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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Ultraschallabbrennvorrichtung zur Regenerierung eines filters und zur Entfernung von
Teilchen, wie beispielsweise kohlenstoffartige Materialien, die durch
die Auspuffabgase eines Dieselmotors mitgefuhrt werden, und
insbesondere ein Ultraschallabbrennsystem zum Abbrennen von Teilchen, die
auf einem Filter abgeschieden werden.
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In den letzten Jahren werden Emissionsvorschriften für Abgase von
Fahrzeugen, die durch Motoren mit innerer Verbrennung angetrieben
werden, insbesondere Dieselmotoren, zunehmend strenger. Im Hinblick
auf Teilchen, die von den Auspuffabgasen mitgetragen werden, besteht
ein Trend in einigen Staaten der Vereinigten Staaten zu einer
quantitativen Beschränkung der Werte auf etwa 1/3 des derzeitigen Werts.
Allerdings können die herkömmlichen Einrichtungen zur Modifizierung
des Verbrennungssystems für einen Motor nicht ausreichend mit einer
solchen strengen Kontrolle fertig werden.
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Die meisten Bemühungen, um Teilchen von Auspuffabgasen von
Dieselmotoren zu entfernen, sind dahingehend gerichtet, sie durch einen
Filter aufzufangen, der gewöhnlich aus keramischem Material
hergestellt ist, der periodisch durch Abbrennen der Teilchen regeneriert
wird, wobei die Wärme, die zur Verbrennung erforderlich ist,
entweder von einer elektrischen Heizeinrichtung oder der Verbrennung
eines Dieselkraftstoffs zugeführt wird. Einige Filter können mit
einem katalytischen Film beschichtet sein, um die
Verbrennungstemperatur zu verringern; in einem solchen Fall kann der Filter durch
die Auspuffabgase regeneriert werden, und zwar ohne eine Verwendung
eines speziellen Heizsystems. In dem vorstehend erwähnten
katalytischen Filtersystem bestehen Probleme dahingehend, daß die
Herstellkosten des filters hoch sind und daß der Katalysator dazu
tendiert, durch Schwefelverbindungen deaktiviert zu werden, die in den
Auspuffabgasen enthalten sind.
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Zusätzlich können die Auspuffabgase allein als Wärmequelle nicht
immer effektiv funktionieren, und zwar in Abhängigkeit der
Motorzustände. Das System, das eine elektrische Heizeinrichtung verwendet,
besitzt einen Nachteil dahingehend, daß der Leistungsverbrauch durch
die elektrische Heizeinrichtung hoch ist, so daß dieses System für
Kraftfahrzeuge ungeeignet ist, die Batterien als
Energieversorgungsquelle verwenden. Demgemäß wurde, um solche Probleme zu überwinden,
dem System, das einen Teil eines Dieselkraftstoffs verbrennt, um
Wärme zu erzeugen, die für die Regenerierung erforderlich ist, in
neuerer Zeit die Aufmerksamkeit der Industrie geschenkt.
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Fig. 5 stellt ein System dar, das in der japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 43114/1985 offenbart ist, das ein System zur
Abbrennung von Teilchen gemäß dem vorstehend angegebenen System (3)
einsetzt. Dieses System ist wie folgt aufgebaut: Ein Gehäuse 7, das
einen Filter 6 einsetzt, der aus einer Keramik hergestellt ist, ist
in der Mitte eines Auspuffrohrs 3 eines Motors 2 verbunden, um so
teilchenförmige Anteile, die durch die Auspuffgase mitgeführt
werden, zu entfernen. Wenn der teilchenförmige Anteil, der durch den
Filter 6 aufgefangen wird, ansteigt, steigt auch der Fluidwiderstand
des Filters 6 an. Als Ergebnis steigt das Druckdifferential über den
Filter an, das durch einen Auspuffgas-Drucksensor 10 ermittelt wird,
und es wird ein Signal, das durch einen Druck/Elektrizitätswandler
11 erhalten wird, einer Steuereinheit 20 eingegeben. Darauffolgend
wird ein Schalter 16 auf der Basis einer Entscheidung geschlossen,
die durch die Steuereinheit 20 vorgenommen wird, um eine
Kraftstoffpumpe 9 und eine Zündeinrichtung 8 mit einer Leistungsquelle in form
einer Batterie 17 zu verbinden. Dann wird Kraftstoff von einem
Kraftstofftank 12 durch einen Brenner 4, der strömungsabwärts des
Filters 6 durch die Einrichtung einer Kraftstoffpumpe 9 gebildet
ist, eingespritzt und zur gleichen Zeit wird ein Zündfunke an einer
Zündkerze 5 durch die Zündvorrichtung 8 erzeugt, um so den Brenner 4
zu zünden. Demzufolge wird das Hochtemperaturverbrennungsgas zu dem
Filter 6 zugeführt, um das teilchenförmige Material, das durch den
Filter 6 aufgefangen wird, zu verbrennen, um dadurch den Filter 6 zu
regenerieren.
