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Brennereinheit im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennereinheit im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem im Abgastrakt angeordneten Mehrwegekatalysator zur Behandlung der Abgase, der mittels einer aus einer Brennkammer der Brennereinheit austretenden Gasströmung temperiert wird. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennereinheit im Abgastrakt einer selbstzündenden oder fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zur Temperierung eines Mehrwegekatalysators.

Stand der Technik

DE 41 32 814 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasentgiftung einer Brennkraftmaschine. In den ersten Minuten nach dem Starten einer kalten Brennkraftmaschine werden ca. 70 % bis 80 % der gesamten Emission von HC und CO ausgestoßen, da der Katalysator noch keine Betriebstemperatur aufweist. Es wird daher vorgeschlagen, dass der Katalysator durch ein Brennersystem, das auf Steuersignale eines Steuergeräts reagiert, auf Betriebstemperatur beheizt wird. Hierdurch werden die Emissionen von HC und CO erheblich verringert.

DE 195 04 208 A1 bezieht sich auf einen Abgaskonverter mit einem Katalysator und einem diesem vorgeschalteten Brenner. Der Katalysator nimmt eine katalytische Umwandlung unerwünschter Abgasbestandteile erst nach Erwärmung auf seine Betriebstemperatur vor. Dazu ist diesem ein mit einem Brennerrohr in die Abgasleitung mündenden, mit Kraftstoff und Luftzufuhr versehener Brenner zur Beschleunigung der Erwärmung des Katalysators R.403658

- 2 - vorgeschaltet sowie zur Erzeugung einer weiteren Umwandlung unerwünschter Abgasbestandteile in der Abgasleitung vor dem Katalysator. In die Abgasleitung hineinragende Bereiche des Brenners sind auf ihrer der Abgasströmung ausgesetzten Oberfläche mit katalytisch aktivem Material belegt.

Mit der Einführung der sogenannten RDE-Randbedingungen (Real Driving Emissions) ergeben sich ambitionierte Randbedingungen für die Beheizung von Katalysatoren. Die nun mögliche urbane spontane Kaltabfahrt mit hohen Lasten ohne Leerlaufphase bringt bisher vorgesehene innermotorische Katalysatorbeheizungen an ihre Grenzen, insbesondere dann, wenn gleichzeitig weiter reduzierte Emissionswerte, wie sie zum Beispiel mit EU7 zu erwarten sind, eingehalten werden müssen. In diesem Zusammenhang hat sich ein Abgasbrenner zur Beschleunigung des TWC-Light-Off (Three Way Catalysator, Light Off = Beginn der Umwandlung) und/oder von SCR-Systemen (Selective Catalytic Reduction) als äußerst wirkungsvolle Maßnahme herausgestellt. Für eine Anwendung von Abgasbrennern in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen (auch die Brennereinheit wird mit Dieselkraftstoff betrieben) hat sich erwiesen, dass bei diesem Anwendungsfall ein signifikant höheres Drallniveau erforderlich ist, als dies für den Benzinbetrieb der Fall ist. Dies führt dazu, dass die Strömung bei Eintritt in die Brennkammer des Abgasbrenners bei vergleichsweise höherem Drallniveau stärker an die Außenseite der Brennkammer abgelenkt wird und dadurch eine Rückströmung im Inneren der Injektorkammer im Zentrum der Brennkammer durch ein breites Strömungsfeld auf den Injektor hinzu begünstigt wird. Dadurch erfolgt eine höhere Wärmefreisetzung in unmittelbarer Nähe des Injektors. Dies ist zwar vorteilhaft für eine vollständige Verbrennung innerhalb der Brennkammer, hat jedoch zur Folge, dass die Bauteiltemperaturen in diesem lokalen Bereich deutlich ansteigen. Insbesondere der Kraftstoffinjektor und dessen

Injektorspitzentemperatur stehen hier im Vordergrund. Die Temperaturen, die an der Injektorspitze herrschen, sollten möglichst unterhalb von 140 °C liegen. Auf Grund des Umstands, dass im Vergleich zu Benzin, Dieselkraftstoff je nach Spezifikation erst bei deutlich höheren Temperaturen verdampft, kann eine durch die Einspritzung verursachte Benetzung der Injektorkuppe mit Kraftstoff durch die Nähe der in der Brennkammer stehenden Flamme zu einer nicht vorgemischten, fetten Verbrennung führen, die diffusionskontrolliert abläuft. Dies hat zur Folge, dass in diesem Bereich der Flamme vermehrt Partikel entstehen und sich auf der Injektorkuppe Ablagerungen bilden. Derartige Ablagerungen besitzen im R.403658

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Allgemeinen schwammartige Eigenschaften, so dass es dort zur Einlagerung von immer mehr Kraftstoff kommt und demzufolge auch zu einer verstärkten Rußbildung, so dass dieser Effekt einen sich selbst verstärkenden Charakter aufweist Des Weiteren können die gebildeten Ablagerungen an der Injektorkuppe dazu führen, dass sich die Spritzlöcher des Injektors zusetzen oder dass ein bestimmtes Einspritzmuster (Spray Targeting) eine geometrische Veränderung erfährt In beiden Fällen kann dies die Funktionalität des Abgasbrenners signifikant beeinflussen, beginnend mit einer Verschlechterung der Emissionen bis hin zu Einschränkungen in der Startrobustheit

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Brennereinheit vorgeschlagen, die im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, mit einem im Abgastrakt angeordneten Mehrwegekatalysator und/oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) zur Behandlung der Abgase, der mittels einer aus einer Brennkammer der Brennereinheit austretenden Gasströmung temperiert wird, wobei die Brennereinheit eine an die Brennkammer angrenzende Dralleinheit aufweist, deren mindestens ein Drallkanal parallel oder orthogonal zu einer Hauptachse der Brennereinheit mit einem Überstand in die Brennkammer hineinragt.

Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die in die Brennkammer mit einem Drall in Umfangsrichtung versehene Zuluft derart durch die Begrenzungswände der Brennkammer umgelenkt beziehungsweise verwirbelt wird, dass eine sich in der Brennkammer einstellende Flamme sich nicht in Richtung der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors ausbreitet und demzufolge der Wärmeeintrag verringert wird, da die Flamme aufgrund der Zuluft in diesem Bereich in einem mageren Gemisch ausläuft (Quenching). Weil dadurch die Flamme den Kraftstoffinjektor nicht mehr erreicht, wird auf diese Weise sowohl die Maximaltemperatur des Injektors reduziert als auch dessen Verkokung grundsätzlich verhindert.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit prägt die Dralleinheit der in die Brennkammer einströmenden R.403658

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Zuluft eine Rotationsbewegung in Umfangsrichtung auf, bezogen auf die Hauptachse der Brennkammer. So kann die sich in der Brennkammer einstehende Flamme stabilisiert und vergleichmäßigt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit umfasst die Dralleinheit einen Injektorschacht zur Aufnahme eines Kraftstoffinjektors derart, dass dessen Injektorkuppe in den Drallkanal mündet. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die Injektorkuppe in sicherem Abstand von der sich in der Brennkammer ausbreitenden Flammenfront bleibt und Maximaltemperaturen im Bereich der Injektorkuppe wirkungsvoll vermieden werden können.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit ist ein Drallkegel der aus dem Drallkanal austretenden Luftströmung so gewählt, dass die in die Brennkammer einströmende Zuluft eine in der Brennkammer erzeugte Flamme vom Drallkanal fernhält.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit beträgt der Überstand, um den der Drallkanal in die Brennkammer hineinragt zwischen 2 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 7 mm, bezogen auf die Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit ist der Drallkanal in einer Konizität ausgeführt. Dies ist fertigungstechnisch besonders einfach realisierbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit weist der Drallkanal eine kontinuierliche Querschnittsverringerung bis hin zu einem Düsenteil auf. Dadurch kann eine Beschleunigung der in die Brennkammer zugeführten, mit einem Drall in Umfangsrichtung versehenen Zuluft erreicht werden, was die Verbrennung innerhalb der Brennkammer günstig beeinflusst.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann alternativ der Drallkanal durch Kugelschalen gebildet sein, die entweder in Parallelanordnung zueinander mit identischer Krümmung, einen konstanten Strömungsquerschnitt bildend, oder in aufeinander zulaufender Anordnung, einen abnehmenden Strömungsquerschnitt bildend, R.403658

- 5 - angeordnet sind. Diese beiden Ausführungsvarianten begünstigen ebenfalls die Drallerzeugung innerhalb der Brennkammer.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Brennereinheit derart ausgeführt, dass der Drallkanal durch Kreiselschalenformen gebildet ist, die entweder in Parallelanordnung zueinander mit identischer Krümmung, einen konstanten Strömungsquerschnitt bildend, oder in aufeinander zulaufender Anordnung, einen abnehmenden Strömungsquerschnitt bildend, angeordnet sind. Durch diese alternative Ausführungsvariante können die obenstehend skizzierten Vorteile ebenfalls erreicht werden.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit besteht die Möglichkeit, den Drallkanal in der Dralleinheit durch eine ebene konische Fläche und durch eine Kugelschale zu bilden. Weitere Abwandlungen sind ebenfalls möglich.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit kann der Drallkanal der Brennkammer die eintretende Zuluft auch in orthogonaler Richtung, bezogen auf die Hauptachse der Brennkammer, zuführen. Durch die senkrecht zur Hauptachse der Brennkammer ausgeführte Lufteinströmung kann der sich in Rotationsrichtung auswirkende Drall begünstigt werden. Durch die Ausführungsvariante besteht ebenfalls die Möglichkeit, die sich innerhalb der Brennkammer rückströmungseffektbegünstigt in Richtung der Injektorkuppe ausbreitende Flamme von dieser entfernt zu halten, um dort die Maximaltemperaturen zu begrenzen.

Alternativ besteht bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit auch die Möglichkeit, den Drallkanal in Bezug auf eine vertikale Achse in gespiegelter Anordnung, beispielsweise zu einem eine Konizität aufweisenden Drallkanal, auszuführen. In dieser Ausführungsvariante sind in Bezug auf die vertikale Achse die den Drallkanal begrenzenden Wände entgegengesetzt geneigt, d. h. der Brennkammer zuweisend angeordnet.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennereinheit im Abgastrakt einer selbstzündenden oder fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zur Temperierung eines Mehrwegekatalysators und/oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction). R.403658

