DE19536604A1 - Zündvorrichtung und Zündverfahren unter Verwendung elektrostatischer Düse und katalytischen Zünders - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich generell auf die Brennstoffzündung und insbesondere auf Zündverfahren und Zündvorrichtungen unter Verwen­ dung einer elektrostatischen Brennstoffdüse und katalytischen Zünders.

Brennstoffabgabesysteme, wie man sie in Maschinenverbrennungs­ anlagen findet, spielen eine wichtige Rolle bei der Fähigkeit, die Ver­ brennung einzuleiten, aufrechtzuerhalten und neu zu starten. Bei be­ kannten Verbrennungsanlagen umfaßt die Brennstoffdüse typischerweise eine Primäröffnung und eine oder mehrere Sekundäröffnungen. Der Zweck der Düse besteht darin, einen feinen Brennstoffnebel zu erzeugen, der anfänglich gezündet werden kann. Nach Beginn der Verbrennung werden die Sekundäröffnungen geöffnet, um die Brennstoffströmung zu erhöhen.

Die Leichtigkeit, mit welcher Brennstoff gezündet werden kann, hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich Brennstofftemperatur, Typ des verwendeten Zünders, Menge an zugeführter Zündenergie, Punkt der Zündenergiezufuhr und das Maß, in welchem der Brennstoff durch die Düse über die Primäröffnung zerstäubt wird. Der Zerstäubungsprozeß ist auch wichtig bezüglich des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffverbrennung.

Bekannte Brennstoffzerstäuberdüsen umfassen Brennstoffdruck­ zerstäuber und Luftstromzerstäuber und Kombinationen derselben. Ein Brennstoffdruckzerstäuber verwendet eine Kombination von hohem Brenn­ stoffdruck und Öffnungsgeometrie, um das Zerstäuben zu erzwingen. Der Brennstoffdruck wird verwendet, um die Energie des Brennstoffs anzuhe­ ben, wenn er aus der Düse austritt, was zu einem Aufscheren der Flüssig­ keit in kleine Tröpfchen führt. Die Tröpfchengrößen sind in Form einer Glockenkurve verteilt. Demgemäß wird es größere und kleinere Tröpfchen­ größenverteilungen um eine mittlere Tröpfchengröße herum geben. Die Größenverteilung beeinflußt die Verbrennung, weil mit zunehmender Tröpfchengröße mehr Energie erforderlich ist, und es schwieriger wird, sie zu zünden und zu verbrennen. Auch dann, wenn die Tröpfchengrößen zu groß sind oder wenn das Luft/Brennstoffgemisch brennstoffreich ist, wird eine dieser Bedingungen zu einem niedrigen Verbrennungswirkungsgrad und unvollständiger Verbrennung führen. Unvollständige Verbrennung des Brennstoffs erzeugt schwarzen Rauch (d. h. Ruß). Erhöhte Niveaus der Rußproduktion können eine Mehrzahl von Betriebsproblemen herbeiführen, wie Kerzenverölung und höhere Gasstromtemperaturen. Brennstoffdruck­ zerstäuber müssen auch einen Betriebsdruck haben, der den Druck über­ winden kann, welcher sich in der Verbrennungskammer aufbauen wird. Wenn ein Flammenerlöschen auftritt, können der Brennstoffdruck und die Luft­ strömung sich rapid verschlechtern, was die erneute Zündung schwierig macht. Dies wird weiter verschlimmert, wenn das Flammenerlöschen bei Magerbetriebsbedingungen erfolgt.

Luftstromzerstäuberdüsen verwenden Luftdruck zum Zerstäuben des Brennstoffs. Typischerweise umfassen solche Düsen einen Ring für hochgeschwinde Luft. Die hohe Luftgeschwindigkeit führt die Energie zu, die für das Zerstäuben des Brennstoffstromes in kleine Partikel erfor­ derlich ist. Der Luftstromzerstäuber erfordert demgemäß keine hohen Brennstoffdrücke, jedoch macht die Notwendigkeit für Luft hoher Ge­ schwindigkeit die Luftstromdüse weniger als ideal für das Wiederzünden in einem Niederdruckbetriebszustand.

Niedertemperaturumgebungsbedingungen weisen weitere Schwierig­ keit für das Zünden und Neustarten unter Verwendung konventioneller Düsen auf. Dies deshalb, weil bei niedrigerer Temperatur die Brennstoff­ viskosität erheblich zunehmen kann, womit die Tröpfchengröße sich erhöht.

Die Brennstoffzündung in Verbrennungsanlagen erfordert auch eine Zündvorrichtung zum Einleiten des Verbrennungsprozesses. Bekannte Zündeinrichtungen umfassen Zündkerzen vom Plasma-Typ und konventionelle Glühkerzen. Typischerweise wird die Zündkerze in einer Verbrennungs­ kammerwandung nahe der Brennstoffdüse angebracht. In einer konven­ tionellen Verbrennungskammer ist die primäre Zone oder der optimale Bereich für die Zündung der Bereich hoher Turbulenz stromab des Düsenauslasses. Eine Zündeinrichtung kann jedoch nicht in den optimalen Bereich hineinragen, weil sie durch den Brennstoffverbrennungsprozeß zerstört würde. Zurückziehbare Zündeinrichtungen werden manchmal bei industriellen Öfen verwendet.

