DE10019198A1

DE10019198A1 - Zerstäuberbrenner

Info

Publication number: DE10019198A1
Application number: DE10019198A
Authority: DE
Inventors: Felix Wolf; Bernd Mittmann; Johann Sperl; Thomas Kerscher; Josef Amann
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2001-10-18
Also published as: CN1366594A; WO2001079755A1; CN1140426C; EP1192391A1; KR20020023958A; KR100786146B1; EP1192391B1; US6644959B2; US20020136997A1; JP2003531353A; DE50103379D1

Abstract

Zerstäuberbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Standheizung, mit einer Zerstäubereinrichtung, einer Flammüberwachung sowie einer Brennkammer, wobei innerhalb der Brennkammer in Zerstäubungsrichtung des Brennstoffes ein Staukörper vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zerstäuberbrenner, wie durch den Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 beschrieben.

In den unterschiedlichsten Bereichen werden Brenner eingesetzt, mit denen sich die in fossilen Energieträgern gebundene Energie in Wärmeenergie umwandeln läßt. Insbesondere im Bereich der Heizgeräte für Fahrzeuge und ähnliches kommen dabei Zerstäuberbrenner oder Düsenzerstäuberbrenner zum Einsatz.

Was die Düsenzerstäuberbrenner angeht, so werden diese im Leistungsbereich von < 10 kW in der Regel nicht ausgeführt, da die Zerstäubungsqualität bei kleineren Leistungen als nicht ausreichend angesehen wird und eine hohe elektrische Leistungsaufnahme zur Erzielung einer ausreichenden Zerstäubungsqualität erforderlich ist. Darüber hinaus zeigen Zerstäuberbrenner ein schlechtes Brennverhalten im Teillastbereich, da hier die Zerstäubungsqualität schlechter ist, als unter Vollast.

Schließlich zeigen Düsenzerstäuberbrenner der bekannten Art ein schlechtes Kaltstartverhalten, da aufgrund der mit abnehmender Temperatur zunehmenden Viskosität des Brennstoffes sich die Zerstäubungsqualität verschlechtert. Dabei treten große Brennstofftropfen unverdampft bzw. nur teilweise verdampft durch die Brennkammer hindurch, was die Ursache für hohe Startemissionen ist. Eine schlechte Abgasqualität, und sei es nur während der Startphase, ist unter Berücksichtigung der erhöhten Sensibilität des Marktes bzgl. Umweltfragen, heutzutage nicht mehr tragbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Zerstäuberbrenner vorzusehen, der auch im Teillastbereich sowie während der Kaltstartphase ein gutes Brennverhalten sowie niedrige Emissionen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst, wobei zweckmäßige Ausführungsformen durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben sind.

Vorgesehen ist ein Zerstäuberbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Standheizung, mit einer Zerstäubereinrichtung, einer Zündeinrichtung sowie einer Brennkammer, wobei nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung innerhalb der Brennkammer in Zerstäubungsrichtung des Brennstoffes ein Staukörper vorgesehen ist. Der Staukörper hat den Effekt einer Flammstabilisierung, die sich vorteilhaft auf eine Reduzierung der Flammengeräusches sowie die Verbesserung des Teillastbereichs des Brenners auswirkt. Besonders vorteilhaft wirkt sich der Staukörper bei der Realisierung von kompakten Brennkammern für Flüssigbrennstoffe aus. Durch den Staukörper kann der damit ausgestattet Brenner auch schlechtere Zerstäubungsqualitäten verarbeiten, ohne daß sich dies auf das Brennerverhalten auswirken würde. Ebenso wird die Möglichkeit zur Realisierung einer Teillaststufe, bei der die Zerstäubungsqualität schlechter als in der Vorstufe ist, verbessert.

Der Staukörper ist dabei vorzugsweise in der Flammenzone angeordnet und besteht ebenso bevorzugt aus einer Prallscheibe. Die Prallscheibe kann dabei unter anderem konisch, konvex oder konkav sein. Durch die Anordnung des Staukörpers bzw. der Prallscheibe in der Flammenzone wird ein Wiederentzünden des Brennstoffes an der glühenden Scheibe nach einem Flammenabriß, z. B. durch Luftblasen in der Brennstoffleitung, erleichtert.

Darüber hinaus können CO und HC Emissionen beim Brennschluß durch Ausreagieren an der glühenden Prallscheibe reduziert werden.