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Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennereinheit kann insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen erreicht werden, dass die sich in der Brennkammer ausbreitende Flamme durch Rückströmungseffekte einen zu hohen Wärmeeintrag an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors verursacht Die Verlängerung des Drallkanals in axialer Richtung oder die Luftzuführung in orthogonaler Richtung verhindert, dass die Flammenfront die Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors erreicht. Dies ist einerseits auf die stark entgegengesetzte Strömung bei der Flammenausbreitung zurückzuführen sowie auf den Umstand, dass die in der Brennkammer erzeugte Flamme aufgrund der Luft im unmittelbar vor der Mündung des Drallkanals liegenden Bereich „gequencht“ wird, d. h. die Flamme läuft in einem mageren Gemisch aus. Da bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit die Flamme den Kraftstoffinjektor, insbesondere dessen Injektorkuppe nicht mehr erreicht, wird auf diese Weise sowohl die Maximaltemperatur des Injektors reduziert als auch die Verkokung an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors grundsätzlich verhindert.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung beträgt der Überstand, um den der Drallkanal in die Brennkammer hineinragt, ausgehend von der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors, zwischen 3 mm und 7 mm.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennereinheit kann erreicht werden, dass die Höchsttemperatur an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors erheblich reduziert werden kann. Eine Maximaltemperatur bei einer Brennerlaufzeit von 25 s mit beispielsweise 25 kW von über 300 °C kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auf ein Niveau von weniger als 25 °C reduziert werden.

Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung aufgrund der Vermeidung von schwammartigen Ablagerungen ein selbstverstärkender Effekt, insbesondere eine Verkokung der Injektorkuppe vermieden werden. Dadurch lässt sich die Standzeit des eingesetzten Kraftstoffinjektors erheblich erhöhen, ferner wird die Startrobustheit einer R.403658

- 7 - erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erheblich verbessert.

Des Weiteren ist hervorzuheben, dass die signifikante Reduktion der Höchsttemperatur an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors mit dem großen Vorteil einhergeht, dass am Kraftstoffinjektor kein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf, so zum Beispiel von Kühlmasse aus dem Motorkreislauf der Verbrennungskraftmaschine abgezweigt werden muss, um den Kraftstoffinjektor zu temperieren. Dies stellt ein Alleinstellungsmerkmal dar, da durch die vorgeschlagene Verbrennungsführung innerhalb der Brennkammer eine starke Reduktion der Kosten erreicht werden kann.

Die Gestaltung des Drallkanals in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit, insbesondere in dessen Dralleinheit, kann auf vielfältige Weise erfolgen. So seien beispielsweise konische Flächen genannt, die parallel zueinander einen konstanten Strömungsquerschnitt bildend angeordnet sein können oder auch einen sich in Strömungsrichtung der einströmenden Zuluft verringernden Strömungsquerschnitt bis zu einem Düsenteil aufweisen. Neben ebenen Flächen, wie sie bei der konischen Ausbildung des Drallkanals zum Einsatz kommen können, lassen sich bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung auch Kugelschalen einsetzen, die mit identischer Krümmung parallel zueinander angeordnet werden können oder auch in einer aufeinander zulaufenden Anordnung platziert sein können. Daneben besteht die Möglichkeit, auch Kreiselschalenformen einzusetzen, die ebenfalls derart eingebaut werden können, dass diese einen konstanten Strömungsquerschnitt für die einströmende Zuluft darstellen oder aufeinander zulaufend platziert sein können.

Mischformen aus ebenen Flächen und sphärischen, d. h. gekrümmten Elementen, zur Ausgestaltung des Drallkanals sind ebenfalls möglich.

Des Weiteren kann in alternativer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit eine orthogonale Zuströmung der einströmenden Zuluft realisiert werden, bei der die einströmende Zuluft senkrecht zur Hauptachse der Brennkammer zugeführt wird. Dies beeinflusst in vorteilhafter Weise den sich einstellenden Drallpunkt. Je größer der in der Brennkammer erzeugte Drall ist, eine desto bessere Zerstäubung des eingesetzten Kraftstoffs, insbesondere Diesel bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, lässt R.403658

- 8 - sich erreichen, was der vollständigen Verbrennung äußerst zuträglich ist. Neben einem in orthogonaler Richtung verlaufenden Eintrag der zugeführten Luft in die Brennkammer besteht auch die Möglichkeit, eine zur Vertikalachse gespiegelte Anordnung des Drallkanals einzusetzen, der beispielsweise eine um eine vertikale Achse gekippte Anordnung zur Brennkammer hin verwirklicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Brennereinheit gemäß dem Stand der Technik mit auf den Krafstoffinjektor unmittelbar auftreffender Flammenfront,

Figur 2 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit mit einem Drallkanal, der in einer Konizität ausgebildet ist,

Figur 3 eine Gegenüberstellung der Temperaturniveaus an der Injektorkuppe des Kraftstoffinjektors in der Variante gemäß dem Stand der Technik nach Figur 1 und bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 2,

Figur 4 eine zweite Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der einen sich in Strömungsrichtung der einströmenden Zuluft abnehmenden Strömungsquerschnitt aufweist,

Figur 5 eine dritte Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der aus parallel zueinander angeordneten Kugelschalen gebildet ist,

Figur 6 eine vierte Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der aus aufeinander zulaufenden Kugelschalen mit einem abnehmenden Strömungsquerschnitt ausgeführt ist, R.403658

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Figur 7 eine fünfte Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal, der durch Kreiselschalenformen begrenzt wird, wobei hier ein konstanter Strömungsquerschnitt für die einströmende Zuluft verwirklicht ist,

Figur 8 eine sechste Ausführungsvariante der Brennereinheit mit einem Drallkanal mit Kreiselschalenformen, die zueinander so angeordnet sind, dass sich in Strömungsrichtung der einströmenden Zuluft ein abnehmender Strömungsquerschnitt einstellt,

Figur 9 eine Mischform, bei der der Drallkanal der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit durch eine ebene konische Fläche einerseits und durch eine Kreiselschalenform andererseits begrenzt ist,

Figur 10 eine orthogonale Einströmung der einströmenden Zuluft in die Brennkammer und

Figur 11 eine Anordnung der Brennereinheit, bei der der Drallkanal an der vertikalen Achse gespiegelt ist, im Vergleich zur Variante gemäß Figur 2.

