters abhängt, wobei die Abgasmenge pro Zeiteinheit ihrerseits im wesentlichen von der momentanen Drehzahl des Dieselmotors abhängt. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß zumindest zu gewissen Zeiten während der Regenerierrungsphase die Erzeugung sehr großer Wärmemengen durch den Brenner erforderlich ist. Die angeführten Schwierigkeiten sind besonders ausgeprägt bei großvolumigen Dieselmotoren, wie sie z.B. in Lastkraftwagen oder Omnibussen eingebaut sind, zumal der Brenner auch noch möglichst kompakt und platzsparend sein soll.

[0004] Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner zur Erzeugung der für die thermische Regeneration von Partikelfiltern für Dieselmotorenabgas erforderlichen Wärme zu schaffen, dessen Heizleistung sich in einem sehr weiten Bereich regeln läßt und der bei kompaktem Aufbau eine hohe Maximal-Heizleistung hat.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Brenner erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,

(a) daß er eine Hauptbrennkammer aufweist, in deren Umfangswand eine Brennstoff-Zuführöffnung für eine Brennstoff-Hauptmenge und eine Verbrennungsluft-Zuführöffnung für eine Verbrennungsluft-Hauptmenge vorgesehen sind;

(b) daß an dem Brennkammerboden der Hauptbrennkammer eine Vorbrennkammer angesetzt ist;

(c) daß an der Umfangswand der Vorbrennkammer ein fortragender, hohler Stutzen vorgesehen ist, in dem eine elektrische Zündeinrichtung angeordnet ist und der eine Brennstoff-Zuführöffnung für eine Brennstoff-Grundmenge aufweist; und

(d) daß in der Umfangswand der Vorbrennkammer eine Verbrennungsluft-Zuführöffnung für eine Verbrennungsluft-Grundmenge vorgesehen ist.

[0006] In der Vorbrennkammer wird eine - vorzugsweise regelbare - Grund-Heizleistung erzeugt, und durch die Grund-Heizleistung werden der Brennkammerboden und die Umfangs- der Hauptbrennkammer
auf hohe Temperaturen gebracht, bzw. gehalten. Die Hauptbrennkammer weist keine eigene elektrische
Zündeinrichtung auf. Vielmehr entzündet sich das Brennstoff-Luft-Gemisch der Hauptbrennkammer an deren heißem Brennkammerboden. Infolgedessen können die Brennstoffzufuhr und die Verbrennungsluftzufuhr zu der Hauptbrennkammer in weiten Bereichen variiert werden, so daß sich insgesamt ein extrem großer Heizleistungsregelbereich es Brenners ergibt.

[0007] Der erfindungsgemäße Brenner ist in erster Linie für die sogenannte Vollstrom-Regeneration von Partikelfiltern vorgesehen. Die Vollstrom-Regeneration erfolgt während des Betriebs des Dieselmotors, wobei der Brenner geregelt soviel Wärme erzeugt, daß das Abgas beim Eintritt in den Partikelfilter eine so hohe Temperatur hat, daß der Partikelfilter thermisch regeneriert wird.

[0008] Vorzugsweise ist die Verbrennungsluft-Zuführöffnung der Hauptbrennkammer und/oder die Verbrennungsluft-Zuführöffnung der Vorbrennkammer jeweils an ein Verbrennungsluftgebläse oder an ein gemeinsames Verbrennungsluftgebläse angeschlossen. Es ist darüber hinaus bevorzugt, daß diese Verbrennungsluftgebläse bzw. dieses gemeinsame Verbrennungsluftgebläse so ausgelegt sind, daß die Luftliefermenge pro Zeiteinheit eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors ist, dem der zu regenerierende Partikelfilter zugeordnet ist, so daß bei höherer Drehzahl des Dieselmotors die Luftliefermenge größer ist und
umgekehrt, wobei eine im wesentlichen vorhandene Proportionalität zwischen der Drehzahl des Dieselmotors und der (jeweiligen) Luftliefermenge bevorzugt ist. Diese Abhängigkeit der Luftliefermenge von der Dieselmotorendrehzahl kann man z.B. durch ein Gebläse variabler Drehzahl, das insbesondere mechanisch von dem Dieselmotor angetrieben sein kann, verwirklichen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, elektrische, drehzahlregelbare Gebläse vorzusehen. Noch eine weitere Möglichkeit besteht darin, irgendwo in dem Strömungsweg der Verbrennungsluft von dem (jeweiligen) Verbrennungsluftgebläse zu der jeweiligen Verbrennungsluft-Zuführöffnung eine Stelle mit steuerbar variablem Strömungsquerschnitt vorzusehen.

