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Die
Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät, insbesondere
zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, mit einer Brennerdüse zum Zuführen von
Brennstoff und Primärluft,
einer Brennkammer und einem Hitzeschild zwischen der Brennerdüse und der
Brennkammer, wobei der Hitzeschild Öffnungen zum Zuführen von
Sekundärluft
in die Brennkammer aufweist und die Öffnungen mit Luftleitelementen ausgestattet
sind, die in Richtung der Brennkammer vorstehen.
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Derartige
Brenner gehören
zu einer Klasse von Brennern, die auch als Zerstäubungsbrenner oder als Spray-Brenner
bezeichnet werden, und kommen insbesondere in Zusatzheizungen und Standheizungen
für Kraftfahrzeuge
zum Einsatz.
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Es
existieren zahlreiche Anforderungen an solche Brenner, insbesondere
in Bezug auf ein sicheres und weitgehend emissionsfreies Startverhalten sowie
einen stabilen Brennbetrieb. Weiterhin ist man bestrebt, Heizgeräte zu konstruieren,
die in unterschiedlichen Einbaulagen zum Einsatz kommen können.
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Im
Hinblick auf das Startverhalten müssen verschiedene Betriebsparameter
aufeinander abgestimmt werden. Zum einen ist es erforderlich, während des
Brennerstarts in der Startzone ein relativ fettes Brennstoff-Luft-Gemisch
zur Verfügung
zu stellen, andererseits ist die Bereitstellung einer ausreichenden
Menge von primärer
Brennluft aber erforderlich, um den Transport des Brennstoffs von
der Brennstoffnadel zur Startzone zu gewährleisten.
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Die
Anforderung, unterschiedliche Einbaulagen des Heizgerätes zu erlauben,
hängt mit
den Problemen betreffend das Startverhalten zusammen. Um nämlich in
der Lage zu sein, bei geringer Primärluftzuführung Brennstoff in die Startzone
zu transportieren, hat man bislang in Kauf genommen, die Brennstoffnadel
mit nach unten gerichteter Austrittsöffnung zu orientieren; die
hatte zur Folge, dass der gesamte Brenner in senkrechter Einbaulage
montiert werden musste.
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Um
einen stabilen Brennbetrieb des Brenners zu gewährleisten, sind ebenfalls sich
mitunter widersprechende Anforderungen zu erfüllen. Zum einen ist stets eine
gute Durchmischung von Brennstoff und Luft gefordert, zum anderen
ist es im Kernbereich der Flamme und dort insbesondere während der
Startphase unerwünscht
zu hohe Luftanteile und eine zu hohe Verwirbelung zu verursachen.
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Die
Druckschrift
US 4,082,495
A zeigt einen Brenner, bei dem Sekundärluft mit Luftleitelementen verdrallt
wird, während
Primärluft
direkt an der Brennstoffdüse
entlang geleitet wird. Der Brennraum besteht dabei aus mehreren
in Strömungsrichtung
rotationssymmetrischen Teilen, einem konisch geformten Abschnitt,
einem zylindrischen Abschnitt und einem gewölbten Abschnitt. Der konische
Abschnitt wird in Richtung der Brennstoffdüse von einer Platte begrenzt,
die eine zentrale Primärluftöffnung und
kreisförmig
um diese angeordnete Luftleitelemente zum Leiten von Luft in den
konischen Abschnitt umfasst, wobei die Luft nicht durch die Primärluftöffnung strömt, so dass
das Brennstoff-Luft-Gemisch
verwirbelt wird. Der gewölbte
Abschnitt enthält
symmetrisch angeordnete Schlitze mit zugeordneten Luftleitelementen,
die weitere Sekundärluft
zuführen,
entweder entsprechend der vorher erzeugten Wirbelrichtung oder entgegengesetzt.
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Die
Druckschrift
US 3,694,135
A zeigt einen Brenner mit einer mit Verstrebungen an der
Brennstoffdüse
befestigten Brennkammer mit nach außen gerichteten Luftleitelementen,
mit denen Sekundärluft
in die Brennkammern geleitet wird. Weitere, ebenfalls nach außen gerichtete
Luftleitelemente dienen der Zuführung
von Luft zur weiteren Verwirbelung des entzündeten Brennstoff-Luft-Gemischs.
