DE10207311A1 - Zerstäuberdüse für einen Brenner, insbesondere für ein an einem Fahrzeug einsetzbares Heizgerät - Google Patents
Zerstäuberdüse für einen Brenner, insbesondere für ein an einem Fahrzeug einsetzbares HeizgerätInfo
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zerstäuberdüse für einen Brenner, insbesondere für ein an einem Fahrzeug eingesetzes Heizgerät, umfassend ein eine Strömungsführungsoberfläche bereitstellendes erstes Strömungsführungselement, das in einem axialen Endbereich bezüglich einer Düsenmittenachse eine Zerstäuberlippe aufweist, ein zusammen mit dem ersten Strömungsführungselement einen zur Zerstäuberlippe führenden ersten Strömungsraumbereich begrenzendes zweites Strömungsführungselement sowie eine Brennstoffzuführanordnung in dem zweiten Strömungsführungselement zum Aufbringen von Brennstoff durch den ersten Strömungsraumbereich hindurch auf die Strömungsführungsoberfläche des ersten Strömungsführungselements.
- Aus der EP 0 910 776 B1 ist ein bei Gasturbinen einsetzbarer Brenner bekannt. Bei diesem Brenner wird durch eine Einspritzdüse Brennstoff auf eine Strömungsführungsoberfläche eines in einer Zerstäuberlippe endenden Strömungsführungselementes gespritzt. Dabei durchquert der unter hohem Druck die Einspritzdüse verlassende Brennstoff einen zur Zerstäuberlippe führenden Strömungsraumbereich, bevor er zur weiteren Verteilung und zur Zerstäubung auf die Strömungsführungsoberfläche des Strömungsführungselements gelangt. Der Brennstoff wird dabei von einer Oberfläche der Zerstäuberdüse abgegeben, die eine zu einer Düsenmittenachse im Wesentlichen parallele Flächennormale aufweist. Der auch teilweise radial gerichtete Brennstoffstrom muss mit hohem Druck abgegeben werden, um sicherzustellen, dass dieser nicht mit der Luftströmung mitgerissen wird, bevor er auf die Strömungsführungsoberfläche des Strömungsführungselements gelangt.
- Vor allem beim Einsatz im Bereich von Automobilen ist die Zufuhr von Brennstoff unter hohem Druck kritisch. Grund hierfür ist, dass die Brennstoffzuführleitungen häufig an Bauteilen vorbeigeführt werden müssen, die sehr hohe Temperaturen aufweisen. Eine Leckage im Bereich dieser Leitungen hätte zur Folge, dass der unter hohem Druck stehende Brennstoff im Bereich dieser Leckage austritt und dabei ggf. zerstäubt wird. Dies zieht die Gefahr einer sofortigen Brennstoffentzündung im Bereich derartiger Leckagen nach sich.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Zerstäuberdüse derart weiterzubilden, dass diese bei hoher Betriebssicherheit für eine zuverlässige Brennstoffverteilung bzw. Zerstäubung sorgt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Zerstäuberdüse für einen Brenner, insbesondere für ein an einem Fahrzeug eingesetzes Heizgerät, umfassend ein eine Strömungsführungsoberfläche bereitstellendes erstes Strömungsführungselement, das in einem axialen Endbereich bezüglich einer Düsenmittenachse eine Zerstäuberlippe aufweist, ein zusammen mit dem ersten Strömungsführungselement einen zur Zerstäuberlippe führenden ersten Strömungsraumbereich begrenzendes zweites Strömungsführungselement sowie eine Brennstoffzuführanordnung in dem zweiten Strömungsführungselement zum Aufbringen von Brennstoff durch den ersten Strömungsraumbereich hindurch auf die Strömungsführungsoberfläche des ersten Strömungsführungselements.
- Erfindungsgemäß ist dabei weiter vorgesehen, dass die Brennstoffzuführanordnung wenigstens einen Brennstoffzuführkanalabschnitt in dem zweiten Strömungsführungselement aufweist, welcher Brennstoffzuführkanalabschnitt zu einem Oberflächenbereich des zweiten Strömungsführungselements offen ist, der eine von Null verschiedene Flächennormalen-Radialkomponente aufweist.
- Bei der vorliegenden Erfindung wird dafür gesorgt, dass der Brennstoff ohne die Notwendigkeit der Zufuhr unter hohem Druck bereits mit einer Radialkomponente aus dem wenigstens einen Brennstoffzuführkanalabschnitt austritt. Die Gefahr, dass Brennstoffpartikel dann, ohne auf die Strömungsführungsoberfläche des ersten Strömungsführungselementes zu gelangen, in dem den Strömungsraumbereich durchströmenden Luftstrom mitgeführt werden, ist somit im Wesentlichen ausgeschaltet.
- Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das zweite Strömungsführungselement stromabwärts des Öffnungsbereichs des wenigstens einen Brennstoffzuführkanalabschnitts bezüglich der Düsenmittenachse sich verjüngend ausgebildet ist.
- Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das zweite Strömungsführungselement stromabwärts des Öffnungsbereichs des wenigstens einen Brennstoffzuführkanalabschnitts bezüglich der Düsenmittenachse sich erweiternd ausgebildet ist. Die sich erweiternde Konfiguration des zweiten Strömungsführungselements kann dann weiter dazu genutzt werden, an dem zweiten Strömungsführungselement stromabwärts des Öffnungsbereichs des wenigstens einen Brennstoffzuführkanalabschnitts eine Brennstoffabgabelippe vorzusehen. Der aus dem Brennstoffzuführkanalabschnitt austretende Brennstoff bewegt sich also entlang der sich nach radial außen erweiternden Oberfläche des zweiten Strömungsführungselements und gelangt unter Durchführung einer Vorverteilung in Umfangsrichtung zur Brennstoffabgabelippe, von welcher aus er dann weiter in Richtung nach radial außen zur Strömungsführungsoberfläche des ersten Strömungsführungselements bewegt wird.
- Ein zuverlässiger Transport des Brennstoffs entlang des zweiten Strömungsführungselements in Richtung zur Brennstoffabgabelippe kann dadurch sichergestellt werden, dass die Flächennormale in dem Oberflächenbereich des zweiten Strömungsführungselements einem den ersten Strömungsraumbereich durchströmenden Strom im Wesentlichen entgegengerichtet ist.
- Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform kann eine möglichst gleichmäßige Brennstoffzufuhr dadurch erlangt werden, dass in dem zweiten Strömungsführungselement eine Mehrzahl von Brennstoffzuführkanalabschnitten ausgebildet ist, die an zueinander in Umfangsrichtung bezüglich einer Düsenmittenachse aufeinander folgenden Öffnungsbereichen zu jeweiligen Oberflächenbereichen des zweiten Strömungsführungselements offen sind. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Brennstoffzuführkanalabschnitt im Wesentlichen in Richtung der Flächennormalen in den Oberflächenbereich einmündet.
- Um einen zuverlässigen Transport der vom zweiten Strömungsführungselement abgegebenen Brennstoffmenge nach radial außen zu unterstützen, wird vorgeschlagen, dass zum Erzeugen einer Drallströmung in dem ersten Strömungsraumbereich wenigstens ein Ablenkelement vorgesehen ist. Durch das Vorsehen eines Dralls in dem den ersten Strömungsraumbereich durchströmenden Luftstrom wird sichergestellt, dass durch Erzeugung entsprechender Zentrifugalkräfte die vom zweiten Strömungsführungselement abgegebenen Brennstoffpartikel nach radial außen in Richtung zur Strömungsführungsoberfläche des ersten Strömungsführungselementes geschleudert werden.
- Um bei der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse für eine gleichmäßige und zuverlässige Zerstäubung des dem ersten Strömungsführungselement zugeführten Brennstoffs zu sorgen, wird vorgeschlagen, dass das erste Strömungsführungselement zusammen mit einem dritten Strömungsführungselement einen zweiten Strömungsraumbereich begrenzt.
- Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Heizgerät mit einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse. Bei diesem Heizgerät kann dann ein Brennstoffzuführsystem vorgesehen sein zum Zuführen von Brennstoff zu dem wenigstens einen Brennstoffzuführkanalabschnitt mit einem Druck von bis zu 2,0 bar, vorzugsweise bis zu 1,5 bar, über dem im ersten Strömungsraumbereich vorherrschenden Druck.
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
- Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasführungssystems in einem Kraftfahrzeug, in welchem ein Heizgerät mit einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse vorgesehen ist;
- Fig. 2 eine vergrößerte Prinzip-Längsschnittansicht einer ersten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse;
- Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einer alternativen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse.