[0009] Vorzugsweise ist die Brennstoff-Zuführöffnung der Hauptbrennkammer und/oder die Brennstoff-Zuführöffnung der Vorbrennkammer an jeweils eine eigene oder an eine gemeinsame Einrichtung zum Zuführen von Brennstoff mit Druck oder auch nahezu drucklos angeschlossen. Diese Einrichtung ist vorzugsweise eine mechanisch von dem Dieselmotor oder eine elektrisch angetriebene Brennstoffpumpe. Es ist weiterhin bevorzugt, diese Einrichtung so auszulegen, daß die Brennstoffliefermenge
pro Zeiteinheit eine Funktion der Dehzahl des Dieselmotors ist, dem der zu regenerierende Partikelfilter zugeordnet ist. Bevorzugte Möglichkeiten
sind auch hier eine Einrichtung mit gesteuert variabler Drehzahl und eine Stelle mit gesteuert variablem Strömungsquerschnitt, wobei ergänzend auf die Ausführungen weiter vorn im Zusammenhang mit der Verbrennungsluft-Zuführung hingewiesen wird.

[0010] Schließlich ist es bevorzugt, die Einrichtung zum Zuführen der Brennstoff-Hauptmenge so auszulegen, daß deren Brennstoffliefermenge - vorzugsweise zusätzlich zur Abhängigkeit von der Dieselmotorendrehzahl - eine Funktion der Abgastemperatur im Bereich des Partikelfilters ist. Auf diese Weise kann man die Abgastempereratur genau auf die erforderliche Regenerationstemperatur regeln.

[0011] Es wird darauf hingewiesen, daß der im Anspruch 1 verwendete Begriff "Umfangswand" keine Beschränkung auf eine im wesentlichen zylinderische Konfiguration der Hauptbrennkammer und der Vorbrennkammer bedeutet, wiewohl eine solche Konfiguration bevorzugt ist.

[0012] Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines zeichnerisch dargestellten Auführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Brenner

für einen Partikelfilter im Längsschnitt durch seine Achse;

Figur 2 schematisiert

die Anordnung des Brenners von Figur 1 an dem Partikelfilter.

[0013] Der in Figur 1 dargestellte Brenner 2 weist eine im wesentlichen zylinderische Hauptbrennkammer 4 und eine im wesentlichen zylinderische Vorbrennkammer 6 auf, die einen kleineren Durchmesser als die Hauptbrennkammer 4 hat, aber nicht unbedingt haben muß. Die Vorbrennkammer 6 ist mit ihrem stromabseitigen,
offenen Endbereich 8 in den dort eine entsprechende Öffnung aufweisenden Brennkammerboden 10 der Hauptbrennkammer 4 eingesetzt, wobei der Endbereich 8 der Vorbrennkammer 6 ein Stück in die Hauptbrennkammer 4 hineinragt. Die Hauptbrennkammer 4 und die Vorbrennkammer 6 sind mit einer gemeinsamen, fluchtenden Achse 12 vorgesehen.
Rechts in Figur 1 hat die Hauptbrennkammer 4 ihren stromabseitigen, offenen Endbereich 14, der an den eigentlichen Partikelfilter angeschlossen ist (vgl. Fig.2).

[0014] An der Außenseite der Hauptbrennkammer 4 ist ein ringförmiger Flansch 16 vorgesehen, mit dem sich der Brenner 2 beispielsweise an dem zugeordneten Partikelfilter befestigen läßt.

[0015] In die Umfangswand der Hauptbrennkammer 4 ist radial ein Brennstoff-Zuführstutzen 18 mit einer düsenartigen Öffnung 20 nahe seinem brennkammerseitigen Ende angebracht. In der Nähe der Düse 20 mündet in die Umfangswand der Hauptbrennkammer 4 eine Verbrennungsluftleitung in im wesentlichen tangentialer Richtung mit ihrer Verbrennungsluft-Zuführöffnung 22. Die Verbrennungsluft-Zuführöffnung 22 und die Brennstoffdüse 20 befinden sich ein kleines Stück in Axialrichtung stromab von dem stromabseitigen Ende der Vorbrennkammer.