Figur 1 zeigt eine Brennereinheit 10 gemäß dem Stand der Technik. In Figur 1 ist eine Brennereinheit 10 dargestellt, die im Wesentlichen symmetrisch zu ihrer Hauptachse 12 ausgeführt ist. Die Brennereinheit 10 umfasst einen Kraftstoffinjektor 14, der in einen Injektorschacht 40 einer Dralleinheit 16 eingesteckt ist. Die Dralleinheit 16 weist ein Drallgitter 18 auf, über welches einströmender Zuluft 22, die über eine Luftzufuhr 28 über den Umfang der Brennkammer 20 zuströmt, ein Drall aufgeprägt wird. Dadurch erfolgt eine Verwirbelung der einströmenden Zuluft 22 innerhalb der Brennkammer 20.

Der Brennkammer 20 ist eine Zündkammer 24 zugeordnet, in welche eine Glühkerze 26 hineinragt. Über die Zündkammer 24 erfolgt die Zündung eines zündfähigen Gemischs aus über den Kraftstoffinjektor 14 in die Brennkammer 20 eintretenden Kraftstoffs und mit einem Drall in die Brennkammer 20 einströmender Zuluft 22. Stromab einer Stirnseite 44 der Brennkammer 20 R.403658

- 10 - befindet sich ein Austritt 30, über welchen eine austretende Gasströmung 32 die Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 beispielsweise in Richtung eines Mehrwegekatalysators oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) verlässt. Wie aus Figur 1 hervorgeht, verlässt die einströmende Zuluft 22 die Dralleinheit 16 mit einem Drallkegel 34, der hier beispielsweise gegen die seitliche Begrenzungswand der Brennkammer 20 orientiert ist. Eine sich in der Brennkammer 20 einstellende Flamme 46 erzeugt einerseits eine entsprechend einer Lufströmungsrichtung 36 austretende Gasströmung 32 in Richtung des Austritts 30 und andererseits eine Rückströmung 38 der Flamme 46 hin zu der Stirnseite 44 der Brennkammer 20, d. h. insbesondere auf eine Injektorkuppe 42 des in den Injektorschacht 40 der Dralleinheit 16 eingelassenen Kraftstoffinjektors 14. Bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen hat sich herausgestellt, dass ein signifikant höheres Drallniveau im Vergleich zu anderen Auslegungen notwendig ist. Dies führt dazu, dass die einströmende Zuluft 22 bei Eintritt in die Brennkammer 20 bei vergleichsweise höherem Drallniveau stärker nach außen abgelenkt wird und dadurch die Rückströmung 38 auf den Kraftstoffinjektor 14, insbesondere die Injektorkuppe 42 im Zentrum der Brennkammer 20, durch ein breiteres Strömungsfeld begünstigt wird. Dies bedeutet, dass am Kraftstoffinjektor 14 eine höhere Wärmefreisetzung erfolgt. Dadurch steigen die Bauteiltemperaturen in diesem Bereich, d. h. insbesondere im Bereich der Injektorkuppe 42, lokal deutlich an. Aufgrund der Tatsache, dass Dieselkraftstoff, je nach Spezifikation, erst bei deutlich höheren Temperaturen verdampft, kann eine durch die Einspritzung verursachte Benetzung der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 mit Kraftstoff durch die Nähe der Flamme 46 zu einer nicht vorgemischten, fetten Verbrennung, die diffusionskontrolliert abläuft, führen. Dies bedeutet, dass in diesem Bereich der Flamme 46 vermehrt Partikel entstehen und sich auf der Injektorkuppe 42 Ablagerungen bilden. Diese Ablagerungen besitzen im Allgemeinen schwammartige Eigenschaften, so dass es zur Anlagerung von immer mehr Kraftstoff kommen kann und demzufolge auch zu einer sich verstärkenden Rußbildung. Dieser Effekt hat somit einen selbstverstärkenden Charakter. Die sich an der Injektorkuppe 42 einstellenden Ablagerungen können unter anderem dazu führen, dass sich die Spritzlöcher des Krafststoffinjektors 14 zusetzen oder sich das Einspritzmuster des Kraftstoffinjektors 14 verändert. In beiden Fällen kann dies die Funktionalität der Brennereinheit 10 signifikant beeinflussen, so zum Beispiel zu einer Verschlechterung der Emissionen bis hin zu Einschränkungen in der Startrobustheit führen. R.403658

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Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10.

