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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammerbaugruppe, insbesondere
für ein
Fahrzeugheizgerät,
umfassend ein Brennkammergehäuse,
in welchem durch eine Brennkammeraußenwandung eine Brennkammer
begrenzt ist, wobei die Brennkammer eine Brennkammeraustrittsöffnung aufweist zum
Austritt von bei Verbrennung erzeugten Abgasen zu einem Flammrohr.
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Eine
derartige Brennkammerbaugruppe, wie sie im Allgemeinen Einsatz findet
bei als Fahrzeugstandheizungen oder Zusatzheizern eingesetzten Heizgeräten und
aus der
DE 195 29
994 A1 bekannt ist, ist in der
1 dargestellt.
Diese aus dem Stand der Technik bekannte Baugruppe
10s umfasst
ein Brennkammergehäuse
12s,
das mit einer näherungsweise
zylindrisch ausgebildeten Außenwandung
14s eine
Brennkammer
16s nach radial außen hin begrenzt. Von einem
Bodenbereich
18s des Brennkammergehäuses
12s erstreckt
sich koaxial zur Außenwandung
14s und
bezüglich
einer Längsachse
A der Brennkammerbaugruppe
10s eine näherungsweise zylindrische Innenwandung
20s,
die durch einen Abschlussbereich
22s axial abgeschlossen
ist. Die Außenwandung
14s und
die Innenwandung
20s definieren somit eine Brennkammer
16s mit
näherungsweise
ringartiger Gestalt, die im Bereich einer entsprechenden ringförmigen Austrittsöffnung
24s axial
in Richtung zu einem an das Brennkammergehäuse
12s anschließenden Flammrohr
26s offen
ist. In der Innenwandung
20s sind mehrere Lufteintrittsöffnungen
28s vorgesehen,
durch welche hindurch die zur Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft
in die Brennkammer
16s auch unter der Förderwirkung eines nicht dargestellten
Gebläses gelangen
kann.
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An
einer der Brennkammer zugewandten Innenseite 30s der Außenwandung 14s ist
eine beispielsweise aus Vliesmaterial oder sonstigem porösen Material
gebildete Auskleidung 32s vorgesehen. Auch an der Innenwandung 20s kann
an deren zur Brennkammer 16s hin gewandt liegenden Seite 34s eine
aus Metallgestrick gebildete Auskleidung 36s aus Schalldämmungsgründen vorgesehen
sein. Über
eine Brennstoffzuführleitung 39s wird
der Brennstoff in die Brennkammer 16s eingeleitet, wobei
dies beispielsweise durch eine nicht dargestellte Zerstäuberdüse erfolgen
kann oder auch durch Einleitung beispielsweise in die Auskleidung 30s unter Ausnutzung
einer Verdampfungswirkung. Ferner ragt in die Brennkammer 16s ein
nicht dargestelltes Zündorgan,
beispielsweise ein Glühzündstift,
welcher am Beginn einer Betriebsphase dafür sorgt, dass der durch Zerstäubung oder
Verdampfung in die Brennkammer 16s gelangte Brennstoff
gezündet
wird und somit die Verbrennung beginnt. Die bei der Verbrennung
in der Brennkammer 16s erzeugten Abgase bzw. auch die Verbrennungsflamme
treten im Bereich der Austrittsöffnung 24s aus
dem Brennkammergehäuse 12s aus
und strömen,
wie durch Pfeile angedeutet, durch eine zentrale Öffnung 38s einer
im Flammrohr 26s der Austrittsöffnung 24s des Brennkammergehäuses 12s gegenüber liegend
positionierten Abgasblende 40s hindurch. Die dann entlang des
Flammrohrs 26s strömenden
durch Verbrennung erzeugten sehr heißen Abgase treten im Bereich
einer Flammrohraustrittsöffnung 42s aus
dem Flammrohr aus und werden, wie durch Pfeile ebenfalls dargestellt,
durch ein des Flammrohr außen
umgebendes, in der Figur nicht dargestelltes Wärmetauschergehäuse umgelenkt,
so dass sie an der Außenseite des
Flammrohrs 26s zurückströmen und
dabei des Wärmetauschergehäuse und
das im Wärmetauschergehäuse strömende Medium
erwärmen.
