DE10102652B4

DE10102652B4 - Gasdüse mit Dosiernadel, insbesondere für einen atmosphärischen Injektionsbrenner

Info

Publication number: DE10102652B4
Application number: DE2001102652
Authority: DE
Inventors: Klaus Danner; Tilmann Haendler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-20
Filing date: 2001-01-20
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2021-01-21
Also published as: DE10102652A1

Abstract

Gasdüse, insbesondere zur Luftzahlsteuerung bei einem atmosphärischen Injektorbrenner mit Gasdruckregelarmatur, mit einer in einer Düsenöffnung eines Düsengehäuses axial verstellbaren Dosiernadel zur Veränderung des Düsenaustrittsquerschnittes zwischen der Dosiernadel und der Düsenöffnung, wobei die Dosiernadel ein düsenöffnungsseitiges Ende aufweist und der Düsenöffnung abgekehrt in einer Lagerbohrung des Düsengehäuses axial verstellbar gelagert ist, wobei die Dosiernadel einen Nadelabschnitt aufweist, der dem Verstellweg im Bereich der Düsenöffnung zugeordnet ist, und wobei der Nadelabschnitt mit mindestens einer Längsnut versehen ist, deren Querschnitt von dem düsenöffnungsseitigen Ende des Nadelabschnitts aus über eine Länge in Richtung der Nadelachse kontinuierlich abnimmt, die gleich oder größer als die Länge des Verstellwegs in Richtung der Nadelachse ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nadelabschnitt (21) mit einem Teil seines Umfanges beim Durchlaufen des gesamten Verstellwegs stets an der Düsenöffnung (12) anliegt und innerhalb der Düsenöffnung (12) axial verstellbar geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasdüse, insbesondere zur Luftzahlsteuerung bei einem atmosphärischen Injektionsbrenner mit Gasdruckregelarmatur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Atmosphärische Injektorbrenner bestehen aus Gasdüse, Mischrohr, Diffusor, Verteilraum und Brenneroberfläche. Der aus der Gasdüse austretende Gasstrahl durchströmt den zwischen Düsenebene und Mischrohrebene liegenden Luftansaugraum und reißt hier über seine Strahloberfläche Luft aus der Umgebung mit. Anschließend tritt er in das Mischrohr ein, in das weitere Umgebungsluft eingesaugt wird und sich ebenfalls mit dem Gasstrahl mischt. Treibende Kraft für die Luftansaugung ist der Brenngassimpulsstrom (Massenstrom x Geschwindigkeit). Er bewirkt eine Beschleunigung der Umgebungsluft am Strahlrand durch die Strahlsubstanz. Der Massenstrom nimmt strahlabwärts durch Luftzutritt stetig zu, wobei der Strahldurchmesser anwächst (Freistrahlwinkel ca. 20°). Der Luftzutritt zum Strahl ist an der Stelle beendet, wo dieser die Mischrohrinnenwand berührt (Strahldurchmesser = Mischrohrdurchmesser). Bei einem vollvormischenden Injektorbrenner muss bis zu dieser Stelle die zur Verbrennung des Brenngasstroms erforderliche Luftmenge vollständig angesaugt worden sein (Gas-Luft-Verhältnis, Luftzahl λ ≥ 1).

Die Leistungsregelung des Injektorbrenners geschieht durch Drosselung des Brenngasstroms (Gasarmatur); der Zutritt von Umgebungsluft wird selbstregelnd reduziert, da der für die Luftansaugung verantwortliche Brenngasimpulsstrom bei Drosselung ebenfalls sinkt. Allerdings zeigt sich im leistungsmodulierten Brennerbetrieb, dass die für eine saubere Verbrennung wichtige resultierende Luftzahl λ (Gas-Luft- Verhältnis) nicht konstant ist, sondern sich in bestimmten Grenzen verändert. Diese λ-Kennlinie ist abhängig vom Brenngasdurchsatz, von der Luft- und Brennertemperatur, dem Kaminzug u.s.w..