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In dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen System erreicht
allerdings, da der Hochdruckkraftstoff von dem Brenner 4 eingespritzt
wird, die Flamme den Filter 6, ohne daß sie wesentlich mit der
Luftströmung vermischt wird, und, wie durch die Linie B-B in Fig. 6 für
die radiale Temperaturverteilung des Filterabscheiders 6 dargestellt
ist, ist die Temperatur des mittleren Bereichs abnormal höher als
diejenige des äußeren Umfangsbereichs. Dies kann einen ausreichenden
thermischen Schock hervorrufen, der den Filter beschädigen kann.
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Um diese Probleme zu beseitigen, kann die Flamme, falls die Länge
einer Verbrennungsleitung 10 bis zu 15 mal größer als der
Durchmesser des Filters gewählt wird, gut mit dem Trägergas vermischt werden
und die radiale Temperaturverteilung des Filters wird gleichmäßig.
Allerdings wird, falls der Durchmesser des filters auf 10 cm gesetzt
wird, die Länge der Verbrennungsleitung 19 1,0m bis 1,5m, so daß
dort das Problem vorhanden ist, daß ein solches
Teilchen-Verbrennungssystem nicht an einem Fahrzeug befestigt werden kann, das einen
begrenzten Platz besitzt.
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In dem Fall der Erfindung, wie sie zum Beispiel in der japanischen
Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 29135/1988 offenbart wird, wird,
um solche Probleme zu lösen, ein Versuch unternommen, der
Primärluft, die in einer tangentialen Richtung eingeleitet wird, und der
Sekundärluft, die in eine nach hinten gerichtete Richtung davon
eingeleitet wird, zu ermöglichen, in wechselseitig
gegenüberliegenden
Richtungen eine Verwirbelung zu bewirken, allerdings erfordert
diese Anordnung in nachteiliger Weise ein kompliziertes System.
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Demgemäß ist es eine Aufgabe der Vorliegenden Erfindung, ein System
zur Regenerierung eines Filters zu schaffen, das eine kompaktere
Verbrennungskammer, eine gleichmäßige, radiale Temperaturverteilung
des Filters und eine verringerte Länge der Verbrennungsleitung
besitzt, wodurch die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes
der Technik beseitigt werden.
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Die FR-A-2527309 beschreibt ein Brennersystem zur Bildung eines
heißen, gasförmigen Gemischs, wobei das System einen
Ultraschallzerstäuber, der für eine Zerstäubung von Dieselkraftstoff in feine
Tröpfchen geeignet ist, der an einem Ende der zentralen Achse einer
Verbrennungskammer befestigt ist, einen
Luft/Kraftstoffgemischführungsdurchlaß, der in dem Umfang des Ultraschallzerstäubers gebildet
ist, aufweist, wobei das heiße Auspuffgas, das durch die Verbrennung
der feinen Tröpfchen aus Kraftstoff gebildet wird, durch einen
Auslaßdurchlaß geführt wird.
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Dieser Brenner ist für die Verwendung in kleinen
Luftheizeinrichtungen vorgesehen.
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Wir schaffen nun ein modifiziertes Brennersystem dieses Typs für den
vorstehend angegebenen Zweck, wobei das System dadurch
gekennzeichnet ist, daß mindestens eine Luftverwirbelungsdüse in dem Umfang der
Verbrennungskammer gebildet ist, um Luft in die Verbrennungskammer
tangential einzuleiten, und der Auslaßbereich der Kammer weist ein
Ablenkteil und einen ringförmigen Verbrennungsgasauslaßdurchlaß auf,
der zwischen einem inneren Zylinder der Kammer, worin eine Mehrzahl
von Auslaßöffnungen vorgesehen sind, und einen äußerern Zylinder
gebildet ist;
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wobei sich während der Benutzung das heiße Auslaßgas auf einer
höheren Temperatur in dem Bereich angrenzend zu der Wand als in dem
axialen, zentralen Teil der Verbrennungskammer befindet, und danach
zu dem Filter hingeführt wird, der angrenzend an die
Abbrennvorrichtung in der Auslaßleitung des Dieselmotors so gebildet ist, daß der
Filter durch Verbrennung von kohlenstoffartigem Material regeneriert
wird, das in dem Filter angesammelt ist.