Die sich dabei abkühlenden
Abgase strömen
zurück
in Richtung Brennkammergehäuse 12s und
treten dann, nachdem sie ggf. entlang eines Teilbereichs der von
der Brennkam mer 16s abgewandt liegenden Außenseite 44s der
Außenwandung 14s geströmt sind, über ein
Abgasleitungssystem zur Umgebung hin aus.
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Ein
Problem bei derartigen Brennkammerbaugruppen bzw. diese aufweisenden
Heizgeräten ist,
dass in axialer Richtung ein vergleichsweise starkes Temperaturgefälle vorhanden
ist. Die Temperatur im Bereich des Flammrohrs ist vergleichsweise
hoch, während
die Temperatur im Bereich des Brennkammergehäuses vergleichsweise gering
ist. Auch die an der Außenseite
des Flammrohrs ggf. zurückgeführten Abgase
sind bereits soweit abgekühlt,
dass sie zu einer wesentlichen Erwärmung des Brennkammergehäuses nicht
mehr beitragen können.
Daraus resultieren Verkokungsprobleme im Bereich der Auskleidungen 32s, 36s,
der Verbrennungslufteintrittsöffnungen 28s und
des nicht dargestellten Zündorgans. Insbesondere
wird bei Einleitung des Brennstoffs über poröse Materialien unter Ausnutzung
der Brennstoffverdampfung vor allem bei sehr niedrigen Außentemperaturen
die Startphase, d. h. die Phase bis zum Erreichen der geforderten
Nennleistung, sehr lange sein.
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Die
DE 12 57 396 B offenbart
einen Zerstäuberbrenner,
bei welchem durch das Vorsehen eines als Verdrängerkörper wirkenden Gehäuses in
einer Vorbrennkammer dafür
gesorgt wird, dass die am diesem Gehäuse austretenden Verbrennungsabgase bzw.
die Verbrennungsflamme durch einen ringförmigen Zwischenraum zwischen
diesem Gehäuse
und einer Außenwand
hindurchströmt,
wobei zwangsweise dafür
gesorgt ist, dass ein Teil der Verbrennungsabgase zurück in dieses
Gehäuse
strömt.
Durch die Umspülung
dieses Gehäuses
und das Rückführen der
Verbrennungsgase bzw. der Flamme in das Gehäuse wird eine Kondensation
von unverbranntem Brennstoff vermieden.
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Die
DE 43 04 057 A1 offenbart
einen Heizkessel, bei welchem die aus einem Brenner austretende
Flamme zunächst
durch ein zylindrisches Gehäuse
des Feuerungsraums hindurchgeleitet wird, an dessen Enden axial
umgelenkt wird, so dass nach Rückführung ein
Teil der Verbrennungsabgase wieder in die Flamme eingeleitet wird,
ein weiterer Teil nach außen
bzw. in Richtung zu einem Wärmetauscher
abgeleitet wird.
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Die
41 11 915 C2 zeigt ebenfalls einen Heizkessel, bei welchem die aus
einem Brenner austretende Flamme zunächst durch ein zylindrisches
Gehäuse
hindurchgeleitet wird, dann axial zum Strömen entlang der Außenseite
des Gehäuses
in entgegengesetzter Richtung umgelenkt wird, woraufhin ein Teil der
Verbrennungsabgase nach außen
bzw. zum Wärmetauscherbereich
abgeleitet wird, während
ein anderer Teil wieder in die Flamme zurückgespeist wird.
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Die
DE 43 19 775 A1 offenbart
einen Brenner, bei welchem die aus einer Brennkammer austretende
Flamme bzw. Verbrennungsabgase nach Durchtritt durch eine Öffnung in
einer Trennwand hindurch und einen konischen Leitring umgelenkt
wird, so dass ein Teil der Verbrennungsabgase, nachdem er entlang
der Außenseite
des konischen Leitrings zurückgeströmt ist,
wieder in den von diesem Leitring umgebenen Raum eintritt und sich
dabei mit den die Brennkammer verlassenden Verbrennungsabgasen bzw.
der Flamme vermischt.