Wie der Darstellung gemäß Figur 2 zu entnehmen ist, befindet sich in der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 ein Drallkanal 50, der sich ausgehend von der Stirnseite 44 der Brennkammer 20 um eine Verlängerung 52, hier in axialer Richtung 54, in die Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 hinein erstreckt. Ein sich im Hinblick auf die Verlängerung 52 des Drallkanals 50 ergebender Überstand 56 in die Brennkammer 20 liegt bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsvariante gemäß Figur 2 in der Größenordnung zwischen 3 mm und 7 mm, bezogen auf die Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14. Der Überstand 56 kann auch größere Werte, so zum Beispiel die in Figur 1 eingetragenen Überstände 56‘ und 56“ annehmen. Der Überstand 56, 56‘, 56“ ist in Abhängigkeit von der Mündung des Kraftstoffinjektors 14, d. h. der Außenkante des Drallkanals 50 derart definiert, dass der Überstand 56, 56‘, 56“ dort endet, wo eine virtuelle Linie zwischen der Injektorkuppe 42 und dem Zündort, d. h. der Glühkerze 26 verläuft, wie in Figur 2 eingezeichnet. Für den Fall, dass der Drallkanal 50 weiter außen mündet (vgl. Überstände 56‘ und 56“), kann der Überstand 56 wie dargestellt auch größere Werte annehmen, wie in Figur 2 durch die Überstände 56‘ und 56“ angedeutet. Die gedachte Linie zwischen der Glühkerze 26, d. h. dem Zündort, sowie der Spitze der Injektorkuppe 42 charakterisiert im Wesentlichen den Spray-Winkel des Kraftstoffinjektors 14. In der Regel hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass es die geometrische Möglichkeit gibt, den Kraftstoff ohne Lufttransport zum Zündort, in diesem Fall in Richtung der Glühkerze 26 einzuspritzen. Auf diese Weise ist R.403658

- 12 - eine Anfettung während der Startphase sichergestellt und damit auch ein robustes Starten der Brennereinheit 10 im Millisekundenbereich.

Alternativ besteht die Möglichkeit, auch die Innenkante des in die Brennkammer 20 mündenden Drallkanals 50 in einem Überstand 56 auszubilden, alternativ zur in Figur 2 und in den weiteren Figuren 3 bis 11 dargestellten Ausführungsvariante, bei welchen eine äußere Seite des Drallkanals 50 um den Überstand 56, 56‘ und ggfs. 56“ über die Injektorkuppe 42 hinaus in die Brennkammer 20 hineinragt.

Durch die in Figur 2 dargestellte Verlängerung 52 des Drallkanals 50 in axialer Richtung 54 wird verhindert, dass sich die Flamme 46 bis zum Kraftstoffinjektor 14 beziehungsweise dessen Injektorkuppe 42 oder gar in den Drallkanal 50 ausbreiten kann. Dies ist sowohl auf die entgegengesetzte Strömung der Flammenausbreitung zurückzuführen als auch auf den Umstand, dass die Flamme 46 aufgrund der Luft in diesem Bereich in einem mageren Gemisch ausläuft, d. h. „gequenchf wird. Dadurch erreicht die Flamme 46 den Kraftstoffinjektor 14 nicht mehr, so dass auf diese Weise sowohl die Maximaltemperatur an der Injektorkuppe 42 reduziert, als auch die Verkokung des Kraftstoffinjektors 14 an dessen Injektorkuppe 42 grundsätzlich verhindert werden kann.

Die Verlängerung 52 des Drallkanals 50 in die Brennkammer 20 hinein führt dazu, dass die Spitzentemperatur an der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 reduziert werden kann. Dies ist in Figur 3 dargestellt.

Figur 3 zeigt, dass bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante gemäß dem Stand der Technik ein Temperaturverlauf 58 an der Injektorkuppe 42 erfolgt, der durch ein Spitzentemperaturniveau 60 gekennzeichnet ist. Die über eine Einwirkzeit 64 von bis zu 25 s anliegende Spitzentemperatur (Brenndauer = 25 s) liegt für einen Kaltstartvorgang, ausgehend von -10 °C in der Größenordnung von ca. 300 °C. Demgegenüber zeigt Figur 3, dass bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10, wie sie beispielsweise in einer ersten Ausführungsvariante in Figur 2 dargestellt ist, eine allmähliche Temperaturerhöhung 66, aufgetragen über die Einwirkzeit 64, vorliegt. Hier stellt sich aufgrund des Abstands zwischen der Flammenfront der Flamme 46 an der Injektorkuppe 42 allmählich ein ansteigender Temperaturgradient, aufgetragen R.403658

- 13 - über die Zeit, ein. Die Maximaltemperaturzunahme an der Injektorkuppe 42 gemäß der Darstellung in Figur 3 liegt nur in der Größenordnung von < 30 °C.

Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 hervor, bei welcher der Drallkanal 50, der hier ebenfalls um die Verlängerung 52, in Bezug auf die Stirnseite 44 der Brennkammer 20, in diese hineinragt und in einer Konizität 68 ausgeführt ist. Bei der in Figur 4 dargestellten Konizität 68 handelt es sich um eine solche, bei der der Drallkanal 50, eine Querschnittsverringerung 70 in Strömungsrichtung der einströmenden Zuluft 22 aufweisend, sich in Richtung auf ein Düsenteil 72 mit einer Austrittsdüse hinsichtlich seines Strömungsquerschnitts verringert. Dadurch kann eine Beschleunigung der Strömung der einströmenden Zuluft 22 in die Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 erreicht werden. Figur 4 zeigt, dass sich gemäß dieser zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 der Drallkegel34, ausgehend von der Düsenöffnung des Düsenteils 72, einstellt, so dass die Flamme 46 weiter von der Stirnseite 44, die die Brennkammer 20 im Bereich der Dralleinheit 16 begrenzt, weggehalten wird und die sich in der Flammenfront der Flamme 46 einstellende Rückströmung 38 von der Injektorkuppe 42 des in den Injektorschacht 40 montierten Kraftstoffinjektors 14 entfernt gehalten werden kann. Dadurch stellt sich das in Figur 3 dargestellte günstige Temperaturprofil gemäß einer allmählich erfolgenden Temperaturerhöhung 66 mit geringem Temperaturgradienten an der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 ein.