Mit der Zündkerze erstreckt sich ein hochenergetischer Hochtemperatur-Plasma-Funkenkern in die Verbrennungskammer. Es gibt jedoch zahlreiche Nachteile einschließlich der Tatsache, daß das Brennstoff/Luftgemisch in diesem Bereich nicht optimal ist, und daß die Verbrennungskammerwandung die Tendenz hat, als Wärmesenke zu wirken und die Intensität des Funkens zu unterdrücken. Offensichtlich sind Ver­ brennungskammern so ausgelegt, daß dieser Typ von Zündanordnung funktio­ niert, doch ist sie weniger als ideal.

Eine bekannte Alternative zu dem Funkenkern ist die Verwendung eines Fackelbrenners, der eine Flamme erzeugt, die verwendet wird zum Zünden des Hauptbrennstoffanteils in der primären Zone der Verbrennungs­ kammer. Bekannte Fackelbrenner erzeugen jedoch immer noch weniger als ideale Resultate wegen ihrem Beruhen auf konventionellen Brennstoff­ zufuhrdüsen und -öffnungen. Unter ungünstigen Bedingungen, wie niedrige Temperatur und magere Brennstoffbedingungen, können sie Schwierigkeiten bei der Wiederzündung unterliegen.

Konventionelle Zündkerzen vom Plasma-Typ werden üblicherweise für Zündeinrichtungen verwendet. Leider unterliegen sie wegen ihrer Na­ tur der Verwendung der Hochspannungs/Strom-Plasma-Entladung erheblichem Elektrodenverschleiß und müssen routinemäßig ausgetauscht werden. Auch kann Verbrennung unterhalb des Optimums zu Kerzenverölung führen, was die Funkenentladungsintensität verschlechtert oder die Zündung verhin­ dern kann. Ablagerungen und andere Verbrennungsnebenprodukte, zurückzu­ führen insbesondere auf unvollständige Verbrennung und Brennstoffzer­ stäubung, können ebenfalls das Kerzenverhalten verschlechtern. Im Ergeb­ nis muß sehr hohe Energie der Zündkerze zugeführt werden um sicherzu­ stellen, daß Kohlenstoff und Brennstoffablagerungen vollständig von den Elektroden abgeblasen werden, um einen angemessenen Funken zu erzeugen.

Deshalb gibt es Ziele für bessere und zuverlässigere und effizientere Vorrichtungen und Verfahren für das Zünden der Brennstoff­ verbrennung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die vorstehend genannten Ziele zu realisieren, schlägt die Erfindung in einer Ausführungsform eine Vorrichtung für das Zünden von Brennstoff vor, welche eine elektrostatische Brennstoffdüse verwendet, die einen zerstäubten Brennstoffnebel erzeugt, und einen katalytischen Zünder für das Zünden des zerstäubten Brennstoffnebels.

Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verfahren, die in der Anwendung einer solchen Vorrichtung realisiert werden, wie auch auf ein Verfahren zum Zünden von Brennstoff mit den Schritten:

• a. Erzeugen eines elektrostatisch zerstäubten Brennstoffnebels und
• b. Zünden des Nebels unter Verwendung eines katalytischen Zünders.

Diese und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfin­ dung werden leichter verstanden und gewürdigt von Fachleuten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit der besten für das Praktizieren der Erfindung ins Auge gefaßten Methode unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1A ist ein detaillierteres schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform der Erfindung im Teillängsschnitt.

Fig. 2 ist eine Endansicht der Zündvorrichtung aus Fig. 1A, und

Fig. 3 illustriert eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Gemäß den Zeichnungen ist eine Vorrichtung für das Zünden von Brennstoff insgesamt mit Bezugszeichen 10 markiert. Die Vorrichtung 10 und die Erfindung im allgemeinen können mit irgend einer Verbrennungs­ anlage verwendet werden, wo es erwünscht ist, die Verbrennung von Brenn­ stoff einzuleiten; beispielsweise kann die Vorrichtung ein direktes Aus­ tauschteil sein für eine konventionelle Zündkerzen- oder Glühkerzenzünd­ einrichtung oder einen Fackelbrenner. Die Vorrichtung kann ferner ver­ wendet werden zum Einsetzen oder Injizieren einer Verbrennung oder von Plasma für das Einleiten, Aufrechterhalten und/oder Neustarten eines Verbrennungsprozesses, gespeist von einer Primärbrennstoffquelle, wie beispielsweise einer Hauptbrennstoffdüse. Zusätzlich kann die Vorrich­ tung 10 beispielsweise als Hauptbrennstoffzufuhr für eine Verbrennungs­ anlage verwendet werden. Diese und andere Anwendungen und Einsatzmög­ lichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres für Fachleute aus der Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen und Alternativen, die die Konzepte, Vorteile und Möglichkeiten der Erfindung lehren, illustrieren und exemplifizieren sollen; und demgemäß sollte ei­ ne solche detaillierte Beschreibung nicht in beschränktem Sinne bezüg­ lich Struktur, Verwendung und Anwendung der Erfindung verstanden werden.

