DE3729861C2 - Verfahren zum Betreiben einer Rußfiltervorrichtung für einen Dieselmotor und Rußfiltervorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Rußfiltervorrichtung für einen Dieselmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Rußfiltervorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmalen.

Dieselmotoren produzieren bei bestimmten Lastfällen Ruß, der aus den Abgasen ausgefiltert werden sollte. In Erprobung sind keramische Rußfilter, die den Ruß von 5 bis 8 Stunden Fahrbetrieb aufnehmen können. Danach muß das Filter regeneriert werden. Die Regenerierung er­ folgt durch Verbrennung der Rußpartikel mit Ab­ gastemperaturen von mindestens 600°C. Derartig hohe Abgastemperaturen sind bei Dieselmotoren wegen des ho­ hen Luftüberschusses nicht vorhanden.

Ein Verfahren und eine Rußfiltervorrichtung, wovon der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und 2 ausgeht, ist bekannt aus US-PS 4 651 524. Hierbei werden die Motorabgase einer Hauptbrennkammer zugeführt. Ein Brenner verbrennt in der Hauptbrennkammer ein Brennstoff-Luft-Gemisch. Zusätzlich wird ein weiterer Luftstrom zur O₂-Anreicherung des Motorabgases vor dem Brenner in die Abgasleitung injiziert. Bei bestimmten Betriebspunkten entstehen wegen der großen zugeführten Luftmenge hohe Volumenströme, die eine Bypass-Vorrichtung für das Abgas erforderlich machen. Diese Bypass-Vorrichtung, mit der Motorabgas an der Hauptbrennkammer vorbeigeführt wird, verringert den Druck und die Strömung durch den der Hauptbrennkammer nachgeordneten Partikelfilter, damit die Flamme des Brenners während des Zündens und des nachfolgenden Regenerationsbetriebes nicht erlischt. Die Bypass-Vorrichtung stellt einen erheblichen zusätzlichen Aufwand dar. Ferner gelangt durch die Bypass-Vorrichtung Ruß in die Umgebung, wodurch die Wirksamkeit der Rußfilterung insgesamt verringert wird.

Aus US-PS 3 703 259 ist ein Brennstoffzerstäuber bekannt, bei dem die Zerstäubung flüssigen Brennstoffs durch zwei verdrallte Luftströme erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Rußfiltervorrichtung für einen Dieselmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Rußfiltervorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, bei denen bei zuverlässiger stabiler Verbrennung die Regeneration des Filters während des Betriebs des Dieselmotors ohne Umleitung von Motorabgas durchgeführt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem Verfahren und der Vorrichtung erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Rußfiltervorrichtung erfolgt in der Hauptbrennkammer des Brenners eine nur teilweise Verbrennung des zugeführten Brennstoffs mit Hilfe von zwangsweise in einem bestimmten Mengenstrom zugeführter Luft, jedoch ohne Rußbildung. Der unverbrannte Teil des Brennstoffs wird zusammen mit den Verbrennungsgasen der Nach­ brennkammer zugeführt, wo er durch den im Motorabgas enthaltenen Sauerstoff verbrennt. Der erste Teil der Verbrennung wird mit zugeführter externer Luft durch­ geführt, und nur zur Nachverbrennung werden die Motor­ abgase benutzt. Da Druckluft nur für die Hauptverbrennung in unterstöchiometrischer Menge zugeführt wird, ist der Luftbedarf relativ gering.

Als Zerstäuberdüse des Brenners ist eine mit Drallelementen versehene Ringdüse vorgesehen. Diese Ringdüse weist eine ringförmige Zerstäuberzunge auf, an der innen Brennstoff entlangstreicht, der von einem rotierenden Luftstrom unter Bildung eines Strömungskegels feinzerstäubt wird. Eine zuverlässige stabile Verbrennung wird trotz pulsierendem Gegendruck und trotz Luftmangel durch Verwendung einer solchen Luftstromzerstäuberdüse erreicht. Wird die gesamte Luft für die Hauptverbrennung zugeführt mit einem Differenzdruck von mindestens 10 mbar, erhält man unmittelbar hinter der Düse eine intensive Mischung von feinem Brennstoffnebel mit der Verbrennungsluft. Zusammen mit der durch die Drallelemente der Zerstäuberdüse bewirkten Heißgasrezirkulation in der axial begrenzten Hauptbrennkammer führt dieses zu einer von den Druckpulsationen unabhängigen Verbrennung.

