DE10039152A1

DE10039152A1 - Zerstäuberbrenner

Info

Publication number: DE10039152A1
Application number: DE10039152A
Authority: DE
Inventors: Felix Wolf; Bernd Mittmann; Christine Sallinger
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2000-08-06
Filing date: 2000-08-06
Publication date: 2002-02-14
Also published as: AU2001285874A1; WO2002012792A1; US20030022123A1; CN1386182A; HUP0203137A2; KR100771965B1; CN1198079C; PL196411B1; DE50111858D1; JP2004506167A; EP1305551B1; PL353403A1; EP1305551A1; KR20020033213A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zerstäuberbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Standheizung, mit einer Zerstäuberdüse (2) zur Aufbereitung des Brennstoffes, einer Zündeinrichtung (29) sowie einer Brennkammer (8), wobei für eine feinere Zerstäubung des Brennstoffs einem Düsenstock (3) der Zerstäuberdüse (2) eine luftleitende Einrichtung (10, 12, 14) vorgeschaltet ist, die die in die Zerstäuberdüse (2) einströmende Verbrennungsluft mit einem Drall beaufschlägt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zerstäuberbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Standheizung, mit einer Zerstäuberdüse zur Aufbereitung des Brennstoffes, einer Zündeinrichtung sowie einer Brennkammer.

In den verschiedensten Anwendungsgebieten, wie z. B. dem Bereich der brenn stoffbetriebenen Heizgeräte als Zuheizer für ein Kraftfahrzeug bzw. Standheizun gen für Kraftfahrzeuge, ist es notwendig, den beispielsweise in einem Brenner zu verbrennenden flüssigen Kraftstoff aufzubereiten und ihn dabei in einen für eine Verbrennung geeigneten Zustand zu bringen.

Eine bekannte Vorrichtung, die insbesondere bei Standheizungen für Kraftfahr zeuge oder andere mobile Einheiten verwendet wird, enthält einen saugfähigen Körper wie beispielsweise ein Vlies, dem durch eine Brennstoffzuleitung flüssiger Brennstoff zugeführt wird. Der diesem saugfähigen Körper zugeführte Brennstoff verdampft unter Zuführung eines Verbrennungsluftstromes und kann sodann mit Hilfe beispielsweise eines Glühstiftes entzündet werden.

Trotz der Vorteile dieser einfachen Art der Vergasung von flüssigen Brennstoffen hat eine derartige Vorrichtung auch Nachteile. So wird bei derartigen Verdamp fern, die in Brennervorrichtungen eingesetzt werden, erhebliche Zeit benötigt, bis sich eine nutzbare Flamme ausgebildet hat, wodurch die Ansprechzeiten der mit einem derartigen Verdampfer ausgerüsteten Brenner nachteilig beeinflußt wer den.

Zur Umgehung dieser Nachteile sind Zerstäuberbrenner entwickelt worden, bei denen die Verdampfereinrichtung durch eine Zerstäuberdüse ersetzt ist. Es hat sich aber gezeigt, daß die in den Zerstäuberbrennern verwendeten Zerstäuber düsen nicht in jedem Fall die geforderte Zerstäubung des Brennstoffes bewirken können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Zerstäuberbrenner zu schaffen, der eine hochwertige Zerstäubung des Brennstoffes für schnelle An sprechzeiten des Brenners sowie einen hohen Wirkungsgrad desselben ermög licht und der sich einfach und wirtschaftlich herstellen und betreiben läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Zerstäuberbrenner erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß einem Düsenstock der Zerstäuberdüse eine luftlei tende Einrichtung vorgeschaltet ist, die die in die Zerstäuberdüse einströmende Verbrennungsluft mit einem Drall beaufschlägt. Durch das Verdrallen dieser Dü senluft kann die Zerstäubungsqualität und damit der Wirkungsgrad des Zerstäu berbrenners deutlich verbessert werden, da die Verbrennungs- oder Düsenluftge schwindigkeit aufgrund der aufgeprägten Tangentialbewegungskomponente ver größert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.

Wenn der Anordnung ein Venturi-Diffusor nachgeschaltet ist, vergrößert sich zweckmäßigerweise dessen Öffnungswinkel mit zunehmendem Drall.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die luftleitende Einrichtung Drallschau feln auf, die dem Verbrennungsluftstrom auf seinem Weg zur Zerstäuberdüse den Drall aufprägen.

Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß die Drallschaufeln auf einem an dem Düsenstock angebrachten Träger angeordnet sind und daß jeweils zwei Drall schaufeln zusammen mit dem Träger und dem Düsenstock einen konischen Ka nal bilden. Je nach Winkeleinstellung dieser Drallschaufeln zu einer jeweils ra dialen Ebene kann der Tangentialluftanteil und somit der Düsenluftdrall eingestellt werden. Dabei können die Drallschaufeln annähernd radial oder zu der Radialen wesentlich geneigt angeordnet sein. Die Drallschaufeln können in Strömungs richtung eben oder gekrümmt gebildet sein.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die luftleitende Einrichtung eine topfförmige Hülse mit darin ausgebildeten Axialboh rungen und Tangentialbohrungen aufweist und daß die Hülse an dem Düsen stock befestigt ist, wobei die Befestigung formschlüssig oder stoffschlüssig gebil det sein kann. Alternativ kann die Hülse auf den Düsenstock aufgesteckt sein.

Die Axial- und die Tangentialbohrungen sind derart aufeinander abgestimmt, daß der Verbrennungsluft ein definierter Drall verliehen wird. Der Drall kann somit durch die Wahl der Größe, der Anordnung und der Ausbildung der Tangential- und Axialbohrungen zueinander bezüglich seiner Charakteristika bestimmt wer den.

Bevorzugt weist die Zerstäuberdüse einen Innenquerschnitt aufweist, der über seinen Verlauf ein Druckprofil aufweist, das zumindest unmittelbar um eine Aus trittsöffnung des Brennstoffes aus einer Brennstoffzuführung einen gegenüber dem in der Brennstoffzuführung herrschenden Druck abgesenkten Wert zeigt. Das Maß der Druckabsenkung ist derart gewählt, daß der Brennstoff aus der Brennstoffzuführung gesaugt und dabei zerstäubt wird. Der Innenquerschnitt der Zerstäuberdüse ist zweckmäßigerweise als eine Venturidüse gebildet.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf bei liegende Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 in einer schematischen Längsquerschnittansicht eine bevorzugte Aus führungsform eines Zerstäuberbrenners gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht eine luftleitende Einrichtung des Zer stäuberbrenners der Fig. 1;

Fig. 3 in einer schematischen Längsquerschnittansicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Zerstäuberbrenners gemäß der Erfindung;

Fig. 4 in einer schematische Querschnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 3 die luftleitende Einrichtung der Ausführungsform nach Fig. 3; und

Fig. 5 in einer schematische Querschnittansicht gemäß Fig. 4 eine alternative Gestaltung der luftleitenden Einrichtung.

Ein Zerstäuberbrenner, der insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug- Standheizung vorgesehen ist, enthält (siehe Fig. 1) eine Zerstäuberdüse 2 mit einem Düsenstock 3, eine Brennstoffversorgung 4 zum Zuführen von fluidförmi gern Brennstoff in einen Zerstäuberbereich 6 der Zerstäuberdüse 2 und eine Brennkammer 8, die von einem Hitzeschild 9 als Umfangsbegrenzung umgeben ist. Dem Düsenstock 3 der Zerstäuberdüse 2 ist eine luftleitende Einrichtung 10 vorgeschaltet, die der in die Zerstäuberdüse 2 einströmenden Düsenluft einen Drall aufprägt. Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Zer stäuberdüse 2 als Venturidüse gestaltet, die einen Lufteinströmkanal 5 und den sich in Strömungsrichtung erweiternden Zerstäuberbereich 6 aufweist und von einem über die luftleitende Einrichtung 10 in die Zerstäuberdüse 2 einströmender Zerstäubungsluftstrom durchströmt wird. In den Lufteinströmkanal 5 der Zerstäu berdüse 2 ragt eine Fluid- oder Brennstoffzuführung 11, z. B. eine Brennstoffna del, hinein (siehe auch Fig. 2), die eine definiert angeordnete Austrittsöffnung 13 aufweist. Die Brennstoffzuführung 11 befindet sich dabei bevorzugt auf einer Mittelachse 7 der Zerstäuberdüse 2 bzw. des Lufteinströmkanals 5 und des Zer stäuberbereichs 6 der Venturidüse.

Wird die Zerstäuberdüse 2 von einem Verbrennungsluftstrom durchströmt, baut sich innerhalb der Zerstäuberdüse 2 ein Druckprofil auf, wobei im Lufteinströmka nal 5 zunächst ein hoher statischer Druck herrscht, der in Strömungsrichtung zur Zerstäuberbereich 6 abfällt und an der Austrittsöffnung 13 der Brennstoffzufüh rung 11 für den zu zerstäubenden Brennstoff sein Minimum erreicht hat. Von der Brennstoffzuführung 11 zur Austrittsöffnung 13 geförderter Brennstoff wird auf grund dessen in einer Weise angesaugt, daß er beim Austritt aus der Austrittsöff nung 13 der Brennstoffzuführung 11 durch die hohe Luftgeschwindigkeit an die ser Stelle zerrissen und somit zerstäubt wird. Die Brennstoffzuführung 11 kann eine Leitung, eine Brennstoffnadel oder eine Fluiddüse sein, um den zu zerstäu benden Brennstoff nahezu drucklos in die Venturidüse zu fördern.