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Die
Druckschrift
DE 2 250
766 A zeigt einen Brenner, insbesondere für Fahrzeuge,
mit einem Brennergehäuse,
längs des sen
Achse ein Brennerkopf mit einer Kraftstoffzuführung und einer radial einmündenden
Luftleitung zur Brennluftzuführung und
eine Brennkammer aufeinanderfolgen. Es wird eine Luftleitwand mit Öffnungen
und zugeordneten Luftleitelementen und die Verwendung einer Prallscheibe
gezeigt, ohne eine Aufspaltung in Primär- und Sekundärluft und
eine unterschiedliche Verdrallung der Luft vorzusehen.
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Die
Druckschrift 4,561,841 A offenbart ein Brenner mit einer Brennerdüse zum Zuführen von Brennstoff
und Primärluft
und einer Brennkammer, wobei diese eine Verwirbelungskammer und
eine Aufspaltungskammer umfasst. Eine konvexe Wand begrenzt die
Verwirbelungskammer gegenüber
einer Druckluftkammer mit einer Brennerdüse zum Zuführen von Luft und Brennstoff.
Die Wand wirkt auch als Hitzeschild und enthält Öffnungen mit Luftleitelementen,
die in Richtung der Brennstoff- und Luftzufuhr vorstehend sind.
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Die
Druckschrift
EP 1 192 391 31 zeigt
einen Zerstäuberbrenner
für ein
Fahrzeug-Heizgerät
mit Brennerdüse,
Brennkammer, Prallscheibe und einem Hitzeschild. Dieses Hitzeschild
weist Bohrungen auf, durch die Sekundärluft geleitet werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor geschilderten Probleme
des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden, ein zuverlässiges und
emissionsarmes beziehungsweise qualmarmes Startverhalten bei unterschiedlichen Einbaulagen
und insbesondere einen besonders stabilen Brennbetrieb zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brenner dadurch auf, dass
die Luftleitelemente in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche des
Hitzeschildes und/oder zum Radius des Hitzeschildes ausgebildet
sind und dass in der Brennkammer eine Prallscheibe angeordnet ist.
Erstrecken sich die Luftleitelemente nahezu senkrecht zum Radius
des Hitzeschildes, so wird durch diese ein starker Drall eingebracht,
während
durch Luftleitlelemente mit einem kleineren Winkel zum Radius ein
geringerer Drall eingebracht wird. Luftleitelemente, die einen kleinen Winkel
zur Oberfläche
des Hitzeschildes einnehmen, erzeugen Luftströmungen, die eine große radiale Komponente
und eine kleine axiale Komponente haben, während bei Laschen mit großen Winkeln
zur Oberfläche
des Hitzeschildes die axiale Komponente dominiert. Auf diese Weise
ist es möglich,
Sekundärluft
mit geringem Drall in den Kernbereich der Flammenbildung zu leiten.
Hierdurch wird einerseits die für
die Verbrennung benötigte
Luft zugeführt;
es liegt jedoch kein übermäßiger Drall
vor, der die Stabilisierung der Flamme nachteilig beeinflussen würde. Insbesondere
kann eine Aufteilung der Sekundärluft
in Abhängigkeit
der Ausrichtung der einzelnen Luftleitelemente erfolgen.
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Ein
Hitzeschild ist grundsätzlich
nützlich,
um die Düse
und die Brennstoffzuführung
gegen die in der Brennkammer vor liegende Wärmeenergie abzuschirmen. Über den
Hitzeschild wird weiterhin Sekundärluft in den Brennraum zugeführt. Indem
die Öffnungen
zur Sekundärluftzuführung mit
Luftleitelementen ausgestattet sind, kann die Zuführung dieser Sekundärluft gezielt
erfolgen, so dass der Brennbetrieb, sowohl im Hinblick auf den Startbetrieb
als auch beim Dauerbetrieb gezielt beeinflusst werden kann.
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Nützlicherweise
ist vorgesehen, dass die in Richtung der Brennkammer vorstehenden
Luftleitelemente durch einstückig
mit dem Hitzeschild ausgebildete Laschen gebildet sind. Ein solcher
Hitzeschild ist in einfacher Weise zu fertigen, beispielsweise indem
mit einem v-förmigen
Stanzwerkzeug Laschen geformt werden, die nach oder mit dem Stanzvorgang
aus der Ebene des Hitzeschildes herausgebogen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Laschen gruppenweise in im wesentlichen
identischen Winkeln zur Oberfläche des
Hitzeschildes und/oder zum Radius des Hitzeschildes ausgebildet
sind. Durch die kollektive Ausrichtung der Laschen entstehen definierte
Strömungszustände in der
Brennkammer.