Die dem Brenner zugeführte Druckluft kann dem Druckluftsystem des Fahrzeugs entnommen und über eine mit kritischem Druckverhältnis betriebene Düse der Zerstäuberdüse zugeführt werden; dies bedeutet, daß die Luft im engsten Düsenquerschnitt mit Schallgeschwindigkeit strömt. Damit kann eine von den Druckpulsationen des Motorabgases unabhängige Leistung des Brenners gefahren werden.

Alternativ kann die Verbrennungsluft durch ein Verdrängergebläse gefördert werden. Auch hierbei wird der Luftmassenstrom vom Gegendruck des Dieselabgasstroms nicht oder nur geringfügig beeinflußt, und es wird ein Brennerbetrieb mit vom pulsierenden Motordruck unbeeinflußtem Luftmengenstrom und damit unbeeinflußter Brennerleistung gewährleistet. Wenn man den Luftverdichter mit der Drehzahl des Dieselmotors koppelt und den Kraftstoff ebenfalls mit einer Verdrängerpumpe fördert, erhält man eine drehzahlproportionale Gemischmengensteuerung. Ändert sich die Drehzahl des Dieselmotors, so paßt sich die Brennerleistung dem veränderten Abgasmassenstrom an. Hierdurch kann die Temperatur am Filter während der Regeneration optimal eingehalten werden.

Der Brenner ist so klein, daß er leicht zusammen mit dem Filter in ein gemeinsames Gehäuse, das Filter­ gehäuse, eingebaut und durch einen Wärmeaustauscher mit dem Motorabgas gekühlt werden kann.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt der Filtervorrichtung,

Fig. 2 einen detaillierten Längsschnitt durch die Zerstäuberdüse,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2 und

Fig. 4 ein anderes Beispiel der Luftversorgung der Zerstäuberdüse.

Die in Fig. 1 dargestellte Filtervorrichtung weist ein zylindrisches Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10 hat an einem Ende einen radialen oder tangentialen Einlaß 11 für die Motorabgase und enthält ein den gesamten Ge­ häusequerschnitt einnehmendes Keramikfilter 12. Am anderen Ende des Gehäuses 10 befindet sich der Auslaß­ stutzen 13, durch den die Motorabgase und Verbrennungsgase aus dem Gehäuse austreten.

Der Abgaseinlaß 11 führt in eine ringförmige Verteiler­ kammer 14, die die Hauptbrennkammer 15 des Brenners 16 umgibt. Die Zerstäuberdüse 17 ist an der Deckelwand 18 des Düsengehäuses 19 angebracht. Diese Deckelwand 18 ist an die Stirnwand des Gehäuses 10 angeflanscht und begrenzt die Hauptbrennkammer 15. Die Brennstoffleitung 20 führt in das Düsengehäuse 19 hinein und ist direkt mit der Zerstäuberdüse 17 verbunden. Das Düsengehäuse 19 hat ferner einen Lufteinlaß 21, durch den Druckluft in das Innere des Düsengehäuses 19 hineingepreßt wird. Wie Fig. 2 zeigt, führt die Brennstoffleitung 20 durch das Innere des Düsenkörpers 17a hindurch und tritt an des­ sen Stirnseite aus. Um das Austrittsrohr 20a herum, sind an der flanschartigen Stirnwand 22 des Düsenkör­ pers 17a zahlreiche luftleitende Drallelemente 23 in Form von Flügeln angeordnet. Diese Drallelemente 23 sind gemäß Fig. 3 in Umfangsrichtung schräggestellt und sie verjüngen sich zum inneren Ende hin. Die Drallelemente 23 begrenzen Kanäle 24, durch die die radial einströ­ mende Luft eine Umfangskomponente enthält. Jeder der Kanäle 24 verringert sich im Querschnitt zu seinem inneren Ende hin, so daß in jedem Kanal 24 die Luft zunehmend beschleunigt wird.