Wie aus der Darstellung gemäß Figur 4 des Weiteren hervorgeht, ist der Drallkanal 50 beziehungsweise dessen Konizität 68 durch ebene Flächen des Drallkanals 50 dargestellt. Die Dralleinheit 16 umfasst besagtes Drallgitter 18, durch welches der einströmenden Zuluft 22, die über die Luftzufuhr 28 der Dralleinheit 16 zuströmt, ein Drallkegel 34 aufgeprägt wird. Entsprechend der Geschwindigkeit der einströmenden Zuluft 22 und der Strömungskonfiguration des Drallkanals 50 stellt sich an der Öffnung des Drallkanals 50 in der Brennkammer 20, entfernt um den Überstand 56 von der Stirnseite 44, der entsprechende Drallkegel 34 ein.

Auch in der Ausführungsvariante gemäß Figur 4 ist der Kraftstoffinjektor 14 konzentrisch zur Hauptachse 12 der Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 R.403658

- 14 - angeordnet. Die sich in der Brennkammer 20 einstellende Flamme 46 erreicht die Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 nicht, so dass sich an diesem keine unzulässig hohe Temperaturerhöhung sowie keine Verkokung einstellen kann und dieser somit im Wesentlichen ablagerungsfrei gehalten werden kann. Aus der Brennkammer 20 tritt die ausströmende Gasströmung 32 über den Austritt 30 aus und erwärmt insbesondere einen in Figur 4 nicht dargestellten Mehrwegekatalysator, ein SCR-System (Selective Catalytic Reduction) oder eine andere Komponente im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine, die bei niedrigen Außentemperaturen kurzfristig auf Betriebstemperatur erwärmt werden soll.

Oberhalb der Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 befindet sich besagte Zündkammer 24, die eine Glühkerze 26 aufnimmt, die das Gemisch aus einströmender Zuluft 22, die unter dem Drallkegel 34 in die Brennkammer 20 einströmt, und den über den Kraftstoffinjektor 14 in die Brennkammer 20 einströmenden Kraftstoff, d. h. dieses Kraftstoff-/Luftgemisch entzündet.

Durch die erfindungsgemäß erreichte signifikante Reduktion der Höchsttemperatur an der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass kein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf, beispielsweise dargestellt durch Kühlwasser aus dem Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine, geschaffen werden muss, um den Kraftstoffinjektor 14 zu kühlen. Dies kann aufgrund des relativ geringen Wärmeeintrags in die Injektorkuppe 42 durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eingespart werden.

Der Darstellung gemäß Figur 5 ist eine weitere, dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 zu entnehmen.

Figur 5 zeigt, dass der Drallkanal 50 der Dralleinheit 16 in dieser dritten Ausführungsvariante durch Kugelschalen 74 gebildet wird, die beabstandet zueinander, einen Strömungskanal für die einströmende Zuluft 22 bildend, in Parallelanordnung 76 angeordnet sind. Bei der Parallelanordnung 76 der Kugelschalen 74, den Drallkanal 50 bildend, ragt in der dritten Ausführungsvariante der Brennereinheit 10 oben die Verlängerung 52, bezogen auf die Stirnseite 44 der Brennkammer 20, in diese hinein. An der Austrittsstelle der einströmenden Zuluft 22, der nach Passage des Drallkanals 50 mit dem R.403658

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Drallgitter 18 der Drallkegel 34 aufgeprägt wird, tritt die einströmende Zuluft 22 aus den Kugelschalen 74 aus und mit dem Drallkegel 34 in die Brennkammer 20 ein. Es stellt sich die in Figur 5 dargestellte Konfiguration der Flamme 46 innerhalb der Brennkammer 20 ein. Die mit der Ausbildung der Flammenfront der Flamme 46 einhergehende Rückströmung 38 wird von der Öffnung des Drallkanals 50 in die Brennkammer 20 und insbesondere von der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14, aufgenommen in dem Injektorschacht 40 der Dralleinheit 16, wirkungsvoll ferngehalten. Mithin stellt sich an der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 gemäß der dritten Ausführungsvariante der Brennereinheit 10 gemäß Figur 5 die allmähliche Temperaturerhöhung 66 mit einem relativ geringen Temperaturgradienten gemäß Figur 3 ein.

Die über die Luftzufuhr 28 einströmende Zuluft 22 passiert die Zündkammer 24, in der diese die zur Zündung des in der Brennkammer 20 gebildeten Kraftstoff- /Luftgemischs erforderliche Zündung bewirkt.

Die austretende Gasströmung 32 strömt in Strömungsrichtung 36 durch den Austritt 30 in einen nicht dargestellten Mehrwegekatalysator, ein SCR-System (Selective Catalytic Reduction) oder eine andere Komponente des Abgastrakts einer Verbrennungskraftmaschine.