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Aus
der
US 5,062,371 ist
ein Heizbrenner bekannt, bei welchem ein langgestrecktes, röhrenartiges
Brennkammergehäuse
in einem kegelstumpfartig sich verjüngenden Abschnitt endet. In
diesem sich verjüngenden
Abschnitt ist eine zentrale Öffnung
für den
Austritt der Verbrennungsabgase bereitgestellt. Dieser Öffnung liegt
mit Abstand ein ebenfalls kegelstumpfartiges Ablenkelement gegenüber, das
eine zentrale Öffnung
aufweist. In axialer Richtung, d. h. in Längsrichtung des Brennkammergehäuses zwischen dem
Ablenkelement und dem kegelstumpfartigen Ende des Brennkammergehäuses, ist
ein ringartiges Element vorgesehen, das für eine weitere Ablenkung der
bereits von dem Ablenkelement umgelenkten Abgasströmung sorgt.
Zwischen dem axialen Ende des Brennkammergehäuses und dem ringartigen Element
einerseits und dem ringartigen Element und dem kegelstumpfartigen
Ablenkelement andererseits ist jeweils ein axialer Zwischenraum
bereitgestellt. Durch diese Anordnungen wird dafür gesorgt, dass im Brennkammergehäuse vor
dem Austrittsende desselben eine Verwirbelung erzeugt wird.
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Die
WO 87/06605 offenbart einen
Brenner mit röhrenartiger,
langgestreckter Form. Auch dieser Brenner weist ein sich verjüngendes
Ende mit einer zentralen Abgasaustrittsöffnung auf. In diesem Endbereich
ist das Brennkammergehäuse
von einem kegelstumpfartigen Ablenkelement umgeben, das eine zentrale Öffnung aufweist.
Durch dieses Ablenkelement wird ein Teil der das Brennkammergehäuse verlassenden
Abgase umgelenkt. Um einen Flammenaustritt aus dem Brennkammergehäuse zu vermeiden,
ist im Längenmittenbereich
desselben ein als Flammsperre wirksames kegelartiges Einsatzteil vornanden,
das den Innenvolumenbereich des Brennkammergehäuses unterteilt, so dass für die Flammenausbreitung
ein wesentlich reduziertes Volumen bereitgestellt ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Brennkammerbaugruppe
derart weiterzubilden, dass die durch zu geringe Temperaturen im
Bereich des Brennkammergehäuses
auftretenden Probleme im Wesentlichen beseitigt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe gelöst
durch eine Brennkammerbaugruppe gemäß Anspruch 1.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt also zumindest einen Teil der bei der
Verbrennung erzeugten und somit sehr heißen Abgase, um diese unmittelbar beim
Verlassen des Brennkammergehäuses
und noch vor dem Eintritt in das Flammrohr in einen Bereich zu leiten,
in welchem sie zur wesentlichen Erwärmung des Brennkammergehäuses beitragen können. Dies
führt zu
einer deutlichen Reduzierung der bei der Verbrennung anfallenden
Rußmenge
und dementsprechend auch einer deutlichen Reduzierung der im Brennkammerbereich
auftretenden Ablagerungen. Durch die Erwärmung der Brennkammerbaugruppe
wird gleichzeitig auch dafür
gesorgt, dass die Startphase verkürzt werden kann, da von Anfang an
die sich über
die gesamte Brennkammer ausbreitende Verbrennung bei höherer Temperatur
ablaufen wird.
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Auf
diese Art und Weise wird ferner sichergestellt, dass nur ein Teilstrom
der aus der Brennkammeraustrittsöffnung
herausströmenden
Abgase zur Ausnutzung von deren Wärme umgelenkt wird, während ein
weiterer Teil der bei der Verbrennung entstehenden Abgase inmittelbar
in das Flammrohr einströmt.
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Durch
das Aufteilen in zwei Teilströme,
nämlich
einen direkt in das Flammrohr einströmenden Hauptstrom und einen
zur Erwärmung
umgelenkten und erst nachfolgend in das Flammrohr eingeleiteten Teilstrom,
wird ein nach dem Injektorprinzip arbeitender Aufbau geschaffen,
bei welchem durch den direkt in das Flammrohr einströmende Teilstrom
ein Unterdruck erzeugt wird, welcher im Wesentlichen dafür verantwortlich
ist, dass ein Teil der die Brennkammer verlassenden Gase bzw. Abgase
durch die Ablenkblende in definierter Art und Weise zum Umströmen des
Brennkammergehäuses
an seiner Außenseite umgelenkt
wird.