Wie generell in Fig. 1 wiedergegeben und in größeren Einzel­ heiten in den anderen Fig. (worin gleiche Bezugszeichen für gleiche Komponenten verwendet werden), umfaßt die Vorrichtung 10 eine elektro­ statische Düsenbaugruppe 12 und eine katalytische Zündeinrichtung 14. In der vereinfachten Darstellung der Fig. 1 ist die Düsenbaugruppe 12 in einem Zündrohr 2 angeordnet und dort an Ort und Stelle gehalten unter Verwendung eines Düsenmontageblocks 3. Der Montageblock 3 kann so bear­ beitet werden, daß die Düse 12 mit Preßsitz in dem Montageblock sitzt, wobei die Düsennebelöffnung 50 im allgemeinen bündig oder nahe dem stromab liegenden Ende des Montageblocks angeordnet ist. Der Montage­ block 3 kann beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden und mit Preßsitz in das Rohr 2 eingefügt sein, unmittelbar vor einer Lufteinlaß­ öffnung 4. Das hintere Ende des Zündrohres 2 (wie in Fig. 1 darge­ stellt), ist abgedichtet beispielsweise mit einer Endkappe 5. Auf diese Weise wird die Luftströmung in das Rohr 2 durch die Öffnung 4 gezwungen, um den Block 3 zu strömen und in Richtung vorwärts zu der katalytischen Zündeinrichtung 14. Die katalytische Zündeinrichtung 14 kann in diesem Fall beispielsweise ein einfacher katalytisch beschichteter Widerstands­ draht sein, etwa ein 0,045 Durchmesser Hast-X mit Platin als Katalysa­ tor. Eine elektrische Energiequelle 6 ist mit der katalytischen Zündein­ richtung verbunden, und eine Hochspannungsversorgung 7 ist mit der Brennstoffdüse 12 verbunden.

Die katalytische Zündeinrichtung 14 ist in dem Rohr 2 (in der Ausführungsform der Fig. 1 hat die Zündeinrichtung Abstand von der Rohr­ wandung) derart angeordnet, daß sie generell in der Strömung des Luft/Brennstoffnebels liegt. Auf diese Weise wird die Zündeinrichtung dem Brennstoff/Luftgemisch ausgesetzt und, wenn sie hinreichend erhitzt wird, zündet sie das Gemisch. Die Zündung ist beispielsweise mit einer elektrostatischen Düse, die bei etwa 7 KV betrieben wurde, und mit der Zündeinrichtung mit einem Spannungsabfall von etwa 7 Volt und einem Drahtstrom von etwa 19 Ampere bewirkt worden.

Die Düse 12 gemäß der Erfindung ist eine elektrostatische Zerstäuberdüse, wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben.

In der Ausführungsform der Fig. 1A sind die Düse 12 und die Zündeinrichtung 14 in einem gemeinsamen Gehäuse oder einer Umkleidung 16 angeordnet, um so eine integrale selbsthaltende Baugruppe zu bilden, die bequem auf oder in einer Wandung einer Verbrennungsanlage beispielsweise montiert werden kann. Für diesen Zweck kann das Gehäuse 16 mit einem Endmontageflansch 18 versehen oder an ihm befestigt sein, oder eine Schraubenmutternmontage oder eine Bajonettmontageanordnung können bei­ spielsweise eingesetzt werden. Eine Öffnung 20 ist in dem Gehäuse am Auslaßende 22 desselben vorgesehen und erstreckt sich in Längsrichtung von dem Düsennebelauslaß generell längs einer Achse, die kolinear ist mit der zentralen Achse des Brennstoffnebels. In der Ausführungsform der Fig. 1A wird die Auslaßöffnung 20 begrenzt von einer inneren kegel­ stumpfförmigen Kontur oder Oberfläche 20a, die in dem Gehäuse 16 ausge­ bildet ist. Ein Mehrfachdüsenauslaß könnte verwendet werden für spezi­ fische Anwendungsfälle, welche eine solche Struktur erforderlich machen.

Das Gehäuse 16 kann aus einem hochtemperaturfesten hochlei­ tenden Material hergestellt sein, wie aus Edelstahl beispielweise. Die Düsenbaugruppe 12 und die katalytische Zündeinrichtung 14 werden in dem Gehäuse von einem hochtemperaturfesten elektrisch isolierenden Distanz­ stück 24 gehalten, das in dem Gehäuse 16 mittels irgend welcher zweck­ mäßiger Mittel installiert wird, wie Hartlöten an der Düse und an dem Gehäusekorpus. Das Distanzstück 24 kann aus einem gebrannten Keramik­ material hergestellt werden, wie aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit metalli­ sierten Oberflächen für das Hartlöten an das Gehäuse 16 und die Düse 12.

Das keramische Distanzstück 24 verschlechtert sich nicht durch Aussetzen den hohen Temperaturen und dem Brennstoff an der Einspritzöff­ nung 20. Das Distanzstück 24 weist auch exzellente elektrische Isolation auf, weil das Gehäuse typischerweise elektrisch an Masse liegt, und die Düse 12 Hochspannungspotentiale verwenden kann, wie dies auch für die Zündeinrichtung 14 zutrifft.