Die Prallscheibe kann als Scheibe mit einem Kragen von beispielsweise 2 mm entgegen der Zerstäubungsrichtung des Brennstoffes ausgebildet sein, so daß sie quasi einen Topf bildet, wobei der Durchmesser der Prallscheibe vorzugsweise geringer ist als derjenige der Brennkammer. Das Verhältnis von Prallscheibendurchmesser zu Brennkammerdurchmesser liegt vorzugsweise zwischen 0,6 und 0,9 und das Verhältnis des axialen Abstands der Prallscheibe vom Zerstäubungspunkt zum Brennkammerdurchmesser liegt bevorzugt zwischen 0,3 und 0,6. Durch die geeignete Dimensionierung der Prallscheibe erzielt man im Vergleich zu anderen aerodynamischen Maßnahmen einen nur unwesentlich erhöhten Druckverlust der Brennkammer, wobei z. B. die Tangentialkomponente einer drallbehaftet zugeführten Brennluftströmung nur unwesentlich gestört wird, so daß die Brenngase auch stromab der Prallscheibe mit Drallkomponente strömen können. Die Prallscheibe ist bevorzugt mit Befestigungslaschen fixiert.

Die Prallscheibe kann Öffnungen in Form von Schlitzen oder Bohrungen aufweisen, wobei die Öffnungen vorzugsweise in Form einer definierten Belochung der Prallscheibe ausgebildet sind. Die Prallscheibe kann aber auch als Ring ausgebildet sein.

Weiterhin kann an der Prallscheibe eine Kammer angeordnet sein, in die ein/e Glühstift/Glühkerze o. ä. hineinragt. Durch die Anordnung des Zündelementes im Bereich der Stauströmung stromauf der Prallscheibe wird das Startverhalten des Brenners verbessert. Die Kammer ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, daß der/die Glühstift/Glühkerze gerade hineinragt, so daß Strahlungsenergie des Glühstiftes stromab der Zerstäubungseinrichtung zur Bauteilerwärmung genutzt werden kann.

Der Staukörper bzw. die Prallscheibe kann unter anderem an der Brennkammer, am Brennkammerboden oder an sonstigen aerodynamischen Einbauten der Brennkammer fixiert sein.

Der Staukörper kann vorzugsweise aus hochlegiertem Stahl, aus Keramik oder aus keramikbeschichtetem Stahl gemacht sein.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen; darin zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Brennkammer mit Brennrohr/Flammrohr gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Brennkammer nach Fig. 2; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Prallscheibe der Brennkammer nach Fig. 2.

In der Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Brenners nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieser Brenner besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einer Zerstäuberdüse 2, der eine luftleitende Einrichtung 4 zur Verdrallung der in die Düse 2 eintretenden Brennluft vorgeschaltet ist. An der luftleitenden Einrichtung 4 ist auf der linken Seite eine Brennstoffübergabe 6 zu erkennen, an der der in der Düse 2 zu zerstäubende Brennstoff zugeführt wird. Die Düse 2 ist mit einem Hitzeschild 8 verbunden. Dieser Hitzeschild 8 kann mit Sekundärluftbohrungen 10 versehen sein, die auch in dem hinter dem Hitzeschild 8 liegenden Flansch 12 vorgesehen sind. Die Sekundärluft, die durch diese Bohrungen 10 hindurchtritt, wird durch eine weitere luftleitende Flanscheinrichtung 14 ebenfalls mit einem Drall beaufschlagt. Der Brenner, wie in Fig. 1 dargestellt, ist darüber hinaus mit einer Flammüberwachung 16 versehen, bei der es sich um einen Glühstift bzw. eine Glühkerze handeln kann, mit deren Hilfe das zerstäubte Brennstoffgemisch entzündet wird. Wie der Fig. 1 weiterhin zu entnehmen ist, ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform an dem Hitzeschild 8 des Brenners ein Staukörper 18 vorgesehen. In der Düse 2 zerstäubter Brennstoff, der durch ungenügende Brennstoffaufbereitung in Form von Brennstofftropfen auftreten kann, trifft auf den in der vorliegenden Ausführungsform als Prallscheibe ausgebildeten Staukörper auf und kann dort verdampfen. Der Staukörper bzw. die Prallscheibe 18 ist in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform innerhalb der Flammzone des Brenners angeordnet, wodurch die Flammstabilität verbessert werden kann. Die Prallscheibe 18 wirkt darüber hinaus strömungsumlenkend und damit flammstabilisierend. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Prallscheibe aus hochlegiertem Stahl ausgeführt und weist einen zur Düse 2 gerichteten Kragen 20 von 2 mm Höhe auf. Wie der Fig. 1 weiterhin zu entnehmen ist, ist die Prallscheibe 18 in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit Befestigungslaschen 22 an dem Hitzeschild 8 befestigt.