- Bevor im Folgenden mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 der konstruktive Aufbau erfindungsgemäßer Zerstäuberdüsen detailliert beschrieben wird, wird zunächst mit Bezug auf Fig. 1 ein Gesamtsystem beschrieben, in welchem ein allgemein mit 10 bezeichneter Heizbrenner, der eine erfindungsgemäße Zerstäuberdüse 12 aufweist, vorgesehen ist. Der Heizbrenner 10 ist in einem erweiterten Abschnitt 14 eines Abgasführungssystems 16 in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Der über eine Brennstoffleitung 18 zugeführte Brennstoff wird in der Zerstäuberdüse 12 zerstäubt und zusammen mit der ebenfalls über die Zerstäuberdüse 12 zugeführten Verbrennungsluft in einer Brennkammer 20 verbrannt. Durch ein Zündorgan 22, beispielsweise einen Glühzündstift, wird diese Verbrennung ausgelöst. Die den Heizbrenner 10 von stromaufwärts anströmenden und dann radial außen umströmenden Verbrennungsabgase von einer Brennkraftmaschine durchströmen ein kegelartig ausgebildetes Lochblech 24 und werden dabei durch die die Brennkammer 20 verlassenden erhitzten Verbrennungsabgase des Heizbrenners 10 derart erwärmt, dass sie weiter stromabwärts zur Regeneration eines Partikelfilters beitragen.
- Es ist selbstverständlich, dass der erfindungsgemäße Heizbrenner 10 mit der darin vorgesehenen Zerstäuberdüse 12 auch in anderen Systembereichen, wie z. B. einer Standheizung, einem Zuheizer oder einem sogenannten Kat-Heizer zum Vorerwärmen eines Katalysators eingesetzt werden kann.
- Zum Aufbau der Zerstäuberdüse 12 sei mit Bezug auf die Fig. 1 noch ausgeführt, dass dieser von radial außen über einen Luftzuführbereich 26 Luft zugeführt wird, die dann in einem ringartigen Raumbereich 28 auf zwei Strömungsraumbereiche 30, 32 verteilt wird. Die beiden Strömungsraumbereiche 30, 32 sind durch ein erstes Strömungsführungselement 34 voneinander getrennt. Zusammen mit einem auch als Bodenteil zu betrachtenden zweiten Strömungsführungselement 36 begrenzt das erste Strömungsführungselement 34 den ersten Strömungsraumbereich 30, während das erste Strömungsführungselement 34 zusammen mit einem dritten Strömungsführungselement 38 den zweiten Strömungsraumbereich 32 begrenzt. Der detaillierte Aufbau dieser Zerstäuberdüse 12 wird zunächst mit Bezug auf die Fig. 2 weiter beschrieben.
- Man erkennt in Fig. 2 detailliert das erste Strömungsführungselement 34, das an seinen beiden Seiten jeweilige Strömungsführungsoberflächen 40, 42 bereitstellt. Die radial innere Strömungsführungsoberfläche 40 begrenzt zusammen mit einer Strömungsführungsoberfläche 44 des zweiten Strömungsführungselements 36 den ersten Strömungsraumbereich 30. Die radial äußere Strömungsführungsoberfläche 42 begrenzt mit einer Strömungsführungsoberfläche 46 des dritten Strömungsführungselements 38 den zweiten Strömungsraumbereich 32. Die beiden Strömungsführungsoberflächen 40, 42 des ersten Strömungsführungselements 34, welche bezogen auf eine Düsenmittenachse A im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und sich asymptotisch verjüngend ausgebildet sind, enden in einem näherungsweise zylindrischen Endabschnitt derselben in einer Zerstäuberlippe 48.
- Sowohl im ersten Strömungsraumbereich 30 als auch im zweiten Strömungsraumbereich 32 sind zwischen den diese beiden Strömungsraumbereiche 30, 32 begrenzenden Bauteilen jeweils schaufelartige Ablenkelemente 50, 52 vorgesehen, welche dafür sorgen, dass die von dem Ringraum 28 nach radial innen eintretende Luftströmung eine Umfangsströmungsrichtungskomponente erhält, so dass sich ein innerer Drallstrom Si und ein äußerer Drallstrom Sa bilden.
