DE102005054661B4

DE102005054661B4 - Brenner für ein Heizgerät mit verbesserter Brennstoffzuführung, verbessertem Hitzeschild und verbesserter Prallscheibe

Info

Publication number: DE102005054661B4
Application number: DE102005054661A
Authority: DE
Inventors: Michael PÖHNER; Fritz Widemann; Steffen Weber; Jan Steffens
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: DE102005054661A1

Abstract

Brenner für ein Heizgerät, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, mit
– einer im Wesentlichen axialsymmetrischen Brennkammer (22),
– einer Brennerdüse (12) zum Zuführen und Zerstäuben von Brennstoff, die eine Brennstoffnadel (14) zum Zuführen von Brennstoff in die Brennkammer (22) und eine Brennluftzuführung (16) zum Zuführen von Brennluft in die Brennkammer aufweist,
– einer Startzone (18), in der eine Zündung des Brennstoffs zum Start des Brenners erfolgt,
– einem Hitzeschild zwischen der Brennerdüse und der Brennkammer, wobei der Hitzeschild Öffnungen zum Zuführen von Sekundärluft in die Brennkammer aufweist, und
– einer in der Brennkammer angeordneten Prallscheibe,
dadurch gekennzeichnet,
– dass durch die Wahl des Innendurchmessers der Brennstoffnadel, (14) die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs so vorbestimmt wird, dass während einer Startphase des Brenners (10) Brennstoff in im Wesentlichen unzerstäubter Form die Startzone (18) erreicht,
– dass die Öffnungen mit...

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, mit einer im Wesentlichen axialsymmetrischen Brennkammer, einer Brennerdüse zum Zuführen und Zerstäuben von Brennstoff, die eine Brennstoffnadel zum Zuführen von Brennstoff in die Brennkammer und eine Brennluftzuführung zum Zuführen von Brennluft in die Brennkammer aufweist, einer Startzone, in der eine Zündung des Brennstoffs zum Start des Brenners erfolgt, einem Hitzeschild zwischen der Brennerdüse und der Brennkammer, wobei der Hitzeschild Öffnungen zum Zuführen von Sekundärluft in die Brennkammer aufweist, und einer in der Brennkammer angeordneten Prallscheibe.
Derartige Brenner, die auch als Zerstäubungsbrenner oder als Spray-Brenner bezeichnet werden, kommen insbesondere in Zusatzheizungen und Standheizungen für Kraftfahrzeuge zum Einsatz.
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.
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein zuverlässiges und emissionsarmes beziehungsweise qualmarmes Startverhalten bei unterschiedlichen Einbaulagen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brenner dadurch auf, 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 die Startzone erreicht, dass die Öffnungen mit Luftleitelementen ausgestattet sind, und dass die Prallscheibe eine vorgegebene Wölbung in axiale Richtung aufweist. 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. Ein Hitzeschild ist grundsätzlich nützlich, um die Düse und die Brennstoffzuführung gegen die in der Brennkammer vorliegende 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. 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.
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.
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.
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.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Luftleitelemente durch in Richtung der Brennkammer vorstehende einstückig mit dem Hitzeschild ausgebildete Laschen gebildet sind. Ein solcher Hitzeschild ist in einfacher Weise zu fertigen, beispielsweise indem mit einem v-förmigen Stanzwerkzeug La schen geformt werden, die nach oder mit dem Stanzvorgang aus der Ebene des Hitzeschildes herausgebogen werden.
Die Erfindung ist in nützlicher Weise auch dadurch weitergebildet, dass die Laschen in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche des Hitzeschildes und/oder zum Radius des Hitzeschildes ausgebildet sind. Erstrecken sich die Laschen nahezu senkrecht zum Radius des Hitzeschildes, so wird durch diese ein starker Drall eingebracht, während durch Laschen mit einem kleineren Winkel zum Radius ein geringerer Drall eingebracht wird. Laschen, 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die neuartige Kraftstoffzuführung mit einer Brennstoffnadel mit vermindertem Austrittsquerschnitt, den neuartigen Hitzeschild mit Luftleitelementen und die neuartige gewölbte Prallscheibe das Betriebsverhalten eines Brenners deutlich verbessert werden kann. Dies betrifft insbesondere das Startverhalten, die Stabilität des Brennerbetriebs und die Möglichkeiten im Hinblick auf die Einbaulage des Brenners im Kraftfahrzeug.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Brenners;
2 eine perspektivische Darstellung eines Brennerflanschs mit darin eingesetztem Hitzeschild; und
3 eine perspektivische Darstellung eines Hitzeschildes.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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 Brennstoffnadel 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 Formverän derungen 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.
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 Austrittsströmungsrich tung 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.
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.
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.

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

Claims

Brenner für ein Heizgerät, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, mit – einer im Wesentlichen axialsymmetrischen Brennkammer (22), – einer Brennerdüse (12) zum Zuführen und Zerstäuben von Brennstoff, die eine Brennstoffnadel (14) zum Zuführen von Brennstoff in die Brennkammer (22) und eine Brennluftzuführung (16) zum Zuführen von Brennluft in die Brennkammer aufweist, – einer Startzone (18), in der eine Zündung des Brennstoffs zum Start des Brenners erfolgt, – einem Hitzeschild zwischen der Brennerdüse und der Brennkammer, wobei der Hitzeschild Öffnungen zum Zuführen von Sekundärluft in die Brennkammer aufweist, und – einer in der Brennkammer angeordneten Prallscheibe, dadurch gekennzeichnet, – dass durch die Wahl des Innendurchmessers der Brennstoffnadel, (14) die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs so vorbestimmt wird, dass während einer Startphase des Brenners (10) Brennstoff in im Wesentlichen unzerstäubter Form die Startzone (18) erreicht, – dass die Öffnungen mit Luftleitelementen ausgestattet sind, und – dass die Prallscheibe eine vorgegebene Wölbung in axiale Richtung aufweist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Brennstoffnadel (14) zwischen 0,5 und 0,7 mm liegt.
Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Brennstoffnadel (12) ca. 0,6 mm beträgt.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startzone als Startkammer (18) ausgebildet ist, in die ein Zündelement (20) hineinragt.
Brenner nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitelemente durch in Richtung der Brennkammer vorstehende einstückig mit dem Hitzeschild ausgebildete Laschen (28, 30) gebildet sind.
Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laschen (28, 30) in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche des Hitzeschildes und/oder zum Radius des Hitzeschildes (24) ausgebildet sind.
Brenner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laschen (28, 30) gruppenweise in im wesentlichen identischen Winkeln zur Oberfläche des Hitzeschildes (24) und/oder zum Radius des Hitzeschildes ausgebildet sind.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass der Brenner (10) eine Ausbrandzone (32) aufweist und – dass die der Ausbrandzone zugeführte Sekundärluft einen höheren Drall als die der Startzone zugeführte Sekundärluft aufweist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (24) eine Öffnung (34) zur Durchführung eines Zündelementes aufweist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung der Prallscheibe (36) in Richtung der Ausbrandzone (30) vorgesehen ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, – 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.
Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem maximalen axialen Abstand der Prallscheibe (36) von der Ebene und dem Durchmesser der Prallscheibe (36) bei ca. 0,14 liegt.