Die heute übliche Bauart von Injektorbrennern besteht aus einer Düse-Mischrohr-Anordnung mit nicht veränderbaren Bauteilabständen und Bohrungsdurchmessern. Diese starre Geometrie ist robust, dauerstabil im Betrieb, verschmutzungsunempfindlich und wartungsarm, erlaubt aber keine Beeinflussung der Luftansaugung im Brennerbetrieb. Eine in jedem Betriebszustand optimierte Verbrennung ist also nicht möglich.

Aus der Druckschrift US 982,106 ist eine Düse für einen Brenner, der mit flüssigem Brennstoff betrieben wird, bekannt, bei der in einem Düsengehäuse über eine Verstellung eine axial verstellbare Dosiernadel zur Veränderung des Düsenquerschnitts vorgesehen ist. Die Dosiernadel weist ein düsenöffnungsseitiges Ende auf und ist an der der Düsenöffnung abgekehrten Seite in einer Lagerbohrung des Düsengehäuses und an der der Düsenöffnung zugekehrten Seite in einer der Düsenbohrung vorgelagerten weiteren Gehäuselagerung axial verstellbar gelagert. Die Düsennadel ist mit einer spiralförmigen Längsnut versehen, deren Querschnitt von dem düsenöffnungsseitigen Ende aus über den Verstellweg kontinuierlich abnimmt.

Eine Sprühdüse mit einem spiralförmig ausgebildeten Sprühkopf, der in einem Rohrgehäuse geführt ist, das mit einer Öffnung eine Düsenöffnung bildet, ist aus der Druckschrift US 1,494,675 bekannt. Der Sprühkopf weist dabei einen spiralförmigen Sprühkanal auf, der dem zu versprühenden Fluid eine Rotationsbewegung beim Austritt aus der Öffnung verleiht. Der Sprühkanal besitzt dabei über seine Erstreckung einen unterschiedlichen Querschnitt, so dass durch die Verschiebung des Sprühkopfes innerhalb des Rohrgehäuses unterschiedliche Austrittsquerschnitte an der Düsenöffnung zur Wirkung kommen.

Bekannt ist weiterhin der Vorschlag, eine Luftzahlsteuerung am atmosphärischen Injektorbrenner anhand von einer gestuften Brenngaseindüsung ("Stufeneindüsung") aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Düsen zu realisieren ( DE 198 10 750 A1 und DE 196 29 966 A1 ). Die Düsen haben eine starre Geometrie, ihre Gasströme sind unabhängig voneinander drosselbar.

Durch eine geeignete Aufteilung des Gesamtbrenngasstroms auf zwei Teilströme ergibt sich ein variierbarer Brenngasimpulsstrom, der dann wiederum eine Variation der Luftansaugung ermöglicht.

Andere bekannte Injektor- bzw. Düsenanwendungen in der Technik kennen die in der Düse positionierte konische Dosiernadel zur Durchflusssteuerung. Eine axiale Verstellung der Dosiernadel vergrößert/verkleinert den effektiven Düsenquerschnitt und erhöht/erniedrigt so den austretenden Volumenstrom. Eine solche Dosiernadel kann einfach gefertigt werden, hat aber den Nachteil der fehlenden Lagerung an ihrer Spitze, was sich durch Nadelschwingungen und nicht reproduzierbare resultierende Düsenaustrittsquerschnitte bemerkbar macht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Gasdüse der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der die Einstellbarkeit der Luftzahl λ im Betreib von atmosphärischen Injektorbrennern unabhängig von der Heizgerätebelastung, dem Betriebszustand und den atmosphärischen Injektorbrennern unabhängig von der Heizgerätebelastung, dem Betriebszustand und den atmosphärischen Bedingungen mit eindeutig geführter Dosiernadel möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Geometrie einer zylindrischen Dosiernadel mit einer oder mehreren Längsnuten, die sich längs der Dosiernadel verjüngen, erlaubt eine einfache, reibungsarme und auslenkungsfreie Lagerung und Führung des Nadelendes, so dass kein weiterer Translationsfreiheitsgrad gegeben ist.