Figur 6 zeigt eine weitere, vierte Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10. In dieser Ausführungsvariante wird der Drallkanal 50 ebenfalls durch Kugelschalen 74 gebildet, die voneinander beabstandet sind. Im Gegensatz zu einer in Figur 5 dargestellten Parallelanordnung 76 der Kugelschalen 74 weist der Drallkanal 50 gemäß der Ausführungsvariante in Figur 6 eine zulaufende Anordnung 78 auf, so dass sich im Drallkanal 50 eine Querschnittsverringerung 70 ähnlich zu der in Figur 4 dargestellten Ausführungsvariante einstellt. Durch die zulaufende Anordnung 78 der Kugelschalen 74, eine Querschnittsverringerung 70 in Strömungsrichtung der Zuluft 22 bildend, erfolgt eine Beschleunigung der einströmenden Zuluft 22 in Richtung des Austritts 30 des Drallkanals 50, beabstandet um den Überstand 56 von der Stirnseite 44 der Brennkammer 20 in diese. Auch in dieser Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 wird die sich in der Flammenfront der Flamme 46 einstellende Rückströmung 38 in einen Bereich der Brennkammer 20 geleitet, in dem ein mageres Luft- /Kraftstoffgemisch vorliegt, so dass die Flamme 46 dort ausläuft und kein R.403658

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Wärmeeintrag weder in den Drallkanal 50 noch an die Injektorkuppe 42 des Kraftstoff! njektors 14 erfolgen kann.

Figur 7 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 zu entnehmen, deren Drallkanal 50 in dieser Ausführungsvariante durch Kreiselformschalen 80 dargestellt wird. Die den Drallkanal 50 begrenzenden Kreiselformschalen 80 sind in der Ausführungsvariante der Brennereinheit 10 gemäß Figur 7 so angeordnet, dass sich ein konstanter Strömungsquerschnitt 82 im Drallkanal 50 einstellt. Auch in der in Figur 7 dargestellten Ausführungsvariante der Brennereinheit 10 mündet der Drallkanal 50, gebildet durch die Kreiselformschalen 80 mit konstantem Strömungsquerschnitt 82, im Überstand 56 in axialer Richtung 54 beabstandet von der Stirnseite 44 der Brennkammer 20, in diese. Die der Stirnseite 44 der Brennkammer 20 zugeordnete Dralleinheit 16 ist mit dem Drallgitter 18 versehen, durch welches die das Drallgitter 18 passierende einströmende Zuluft 22 die Brennkammer 20 im Drallkegel 34 erreicht und entsprechend die Bildung eines homogenen Krafstoff- Luftgemischs begünstigt.

Das in der Brennkammer 20 gebildete Kraftstoff-/Luftgemisch aus durch den Kraftstoffinjektor 14 eingespritztem, vernebeltem Kraftstoff und mit im Drallkegel 34 einströmender Zuluft 22 wird durch die Glühkerze 26 der Zündkammer 24 gezündet.

Auch in dieser Ausführungsvariante erzeugt die Flamme 46 die austretende Gasströmung 32, die über den Austritt 30 in Richtung eines hier nicht dargestellten Mehrwegekatalysators oder eines SCR-Systems (Selective Catalytic Reduction) im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine strömt, um die hier beispielhaft genannten Komponenten auf Betriebstemperatur zu bringen.

Der Ausführungsvariante gemäß Figur 8 ist eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Brennereinheit 10 gemäß Figur 7 zu entnehmen. In der in Figur 8 dargestellten Ausführungsvariante der Brennereinheit 10 weist der Drallkanal 50 eine konstante Querschnittsverringerung 70 in Richtung der Mündung des Drallkanals 50 in die Brennkammer 20 auf. Der Drallkanal 50 ist in der Ausführungsvariante der Brennereinheit 10 gemäß Figur 8 ebenfalls durch Kreiselformschalen 80 gebildet, die jedoch einen abnehmenden Querschnitt 84, d. h. eine Querschnittsverringerung 70 des Drallkanals 50 darstellen. Auch in R.403658

- 17 - dieser Ausführungsvariante steht der Drallkanal 50 über den Überstand 56 als Verlängerung 52 über die Stirnseite 44 der Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 hervor, so dass der Drallkanal 50 die Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 gewissermaßen ummantelt Die sich innerhalb der Flamme 46 in der Brennkammer 20 einstellende Rückströmung 38 und ein damit verbundener Wärmeeintrag wird von der Mündung des Drallkanals 50 in die Brennkammer 20 ferngehalten, so dass insbesondere die Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 vor einem zu hohen Wärmeeintrag geschützt wird. Bei der in Figur 8 dargestellten Ausführungsvariante des Drallkanals 50 durch Kreiselformschalen 80 wird ebenfalls die im Zusammenhang mit Figur 3 erwähnte allmähliche Temperaturerhöhung 66 an der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 erreicht Die sich einstellende austretende Gasströmung 32 strömt über den Austritt 30 einem in der Darstellung gemäß Figur 8 nicht dargestellten Mehrwegekatalysator, einem SCR-System (Selective Catalytic Reduction) oder einer anderen Komponente im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine zu.