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Durch die Einrichtungen der vorliegenden Erfindung ist es möglich,
die Flammen in der Verbrennungskammer zu verkürzen und dadurch das
Gesamtfiltersystem kompakter zu gestalten, während verhindert wird,
daß große, unverbrannte Kraftstofftropfen von dem Brenner
herabsickern und zur gleichen Zeit ein Anhaften und Ansammeln von Ruß an
den Verbrennungskammerwänden verhindert wird. Es ist auch möglich,
ein radiales Temperaturdifferenzial in dem Filter zu verringern und
dadurch thermische Beanspruchungen, die eventuell zu Beschädigungen
des Filters führen würden, zu vermindern. Es ist weiterhin möglich,
einen breiteren Betriebsbelastungsbereich zu schaffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform
einer Ultraschallabbrennvorrichtung zur Regenerierung eines Filters
gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
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Figur 2 zeigt einen Seitenaufriß der Figur 1 aus Sicht von der
rechten Seite davon;
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Figur 3 zeigt ein Diagramm, das die Temperaturverteilung eines
Filters in dem Fall darstellt, bei dem die vorliegende Erfindung
angewandt wird;
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Figur 4 zeigt ein Diagramm, das ein herkömmliches
Filterabbrennsystem darstellt; und
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Figur 5 zeigt ein Diagramm, das die Temperaturverteilung eines
herkömmlichen Filters darstellt.
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In Fig. 1 weist eine Ultraschallabbrennvorrichtung zur Regenerierung
eines Filters gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Verbrennungskammer 21, eine Luftzuführrohrleitung 22 und einen
Ultraschallzerstäuber 23 auf.
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Die Verbrennungskammer 21 weist eine äußere Trommel 25, die mit
feuerfestem Material 24 ausgekleidet ist, und eine innere Trommel 26
auf, die eine Vielzahl von Öffnungen besitzt, durch die
Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer herausströmen. Ein
Luft/Kraftstoffgemischführungsdurchlaß 27 ist in einer Seite der
Verbrennungskammer 21 vorgesehen. Zusätzlich sind, wir im Detail in Fig. 2
dargestellt ist, vier Luftverwirbelungsdüsen 29 in dem äußeren
Umfangsbereich der Verbrennungskammer gebildet, um Verbrennungsluft in die
Brennkammer in einer tangentialen Richtung zu führen, und eine
Zündkerze 30 ist in einer zueinander gegenüberliegenden Ausrichtung mit
dem Luft/Kraftstoffgemischführungsdurchlaß 27 installiert. Weiterhin
ist ein Ablenkteil 31 an der anderen Seite der Verbrennungskammer 21
angeordnet und ein ringförmiger Gasauslaßdurchlaß 32 ist zwischen
der inneren Trommel 26 und dem feuerfesten Material 24 gebildet. Das
Hochtemperaturverbrennungsgas, das davon abgegeben wird, wird in
einen (nicht dargestellten) Filter eingeleitet, der strömungsmäßig
ausgangsseitig dieses Brennersystems angeordnet ist.
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Ein Luftdurchgang 33 ist zwischen der Luftversorgungsrohrleitung 22
und der Verbrennungskammer 21 gebildet, und falls ein Gebläse 36 mit
dem Luftdurchgang 33 über ein Luftrohr 35 verbunden wird, wird
Atmosphärenluft, die von dem Gebläse 36 zugeführt wird, in den
Luft/Kraftstoffgemischführungsdurchlaß 27 und in die
Luftverwirbelungsdüsen 29 eingeleitet. Zusätzlich ist ein
Ultraschallzerstäuber 23 derart angeordnet, daß ein piezoelektrisches Wandlerhorn 39
durch einen Ultraschalloszillator 37 in Vibration gesetzt wird, um
den Kraftstoff, der von der Pumpe 40 zugeführt wird, in feine
Tröpfchen zu zerstäuben. Der Kraftstoff, der zu dem piezoelektrischen
Wandlerhorn 39 zugeführt wird, wird durch Ultraschallvibrationen
zerstäubt, nachdem er in einem dünnen Film über die Hornoberfläche
geflossen ist. Danach wird ein Druck der Auslaßgase durch einen
Auslaßdrucksensor 41 ermittelt und ein Betriebssignal wird zu dem
Ultraschalloszillator 37, der Kraftstoffpumpe 40 und der Zündkerze
30 auf der Basis einer Entscheidung, die durch eine Steuereinheit 42
vorgenommen wird, übertragen.
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Anstelle des vorstehend erwähnten piezoelektrischen Wandlerhorns 39
ist es möglich, irgendeine von denjenigen Einrichtungen zu
verwenden, die beispielsweise in der Beschreibung der japanischen
Patentoffenlegungen Nr. JPA60-222552, JPA61-138558, JPA61-138559,
JPA61-259780; JPA61-259781 und JPA62-140667 oder JPU63-6074;
JPA62-289260, JPA63-38193, JPA63-38810, JPA63-194765, JPU63-168065
und JPA63-259153 offenbart sind.