Durch die axiale Verstellung der Dosiernadel verändert sich der Düsenaustrittsquerschnitt zwischen der (den) Längsnuten) und der Düsenöffnung, so dass eine belastungsneutrale Luftzahlsteuerung ermöglicht wird. Gegenüber der bekannten "Stufeneindüsung" hat die so gestaltete Gasdüse den Vorteil, dass sowohl der Durchsatz, als auch die Strahlgeschwindigkeit zwischen Null und Maximum frei variierbar sind.

Der gewünschte Brenngasimpulsstrom ist also unabhängig von einer gewählten Geometrie stufenlos einstellbar.

In Verbindung mit einer Gasdruckregelarmatur kann mit der erfindungsgemäßen Gasdüse bei unverändertem Brenngasvolumenstrom die Strahlgeschwindigkeit erhöht oder erniedrigt werden, wodurch der für die Luftansaugung verant wortliche Brenngasimpulsstrom steigt oder fällt. Die Folge ist eine je nach Verstellung der Dosiernadel vermehrte oder verringerte Luftansaugung bei gleichem Brenngasdurchsatz und daher gleicher Brennerleistung. Das Zusammenspiel von Gasdruckregelarmatur und Gasdüse gewährleistet, dass trotz eines kleineren oder größeren effektiven Düsenaustrittsquerschnitts der Brenngasdurchsatz konstant gehalten wird. Dazu muss die Gasdruckregelarmatur lediglich ihren Ausgangsdruck in entsprechender Größe erhöhen oder reduzieren.

Da außerhalb der(den) Längsnuten) eine Zylinder-Restkontur der Dosiernadel stehen bleibt, ist eine einfache, reibungsarme aber auslenkungsfreie Lagerung und Führung des Nadelendes in der Düsenöffnung möglich. Mit geringem Spiel kann das Nadelende in der Düsenöffnung geführt und verstellt werden.

Gerade in Verbindung mit einer Gasdruckregelarmatur bringt die Gasdüse nach der Erfindung bei einem atmosphärischen Injektionsbrenner eine einfache Steuerung der Luftzahl λ.

Nach einer einfachen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Nadelende mit einer einzigen Längsnut am freien Ende mit mindestens 180° seines Umfanges in der Düsenöffnung verstellbar geführt ist und dass die Längsnut mit konkav gewölbtem Nutgrund ausgebildet ist.

Eine über den gesamten Umfang der Dosiernadel reichende bessere Führung und Verstellung der Dosiernadel in der Düsenöffnung lässt sich nach einer weiteren Ausgestaltung dadurch erreichen, dass das Nadelende mit drei und mehr Längs nuten versehen ist, die sich in einheitlicher Winkelteilung über den Umfang der Dosiernadel verteilen.

Ein definierter, maximaler Düsenaustrittsquerschnitt wird dadurch sicher gestellt, dass in der Ausgangsstellung der Dosiernadel das Nadelende mit seiner Spitze bündig mit der Düsenöffnung abschließt und den größten Düsenaustrittsquerschnitt festlegt und dass die Ausgangsstellung der Dosiernadel mittels eines Anschlagbundes festgelegt ist, der im Bereich der Lagerbohrung des Düsengehäuses zur Anlage kommt.

Die Gaszuführung zur Gasdüse ist nach einer Ausgestaltung so gelöst, dass das Düsengehäuse mit einem Gaszuführungsanschluss versehen ist, wobei die Ausbildung so vorgenommen sein kann, dass der Gaszuführungsanschluss als Stutzen in eine Querbohrung des Düsengehäuses eingesetzt ist.

Ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Längsnuten) schraubenlinienartig (Wendelnut(en) ausgebildet ist (sind), dann wird durch diese Längsnuten ein verdrallter Brenngasstrahl erzeugt. Dieser verdrallte Brenngasstrahl hat den Vorteil, dass ein kürzerer Mischungsweg und ein höherer Homogenisierungsgrad erreicht werden. Die Herstellung einer derartigen Dosiernadel ist ebenfalls einfach.

Bei dieser Dosiernadel kann ein drallvariabler Brenngasstrahl dadurch erzeugt werden, dass sich der Nutwinkel der schraubenlinienartigen Längsnuten entlang des Nadelendes verändert.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 im Schnitt eine Gasdüse mit einer Dosiernadel, die eine einzige, gerade Längsnut aufweist, und
2 im Schnitt eine Gasdüse mit drei bzw. vier geraden Längsnuten in der Dosiernadel.
Ausführungsbeispiel
In den 1 und 2 ist ein einheitlicher Aufbau einer Gasdüse dargestellt, der in einem Düsengehäuse 10 eine axial verstellbare Dosiernadel 20 aufweist. Auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten ist das Düsengehäuse 10 mit einer Düsenöffnung 12 und einer Lageraufnahme 13 versehen. Die im Wesentlichen zylinderförmige Dosiernadel 20 ist in der Lageraufnahme 13 mit vollem Umfang verstellbar gelagert und geführt. Die Dosiernadel 20 hat ein Nadelende 21, das auf den Verstellweg der Dosiernadel 20 abgestimmt ist. In der Ausgangsstellung ragt das Nadelende 21 so in die Düsenöffnung 12, dass es mit der Spitze bündig mit der Düsenöffnung 12 abschließt. Die Ausgangsstellung der Dosiernadel 20 wird durch Anschlag eines Bundes 23 im Bereich der Lageraufnahme 13 des Düsengehäuses 10 definiert.
Die Gaszuführung erfolgt über einen Gaszuführungsanschluss 14, der als Stutzen ausgebildet und in eine Querbohrung 15 des Düsengehäuses 10 eingesetzt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist in der Ausgangsstellung der maximale Düsenaustrittsquerschnitt wirksam, da die im Nadelende 21 eingebrachte Längsnut 22 sich im Querschnitt zur Spitze hin kontinuierlich vergrößert, wie die Querschnitte 22.1 bis 22.4 der Dosiernadel 20 an verschiedenen Stellen des Nadelendes 21 zeigen. Ist die Dosiernadel 20 in die linke Endstellung gebracht, dann kann der Vollquerschnitt 20v die Düsenöffnung 12 praktisch verschließen. Zwischen der gezeigten Ausgangsstellung und der linken Endstellung der Dosiernadel 20 ändert sich der Düsenaustrittsquerschnitt stufenlos und kann von einem Maximum auf den Wert Null abnehmen. Bei einer Verstellung in Gegenrichtung (nach rechts) wird der Düsenaustrittsquerschnitt stufenlos zunehmen.
Wie der Querschnitt 22.1 der Dosiernadel 20 an der Spitze zeigt, ist die Längsnut 22 mit konkav gewölbtem Nutgrund ausgebildet und die Rest-Umfangskontur der Dosiernadel 20 erstreckt sich über mehr als 180°, so dass eine gute Lagerung und Führung der Dosiernadel 20 in der Düsenöffnung 12 gewährleistet ist.
Mit der Verstellung der so gestalteten Dosiernadel 20 kann bei konstantem Gasvolumenstrom die Strahlaustrittsgeschwindigkeit stufenlos verändert werden, was für die Steuerung der Luftzahl λ ausgenützt werden kann, wie bereits beschrieben.
Bei der Gasdüse nach 2 ist nur eine anders ausgestaltete Dosiernadel 20 verwendet, die im Nadelende 21 drei oder vier gerade Längsnuten 22 aufweist. Wie die Querschnitte 22.1 bis 22.4 an verschiedenen Stellen des Nadelendes 21 zeigen, wird stets über drei oder vier gleichmäßig über den Umfang der Dosier nadel 20 verteilten Stellen eine Führung der Dosiernadel 20 erreicht. Dabei wird in Abhängigkeit vom Verstellweg der Düsenaustrittsquerschnitt je nach Verstellrichtung wieder stufenlos zu- oder abnehmen.
Der zylindrische Vollquerschnitt 20v am Ende des Verstellweges kann die Düsenöffnung 12 verschließen, so dass eine Veränderung des Düsenaustrittsquerschnitts von einem maximalen Wert auf den Wert Null und umgekehrt möglich ist. Die Dosiernadel 20 ist in jeder Einstellung eindeutig geführt, so dass keine Translationsbewegungen (Schwingungen) derselben auftreten können.
Die Längsnuten) 22 der Dosiernadeln 20 nach 1 und 2 können auch schraubenlinienartig verlaufen, so dass ein verdrallter Brenngasstrahl erzeugt wird. Ein solcher Strahl hat den Vorteil einer schnelleren/homogeneren Gemischbildung von Gas und Luft und damit einer besseren Verbrennung. Ändert sich der Nutwinkel der schraubenlinienartigen Längsnuten 22 längs des Nutendes 21, dann ist es möglich, einen drallvariablen Brenngasstrahl zu erzeugen.