[0016] In die Umfangswand der Vorbrennkammer 6 mündet eine weitere Verbrennungsluftleitung in im wesentlichen tangentialer Richtung mit einer Verbrennungsluft-Zuführöffnung 24. Die Verbrennungsluft-Zuführöffnung 24 hat einen kleineren Strömungsquerschnitt als die Verbrennungsluft-Zuführöffnung 22. Stromaufwärts von der Verbrennungsluft-Zuführöffnung 24, d.h. weiter links in Figur 1, weist die Vorbrennkammer einen radial angebrachten, hohlen Stutzen 26 auf, in den von außen her eine Glühkerze 28 als elektrische Zündeinrichtung eingeschraubt ist. In einen Ringraum 30 zwischen der Glühwendel der Glühkerze 28 und dem Innenumfang des Stutzens 26 mündet eine Brennstoffleitung 32 mit einer Brennstoff-Zuführöffnung 34. Die Brennstoff-Zuführöffnung 34 in dem Stutzen 26 bzw. zu der Vorbrennkammer 6 hat einen kleineren Strömungsquerschnitt als die Brennstoff-Zuführöffnung 20 bzw. Düse zu der Hauptbrennkammer 4.

[0017] Durch die Brennstoff-Zuführöffnung 34 eintretender, flüssiger Brennstoff, z.B. Dieselkraftstoff, entzündet sich im Bereich der Glühkerze 28 und verbrennt mit Verbrennungsluft, die durch die Zuführöffnung 24 eintritt.

[0018] Dabei kann die Verbrennungsflamme auf das Innere der Vorbrennkammer 6 beschränkt sein oder sich ein Stück in die Hauptbrennkammer 4 hineinerstrecken. Der in die Hauptbrennkammer 4 hineinragende Endbereich der Vorbrennkammer 6 und der daran radial außen anschließende, restliche Brennkammerboden 10 der Hauptbrennkammer 4 befinden sich infolge der geschilderten Verbrennung auf hoher Temperatur. Die der Vorbrennkammer 6 zugeführte Brennstoffmenge wird Brennstoff-Grundmenge genannt, und die der Vorbrennkammer 6 zugeführte Verbrennungsluftmenge wird Verbrennungsluft-Grundmenge genannt.

[0019] Brennstoff, der der Hauptbrennkammer 4 durch die Düse 20 zugeführt wird, verdampft in dem heißen, stromaufseitigen Endbereich der Hauptbrennkammer 4 und vermischt sich mit der durch die Zuführöffnung 22 zugeführten Verbrennungsluft und entzündet sich an den Verbrennungsgasen aus der Vorbrennkammer 6 bzw. an dem heißen Endbereich 8 der Vorbrennkammer. Die durch die Düse 20 zugeführte Brennstoffmenge wird Brennstoff-Hauptmenge genannt, und die durch die Mündung 22 zugeführte Verbrennungsluftmenge wird Verbrennungsluft-Hauptmenge genannt.

[0020] Figur 2 zeigt, wie der vorstehend beschriebene Brenner 2 an einem im wesentlichen zylinderischen Partikelfilter 40 an einer Stirnseite mit der Längsachse des Partikelfilters 40 fluchtend angebracht ist. In dem Partikelfiltergehäuse ist ein Partikelfilterkörper 42, beispielsweise in Form eines keramischen Filterkörpers, angeordnet. Einem Raum 44 vor dem Filterkörper 42 strömt das Abgas eines Dieselmotors durch eine Abgasleitung 46 zu. Von dem Partikelfilter 40 strömt das Abgas durch eine stirnseitig wegführende Abgasleitung 48 ab. Die Hauptbrennkammer 4 des Brenners 2 mündet in den Raum 44, und der Brenner 2 ist an der der abführenden Abgasleitung 48 entgegengesetzten Stirnseite des Partikelfilters 40 angebaut.

[0021] In Figur 2 erkennt man ferner ein Gebläse 50, welches über Leitungen 52 und 54 mit den weiter vorn beschriebenen Verbrennungsluft-Zuführöffnungen 22 und 24 verbunden ist. Außerdem erkennt man eine Brennstoffpumpe 56, die über Brennstoffleitungen 58 und 60 mit den weiter vorn beschriebenen Brennstoff-Zuführöffnungen 20 und 34 verbunden ist. In der Brennstoffleitung 58, die zu der Brennstoff-Zuführöffnung 20 der Hauptbrennkammer 4 führt, ist ein Regelventil 62 angeordnet. Schließlich erkennt man ein elektrisches Steuergerät 64, an das ein Temperaturfühler 66 in dem Raum 44 des Partikelfilters 40, das Gebläse 50, die Brennstoffpumpe 56 und das Regelventil 62 angeschlossen sind.