Der Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer mit einer Prallscheibe 18 versehenen Brennkammer 24 zu entnehmen, wobei an der Rückseite der Brennkammer 24 ein Flammrohr 26 angeordnet ist. Die Prallscheibe 18 ist wie zu erkennen dabei über Befestigungslaschen 22 in der Brennkammer 24 befestigt. Wie der Fig. 2 weiterhin zu entnehmen ist, ist an der Prallscheibe 18 eine Startkammer 28 angeordnet, in die ein Glühstift/Glühkerze hineinragen kann. Durch diese Startkammer 28 können auch der Prallscheibe abgewandte Bereiche eines "Hot-Spot" genutzt werden, um die Startkammer 28 bzw. die Prallscheibe 18 aufzuheizen. Darüber hinaus dient die Startkammer 28 auch als Beruhigungszone, in der sich schneller eine Pilotflamme ausbildet, die die Verdampfung des zerstäubten Brennstoffes beschleunigt und somit zu einem schnelleren Durchzünden führt.

Wie zu erkennen ist, ist die Startkammer 28 in der vorliegenden Ausführungsform am Rand der Prallscheibe 18 angeordnet. Alternativ kann sie aber auch an jeder anderen Stelle der Prallscheibe 18 befestigt sein bzw. integral mit dieser ausgeformt sein. Die Position der Startkammer wird letztendlich durch die Position des Glühstiftes bestimmt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die identische Ausführungsform der Fig. 2 einmal in einer Schnittansicht und ein anderes Mal in einer Draufsicht auf die Prallscheibe 18.

Die Brennkammern der Fig. 2-4 wird mit dem Brenner der Fig. 1 in einer Weise kombiniert, daß der Hitzeschild 8 der Fig. 1 vorzugsweise innenseitig in die Brennkammer 24 eingeführt wird, wobei die Prallscheibe 18 alternativ an dem Hitzeschild 8, wie in Fig. 1 dargestellt, oder an der Brennkammer 24, wie in den Fig. 2-4 dargestellt befestigt sein kann. Der Hitzeschild 8 kann auch an der Brennkammer befestigt sein, wobei in dem Falle Aussparungen im Hitzeschild vorgesehen sind.

Claims

1. Zerstäuberbrenner, insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug- Standheizung, mit einer Zerstäubereinrichtung (2), einem Flammwächter (16) sowie einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Brennkammer in Zerstäubungsrichtung des Brennstoffes ein Staukörper (18) vorgesehen ist.

2. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (18) in der Flammenzone des Brenners angeordnet ist.

3. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper eine Prallscheibe (18) ist.

4. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (18) konisch ist.

5. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (18) konvex ist.

6. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (18) konkav ist.

7. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (18) als Scheibe mit einem Kragen (20) entgegen der Zerstäubungsrichtung des Brennstoffes ausgebildet ist, so daß quasi sie einen Topf bildet.

8. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Prallscheibe (18) geringer ist als derjenige der Brennkammer.

9. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (18) mit Befestigungslaschen (22) fixiert ist.

10. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Prallscheibendurchmesser zu Brennkammerdurchmesser zwischen 0,6 und 0,9 liegt.

11. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des axialen Abstands der Prallscheibe (18) vom Zerstäubungspunkt zum Brennkammerdurchmesser zwischen 0,3 und 0,6 liegt.

12. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (18) Öffnungen in Form von Schlitzen oder Bohrungen aufweist.

13. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in Form einer definierten Belochung der Prallscheibe (18) ausgebildet sind.

14. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheibe (18) als Ring ausgebildet ist.

15. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß an der Prallscheibe (18) eine Kammer (28) angeordnet ist, in die ein/e Glühstift/Glühkerze (16) o. ä. hineinragt.

16. Zerstäuberbrenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (28) derart ausgebildet ist, daß der/die Glühstift/Glühkerze (16) gerade hineinragt.

17. Zerstäuberbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (18) an der Brennkammer fixiert ist.

18. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (18) am Brennkammerboden fixiert ist.

19. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (18) an aerodynamischen Einbauten der Brennkammer fixiert ist.

20. Zerstäuberbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (18) aus hochlegiertem Stahl gemacht ist.

21. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (18) aus Keramik gemacht ist.

22. Zerstäuberbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (18) aus keramikbeschichtetem Stahl gemacht ist.