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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
zumindest eine Brennstoffdüse
und ein Brennkammerteil umfassenden Baugruppe für ein mit flüssigem oder
gasförmigem Brennstoff
betriebenes Heizgerät,
insbesondere für ein
Kraftfahrzeugheizgerät.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Baugruppe für ein mit
flüssigem
oder gasförmigem
Brennstoff betriebenes Heizgerät,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeugheizgerät,
wobei die Baugruppe zumindest eine Brennstoffdüse und ein Brennkammerteil
umfasst. Derzeit werden beispielsweise die Brennkammern von mit
gasförmigem
und flüssigem
Brennstoff betriebenen Heizgeräten
aus Hochleistungsstählen
hergestellt, die einerseits vom Material preis her sehr teuer und
andererseits von der Verarbeitung sehr aufwendig sind. Keramische
Bauteile, wie zum Beispiel eine Zündeinrichtung in Form eines
Glühstifts,
oder einer Brennstoffdüse,
müssen über sehr
aufwendige Verbindungstechniken mit den Stahlbauteilen gekoppelt
werden. Derartige Verbindungstechniken sind komplex, fehlerträchtig und
teuer.
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Aus
der
DE 10114903 A1 ist
ein Brenner für ein
Gas/Luft-Gemisch
mit einem Einlass für
das Gas/Luft-Gemisch bekannt, wobei ein dem Einlass stromabwärts nachgeordnetes
Düsenrohr
vorgesehen ist, dessen Mantelfläche
eine Vielzahl von Durchbrüchen
aufweist und wobei das Düsenrohr
radial von einem Mittel zum Stabilisieren der Flamme umgeben ist.
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Weiterhin
ist aus der
DE 69909167
T2 eine Feuerungsvorrichtung bekannt, die folgendes umfasst:
- – einen
Keramikbrenner mit einer keramischen Lochplatte und einer Anzahl
vorgegebener Brenneröffnungen
darin;
- – eine
elektrisch leitende Schicht, die auf einer Oberfläche des
Keramikbrenners angeordnet ist, wo sich die Flammen bilden;
- – einen
elektrischen Leiter, der gegenüber
der elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist; und eine Zündprüfvorrichtungen
zum Überprüfen des Flammenstroms,
der durch die Flammen geht, und zum Erfassen eines Zündens, wenn
zwischen elektrisch leitender Schicht und elektrischem Leiter eine
Spannung angelegt wird, wobei die elektrisch leitende Schicht aus
einem elektrisch leitenden Perovskit-artigen Metalloxid besteht.
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Bei
dieser aus der
DE
69909167 T2 bekannten Feuerungsvorrichtung ist vorzugsweise
weiterhin vorgesehen, dass die elektrisch leitende Schicht gleichmäßig die
Oberfläche
der keramischen Lochplatte bedeckt, und dass das elektrisch leitende
Perovskit-artige Metalloxid in die Oberflächenporen der Keramikplatte
hineinreicht.
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Aus
der
DE 19732607 A1 ist
ein Nachbrenner für
ein Heizungsgerät
mit Brennerraum und darin angeordnetem Brenner bekannt, wobei der
Nachbrenner im wesentlichen ein Hohlzylinder ist, der sich über den
gesamten Strömungsquerschnitt
des Brenners erstreckt, der auf einem Kreis liegende Öffnungen
mit dazwischen auf der Innenseite des Hohlzylinders angeordneten
Lamellen aufweist, und der eine Querschnittsverengung innerhalb
des Brennerraumes bildet und im Bereich des Auslasses des Brennerrohres
im Abstand hierzu angebracht ist. Dabei ist vorgesehen, dass der
Nachbrenner auf dem Umfang axial verlaufende und nach außen weisende Rippen
besitzt, dass der Nachbrenner an seinem Ende einen umlaufenden Ringwulst
aufweist und dass der Nachbrenner aus einem keramischen Werkstoff
besteht.