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Eine Beschreibung der Betriebsweise der
Ultraschallabbrennvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die den vorstehend beschriebenen
Aufbau aufweist, wird nachfolgend beschrieben. Ein Teil der
Verbrennungsluft, die durch das Gebläse 36 in der Luftdurchgangsweg 33
in die Luftzuführrohrleitung 22 über die Luftleitung 35 eingeleitet
wird, wird zu den Luftverwirbelungsdüsen 29 geführt, wobei der
verbleibende Anteil zu dem Luft/Kraftstoffgemischführungsdurchlaß 27
zugeführt wird. Demzufolge strömt Luft, die in den
Luft/Kraftstoffgemischführungsdurchlaß 27 strömt, in die Brennkammer 21, während
sie mit dem zerstäubten Kraftstoff, der durch das piezoelektrische
Wandlerhorn 39 des Ultraschallzerstäubers 23 gebildet wird, gemischt
wird, um eine Luft/Kraftstoffmischung zu bilden, die ein geeignetes
Mischungsverhältnis besitzt. Andererseits strömt Luft, die
tangential von den Luftverwirbelungsdüsen 29 ausströmt, in die
Verbrennungskammer 21 in der Form eines stark verwirbelten Stroms, und das
Luft/Kraftstoffgemisch, das in die Verbrennungskammer durch den
Mischführungsdurchlaß 27 strömt, wird in die Richtung der Zündkerze
30 mittels der kinetischen Energie des Wirbelstroms getragen, um so
den Kraftstoff zu verbrennen.
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Als Ergebnis eines Verbrennungsexperiments, das durch die Erfinder
selbst unter Verwendung eines herkömmlichen Brennersystems vom
Druckeinspritztyp durchgeführt wurde, wurde herausgefunden, daß ein
starker Wirbelstrom, der zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, wenn die
Verbrennungsluft, die in den Luftdurchgangsweg 33 eingeleitet wird,
durch die Luftverwirbelungsdüsen 29 hindurchführt, sich in die
Verbrennungskammer 21 zu dem Auslaßdurchgang 32 hin bewegt und eine
Flamme besitzt, die eine Länge von einigen 100 mm oder in dieser
Größe besitzt, die in dem axialen, mittleren Bereich der
Verbrennungskammer durch diesen Wirbelstrom gebildet wird. Andererseits
kann in dem Fall der vorstehend beschriebenen
Ultraschallabbrennvorrichtung zur Regenerierung eines Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung, da die anfängliche Geschwindigkeit des zerstäubten
Kraftstoffs gering ist, zerstäubter Kraftstoff leicht durch den starken
Nirbelstrom von den Luftverwirbelungsdüsen 29 ausgetragen werden und
der Kraftstoff und die Luft werden gut vermischt, so daß die lange
Flamme, die eine Länge von einigen 100 mm oder in diesem Bereich
besitzt, die in dem herkömmlichen Fall gebildet wird, nicht erzeugt
wird, und es wird eine kurze Flamme gebildet. Weiterhin wird, da das
Verbrennungsgas, das in einer verwirbelten Art und Weise in dem Raum
der Verbrennungskammer strömt, die durch die Innentrommel 26 und das
Ablenkteil 31 festgelegt wird, durch die Vielzahl von Öffnungen
dispergiert wird und aus der inneren Trommel 27 herausströmt, die
lange Flamme, wie in dem herkömmlichen Fall, nicht gebildet.
Zusätzlich kann, da das feuerfeste Material 24 auf eine hohe Temperatur
durch das Verbrennungsgas, das dispergiert ist und aus der inneren
Trommel 26 herausströmt, aufgeheizt wird, eine vollständige
Verbrennung in der Verbrennungskammer 21 sichergestellt werden und die
Stabilisierung einer Verbrennung und eine Hochleistungsverbrennung
kann realisiert werden.
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Als ein Ergebnis ist in dem Fall, in dem die
Ultraschallabbrennvorrichtung zur Regenerierung eines Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Abgasleitung eines Motors mit innerer Verbrennung
befestigt wird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, die radiale
Temperaturverteilung in dem Filter 5, d. h. die Temperaturdifferenz
zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Umfangsbereich davon,
sehr klein) wie dies durch die Linie A-A in Fig. 3 dargestellt ist,
mit dem Ergebnis, daß das Problem eines Bruchs des Filters 6 infolge
des thermischen Stresses, der darin erzeugt wird, in großem Maß
herabgesetzt wird. In diesem Fall wird, gerade dann, wenn die Länge
des Verbrennungsdurchgangs 19 sehr kurz ausgeführt wird, das radiale
Temperaturdifferential in dem Filter 6 sehr klein, so daß das
Gesamtsystem kompakt gestaltet werden kann.