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Um
für eine
sichere Umlenkung von die Brennkammer verlassenden Abgasen zu sorgen, wird
vorgeschlagen, dass die Ablenkblende mit einer Blendenaußenwandung
das Brennkammergehäuse wenigstens
bereichsweise übergreift.
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Eine
in strömungstechnischer
Hinsicht besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass
die Ablenkblende mit hohlkegelstumpfartiger Form ausgebildet ist
und dass das Brennkammergehäuse
in die Ablenkblende eingreift. Weiter ist erfindungsgemäß zwischen
der Ablenkblende und dem Flammrohr ein den abgelenkten Abgasstrom
in Richtung zu einer Flammrohraustrittsöffnung führender Strömungskanalbereich gebildet.
Dieser Strömungskanalbereich
weist eine Drosselfunktion auf, so dass durch die Vorgabe des Strömungsquerschnitts
in diesem Bereich auch unter Berücksichtigung
des vorangehend beschriebenen und durch den in das Flammrohr direkt
gehenden Hauptstrom erzeugten Unterdrucks die Strömungsrate
der zur Brennkammergehäuseerwärmung beitragenden
Abgase eingestellt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Heizgerät, insbesondere
für ein
Fahrzeug, bei welchem Heizgerät
eine erfindungsgemäße Brennkammerbaugruppe
vorgesehen ist.
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Nachfolgend
wird mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen die erfindungsgemäße Brennkammerbaugruppe
beschrieben. In diesen Zeichnungen zeigt:
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1 eine
Längsschnittansicht
einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennkammerbaugruppe;
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2 eine
Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Brennkammerbaugruppe.
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Die
in der 2 dargestellte erfindungsgemäße Brennkammerbaugruppe 10 entspricht
hinsichtlich wesentlicher Konstruktionsmerkmale der vorangehend
bereits ausführlich
mit Bezug auf die 1 diskutierten und aus dem Stand
der Technik bekannten Brennkammerbaugruppe. So weist auch die erfindungsgemäße Brennkammerbaugruppe 10 ein
Brennkammergehäuse 12 mit
einer Außenwandung 14 und
einer Innenwandung 20 auf, die zwischen sich eine näherungsweise
ringförmige
Brennkammer 16 begrenzen. Diese ist über die Brennkammeraustrittsöffnung 24 axial
offen. An der der Brennkammer 16 zugewandten Innenseite
der Außenwandung 14 ist
die Auskleidung 32 vorgesehen. In entsprechender Weise
ist auch an der Innenwandung 20 wiederum die Auskleidung 36 vorhanden.
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Die
Abgasblende 40 bildet bei der erfindungsgemäßen Brennkammerbaugruppe 10 eine
allgemein mit 50 bezeichnete Ablenkanordnung. Man erkennt,
dass auch bei dieser Abgasblende 40 eine zentrale, zur
Längsachse
A näherungsweise
konzentrische Öffnung 38 vorhanden
ist, deren Außenabmessung,
also beispielsweise Durchmesser, kleiner ist, als die entsprechende
Außenabmessung
der Brennkammer 16, wobei diese Außenabmessung im Wesentlichen
vorgegeben ist durch die Außenwandung 14 bzw.
die Auskleidung 32. Die Abgasblende 40 weist radial
außen
angrenzend an ihre der Austrittsöffnung 24 gegenüber liegende
Stirnwandung 52 eine Außenwandung 54 auf.
Die Außenwandung 54 und
die Stirnwandung 52 bilden zusammen im Wesentlichen eine
kegelstumpfartige Topfform, wobei, wie man in 2 erkennen
kann, zumindest in einem Teilbereich die Außenwandung 54 derart
bemessen ist, dass sie eine größere Abmessung,
beispielsweise wieder Durchmesser, aufweist, als die Außenwandung 14 des
Brennkammergehäuses 12.
Die Abgasblende 40 ist derart positioniert, dass sie axial
das Brennkammergehäuse 12 teilweise übergreift.