Die Drallelemente 23 sind zwischen der Stirnwand 22 und einer parallel zu dieser Stirnwand verlaufenden Platte 25 angeordnet. Die den Drallelementen 23 abgewandte Stirnseite der Platte 25 bildet die Begrenzungswand eines weiteren Düsenraumes, der ebenfalls mit Drall­ elementen 26 ausgestattet ist, die an der Stirnseite einer weiteren Platte 27 angebracht sind. Die Platte 27 verläuft parallel zur Platte 25 und ihre Drallelemente 26 sind in gleicher Weise ausgebildet und angeordnet wie die Drallelemente 23 der Platte 22.

Die durch den Drucklufteinlaß 21 seitlich in das Düsen­ gehäuse 19 einströmende Luft verteilt sich im Innern des Düsengehäuses und strömt radial in die Kanäle 24 zwischen den Drallelementen 23 sowie in die entspre­ chenden Kanäle zwischen den Drallelementen 26 ein. Durch die Drallelemente 23, 26 erhält die Luft einen Drall, d. h. eine kreisende Bewegung.

Die Platte 25 ist ringförmig ausgebildet und ihr inne­ rer Rand hat die Form einer in Strömungsrichtung axial abstehenden, ringförmigen, sich zum Ende hin konisch verjüngenden Schneide 29. Auch die innere Kante der ringförmigen Platte 27 ist in Strömungsrichtung axial umgebogen und sie bildet einen konischen Ring 30, der die Schneide 29 mit radialem Abstand umgibt.

Der aus dem Rohr 20a austretende flüssige Brennstoff wird von dem rotierenden Luftstrom erfaßt und auf die Innenseite der Schneide 29 aufgesprüht. Die Schneide 29 wird zu beiden Seiten von rotierenden und sich axial bewegenden Luftströmen umströmt, die den Brennstoff von der kreisförmigen scharfen Spitze der Schneide 29 ab­ reißen und ihn fein und gleichmäßig in Tröpfchenform verteilen. Die Brennstofftröpfchen vermischen sich da­ bei mit der Verbrennungsluft und treten zusammen mit dieser in die rohrförmige Hauptbrennkammer 15 ein. In­ folge der Drallinjektion unter hohem Druck entstehen in der Hauptbrennkammer 15 ringförmige Strömungswalzen, in denen ein Teil des Gemischstroms zurückgeführt wird und die um die Längsachse herum rotieren. Zum Zünden des Gemisches ist in der Hauptbrennkammer 15 eine Elek­ trode 31 angeordnet.

Die Hauptbrennkammer 15 ist an dem der Zerstäuberdüse 17 abgewandten Ende durch eine Ringwand 32 begrenzt, die eine Öffnung 33 für den Austritt der Verbrennungsgase bil­ det. Im Abstand hinter der Ringwand 32 befindet sich eine Stirnwand 34, die die hinter der Hauptbrennkammer 15 liegende Kammer 35 begrenzt. An der Umfangswand der Außenseite der Hauptbrennkammer 15 verlaufen Wärme­ tauscherrippen 36, die sich bis zur Stirnwand 34 er­ strecken. Zwischen diesen Wärmetauscherrippen 36 strö­ men die Verbrennungsgase radial aus dem Raum 35 heraus in die Nachbrennkammer 37, die an einem Ende durch das Filter 12 begrenzt wird.

Von der Verteilerkammer 14 führt ein ringförmiger Durchlaß 38 zu den Wärmetauscherrippen 36. Die Motorabgase strömen durch den Durchlaß 38 hindurch, an den Wärmetauscherrippen 36 entlang, und werden dann mit den Verbrennungsgasen vermischt, um mit diesen gemeinsam in die Nachbrennkammer 37 einzuströmen. Von dort strömt das heiße Gasgemisch durch das Filter 12 zum Auslaßstutzen 13.

Die Kammer 35 bildet an ihrem Umfang einen Querstrom­ mischer 39, in dem eine intensive Mischung der Gas­ ströme stattfindet.

Der Drucklufteinlaß 21 enthält eine kritisch durch­ strömte Düse 40, die über ein Schaltventil 41 an den Druckluftsammler 42 des Dieselmotors DM angeschlossen ist. Die Abtriebswelle des Dieselmotors treibt (direkt oder über eine Untersetzung) ein Gebläse 43, das den Druckluftsammler 42 speist.