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Die
Erfindung ist weiterhin dadurch nützlich ausgebildet, dass der
Brenner eine Ausbrandzone aufweist und dass die der Ausbrandzone
zugeführte Sekundärluft einen
höheren
Drall als die der Startzone zugeführte Sekundärluft aufweist. In der Ausbrandzone
ist ein hoher Drall erwünscht.
Insbesondere ein radial innenliegendes verwirbeltes Rückstromgebiet
verbessert den Ausbrand und sorgt dafür, dass das Brennkammervolumen
gut ausgenutzt wird.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, dass der Hitzeschild eine Öffnung zur
Durchführung
eines Zündelementes
aufweist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennerdüse eine Brennstoffnadel zum
Zuführen
von Brennstoff in den Brenner und eine Primärluftzuführung zum Zuführen von
Brennluft in den Brenner aufweist und dass durch die Wahl des Innendurchmessers
der Brennstoffnadel die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs
so vorbestimmt wird, dass während einer
Startphase des Brenners Brennstoff in im Wesentlichen unzerstäubter Form
eine Startzone erreicht. Durch eine Verringerung des Innendurchmessers
der Brennstoffnadel im Vergleich zu Brennstoffnadeln in Heizgeräten des
Standes der Technik wird bei gleichem Brennstofffördervolumen
die Austrittgeschwindigkeit des Brennstoffs erhöht. Hierdurch gelingt es bei
jeglicher Einbaulage, dass ein Brennstoffstrahl von der Austrittsöffnung der
Brennstoffnadel in die Startzone gelangt. Insbesondere bei geringer
Primärluftmenge,
wobei die zugeführte
Primärluft zudem
noch einen nur geringen Drall aufweisen sollte, kann so ein im Wesentlichen
unzerstäubter Brennstoffstrahl
die Startzone erreichen. Folglich startet der Brenner sicher, und
die Qualmbildung während
des Starts wird deutlich verringert.
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Es
ist bevorzugt, dass der Innendurchmesser der Brennstoffnadel zwischen
0,5 und 0,7 mm liegt. Im Vergleich zu Austrittsgeschwindigkeiten
bei Brennstoffnadeln des Standes der Technik, bei welchen der Innendurchmesser
im Bereich von 0,8 mm liegt, kann die Austrittsgeschwindigkeit bei
Innendurchmessern zwischen 0,5 und 0,7 mm nahezu verdoppelt oder
sogar mehr als verdoppelt werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, dass der Innendurchmesser der Brennstoffnadel
ca. 0,6 mm beträgt. Bei
einem solchen Innendurchmesser sind im Volllastbetrieb, das heißt bei einem
Brennstoffmassenstrom von 0,5 kg/h Austrittsgeschwindigkeiten von über 0,6
m/s möglich,
während
bei einem Innendurchmesser von 0,8 mm die Austrittsgeschwindigkeit
im Bereich von 0,35 m/s liegt. Entsprechend erhöht sich die Austrittsgeschwindigkeit
beim Teillastbetrieb, das heißt
bei einem Brennstoffmassenstrom von 0,2 kg/h von circa 0,14 m/s
auf circa 0,25 m/s. Bei einer entsprechenden Auswahl baulicher Eigenschaften
beziehungsweise von Betriebsparametern kann das Ziel eines im Wesentlichen
unzerstäubten Strahls,
der beim Start des Heizgerätes
die Startzone erreicht, auch mit einer herkömmlichen Brennstoffnadel mit
einem Innendurchmesser von ca. 0,8 mm erreicht werden.
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Nützlicherweise
ist vorgesehen, dass die Startzone als Startkammer ausgebildet ist,
in die ein Zündelement
hineinragt. Die Wand der Brennkammer kann auf diese Weise das Zündelement
umgeben. Während
des Startbetriebs kann der "ballistische" Brennstoffstrahl
dann das Zündelement
und die Brennkammerwand mit Brennstoff benetzen, so dass die Brennkammerwand
und benachbarte Bauteile nach deren Erwärmung als Wandverdampfer dienen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Brennkammer
im Wesentlichen axialsymmetrisch ist und dass die Prallscheibe eine
vorgegebene Wölbung
in axiale Richtung aufweist. Aufgrund der Wölbung der Prallscheibe liegt eine
temperaturunabhängige
definierte Formgebung der Prallscheibe vor. Bei eben ausgebildeten
Prallscheiben des Standes der Technik ist dies mitunter nicht der
Fall, da es temperaturabhängig
zu spontanen Formveränderungen
kommen kann, die das Brennverhalten des Brenners nachteilig beeinflussen können.