Das Gehäuse kann hermetisch abgedichtet und mit trockenem Stickstoff oder einem anderen passenden Inertgas gefüllt sein. Alterna­ tiv kann das Gehäuse 16 mit Aluminiumoxid 26 oder ähnlichem keramischen pulvrigen Stopfmaterial gefüllt sein.

Das gesamte Gehäuse könnte auch aus Keramik gefertigt werden, wenn dies erwünscht ist für irgend einen bestimmten Anwendungsfall, anstatt aus korrosionsfestem Stahl, und maschinell bearbeitet oder ge­ formt werden in die gewünschte Konfiguration für das Halten der kataly­ tischen Zündeinrichtung und der Düse. Beispielsweise könnte eine hoch­ dichte Keramik mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, wie Aluminium­ oxid, verwendet werden. Hohlräume (ausgekleidet oder unausgekleidet) können in dem Keramikgehäuse vorgesehen sein, um elektrische Leiter und Brennstoff durch das Gehäuse zu der Düse 12 und der Zündeinrichtung 14 zu führen.

Die katalytische Zündeinrichtung 14 umfaßt ein Widerstands­ element 30, wie Nichrom, das mit einem Edelmetallkatalysator, wie Platin, beschichtet ist. Mehrere verfügbare Verfahren für das Herstellen einer solchen Zündeinrichtung sind in den folgenden Patenten beschrie­ ben: US 4.896.636 und US 5.146.881, zu deren näheren Information auf de­ ren Offenbarung verwiesen wird.

Auch in Fig. 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel das kata­ lytische Element 30 nahe dem Einsatz 24 rings um die Peripherie der konischen Oberfläche 20a angeordnet, und zwar in einer gewickelten oder schraubenartigen Anordnung längs der Länge der Öffnung 20a. Eine Schrau­ benliniennut 25 kann maschinell durch Formgebung oder in anderer Weise in dem Einsatz 24 ausgebildet sein. Das bandartige Zündelement 30 kann einfach in die Nut eingelegt werden mit Preßsitz oder darin ausgehärtet werden, je nach Wunsch. In Fig. 1A ist das Element 30 teilweise unter die Oberfläche 20a des Einsatzes 20 versenkt gezeigt. Alternativ könnte das Element 30 vollständig an oder unter die Oberfläche 20a versenkt werden, oder die Nut 25 könnte weggelassen werden und das Element 30 einfach nahe der Oberfläche 20a aufgelegt werden. In diesem Falle könnte das Element 30 an Ort und Stelle durch elektrische Anschlüsse an jedem seiner Enden gehalten werden. Der Ausdruck "nahe", wie im Kontext der Position des Zündelementes 30 bezüglich der Oberfläche 20a verwendet, sollte breit ausgelegt werden und soll auch umfassen, daß das Element 30 an oder auf der Oberfläche 20a befindlich ist, teilweise oder vollstän­ dig darin versenkt ist, oder etwas von der Oberfläche absteht (so wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt). Fachleute werden verstehen, daß diese und andere Alternativen dem Konstrukteur ohne weiteres verfügbar sind, und die Auswahl für einen bestimmten Anwendungsfall wird teilweise von den Betriebscharakteristiken der ausgewählten Zündeinrichtung, wie auch von den Strömungscharakteristiken/Mustern des Luft/Brennstoffnebels ab­ hängen.

Die Verwendung eines Schraubenlinienmusters erhöht die Gesamt­ länge der Zündeinrichtung 14, wodurch ihr Widerstand vergrößert wird, wie auch ihre Exposition für den Brennstoffnebel von der Düse 12. Andere Formen und Anordnungen neben einer Schraubenlinie können ebenfalls ein­ gesetzt werden und ergeben sich ohne weiteres für Fachleute auf diesem Gebiet. Beispielsweise könnte ein Sternmuster verwendet werden.

Wie am besten in Fig. 2 dargestellt, steht das distale Ende 32 des katalytischen Elements 30 in Kontakt oder ist in anderer Weise ver­ bunden mit dem leitenden Gehäuse 16, wie bei Bezugszeichen 34 angedeu­ tet. Dieser elektrische Kontaktpunkt dient als elektrischer Stromrück­ lauf durch das katalytische Element 30. Alternativ, für Anwendungsfälle, bei denen der Gehäusekorpus nicht elektrisch an Masse liegt oder aus schlecht leitender Keramik besteht, kann beispielsweise das distale Ende des Elements 30 elektrisch verbunden werden mit dem Rücklauf einer Leistungsquelle über einen elektrischen Leiter, der durch den Gehäuse­ korpus führt (in einer Weise ähnlich dem elektrischen Anschluß zu dem nachstehend beschriebenen Zündeinrichtungsende 36). Das entgegengesetzte Ende 36 des katalytischen Elements 30 ist nahe der Düse 12 positioniert.