- Eine allgemein mit 54 bezeichnete Brennstoffzuführanordnung umfasst ausgehend von einer Zentralleitung 56 mehrere nach radial außen führende Brennstoffzuführkanalabschnitte 58. Diese sind in jeweiligen Öffnungsbereichen 60 zur Strömungsführungsoberfläche 44 des zweiten Strömungsführungselements 36 offen. In den Bereichen, in welchen die Öffnungsbereiche 60 liegen, weist die Strömungsführungsoberfläche 44 eine derartige Orientierung auf, dass die Flächennormale F eine von Null verschiedene Radialkomponente aufweisen, d. h. nicht rein axial gerichtet ist. Man erkennt des Weiteren, dass die Brennstoffzuführkanalabschnitte 58 zumindest nahe ihrer Öffnungsbereiche 60 eine Erstreckungsrichtung aufweisen, die näherungsweise parallel zur Flächennormalen F liegt. Stromabwärts der Öffnungsbereiche 60 ist das zweite Strömungsführungselement 36 mit seiner Strömungsführungsoberfläche 44 sich noch verjüngend ausgebildet.
- Bei Brennstoffeinleitung über die Zentralleitung 56 und dann die Brennstoffzuführkanalabschnitte 58 wird der Brennstoff bereits mit einer wesentlichen Radialkomponente in den Strömungsraumbereich 30 abgegeben. Die Radialbewegung des Brennstoffs wird dadurch noch weiter unterstützt, dass er bei Austritt aus den Öffnungsbereichen 60 von der inneren Drallströmung S. erfasst wird und durch diese ebenfalls eine Umfangsbewegungskomponente erfährt. Durch die dabei erzeugten Zentrifugalkräfte wird der Brennstoff verstärkt nach radial außen geschleudert, so dass er schließlich in zuverlässiger Art und Weise auf die Strömungsführungsoberfläche 40 des ersten Strömungsführungselements 34 gelangt. Dort wird ein Brennstofffilm 62 gebildet, der sich dann unter der Einwirkung der den Strömungsraumbereich 30 durchströmenden inneren Drallströmung S. in Richtung Zerstäuberlippe 48 bewegt. An dieser wird er durch die Scherwirkung der beiden Drallströmungen Si und Sa zerstäubt, um stromabwärts der Zerstäuberlippe 38 dann ein zündfähiges Gemisch aus zerstäubtem Brennstoff und Verbrennungsluft zu erzeugen. Vorzugsweise wird die gesamte Verbrennungsluft in Form der beiden Drallströme Si und Sa zugeführt.
- Bei der in Fig. 2 dargestellten Zerstäuberdüse wird dafür gesorgt, dass allein durch die Vorgabe der Austrittsrichtung des Brennstoffs und verstärkt durch die auf diesen dann einwirkenden Zentrifugalkräfte ein sicherer Transport in Richtung erstes Strömungsführungselement 34 gewährleistet ist. Die Zufuhr des Brennstoffs mit hoher Geschwindigkeit, d. h. unter hohem Druck, ist nicht erforderlich, wodurch es ermöglicht wird, dass das vorgeschaltete Brennstoffzuführsystem vergleichsweise einfach aufgebaut ist und beispielsweise die Brennstoffzufuhr allein unter der Wirkung einer Dosierpumpe erfolgt, welche in der Lage ist, den Brennstoff mit einem Druck von bis zu 1,5 oder 2,0 bar über demjenigen Druck zuzuführen, welcher dem Austritt des Brennstoffs aus den Brennstoffzuführkanalabschnitten 58 entgegenwirkt, also im Allgemeinen demjenigen Druck, der im Bereich der Brennkammer 20 bzw. des Strömungsraumbereichs 30 vorherrscht.
- Eine abgewandelte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 12 ist in Fig. 3 gezeigt. Komponenten, welche vorangehend bereits beschriebenen Komponenten hinsichtlich Aufbau bzw. Funktion entsprechen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- Man erkennt, dass das zweite Strömungsführungselement 36 hier mit einem Endstück 64 ausgebildet ist, das einen weiteren Abschnitt 44' einer Strömungsführungsoberfläche des zweiten Strömungsführungselements 36 bereitstellt. Dieses Endstück 64 kann beispielsweise als separates Bauteil vorgesehen sein, kann jedoch mit dem auch in Fig. 1 erkennbaren Abschnitt des zweiten Strömungsführungselements 36 integral ausgebildet sein. Man erkennt, dass im Übergangsbereich zwischen den beiden Strömungsführungsoberflächen 44, 44' ein radialer Sprung bzw. Übergang vorhanden ist. Während die Strömungsführungsoberfläche 44 in der Strömungsrichtung in Richtung zur Düsenmittenachse A hin sich verjüngend ausgebildet ist, beginnt die Strömungsführungsoberfläche 44' an diesem stufenartigen Übergangsbereich bei einem kleinen Radius sich radial erweiternd. Die Strömungsführungsoberfläche 44 endet an einer mit dem Bezugszeichen 66 bezeichneten Brennstoffabgabelippe, die aufgrund der näherungsweise rotationssymmetrischen Ausgestaltung des Endstücks 64 näherungsweise eine ringartige Kontur aufweist. Dabei nimmt in Richtung stromabwärts die Krümmung der Strömungsführungsoberfläche 44' zu, so dass im Bereich der Abgabelippe 66 die Strömungsführungsoberfläche 44' eine im Wesentlichen axial gerichtete und in der Darstellung der Fig. 3 nach links, also in Richtung von der Zerstäuberdüse 48 weg gerichtete Flächennormale aufweist.