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Es
ist bevorzugt, dass die Wölbung
in Richtung der Ausbrandzone vorgesehen ist. Hierdurch wird ein
ausreichender Raum im Bereich der Startkammer zur Verfügung gestellt.
Weiterhin hat es sich erwiesen, dass die Wölbung in Richtung der Ausbrandzone
das Strömungsverhalten
in dieser Zone nicht negativ beeinflusst. Insbesondere bleibt das verwirbelte
ausgeprägte
Rückstromgebiet
im radial innenliegenden Bereich der Ausbrandzone erhalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass der Außenumfang der Prallscheibe
eine Ebene definiert und dass das Verhältnis zwischen dem maximalen axialen
Abstand der Prallscheibe von dieser Ebene und dem Durchmesser der
Prallscheibe zwischen 0,07 und 0,21 liegt. Der am weitesten ausgewölbte Punkt
der Prallscheibe liegt bezüglich
der Radialkoordinate vorzugsweise im Wesentlichen im Zentrum der
Anordnung. Von der Ebene, die der Außenumfang der Prallscheibe
definiert, hat dieser Punkt einen axialen Abstand, der durch das
angegebene Verhältnis
zum Durchmesser definiert ist.
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In
diesem Zusammenhang ist insbesondere bevorzugt, dass das Verhältnis zwischen
dem maximalen axialen Abstand der Prallscheibe von der Ebene und
dem Durchmesser der Prallscheibe bei ca. 0,14 liegt. Beispielsweise
beträgt
der runde Durchmesser der Prallscheibe ca. 40 mm, während die Auswölbung einen
Wert von ca. 5,7 mm hat.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den neuartigen
Hitzeschild mit Luftleitelementen, insbesondere in Kombination mit
der neuartigen Kraftstoffzuführung
und der neuartigen Prallscheibe, das Betriebsverhalten eines Brenners
deutlich verbessert werden kann. Dies betrifft neben dem Startverhalten
und der Möglichkeiten
im Hinblick auf die Einbaulage des Brenners im Kraftfahrzeug insbesondere
die Stabilität
des Brennerbetriebs.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand
bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Brenners;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Brennerflanschs mit darin eingesetztem
Hitzeschild; und
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Hitzeschildes.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare
Komponenten.
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Brenners. Der erfindungsgemäße Brenner 10 weist
eine Düse 12 auf,
die fest mit einem Hitzeschild 24 verbunden ist. Der Hitzeschild 24 definiert
zusammen mit einem mit dem Hitzeschild 24 verbundenen Brennerrohr 40 eine
Brennkammer 22. Das Brennkammerrohr 40 ist von
einem Außenrohr 42 umgeben,
das den Brennerflansch bildet. An diesem Außenrohr 42 ist ein
Flammrohr 38 befestigt. Die Verbindungen zwischen Hitzeschild 24 und
Brennkammerrohr 40 beziehungsweise zwischen Brennkammerrohr 40,
Außenrohr 42 und
Flammrohr 38 sind im Allgemeinen Schweißverbindungen. An der Brennstoffdüse 12 ist
eine Brennstoffzuführung 50 angeordnet,
die ein Metallrohr 52 zum Zuführen von Brennstoff sowie eine
Brennstoffnadel 14 zum Einspritzen von Brennstoff in die
Brennkammer 22 aufweist. Weiterhin sind im Bereich der
Brennstoffdüse 16 Kanäle zum Zuführen von
primärer
Brennluft in die Brennstoffdüse 20 vorgesehen,
welche an der Brennstoff nadel 14 vorbeiströmt, um dann
entlang der sich radial erweiternden Luftführung der Brennstoffdüse 12 in
Richtung Brennkammer und schließlich
in die Brennkammer 22 zu strömen. Durch die radiale Erweiterung
der Luftführung
wird eine verbesserte Zerstäubung
aufgrund des Venturi-Effektes erzielt. Innerhalb der Brennkammer 22 ist
weiterhin eine Prallscheibe 36 angeordnet, die eine vorteilhafte
Wölbung aufweist.