Eine Belüftungsleitung 40 ist in dem Gehäuse 16 eingeformt oder in anderer Weise ausgebildet und öffnet sich an einem Einlaßende 42 zu einem Plenum oder anderer Luftpassage, die einen Teil des Verbren­ nungssystems bildet, mit dem die Vorrichtung 10 eingesetzt wird (nicht dargestellt). Die Belüftungsleitung 40 öffnet sich an einem Auslaß 44 zu der Öffnung 20. Die Stelle des Luftauslasses 44 bezüglich der Düse 12 hängt ab von der jeweils verwendeten Düse, der Düsenöffnungskonstruk­ tion, wie auch von anderen Konstruktionsvariablen, wie den Drücken und den Strömungsraten, die auftreten. Im allgemeinen jedoch wird der Luft­ auslaß 44 typischerweise zwischen der Nebelöffnung 50 der Düse 12 und dem proximalen Ende 36 des katalytischen Elements 30 liegen. Der Auslaß 44 kann sich etwas tangential bezüglich der konischen Oberfläche 20a öffnen, um einen Wirbelluftstrom rings um die Öffnung 20 zu begünstigen, was die Luftbrennstoffmischung für die Zündung verbessert. Zusätzliche Luftöffnungen 40 und/oder Auslässe 44 können verwendet werden, wenn dies für angemessene Luftzufuhr erforderlich ist.

Die elektrostatische Brennstoffzerstäuberdüse 12 ist eine im Handel erhältliche Komponente, die einen sehr feinen Brennstoffnebel erzeugt, der leichter zu zünden ist als eine konventionelle Luftstrom- oder Brennstoffdruckdüse. Die Düse 12 kann beispielsweise von der Bauart einer Düse sein, wie sie in den US-Patenten Nrn. 4.255.777, 4.380.786, 4.581.675, 4.991.774 und 5.093.602 von Kelly beschrieben sind, und zwecks näherer Erläuterung sei auf diese Druckschriften verwiesen. Sol­ che Düsen sind handelsüblich von der Firma Charged Injection Corpora­ tion, wie eine Serie von 18 Spray Triode® und eine SPRAYTRON^TM Düse.

Einfach ausgedrückt, injiziert die elektrostatische Düse 12 Elektronen in den Brennstoff, wodurch der Brennstoff elektrostatisch geladen wird. Im Falle der Spray Triode® Düse werden die Elektronen beispielsweise injiziert durch Anordnen eines Hochspannung führenden Leiters in Kontakt mit dem Brennstoff der Düse. Natürlich können andere Injektionstechniken verwendet werden. Einmal geladen, verläßt der Brenn­ stoff die Düsenöffnung 50, wo die elektrostatischen Abstoßungskräfte auf den Brennstoffstrom zu wirken beginnen. Da diese Abstoßungskräfte bei weitem die hydrodynamischen Kräfte übersteigen, welche normalerweise die Brennstofftröpfchengröße bestimmen, ist das Resultat eine Stromfragmen­ tierung in sehr kleine Tröpfchen nahe der Stromperipherie mit einer engen Tröpfchenverteilung. Infolgedessen hat sich die Brennstoff­ tröpfchengröße als virtuell unabhängig von der Brennstoffviskosität und dem Düsenbetriebsdruck erwiesen (d. h. Delta-Druck). Wenn die Tröpfchen­ größe von 120 Mikron auf 20 Mikron abnimmt, nimmt die erforderliche Zündenergie von 100 Millÿoule auf weniger als 10 Millÿoule ab. Zusätz­ lich liefert die Anwendung einer elektrostatischen Düse in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eine Steuerung der mittleren Tröpfchen­ größe für die Vorrichtung 10, die unabhängig ist von der Brennstoffströ­ mung, und kann verwendet werden zum Expandieren der Verbrennungsanlagen­ betriebshülle für das Zünden und die Stabilität.

Die Erfindung ist nicht auf irgend eine bestimmte Düsenöff­ nungskonstruktion, wie hier beschrieben, beschränkt. Beispielsweise kann die Düsenauslaßöffnung 50 konisch sein (zum Erzeugen eines hohlen Kern­ nebels), ein Schlitz oder eine andere geometrische Öffnung, welche zu unterschiedlichen Sprühmustern führen. Die jeweilige Konstruktion der Öffnung 50, die in der Vorrichtung 10 verwendet wird, wird bestimmt durch den jeweiligen Anwendungsfall, die Betriebsbedingungen und die Um­ gebung, wie auch den Zünderfordernissen.

Ein besonderer Vorteil der elektrostatischen Brennstoffdüse 12 besteht darin, daß in Verbindung mit der Öffnung 20 und Anwendung von Luftleitungen und/oder Wirblern (wie nachstehend beschrieben) die Form oder Geometrie des brennenden Brennstoffs einfach steuerbar ist durch Steuern des Spannungspotentialeingangs, angelegt an die Düse 12. Je niedriger die Spannung, desto größer wird die Brennstofftröpfchengröße und damit desto enger und kühler das Plasma oder die Flamme. Bei angelegten höheren Spannungen ist die Zerstäubung feiner, so daß das Plasma oder die Flamme sich auffächert mit einem größeren Volumen und intensiver brennt (heller und heißer).