Wenn das Ventil 41 geöffnet ist und Brennstoff in die Brennstoffleitung 20 gepumpt wird, gelangen Brennstoff und Luft zur Zerstäuberdüse 17. Durch den in der Zer­ stäuberdüse 17 aufgeprägten Drall stabilisiert sich die Flamme und brennt trotz der unterstöchiometrischen Luftmenge rußfrei. Das Motorabgas gelangt über den Einlaß 11 und die Verteilerkammer 14 zwischen die Wärmetauscherrippen 36, um die Wand der Hauptbrennkam­ mer 15 zu kühlen. Nach dem Vermischen von Motorabgas und Verbrennungsgas im Querstrommischer 39 erfolgt das Ausbrennen der Flamme mit Hilfe des im Abgas enthalte­ nen Restsauerstoffs in der Nachbrennkammer 37. Das so aufgeheizte Gas strömt durch das keramische Filter 12 und brennt den Ruß ab.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die der Zerstäuberdüse 17 zugeführte Druckluft von einer Verdrängerpumpe 45 erzeugt wird. Die Verdrängerpumpe 45 ist über eine Kupplung 46, mit der Abtriebswelle 47 des Dieselmotors DM (direkt oder über ein Getriebe) gekuppelt. Der Brennstoff wird der Brennstoffleitung 20 ebenfalls über eine Verdränger­ pumpe 48 zugeführt, die von der Abtriebswelle 47 des Dieselmotors DM angetrieben ist. Da die Mengen von Druck­ luft und Brennstoff beide in Abhängigkeit von der Mo­ tordrehzahl variieren, ihr gegenseitiges Verhältnis aber konstant bleibt, erfolgt eine drehzahlproportio­ nale Gemischmengensteuerung. Dadurch paßt sich die Brennerleistung bei variierender Drehzahl des Diesel­ motors DM immer dem veränderten Abgasmengenstrom an. Da­ durch kann die Temperatur am Filter während der Regene­ ration weitgehend konstant gehalten werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben einer Rußfiltervorrichtung für einen Dieselmotor, welche ein an die Abgasleitung des Motors angeschlossenes Filter und zum Freibrennen desselben einen Brenner aufweist, der eine mit Druckluft beaufschlagte Luftstromzerstäuberdüse für flüssigen Brennstoff und einen Brennraum aus einer sich an die Luftstromzerstäuberdüse anschließenden Brennkammer und einer dahinter angeordneten Nachbrennkammer aufweist, in die Motorabgase zur Nachverbrennung des Brennstoffs eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Luft in die als Hauptbrennkammer ausgebildete Brennkammer ausschließlich durch die Luftstromzerstäuberdüse in unterstöchiometrischem Mengenstrom erfolgt und der in den entstandenen Verbrennungsgasen überschüssig vorhandene Brennstoff unter Verwendung des in den Motorabgasen enthaltenen Restsauerstoffs verbrennt, die ausschließlich in die Nachbrennkammer geleitet werden.

2. Rußfiltervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen an die Abgasleitung des Motors angeschlossenen Filter (12) und zum Freibrennen desselben einen Brenner (16) mit einer mit Druckluft beaufschlagten Luftstromzerstäuberdüse (17) für flüssigen Brennstoff und mit einem Brennraum aufweist, welcher in eine sich an die Luftstromzerstäuberdüse (17) anschließende Brennkammer und eine dahinter angeordnete Nachbrennkammer (37) unterteilt ist, die mit der Abgasleitung des Motors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftstromzerstäuberdüse (17) zahlreiche Drallelemente (23) aufweist, die in Umfangsrichtung schräggestellt sind und der radial einströmenden Luft eine Umfangskomponente erteilen, und daß die als Hauptbrennkammer (15) ausgebildete Brennkammer stromab durch eine Ringwand (32) begrenzt ist.

3. Rußfiltervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft dem Druckluftsystem des Fahrzeugs entnommen und über eine bei kritischem Druckverhältnis betriebene Düse (40) der Luftstromzerstäuberdüse (17) zugeführt wird.

4. Rußfiltervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft von einem Verdrängergebläse (43) erzeugt wird.

5. Rußfiltervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (16) zusammen mit dem Filter (12) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet ist.