Da die Zerstäuberdüse 2 gemäß der Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Brenners hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, ist sie bevorzugt aus Keramik hergestellt. Keramikmaterial hat gegenüber Stahl als alternativ verwend barem Material bedeutende thermomechanische Vorteile wie eine geringere thermische Leitfähigkeit sowie einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffi zienten.

Die luftleitende Einrichtung 10 enthält in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs form eines Zerstäuberbrenners einen gegenüber einer Stirnfläche 15 des Düsen stocks 3 beabstandet angeordneten und z. B. als Kreisscheibe gebildeten Träger 12, der zusammen mit der Stirnfläche 15 des Düsenstocks 3 einen Ringspalt 14 bildet. An dem Träger 12 sind Drallschaufeln 17 angeordnet, die gegen die Stirn fläche 15 des Düsenstocks 3 gerichtet sind und in der Montagestellung daran anliegen. Die Drallschaufeln 17 sind an dem Träger 12 jeweils bezüglich einer Radialen durch den von der Brennstoffzuführung 11 gebildeten Mittelpunkt des Trägers 12 versetzt angeordnet, um eine tangentiale Strömungskomponente zu erzeugen. Jeweils zwei Drallschaufeln 17 bilden zusammen mit dem Träger 12 und dem Düsenstock 3 einen konischen Kanal 19 (siehe Fig. 2). Dem durch den Ringspalt 14 zuströmende Verbrennungsluftstrom wird durch die Drallschaufeln 17 und die konischen Kanäle 19 beim Einströmen in die Zerstäuberdüse 2 einen Drall aufprägt.

Das Hitzeschild 9 bzw. die Brennkammer 8 weist in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform an seinem Boden Sekundärluftbohrungen 16 auf, die über ei nen ringförmigen Randbereich des Bodens des Hitzeschildes 9 verteilt sein kön nen. In Fig. 1 sind beispielhaft nur zwei dieser Sekundärluftbohrungen 16 darge stellt. Darüber hinaus können auch in der Seiten- oder Umfangswand des Hitze schildes 9 Sekundärluftbohrungen vorgesehen sein. Das Hitzeschild 9 der Brenn kammer 8 ist als separates Bauteil über eine Dichtung 18 und einen Flansch 20 an dem Düsenstock 3 z. B. mittels Schrauben 23 fest angebracht. Der Flansch 20 enthält eine weitere luftleitende Einrichtung 21 zum Verdrallen der durch die Se kundärluftbohrungen 16 in den Brennraum 8 einströmenden Sekundärluft. Die luftleitende Einrichtung 21 enthält ebenfalls in einem Ringspalt 22 annähernd ra dial angeordnete Drallschaufeln 25, die in der bereits beschriebenen Weise eine tangentiale Strömungskomponente zur Drallerzeugung bewirken.

Der Zerstäuberbrenner enthält des weiteren innerhalb der Brennkammer 8 in Zer stäubungsrichtung des Brennstoffes in der Flammenzone einen Staukörper, der vorzugsweise eine Prallscheibe 24 ist, die bevorzugt konisch, konvex oder kon kav gebildet sein kann. Die Prallscheibe 24 ist in der vorliegenden Ausführungs form als Scheibe mit einem Kragen 26 entgegen der Zerstäubungsrichtung des Brennstoffes topfförmig ausgebildet, wobei der Durchmesser der Prallscheibe 24 geringer ist als derjenige der Brennkammer 8 und das Verhältnis vom Durchmes ser der Prallscheibe 24 zum Durchmesser der Brennkammer 8 vorzugsweise zwi schen 0,6 und 0,9 liegt. Die Prallscheibe 24 ist mit Befestigungslaschen 28 an dem Hitzeschild 9 befestigt. Das Verhältnis des axialen Abstands der Prallscheibe 24 vom Zerstäubungspunkt des Brennstoffes an der Austrittsöffnung 13 der Brennstoffzuführung 11 zu dem Durchmesser der Brennkammer 8 liegt vorzugs weise zwischen 0,3 und 0, 6. Eine schematisch mit unterbrochenen Linien darge stellte Zündeinrichtung 29 zum Entzünden des zerstäubten Brennstoffes ist in der Brennkammer 8 anschließend an die Venturidüse angeordnet.