Claims

Gasdüse, insbesondere zur Luftzahlsteuerung bei einem atmosphärischen Injektorbrenner mit Gasdruckregelarmatur, mit einer in einer Düsenöffnung eines Düsengehäuses axial verstellbaren Dosiernadel zur Veränderung des Düsenaustrittsquerschnittes zwischen der Dosiernadel und der Düsenöffnung, wobei die Dosiernadel ein düsenöffnungsseitiges Ende aufweist und der Düsenöffnung abgekehrt in einer Lagerbohrung des Düsengehäuses axial verstellbar gelagert ist, wobei die Dosiernadel einen Nadelabschnitt aufweist, der dem Verstellweg im Bereich der Düsenöffnung zugeordnet ist, und wobei der Nadelabschnitt mit mindestens einer Längsnut versehen ist, deren Querschnitt von dem düsenöffnungsseitigen Ende des Nadelabschnitts aus über eine Länge in Richtung der Nadelachse kontinuierlich abnimmt, die gleich oder größer als die Länge des Verstellwegs in Richtung der Nadelachse ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nadelabschnitt (21) mit einem Teil seines Umfanges beim Durchlaufen des gesamten Verstellwegs stets an der Düsenöffnung (12) anliegt und innerhalb der Düsenöffnung (12) axial verstellbar geführt ist.
Gasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nadelabschnitt (21) mit einer einzigen Längsnut (22) am freien Ende mit mindestens 180° seines Umfanges in der Düsenöffnung (12) verstellbar geführt ist und dass die Längsnut (22) mit konkav gewölbtem Nutgrund ausgebildet ist.
Gasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nadelabschnitt (21) mit drei und mehr Längsnuten (22) versehen ist, die sich in einheitlicher Winkelteilung über den Umfang der Dosiernadel (12) verteilen.
Gasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausgangsstellung der Dosiernadel (20) der Nadelabschnitt (21) mit seiner Spitze bündig mit der Düsenöffnung (12) abschließt und den größten Düsenaustrittsquerschnitt festlegt.
Gasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstellung der Dosiernadel (20) mittels eines Anschlagbundes (23) festgelegt ist, der im Bereich der Lagerbohrung (13) des Düsengehäuses (10) zur Anlage kommt.
Gasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsengehäuse (10) mit einem Gaszuführungsanschluss (14) versehen ist.
Gasdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaszuführungsanschluss (14) als Stutzen in eine Querbohrung (15) des Düsengehäuses (10) eingesetzt ist.
Gasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsnut(en) schraubenlinienartig als Wendelnut(en) ausgebildet ist (sind).
Gasdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutwinkel der schraubenlinienartigen Längsnuten (22) sich entlang des Nadelabschnitts (21) verändert.