[0022] Das Gebläse 50 und die Brennstoffpumpe 56 sind so ausgelegt, daß sie mit der Drehzahl des Dieselmotors, dem der Partikelfilter 40 zugeordnet ist, zunehmende Verbrennungsluftmenge bzw. Brennstoffmenge liefern. Die durch die Brenn-Zuführöffnung 20 der Hauptbrennkammer 4 pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge kann außerdem mittels des Regelventils 62 geregelt werden.

[0023] Es wird darauf hingewiesen, daß für jede Verbrennungsluftleitung 52 und 54 auch jeweils ein eigenes Gebläse vorgesehen sein kann und daß für jede Brennstoffleitung 58 und 60 jeweils eine eigene Brennstoffpumpe vorgesehen sein kann. Ferner wird darauf hingewiesen, daß es durchaus möglich ist, die Vorbrennkammer 6 mit ungeregelter, d.h. konstanter, zeitlicher Verbrennungsluftmenge und Brennstoffmenge zu betreiben.

Ansprüche

1. Brenner (2) zur Erzeugung der für die thermische Regeneration von Partikelfiltern (40) für Dieselmotorenabgas erforderliche Wärme,
dadurch gekennzeichnet,

(a) daß er eine Hauptbrennkammer (4) aufweist, in deren Umfangswand eine Brennstoff-Zuführöffnung (20) für eine Brennstoff-Hauptmenge und eine Verbrennungsluft-Zuführöffnung (22) für eine Verbrennungsluft-Hauptmenge vorgesehen sind;

(b) daß an dem Brennkammerboden (10) der Hauptbrennkammer (4) eine Vorbrennkammer (6) angesetzt ist;

(c) daß an der Umfangswand der Vorbrennkammer (6) ein fortragender, hohler Stutzen (26) vorgesehen ist, in dem eine elektrische Zündeinrichtung (22) angeordnet ist und der eine Brennstoff-Zuführöffnung (34) für eine Brennstoff-Grundmenge aufweist; und

(d) daß in der Umfangswand der Vorbrennkammer (6) eine Verbrennungsluft-Zuführöffnung (24) für eine Verbrennungsluft-Grundmenge vorgesehen ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft-Zuführöffnung (20) der Hauptbrennkammer (4) an ein Verbrennungsluftgebläse (50) angeschlossen ist, dessen Luftliefermenge pro Zeiteinheit eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors ist, dem der zu regenerierende Partikelfilter (40) zugeordnet ist.

3. Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft-Zuführöffnung (24) der Vorbrennkammer (6) an ein Verbrennungsluftgebläse (50) angeschlossen ist, dessen Luftliefermenge pro Zeiteinheit eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors ist, dem der zu regenerierende Partikelfilter (40) zugeordnet ist.

4. Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Verbrennungsluftgebläse für die Verbrennungsluft-Hauptmenge und die Verbrennungsluft-Grundmenge vorgesehen ist, wobei der Zuströmungsquerschnitt für die Verbrennungsluft-Hauptmenge größer ist als der Zuströmungsquerschnitt für die Verbrennungsluft-Grundmenge.

5. Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft-Zuführöffnung (22) der Hauptbrennkammer (4) und/oder die Verbrennungsluft-Zuführöffnung (24) der Vorbrennkammer mit Tagentialkomponente einmündet.

6. Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Zuführöffnung (20) der Hauptbrennkammer (4) an eine Einrichtung (56) zum Zuführen der Brennstoff-Hauptmenge angeschlossen ist, deren Brennstoffliefermenge pro Zeiteinheit eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors ist, dem der zu regenerierende Partikelfilter (40) angeordnet ist.

7. Brenner nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Zuführöffnung (34) der Vorbrennkammer (6) an eine Einrichtung (56) zum Zuführen der Brennstoff-Grundmenge angeschlossen ist, deren Brennstoffliefermenge pro Zeiteinheit eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors ist, dem der zu regenerierende Partikelfilter (40) zugeordnet ist.

8. Brenner nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Einrichtung (56) zum Zuführen der Brennstoff-Hauptmenge und der Brennstoff-Grundmenge vorgesehen ist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Zuführöffnung (20) der Hauptbrennkammer (4) an eine Einrichtung (56, 58, 62)zum Zuführen der Brennstoff-Hauptmenge angeschlossen ist, deren Brennstoffliefermenge eine Funktion der Abgastemperatur im Bereich des Partikelfilters (40) ist.

Zeichnung