Figur 9 zeigt eine Ausführungsvariante der Brennereinheit 10, bei der der Drallkanal 50 durch eine ebene konische Fläche 86 in der Dralleinheit 16 einerseits und eine dieser hier zugeordnete Kreiselschale 88 begrenzt wird. Es ergibt sich demnach ein Drallkanal 50, der aus miteinander kombinierten Komponenten der vorstehend bereits beschriebenen Ausführungsvarianten der Drallkanäle 50 gebildet wird. Auch hier ist sichergestellt, dass der Drallkanal 50, ausgehend von der Stirnseite 44 der Brennkammer 20 eine Verlängerung 52 in diese aufweist, so dass sich, in axiale Richtung 54 gesehen, der Überstand 56 des Drallkanals 50 ergibt. Der aus der Mündung des Drallkanals 50 in die Brennkammer 20 austretende Luftstrom einströmender Zuluft 22 tritt aus diesem im Drallkegel 34 aus, so dass sich in der Brennkammer 20 die Flamme 46 einstellt. Deren Rückströmung 38, die auf die Mündung des Drallkanals 50 gerichtet ist, wird von der Injektorkuppe 42 ferngehalten, so dass der Wärmeeintrag in die Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 überschaubar bleibt. Die Flamme 46 erzeugt in der Brennkammer 20 die ausströmende Gasströmung 32, die die Brennkammer 20 über den Austritt 30 verlässt.

Figur 10 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10, bei der der Drallkanal 50 eine orthogonale Zuströmung 90 der einströmenden Zuluft 22 in die Brennkammer 20 ermöglicht. In dieser Ausführungsvariante ist das Drallgitter 18 nicht in der Dralleinheit 16 R.403658

- 18 - aufgenommen, sondern befindet sich im Strömungsquerschnitt des Drallkanals 50, der in dieser Ausführungsvariante durch einen konstanten Strömungsquerschnitt 82 gekennzeichnet ist und im Wesentlichen senkrecht zur Hauptachse 12 der Brennkammer 20 orientiert ist Durch diese Anordnung des Drallkanals 50 ergibt sich eine starke Strömungsumlenkung der einströmenden Zuluft 22 und des in Figur 10 dargestellten Drallkegels 34, in welchen die in die Brennkammer 20 einströmende Zuluft 22 austritt. Auch in dieser Ausführungsvariante kann der Wärmeeintrag durch die Rückströmung 38 aus der Flamme 46 von der Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 14 ferngehalten werden, so dass der Wärmeeintrag in den Kraftstoffinjektor 14 in engen Grenzen bleibt, was einerseits die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors 14 erhöht und andererseits die Gefahr der Verkokung bei häufigem Kaltstartbetrieb ausschließt

Figur 11 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10. Bei dieser Ausführungsvariante ist der Drallkanal 50 derart ausgeführt, dass dieser eine gespiegelte Variante 94 des Drallkanals 50, wie er in Figur 2 dargestellt ist, wiedergibt. Im Vergleich zur Ausführungsvariante gemäß Figur 2 ist der Drallkanal 50 gemäß der Darstellung in Figur 11 , bezogen auf eine vertikale Achse 96, hin zur Brennkammer 20 geneigt. Auch hier ist das Drallgitter 18 im sich um eine Querschnittsverringerung 70 oder einen konstanten Querschnitt 82 aufweisenden Drallkanal 50 integriert. Die einströmende Zuluft 22 passiert das Drallgitter 18 von der Luftzufuhr 28 herkommend und tritt gemäß dem Drallkegel 34 in das Innere der Brennkammer 20 der Brennereinheit 10 ein. Durch die Flamme 46, die innerhalb der Brennkammer 20 erzeugt wird, entsteht die austretende Gasströmung 32, welche nach Passage des Austritts 30 am Ende der Brennereinheit 10 austritt und beispielsweise einen Mehrwegekatalysator, ein SCR-System (Selective Catalytic Reduction) oder andere Komponenten, die im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine vorhanden sind, auf Betriebstemperatur bringt.

In sämtlichen, anhand der Figuren 2 bis 11 beschriebenen Ausführungsvarianten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 ragt der Drallkanal 50, eine Verlängerung 52 in Gestalt eines Überstands 56 in Bezug auf die Stirnseite 44 aufweisend, in die Brennkammer 20 hinein. Dadurch kann in sämtlichen Ausführungsvarianten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennereinheit 10 sichergestellt werden, dass ein übermäßiger Wärmeeintrag, insbesondere in die Injektorkuppe 42 des im Injektorschacht 40 aufgenommenen Kraftstoffinjektors R.403658

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14 der Brennereinheit 10 unterbleibt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die Flamme 46 beziehungsweise deren Flammenfront so in die Brennkammer 20 zurückgedrängt, dass sich ein ausreichender Abstand in Bezug auf die Injektorkuppe 42 des Kraftstoffinjektors 40 beziehungsweise auf die Mündung des Drallkanals 50 in die Brennkammer 20 einstellt. Die Rückströmung 38 der Flamme 46 wird in einen Bereich der Brennkammer 20 verlegt, wo die Flamme 46 ausläuft, d. h. „gequenchf wird.

In sämtlichen Ausführungsvarianten gemäß den Figuren 2 bis 11 ist ein Austrittsquerschnitt der Brennkammer 20 mit Bezugszeichen 98 bezeichnet. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennereinheit 10 kann sowohl für selbstzündende als auch für fremdgezündete Verbrennungskraftmaschinen Verwendung finden. Die Brennereinheit 10 kann jeweils mit den für die Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Kraftstoffen, d. h. Benzin oder Diesel, betrieben werden, ebenso wie die Möglichkeit besteht, eine Brennereinheit 10, die an einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird, statt mit Diesel mit Benzin zu betreiben.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.