Die Düse 12 legt elektrische Ladung an den Brennstoff an mittels eines Hochspannungsleiters 52, der an einem Ende mit einer Klemme 54 an dem Spannungseingang der Düse 12 verbunden ist. Das andere Ende des Leiters 52 ist über einen elektrischen Hochspannungsverbinder 56 angeschlossen und verbunden mit einer Hochspannungsversorgung 58. Der Leiter 52 kann durch das Gehäuse 16 über rohrförmige Ausnehmungen, wie hier beschrieben, geführt sein. Die Hochspannungsversorgung 58 kann konventionell in der Konstruktion sein und kann vorzugsweise gesteuert werden zum Bereitstellen einer wählbaren Ausgangsspannung in Abhängig­ keit von den gewünschten Verbrennungscharakteristiken. Typischerweise erfordert die Düse 12 etwa 5000 bis 20 000 VC und Mikroampere an Strom zum Erzeugen eines Brennstoffnebels mit Tröpfchengrößen von etwa 50 bis 20 Mikron.

Das Ende 36 des katalytischen Elements, das sich nahe der Düse 12 befindet, ist elektrisch verbunden oder angekoppelt an einen elek­ trischen Leiter 60. Der Leiter 60 verläuft durch das Gehäuse 16 und den elektrischen Verbinder 56 in ähnlicher Weise, wie der Düsenleiter 52. Der Zündleiter 60 ist angeschlossen an die Zündleistungsversorgung 62, die zweckmäßigerweise ein Teil derselben Versorgung 58 sein wird, wie sie für die Düse verwendet wird, was alles erzeugt werden kann durch ei­ ne Hauptleistungsquelle 64, wenn dies so gewünscht wird. Getrennte Ver­ sorgungen können eingesetzt werden, und die Versorgungen 58, 62 können entfernt von der Vorrichtung 10 lokalisiert sein für Anwendungsfälle, wo eine solche Ausgestaltung zweckmäßig und bequem wäre. Wie dargestellt, können die Leiter 52, 60 durch ein abgeschirmtes Kabel 66 geführt sein. Die Versorgungen 58, 62 können konventionelle Regler-, Zeitgeber- und Steuerschaltkreise für die Steuerung der Zeitdauer umfassen, während welcher Leistung an das katalytische Element 30 angelegt wird, wie auch dafür, wann und für wie lange Leistung an die Brennstoffdüse zum Bereit­ stellen des gewünschten Brennstoffnebels anzulegen ist. Die Brennstoff­ quelle 70 kann ebenfalls mit konventionellen Steuereinrichtungen verse­ hen sein für die Regulierung der Brennstoffversorgung bezüglich Durch­ satz und Druck, beispielsweise.

Ein Loch 38, wie eine metallische Durchführung ähnlich einer durchplattierten Bohrung in einer Schaltungsplatine, ist in dem Distanz­ stück 24 vorgesehen. Das terminale Ende des Leiters 60 ist an einem Stift 39 befestigt, der sich durch das Loch 38 erstreckt, und hartver­ lötet oder in anderer Weise an dem proximalen Ende 36 des Zündelements 30 befestigt ist. Die Verbindung des Leiters 60 mit dem Element 30 könnte alternativ dadurch realisiert werden, daß einfach der Leiter mit Vorspannung an dem Element 30 angelegt ist. Eine metallisierte Durch­ führung ist nicht erforderlich, und der Leiter 60 könnte einfach durch ein kleines, in dem Einsatz 24 ausgebildetes Loch geführt sein.

Brennstoff für die elektrostatische Düse 12 wird von einer Brennstoffversorgung 70 über eine Brennstoffleitung 72 (Fig. 1A) durch ein geeignetes Fitting 74 in den Gehäusehohlraum oder das Metallrohr 76 zu einem Brennstoffdüseneinlaß 78 geleitet. Der Betrieb der Düse 12 im einzelnen ist in den oben genannten Druckschriften beschrieben.

Der Betrieb der Vorrichtung 10 ist schlicht und einfach. Zum Einleiten der Verbrennung des Brennstoffs wird elektrische Energie an das katalytische Element 30 über den Leiter 60 und über die Gehäuse­ rückführung angelegt. Der Widerstand des Elementes bewirkt eine erheb­ liche Erwärmung des katalytischen Elements. Nach einer wählbaren Zeit­ periode, nach welcher das Element 30 heiß genug ist, um den Brennstoff zu zünden, wird die Brennstoffzufuhr durch die Düse 12 eingeleitet, wo­ bei die Düse 12 einen feinen Brennstoffnebel erzeugt (in Fig. 1A mit den gestrichelten geraden Linien 80 angedeutet). Die katalytische Beschich­ tung auf dem Element 30 unterstützt den Zündprozeß. Als Beispiel kann für einen Brennstoff, wie Kerosin, eine katalytische Platinbeschichtung auf einem Widerstandsmaterial, wie Nichrom, auf etwa 900°C erhitzt wer­ den, um die Verbrennung zu zünden. Die jeweilige Zündsystembrenndauer wird abhängen von beispielsweise der Luftströmung, der Brennstoffströ­ mung und den Systembetriebsspannungs/Stromwerten, die einige der Fakto­ ren sind, welche die Erfordernisse repräsentieren, vorgegeben durch die Verbrennungsauslegungsparameter für die Endanwendung, wie Fachleute ohne weiteres verstehen.