- In diesem Endstück 64 sind wieder die Brennstoffzuführkanalabschnitte 58 ausgebildet, deren Öffnungsbereiche 60 nunmehr an der Strömungsführungsoberfläche 44' liegen. Auch hier erkennt man von Null verschiedene Radialerstreckungskomponenten der Flächennormalen in denjenigen Bereichen der Strömungsführungsoberfläche 44', in welchen die Öffnungsbereiche 60 ausgebildet sind. Aufgrund der sich erweiternden Form der Strömungsführungsoberfläche 44' sind die Flächennormalen F hier der inneren Drallströmung S. im Wesentlichen entgegengerichtet, wenn die Umfangsströmungskomponente dieser Drallströmung vernachläßigt wird. Der aus den Brennstoffzuführkanalabschnitten 48 austretende Brennstoff wird durch die innere Drallströmung Si mitgenommen, wobei hier insbesondere auch aufgrund der sich erweiternden Form der Strömungsführungsoberfläche 44' ein derartiger Staudruck erzeugt wird, dass der Brennstoff zuverlässig in Richtung Brennstoffabgabelippe 66 gefördert wird. Bei diesem Fördervorgang findet bereits eine Verteilung des Brennstoffs in Umfangsrichtung statt, so dass ein näherungsweise gleichförmiger Brennstoffpartikelstrom von der Brennstoffabgabelippe 66 nach radial außen auf die Strömungsführungsoberfläche 40 des ersten Strömungsführungselements 34 geleitet wird. Auch hier liefert einen wesentlichen Beitrag wieder die Umfangsströmungskomponente der inneren Drallströmung Si.
- Beide vorangehend beschriebenen Ausgestaltungsformen weisen den Vorteil auf, dass auch bei Brennstoffzufuhr unter vergleichsweise geringem Druck eine zuverlässige Abgabe nach radial außen erfolgen kann. Wesentlich hierfür ist, dass der Brennstoff bereits mit einer bestimmten Radialströmungsrichtungskomponente nach außen abgegeben wird, was durch die vermittels der Drallströmung eingeführten Zentrifugalkräfte dann noch unterstützt wird. Es ist selbstverständlich, dass an den vorangehend beschriebenen Zerstäuberdüsen noch verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können. So können beispielsweise die Brennstoffzuführkanalabschnitte 58 in einen nutartig vertieften Bereich des zweiten Strömungsführungselements 36 bzw. Strömungsführungsoberflächen 44, 44' desselben einmünden. Diese nutartige Vertiefung kann in Umfangsrichtung umlaufend sein, so dass in dieser nutartigen Vertiefung bereits eine Vorverteilung des Brennstoffs in Umfangsrichtung erfolgen kann.
Claims (11)
ein eine Strömungsführungsoberfläche (40) bereitstellendes erstes Strömungsführungselement (34), das in einem axialen Endbereich bezüglich einer Düsenmittenachse (A) eine Zerstäuberlippe (48) aufweist,
ein zusammen mit dem ersten Strömungsführungselement (34) einen zur Zerstäuberlippe (48) führenden ersten Strömungsraumbereich (30) begrenzendes zweites Strömungsführungselement (36),
eine Brennstoffzuführanordnung (54) in dem zweiten Strömungsführungselement (36) zum Aufbringen von Brennstoff durch den ersten Strömungsraumbereich (30) hindurch auf die Strömungsführungsoberfläche (40) des ersten Strömungsführungselements (34),
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführanordnung (54) wenigstens einen Brennstoffzuführkanalabschnitt (58) in dem zweiten Strömungsführungselement (36) aufweist, welcher Brennstoffzuführkanalabschnitt (58) zu einem Oberflächenbereich (44; 44') des zweiten Strömungsführungselements (36) offen ist, der eine von Null verschiedene Flächennormalen-Radialkomponente aufweist.
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