Diese Wölbung
in Richtung der Ausbrandzone 32 ist vorteilhaft, da hierdurch
hitzebedingte spontane Formveränderungen
der Prallscheibe 36 verhindert werden. Durch die Wölbung der
Prallscheibe 36 in Richtung der Ausbrandzone 32 steht außerdem ein
ausreichender Raum für
die Unterbringung der Startkammer 18 zur Verfügung. Die
die Startkammer 18 definierende Wandung ist an der Prallscheibe 36 angeschweißt.
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Brennerflanschs mit darin
eingesetztem Hitzeschild, und 3 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Hitzeschildes. Es wird nachfolgend
ebenfalls weiterhin auf Komponenten des Brenners gemäß 1 hingewiesen.
Der Hitzeschild 24 hat eine zentrale Öffnung 48, durch die
das von der Düse 12 abgegebene
Brennstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer eintritt. Weiterhin ist
eine seitlich angeordnete Öffnung 34 zur
Durchführung
des Zündelementes 20 vorgesehen.
An dem Hitzeschild 24 sind weiterhin Befestigungsstifte 44, 46 vorgesehen,
an denen die Düse 12 befestigt
wird. Der Hitzeschild 24 weist ferner eine Vielzahl von Öffnungen 26 auf,
durch die Sekundärluft
in die Brennkammer 22 eintreten kann. Auf der der Brennkammer 22 zugewandten
Seite des Hitzeschildes 24 sind dreieckförmige Luftleitelemente 28, 30 vorgesehen.
Diese Bewirken aufgrund der unterschiedlichen Winkel zum Radius
des Hitzeschildes 24 eine Aufteilung der Sekundärluft. Eine
erste Gruppe von Luftleitelementen, deren Mitglieder teilweise mit
dem Bezugszeichen 28 bezeichnet sind, sind in einem großem Winkel
zum Radius des Hitzeschildes 24 ausgerichtet, das heißt ihre
Ausrichtung ist im Wesentlichen oder nahezu tangential. Aufgrund
dieser Ausrichtung wird die durch die entsprechenden Öffnungen 26 durchtretende
Sekundärluft,
deren Austrittsströmungsrichtung
durch einen Pfeil angedeutet ist, mit hohem Drall an der Prallscheibe 36 vorbei
in die Ausbrandzone 32 übertreten.
Diese mit hohem Drall versehene Luft strömt im radial außenliegenden Bereich
der Ausbrandzone 32 in den hinteren Bereich der Brennkammer 22,
das heißt
in den dem Hitzeschild 24 abgewandten Bereich der Brennkammer 22,
und dann unter großer
Verwirbelung im zentralen Bereich zurück in Richtung Prallscheibe 36.
Folglich kommt es zu einer vorteilhaften Vermischung der gasförmigen Komponenten
in der Ausbrandzone 32. Eine weitere Gruppe von Luftleitelementen 30 weist in
ihrer Ausrichtung einen geringeren Winkel zum Radius des Hitzeschildes 24 auf.
Diese Luftleitelemente sind teilweise mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet.
Außerdem
haben diese Luftleitelemente 30 einen geringeren Winkel
zur Fläche
des Hitzeschildes 24 als die Luftleitelemente 28.
Folglich wird durch diese Luftleitelemente 30 Sekundärluft, deren
Austrittsströmungsrichtung
durch einen weiteren Pfeil angedeutet ist, mit geringem Drall in
den Kernbereich der Flamme geleitet, was insbesondere ein stabiles Brennverhalten
begünstigt.
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Es
wird somit ein neuartiger Spray-Brenner zur Verfügung gestellt, der im Hinblick
auf die. möglichen
Einbaupositionen, das Startverhalten und das Verhalten im Dauerbetrieb
verbessert ist. Weiterhin werden Probleme im Hinblick auf temperaturbedingte Formveränderungen
der Prallscheibe vermieden.
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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
- Brenner
- 12
- Brennerdüse
- 14
- Brennstoffnadel
- 16
- Brennluftzuführung
- 18
- Startzone
- 20
- Zündelement
- 22
- Brennkammer
- 24
- Hitzeschild
- 26
- Öffnung
- 28
- Luftleitelement
- 30
- Luftleitelement
- 32
- Ausbrandzone
- 34
- Öffnung
- 36
- Prallscheibe
- 38
- Flammrohr
- 40
- Brennerrohr
- 42
- Außenrohr
- 44
- Befestigungsstift
- 46
- Befestigungsstift
- 48
- Öffnung
- 50
- Brennstoffzuführung
- 52
- Metallrohr