Nachdem der Brennstoff gezündet worden ist, kann das Plasma oder die Flammengeometrie gesteuert werden durch Einstellen der an die Düse 12 angelegten Spannung. Die Hitze des brennenden Brennstoffs wird in vielen Fällen das Element 30 heiß genug halten, daß die elektrische Leistung zu dem Element 30 abgeschaltet werden kann, während die Zündung des von der Düse ausgestoßenen Brennstoffs aufrechterhalten bleibt. Sollte die Verbrennung unterbrochen werden, entweder absichtlich durch Brennstoffabschaltung, oder aus anderen Gründen (Flammenerlöschen) oder wenn die Verbrennungstemperatur unter den Wert fällt, der erforderlich ist für das Zünden des Brennstoffs von der Düse, kann das katalytische Element erneut erhitzt werden durch Anlegen von Leistung, so daß der Brennstoffnebel gezündet wird.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 10 bezüglich des Gehäuses 16 und der Öffnung 20 wiedergegeben. Viele der Elemente in Fig. 3 erfüllen dieselbe Funktion, wie die entsprechenden Elemente in Fig. 1 und 2, und deshalb wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet und deren Beschreibung braucht nicht wiederholt zu werden.

In dieser Ausführungsform hat das Gehäuse 16 wiederum eine generell zylindrische Umhüllung, wie in Fig. 1A, mit der Ausnahme, daß der sich in Längsrichtung über der Düsenauslaßöffnung 50 hinaus erstreckende Abschnitt eine generell zylindrische Öffnung 90 bildet. Die Verlängerung 16a kann zweckmäßigerweise als Teil von oder einstückig mit dem Hauptkorpus des Gehäuses 16 ausgebildet werden, oder kann ein ge­ trennter (befestigter oder loser) Abschnitt sein, bestimmt entsprechend der jeweiligen Anwendung. Wie in der ersten Ausführungsform, ist das katalytische Element 30 in einer gewundenen oder schraubenlinienförmigen Weise um die innere Peripherie der Oberfläche 90a angeordnet, welche die Öffnung 90 begrenzt.

Eine Alternative zu der generell quer verlaufenden Luftzufuhr 40 ist ebenfalls vorgesehen. In diesem Fall wird die Luft von außerhalb des Gehäuses 16 über Luftdurchtritte 92 geliefert. Die Durchtritte 92 können separat in dem Gehäuse ausgebildet sein, wo dies erforderlich ist, oder bequemlichkeitshalber kann der Durchtritt 92 ein Ringraum rings um die äußere Peripherie des Korpus des Gehäuses 16 sein. Die Düse 12, die Leiter 52, 60 und die Brennstoffleitung 76 können innerhalb ei­ nes solchen Ringraums durch irgend welche zweckmäßigen Mittel abgestützt werden, wie sie Fachleuten bekannt sind (wie beispielsweise unter Ver­ wendung eines stopfenartigen oder zylindrischen Einsatzes, der an Ort und Stelle durch die Wirbler und eine Endplatte gehalten wird).

Einer oder mehrere aerodynamische Wirbler 94 sind in den Luft­ durchlässen 92 nahe der Auslaßöffnung der Düse 12 angeordnet. Die Wirb­ ler können verwendet werden, um eine umlaufende turbulentere Luftströ­ mung durch die Öffnung 20 zu erzwingen zwecks Verbesserung der Luft- Brennstoffdurchmischung. Dies ist besondere brauchbar bei der Ausfüh­ rungsform der Fig. 3, Weil die generell zylindrische Öffnung 20 die Ten­ denz haben wird, einfach den Luftstrom axial zu führen (während in der Ausführungsform der Fig. 1A Wirbler ebenfalls verwendet werden könnten, wenn dies gewünscht wäre, doch in vielen Anwendungsfällen werden diese nicht benötigt, weil die kegelstumpfförmige Öffnung und Oberfläche die Tendenz haben, einen umlaufenden Luftstrom zu erzeugen zwecks Verbesse­ rung der Luft/Brennstoffdurchmischung). Die Wirbler 94 können auch in einer bekannten Weise konstruiert werden zum Bewirken eines rezirkulie­ renden Luftstroms stromabwärts der Düsenöffnung 50 zum Verbessern der Exposition des Luft/Brennstoffgemisches für die katalytische Zündsein­ richtung 14.

Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung ist im wesentlichen dieselbe wie für Fig. 1A, ausgenommen bezüglich der bereits beschriebenen Anwendung der zylindrischen Öffnung 90 und der Wirbler 94.

Claims (34)