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Die
DE 10121144 A1 betrifft
ein Heizgerät, insbesondere
für Fahrzeuge,
wobei ein Brenner vorgesehen ist, bei dem in einem Primärbrennbereich Brennstoff
verbrennt, als heißes
Abgas in einen Sekundärbrennbereich
und weiter zu einem Wärmeüberträger strömt. Um insbesondere
den Wirkungsgrad des Heizgerätes
zu steigern, ist eine Einrichtung zum Aufstauen des Stroms von Abgas
im Sekundärbrennbereich
vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Verfahren
und Baugruppen derart weiterzubilden, dass auf die komplizierten
Verbindungstechniken verzichtet werden kann und gleichzeitig der
Einsatz bei höheren
Temperaturen möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
der eingangs genannten Art umfasst die folgenden Schritte:
- – Vorsehen
eines keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffs und
- – Herstellen
der Brennstoffdüse
und des Brennkammerteils aus dem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff,
derart, dass die Brennstoffdüse
und das Brennkammerteil einstückig
ausgebildet werden.
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Wenn
die Brennstoffdüse
und das Brennkammerteil beziehungsweise die gesamte Brennkammer
einstückig,
vorzugsweise in einem Herstellungsschritt, hergestellt werden, kann
auf die nachträgliche,
komplizierte Verbindung dieser Bauteile verzichtet werden. Weiterhin
ermöglicht
der Einsatz eines ke ramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffes,
dass die Baugruppe Temperaturen von bis zu 1500 °C ausgesetzt wird. Dies ist
bei den bekannten Brennkammern aus Stahl nicht möglich, da derartige Brennkammern
nur Temperaturen bis zu ungefähr 1200 °C schadlos überstehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise weiterhin der folgende Schritt vorgesehen:
- – Anwenden
eines Sinterprozesses auf ein hochfestes Fasergewebe und eine Matrix
aus porösem Mullit.
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Anstelle
von Mullit können
gegebenenfalls auch andere keramische Nanopartikel verwendet werden.
Ein derartiger keramischer Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff ist beispielsweise
in der Dissertation "Kolloidale
Herstellung und Entwicklung eines neuen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffes" von R. Simon (Montana
Universität
Löben,
2004) beschrieben. Demgemäß kann das
hochfeste Fasergewebe beispielsweise vom Typ Nextel 720 oder Nextel
610 sein. Zum Aufbau der Matrix wird eine kolloidale Suspension
verwendet, die eine Mischung aus Nano- und Submikron-Pulvern enthält und beim
Sintern eine feinporöse
Struktur bildet. Das im Rahmen der genannten Dissertation entwickelte
Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es den Einsatz
von einfachen und kostengünstigen,
an sich bekannten Laminiertechniken ermöglicht, wie sie zur Herstellung
von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen
bekannt sind. Die kolloidale Herstellung führt zu homogenen, defektarmen
Gefügen
von hoher chemischer Reinheit. Durch den Wegfall der sonst üblichen
Faserbeschichtung und Nachinfiltrationsschritte wird eine kostengünstige Herstellung
des genannten Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffs möglich.
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Darüber hinaus
wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
bevorzugt, dass es auch den folgenden Schritt umfasst:
- – Verwenden
einer Laminiertechnik.
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Derartige
Laminiertechniken sind beispielsweise aus dem Bereich der Herstellung
von Bauteilen aus faserverstärkten
Kunststoffen bekannt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
dass die Baugruppe weiterhin eine Zündeinrichtung umfasst und dass
der folgende Schritt durchgeführt
wird:
- – Einschieben
der Zündeinrichtung
während
der Herstellung der Baugruppe in noch zähen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff über einen
Fügeprozess.
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Diese
Lösung
stellt eine besonders einfache Verbindung der Zündeinrichtung, beispielsweise
in Form eines Glühstifts,
und der Brennkammer dar, so dass auch diesbezüglich auf aufwendige Verbindungstechniken
verzichtet werden kann.
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Im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird weiterhin
bevorzugt, dass der folgende Schritt vorgesehen ist:
- – Ausbilden
der Brennstoffdüse
als Venturidüse.
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Der
Einsatz einer derartigen Venturidüse ermöglicht eine besonders gute
Vermischung des der Düse über eine
Brennstoffnadel zugeführten
Brennstoffes mit der Düse
ebenfalls zugeführter
Brennluft.
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Die
erfindungsgemäße Baugruppe
der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffdüse und das
Brennkammerteil einstückig
aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff
hergestellt sind. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
erläuterten
Eigenschaften und Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung
von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwiesen wird.
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Gleiches
gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Baugruppe,
wobei auch diesbezüglich
auf die entsprechenden Erläuterungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.