Daraus resultiert, dass zwischen der Außenwandung 14 des
Brennkammergehäuses 12 und
der Außenwandung 54 der
Abgasblende 40 ein ringartiger Strömungsraum 56 gebildet
ist, durch welchen zumindest ein Teil der auf die Stirnwandung 52 auftreffenden und
somit durch diese Stirnwandung 52 und auch die Außenwandung 54 abgelenkten
Abgase strömen wird.
Dabei strömen
diese Abgase entlang der Außenseite 44 der
Außenwandung 14 des
Brennkammergehäuses 12 und übertragen
dabei Wärme
auf das Brennkammergehäuse 12.
Nachdem die eine sehr hohe Temperatur aufweisenden Abgase entlang dieser
Außenseite 44 geströmt sind,
werden sie durch ein das Brennkammergehäuse 12 radial außen umgebendes
weiteres Gehäuse 58 wieder
umgelenkt, und gelangen nunmehr in einen weiteren Strömungskanalbereich 60,
der zwischen der Außenwandung 54 der
Abgasblende 40 und einem sich enstsprechend der Formgebung
der Außenwandung 54 der
Abgasblende 40 konusartig erweiternden Abschnitt 62 des
Flammrohrs 26 gebildet ist. Nach dem Durchströmen dieses
Bereichs 62 gelangt der zuvor zweifach axial umgelenkte
Abgasstrom in denjenigen Bereich des Flammrohrs 26, in
welchen der unmittelbar aus der Austrittsöffnung 24 ausgetretene
und durch die Durchtrittsöffnung 38 der
Abgasblende 40 hindurch gelangte Abgasteilstrom strömt. Der
unmittelbar durch die Durchtrittsöffnung 38 in das Flammrohr 26 eintretende
Teilstrom der Gase bzw. Abgase erzeugt bei einer derartigen Anordnung
also einen Unterdruck im radial äußeren Bereich,
d. h. auch in demjenigen Bereich, in welchem der Strömungskanalbereich 60 dann
in den verbleibenden Teil des Flammrohrs 26 einmündet. Dieser
Unterdruck ist im Wesentlichen auch dafür verantwortlich, dass die
auf die Abgasblende 40 auftreffenden Gase zumindest teilweise
nach radial außen
umgeleitet und somit in den Raumbereich 56 an der Außenseite 44 der
Außenwandung 14 gelangen.
Dabei hat also die Abgasblende 40 die wesentliche Funktion,
den Strömungsweg
für die
abgelenkten und vor allem durch Unterdruckwirkung geförderten
Abgase vorzugeben und somit dafür
zu sorgen, dass die Außenseite 44 der Außenwandung 14 im
gewünschten
Ausmaß umströmt und somit
erwärmt
wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Brennkammerbaugruppe 10 wird also erreicht, dass ein Teil
der mit sehr hoher Temperatur die Brennkammer 16 verlassenden
Abgase unmittelbar, also noch vor dem Eintritt in das Flammrohr 26,
dazu genutzt wird, um zumindest einen Teil der bei der Verbrennung
entstehenden Wärme
auf das Brennkammergehäuse 12 selbst
zu übertragen.
Versuche haben gezeigt, dass damit eine Erhöhung der Temperatur des Brennkammergehäuses 12 insbesondere
im Bereich des Bodens 18 um etwa 280°C erlangt werden kann, so dass
die Temperatur in diesem Bereich sehr schnell Werte zwischen 400°C und 500°C erreicht.
Es wird damit neben dem schnellen Erreichen hoher Temperaturen auch
eine deutlich gleichmäßigere Temperaturverteilung
erlangt, was zur Folge hat, dass die Startphase beim Zünden und
bis zum Hochlaufen bis zur geforderten Nennleistung deutlich verkürzt werden
kann. Das Erfindungsprinzip ist des Weiteren im Wesentlichen unabhängig vom
eingesetzten Brennstoff, da die im Bereich der Brennkammer erzeugten
Temperaturen über
den Siedetemperaturen der für
derartige Brennkammern bzw. diese aufweisende Heizgeräte eingesetzten
Brennstoffe, wie z. B. Diesel oder Heizöl, liegen. Neben einem deutlich
effizienteren Betrieb kann des Weiteren eine deutliche Minderung
der bei der Verbrennung erzeugten Rußanteile und der sich im Bereich
der die Brennkammer begrenzenden Wandungen niederschlagenden Ablagerungen
erreicht werden.