Eine zweite Ausführungsform eines Zerstäuberbrenners (siehe Fig. 3 und 4, in denen gegenüber der ersten Ausführungsform identische Elemente mit identi schen Bezugszeichen versehen sind) enthält eine luftleitende Einrichtung 10', die eine topfförmige Hülse 30 aufweist, in deren Boden axiale Luftöffnungen 32, z. B. Axialbohrungen, und in deren Umfangswand 33 Umfangsluftöffnungen 34, die aufgrund ihrer Ausrichtung auch als Tangentialbohrungen bezeichnet werden, ausgebildet sind. Die Hülse 30 ist an dem Düsenstock 3 der Zerstäuberdüse 2 befestigt, beispielsweise durch Aufstecken auf den Düsenstock 3 oder durch an derweitige form-, kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen. Die Axialbohrungen 32 und die Tangentialbohrungen 34 sind derart aufeinander abgestimmt, daß der Verbrennungsluft, die in den Lufteinströmkanal 5 und danach in den Zerstäuber bereich 6 einströmt, ein definierter Drall verliehen wird.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Anordnung der axialen Luftöffnungen oder Axial bohrungen 32 und der Umfangsluftöffnungen oder Tangentialbohrungen 34 in der Hülse 30. Durch eine Variation der Anzahl der Öffnungen bzw. Bohrungen 32, 34 sowie ihrer Größe und Anordnung kann der Drall der Verbrennungsluftströmung bedarfsweise eingestellt werden.

Die in Fig. 5 dargestellte topfförmige Hülse 30 weist in ihrer Umfangswand 33 Luftöffnungen 35 auf, die zum Zentrum der Hülse 30 hin von einer jeweiligen Luftleitschaufel 36 begrenzt sind. Durch die Luftleitschaufeln 36 wird der einströ menden Verbrennungsluft eine tangentiale Strömungskomponente aufgeprägt.

Es ist offensichtlich, daß auch Kombinationen der einzelnen Merkmale der beiden Ausführungsformen zum Einstellen einer gewünschten luftleitenden Wirkung möglich sind.

Bezugszeichenliste

2

Zerstäuberdüse

3

Düsenstock

4

Brennstoffversorgung

5

Lufteinströmkanal

6

Zerstäuberbereich

7

Mittelachse

8

Brennkammer

9

Hitzeschild

10

luftleitende Einrichtung

10

' luftleitende Einrichtung

11

Brennstoffzuführung

12

Träger

13

Austrittsöffnung

14

Ringspalt

15

Stirnfläche

16

Sekundärluftbohrung

17

Drallschaufel

18

Dichtung

19

Kanal

20

Flansch

21

luftleitende Einrichtung

22

Ringspalt

24

Prallscheibe

25

Drallschaufel

26

Kragen

28

Befestigungslasche

29

Zündeinrichtung

30

Hülse

32

Axialbohrung

33

Umfangswand

34

Luftöffnung

35

Luftöffnung

36

Luftleitschaufel

Claims

1. Zerstäuberbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug- Standheizung, mit einer Zerstäuberdüse (2) zur Aufbereitung des Brenn stoffes, einer Zündeinrichtung sowie einer Brennkammer (8), dadurch gekennzeichnet, daß einem Düsenstock (3) der Zerstäuberdüse (2) eine luftleitende Einrichtung (10, 10') vorgeschaltet ist, die die in die Zerstäuberdüse (2) einströmende Verbrennungsluft mit einem Drall beauf schlägt.

2. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die luftleitende Einrichtung (10) Drallschau feln (17) aufweist.

3. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallschaufeln (17) auf einem an dem Düsenstock (3) angebrachten Träger (12) angeordnet sind und daß jeweils zwei Drallschaufeln (17) zusammen mit dem Träger (12) und dem Düsen stock (3) einen konischen Kanal (19) bilden.

4. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die luftleitende Einrichtung (10') eine an dem Düsenstock (3) befestigte topfförmige Hülse (30) mit darin ausgebildeten axialen Luftöffnungen (32) und in einer Umfangswand (33) gebildeten Umfangsluftöffnungen (34; 35) aufweist.

5. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsluftöffnungen (34) nahezu tan gential zur Umfangswand (33) gebildete Bohrungen sind.

6. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Umfangsluftöffnungen (35) Luftleit schaufeln (36) angeordnet sind.

7. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Luftöffnungen (32) und die Um fangsluftöffnungen (34; 35) derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Verbrennungsluft ein definierter Drall verliehen wird.

8. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (30) formschlüssig mit dem Dü senstock (3) verbunden ist.

9. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (30) stoffschlüssig mit dem Dü senstock (3) verbunden ist.

10. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (30) auf den Düsenstock (3) auf gesteckt ist.

11. Zerstäuberbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (2) einen Innenquer schnitt aufweist, der über seinen Verlauf ein statisches Druckprofil auf weist, das zumindest unmittelbar um eine Austrittsöffnung (13) des Brenn stoffes aus einer Brennstoffzuführung (11) sein Minimum aufweist, woraus eine hohe Strömungsgeschwindigkeit resultiert, die den Brennstoff aus der Brennstoffzuführung (11) herausreißt und zerstäubt.

12. Zerstäuberbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (2) eine Venturidüse ist.