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Auch
für die
erfindungsgemäße Baugruppe wird
bevorzugt, dass der keramische Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff durch
Anwenden eines Sinterprozesses auf ein hochfestes Fasergewebe und
eine Matrix aus porösem
Mullit hergestellt ist. Anstelle von Mullit können gegebenenfalls auch andere
keramische Nanopartikel verwendet werden.
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Weiterhin
wird es als vorteilhaft erachtet, dass das Brennkammerteil die Brennkammer
im Wesentlichen bildet. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, dass
weitere im Bereich der Brennkammer vorgesehene Komponenten ebenfalls
aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt
sind.
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Weiterhin
wird es als vorteilhaft erachtet, dass die Baugruppe weiterhin eine
Zündeinrichtung umfasst,
und dass die Zündeinrichtung
während
der Herstellung der Baugruppe über
einen Fügeprozess in
noch zähen
Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff eingeschoben wurde. Andererseits
ist die Keramik auch im gesinterten Zustand zäh und nicht alle Zündeinrichtungen
sind dazu geeignet, einem Sinterprozess ausgesetzt zu werden. Daher
kann alternativ das Einschieben der Zündeinrich tung in die fertige
Keramik als Presspassung vorgesehen sein.
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Auch
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Baugruppe wird es als vorteilhaft
erachtet, dass die Brennstoffdüse
eine Venturidüse
ist.
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Jedes
mit flüssigem
oder gasförmigem Brennstoff
betriebene Heizgerät,
insbesondere jedes mit flüssigem
oder gasförmigem
Brennstoff betriebene Kraftfahrzeugheizgerät, das eine erfindungsgemäße Baugruppe
aufweist, fällt
in den Schutzbereich der zugehörigen
Ansprüche.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist die Erkenntnis, dass moderne Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffe,
die insbesondere als Thermalschutz von Raumfahrzeugen oder als Radom
von Hyperschallflugkörpern
entwickelt wurden, auch im Zusammenhang mit brennstoffbetriebenen
Heizgeräten
besonders vorteilhaft eingesetzt werden können, wobei insbesondere die
Anwendung von Formschluss-Fügeprozessen
zu einer deutlichen Senkung der Herstellungskosten führt. Als
Formschluss-Fügeprozess
kommen beispielsweise die folgenden Befestigungsmöglichkeiten
in Betracht: Verschrauben, Klipsen, Rasten, Presspassung, direktes
Verbinden bei der Herstellung (Laminierung) der Faserkeramik im
Grünzustand
und insbesondere Klemm-Fügeprozesse.
Im Zusammenhang mit einer Verschraubung kann zusätzlich oder alternativ zum
Einsatz herkömmlicher Schrauben
in besonders vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass einzelne
Komponenten mit Außengewinden
versehen sind, die mit in anderen Komponenten zusammenwirkenden
Innengewinden zusammenwirken. Beim Stand der Technik ist die Ver bindung
zwischen Stahl und Keramik sehr aufwendig, da sich insbesondere
bei Vibrationsbeanspruchung des Bauteils die Verbindung zwischen
der härteren Keramik
und dem weicheren Stahlfügepartner
lockert (Abrassion/Abnutzung) und der Keramik – da spröde – eine Beschädigung droht.
Die Zähigkeit/Elastizität der erfindungsgemäß eingesetzten
Keramik erlaubt die oben genannten Fügeprozesse, da durch die elastische
Vorspannung immer eine einstückige
Verbindung der Fügepartner
gewährleistet
wird. Damit ist ein sich Freiarbeiten der Keramik bei Vibrationen ausgeschlossen.
Durch den Einsatz der genannten Werkstoffe wird die Lebensdauer
der erfindungsgemäßen Baugruppen
erhöht,
wobei die Herstellungskosten gleichzeitig sinken.
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Die
Erfindung kann in Verbindung mit allen Brennertypen eingesetzt werden,
die eine Brennstoffdüse
aufweisen, also insbesondere mit Injektions- oder Zerstäuberbrennern.
Sofern auch bei einem Verdampferbrenner eine Düse zur Brennstoffzuführung vorgesehen
ist, kann die Erfindung selbstverständlich ebenfalls zum Einsatz
kommen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen
beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Baugruppe
aufweisenden Brenner für
ein mit flüssigem
Brennstoff betriebenes Heizgerät,
und
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2 eine
zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Baugruppe.
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1 zeigt
schematisch einen Brenner für ein
mit flüssigem
Brennstoff betriebenes Heizgerät 10,
das als solches lediglich als Block angedeutet ist. Der Brenner
umfasst eine insgesamt mit 120 bezeichnete Brennkammer,
die durch ein Brennkammerteil 34 und ein weiteres Brennkammerteil 122 gebildet
wird. In der Brennkammer 120 ist eine unter anderem zur
Verdampfung vorgesehene Prallscheibe 16 angeordnet. Die
Prallscheibe 16 weist Prallscheibendurchbrüche 30 auf,
von denen lediglich zwei dargestellt sind. Eine aus dem keramischen
Material hergestellte Prallscheibe kann durch die Porosität des Materials
auch teilweise eine Verdampferfunktion einnehmen, indem das Material
Brennstofftröpfchen
aus der Düse
zwischenspeichert und einer kontrollierten Verdampfung zuführt, was
zu einer guten Brennstoff-Aufbereitung
und damit zu einer sehr sauberen Verbrennung führt. Im Falle einer Stahl-Prallscheibe
können
diese Tröpfchen
unter Umständen durch
den xx-Effekt von der heißen,
glatten Oberfläche
abspringen und durch die Brennluft in den stromabwärtigen Teil
des Brenners geführt
werden. Dies kann zu einer unvollständigen Verbrennung und schlechten
Abgaswerten führen.
Darüber
hinaus ist der Prallscheibe 16 eine Startkammer 28 zugeordnet,
in die in an sich bekannter Weise eine Zündeinrichtung 18 ragt.
Bezogen auf die Darstellung von 1 ist links
neben der Brennkammer 120 ein Flammrohr 22 angeordnet,
das einen Sekundärbrennraum
bildet und über
einen Brennkammerauslass 48 mit der Brennkammer 120 in
Verbindung steht. Ein Sekundärbrennraumaus lass 50 steht
mit einer hier nicht näher
dargestellten Abgasanlage in Verbindung, die zumindest teilweise
ebenfalls aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff gebildet
sein kann. Rechts von der Prallscheibe 16 ist eine Brennstoffdüse 20 in
Form einer Venturidüse dargestellt.
Durch eine Fertigung der Venturidüse aus dem porösen Material
kann gegebenenfalls eine gewisse Verdampfereigenschaft der Düsenwände bezüglich Brennstoffniederschlägen vorteilhaft
verwirklicht werden. In die Brennstoffdüse 20 ragt eine hier
nicht näher
interessierende Brennstoffnadel 26, wie dies an sich ebenfalls
bekannt ist. Bei der in 1 gezeigten, durch das erfindungsgemäße Verfahren
herstellbaren Baugruppe sind die Brennstoffdüse 20 und ein Brennkammerteil 34 in
Form eines Kragens einstückig
aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt.
Dabei bildet die Baugrippe weiterhin einen Hitzeschild 24, der
in den zylindrischen Brennkammerteil 34 übergeht.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann der Hitzeschild bei bestimmten
Ausführungsformen
eine Sekundärluftbelochung
aufweisen, um der Brennkammer neben der durch die Düse zugeführten Brennluft
Sekundärluft
zuzuführen,
insbesondere verdrallte Sekundärluft.
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Obwohl
dies nicht zwingend erforderlich ist, wird bevorzugt, dass die gesamte
Brennkammer 120, die Prallscheibe 16 sowie das
Flammrohr 22 ebenfalls aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff
hergestellt sind. Im dargestellten Fall sind sämtliche der genannten Komponenten durch
einen als Klemm-Fügeprozess
ausgeführten Formschluss-Fügeprozess miteinander verbunden, wie
dies nachfolgend noch näher
erläutert
wird.
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Um
zu dem in 1 dargestellten Brenner zu gelangen,
kann wie folgt vorgegangen werden. Zunächst wird die erfindungsgemäße Baugruppe,
die im in 1 dargestellten Fall den Brennkammerteil 34,
die Brennstoffdüse 20 und
den Hitzeschild 24 umfasst, aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff
hergestellt, insbesondere dem eingangs näher erläuterten Werkstoff. Dabei können an sich
bekannte Laminiertechniken eingesetzt werden. Als Besonderheit ist
in diesem Zusammenhang zu erwähnen,
das die Zündeinrichtung 18 über einen
Fügeprozess
direkt in die zähe
Faserkeramik eingeschoben wurde, derart, dass sich ein Durchbruch 52 in
dem Bauteil ergibt. Daher können
auch diesbezüglich
aufwendige Verbindungstechniken entfallen. Das Flammrohr 22 sowie
die Prallscheibe 16 werden ebenfalls aus einem Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff
hergestellt.
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Zur
Montage des Brenners wird zunächst
die Prallscheibe 16 in das weitere Brennkammerteil 122 eingeführt, derart,
dass sie an einem von dem weiteren Brennkammerteil 122 gebildeten
umlaufenden Steg 32 anliegt. Anschließend wird das die Düse 20, das
Brennkammerteil 34 und den Hitzeschild 24 bildende
Bauteil, das bereits die Zündeinrichtung 18 trägt, mit
dem Kragen 34 in das weitere Brennkammerteil 122 eingesetzt.
Die Abmessungen sind dabei so gewählt, dass der Kragen 34 die
Prallscheibe 16 im Zusammenwirken mit dem Steg 32 festklemmt. Anschließend wird
eine erste Klemmvorrichtung 44 in Form eines ersten Spannrings
verwendet, um einen ersten Flansch 36 des weiteren Brennkammerteils 122 mit
einem dritten Flansch 40 zu verbinden, der im dargestellten
Fall ebenfalls von der erfindungsgemäßen Baugruppe gebildet wird
und sich senkrecht zu dem Kragen 34 erstreckt. Der erste
Spannring 44 kann gegebenenfalls zumindest leicht V-förmig ausgebildet sein, um den
ersten Flansch 36 und den dritten Flansch 40 aufeinander
zu vorzuspannen. Anschließend
wird das Flammrohr 22 befestigt, ebenfalls über einen
Klemm-Fügeprozess.
Zu diesem Zweck weist die Brennkammer 12 einen zweiten Flansch 38 auf,
der mit einem durch das Brennrohr 22 gebildeten vierten
Flansch 42 zusammenwirkt, indem der zweite Flansch 38 und
der vierte Flansch 42 über
einen zweiten Spannring 46 aufeinander zu vorgespannt werden.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Baugruppe.
Gemäß der Darstellung
von 2 ist die Brennkammer 12 einstückig mit
einer Brennstoffdüse 20 und
einem als Hitzeschild 24 wirkenden Abschnitt ausgebildet,
und zwar aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff,
insbesondere dem eingangs näher
erläuterten
Werkstoff. Zur Erzeugung der dargestellten Geometrie können an
sich bekannte Laminierverfahren eingesetzt werden. Eine mechanische
Nachbearbeitung durch Bohren, Fräsen,
Sägen,
Feilen, Gewindeschneiden und so weiter kann in diesem wie auch in
allen anderen Fällen
ebenfalls vorgenommen werden, wenn dies erforderlich ist. Als Besonderheit ist
auch in diesem Fall hervorzuheben, dass die Zündeinrichtung 18 direkt
in die zähe
Faserkeramik eingeschoben wurde, ohne aufwendige Verbindungstechniken
einzusetzen. Durch das Einschieben der Zündeinrichtung 18 ergibt
sich im Bereich des Hitzeschilds 24 ein Brennkammerdurchbruch 54. Hinter
dem Brennkammerauslass 48 erstreckt sich vorzugsweise ein
nicht dargestelltes Flammrohr, das einen Sekundärbrennraum bilden kann.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Heizgerät
- 12
- Brennkammer
- 14
- Verdampfer-Vlies
- 14a
- erster
Abschnitt
- 14b
- zweiter
Abschnitt
- 16
- Prallscheibe
- 18
- Zündeinrichtung
- 20
- Brennstoffdüse
- 22
- Sekundärbrennbereich/Flammrohr
- 24
- Hitzeschild
- 26
- Brennstoffnadel
- 28
- Startkammer
- 30
- Prallscheibendurchbrüche
- 32
- Steg
- 34
- Kragen
- 36
- erster
Flansch
- 38
- zweiter
Flansch
- 40
- dritter
Flansch
- 42
- vierter
Flansch
- 44
- erste
Klemmvorrichtung/erster Spannring
- 46
- zweiter
Spannring
- 48
- Brennkammerauslass
- 50
- Sekundärbrennraumauslass
- 52
- Durchbruch
- 54
- Brennkammerdurchbruch
- 56
- Brennstoffleitung
- 120
- Brennkammer
- 122
- Brennkammerteil