1. Vorrichtung für das Zünden von Brennstoff, gekennzeichnet durch eine elektrostatische Brennstoffdüse (12), die einen zerstäubten Brennstoffnebel erzeugt und eine katalytische Zündeinrichtung (14) für das Zünden des zerstäubten Brennstoffnebels.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (11) einen Brennstoffeinlaß (72) aufweist, der an eine Brenn­ stoffversorgung (70) anschließbar ist und einen elektrischen Eingang (52) aufweist für die Zufuhr elektrischer Energie, verwendet zum elek­ trostatischen Zerstäuben des Brennstoffs.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die katalytische Zündeinrichtung (14) ein katalytisches Element (30) umfaßt, das in dichter Nähe zu einem Brennstoffnebelauslaß (50) der Düse (12) angeordnet ist, welches Element (30) an eine elektrische Ener­ giequelle (62) anschließbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Element Platin umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch ein Gehäuse (16), in welchem die Düse (12) und die Zündeinrichtung (14) in dichter Nähe (16) zueinander zur Bildung einer integralen Verbrennungsquelle montiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) einen Hauptkorpus (20) umfaßt, der eine Öffnung (20a) aufweist, in welche die Düse (12) den Brennstoffnebel injiziert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Zündeinrichtung (14) ein katalytisches Element (30) aufweist, das nahe einer Hauptkorpusoberfläche angeordnet ist, die einen Teil der Öffnung (20a) begrenzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20a) kegelstumpfförmig längs ihrer Längsachse ist zum Be­ reitstellen eines in Längsrichtung zunehmenden radialen Volumens für den von der Düse (12) injizierten Brennstoffnebel.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkorpus einen zylindrischen Abschnitt (16a) umfaßt, der eine zy­ lindrische, sich in axialer Richtung von einem Brennstoffdüsennebelaus­ laß (50) erstreckende Öffnung begrenzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Element (30) schraubenlinienförmig längs einer Innen­ oberfläche des zylindrischen Abschnitts (16a), der die Öffnung begrenzt, angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das katalytische Element (30) teilweise in eine Nut eingesenkt ist, die in der Oberfläche ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich­ net durch ein Gehäuse (16), in welchem die Düse (12) und die Zündein­ richtung (14) in einer selbsthaltenden Einheit angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) einen Fortsatz (24, 16a) umfaßt, in welchem eine Öff­ nung ausgebildet ist, wobei die Düse (12) so angeordnet ist, daß sie ei­ nen Brennstoffnebel in die Öffnung ejiziert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (24) von dem Hauptkorpus von dem Gehäuse (16) getrennt ist und an einem Ende des Gehäuses befestigt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung von einer Oberfläche (24) begrenzt ist, ausgebildet in dem Gehäuse (16), welche Oberfläche sich in Längsrichtung von der Düse (12) in einer Richtung erstreckt, in der generell die Düse (12) den Brenn­ stoffnebel ejiziert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (24) kegelstumpfförmig im Längsschnitt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (16a) im Längsschnitt zylindrisch ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die katalytische Zündeinrichtung (14) als eine Schraubenlinie nahe der Oberfläche (16a) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Zündeinrichtung (14) ein katalysatorbeschichtetes Wi­ derstandselement (14) umfaßt, das auf der Oberfläche angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) Keramikmaterial umfaßt, wobei der Fortsatz ebenfalls ein Keramikmaterial umfaßt, das eine Oberfläche aufweist, nahe der das katalytische Element (14) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine elektrische Energiequelle (62), die mit dem katalytischen Element (14) derart verbunden ist, daß ein Strom durch das Element (14) bewirkt, daß das Element (14) hinreichend aufgeheizt wird, um den Brennstoffnebel aus der Düse (12) zu zünden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ge­ häuse (16) mit einem Hauptkorpus, in welchem die Düse (12) und die Zünd­ einrichtung (14) integral angeordnet sind, welches Gehäuse ferner eine Längserstreckung (24, 16a) zu dem Hauptkorpus umfaßt mit einer darin ausgebildeten Öffnung, wobei die katalytische Zündeinrichtung (14) in der Öffnung angeordnet ist und die Düse (12) so angeordnet ist, daß sie den Fluidnebel in die Öffnung ejiziert.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 und 22, ge­ kennzeichnet durch einen Durchtritt (40) für den Einlaß von Luft in die Öffnung.

24. Vorrichtung nach Anspruch (23), gekennzeichnet durch einen Wirbler (44), der in dem Luftdurchlaß angeordnet ist zum Erzeugen eines turbulenten Luftstroms, der sich mit dem Brennstoffnebel mischt.

25. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine elektrische Energiequelle, die einen variabel gesteuerten Energiepegel der Düse (12) für die Einstellung der Brenn­ stofftröpfchengröße, erzeugt von der Düse (12), liefert.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Energiepegel die Steuerung des Verbrennungsprofils, emit­ tiert von der Vorrichtung, ermöglicht.

27. Ein Verfahren für das Zünden von Brennstoff, gekennzeich­ net durch die Schritte:

• a. Erzeugen eines elektrostatischen zerstäubten Brennstoff­ nebels; und
• b. Zünden des Nebels unter Verwendung einer katalytischen Zündeinrichtung (14).

28. Ein Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung eines elektrostatisch zerstäubten Brenn­ stoffnebels den Schritt umfaßt, eine variable elektrische Energie zur Steuerung des Verbrennungsprofils zu verwenden.

29. Ein Verfahren nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch den Schritt der Verwendung eines Wirbelluftstroms zum Begünstigen der Ver­ brennung von größeren Brennstofftropfen.

30. Die Kombination einer elektrostatischen Brennstoffdüse (12), einer katalytischen Glühkerze (14) und Energiequellenmitteln (64) für die Erregung der Düse (12) und der Kerze (74), wobei die Brennstoff­ düse (82) einen Brennstoffnebel emittiert, der von der Glühkerze (14) gezündet wird, wenn die Glühkerze (14) durch die Energiequelle (64) auf­ geheizt ist.

31. Die Kombination des Anspruchs 30, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, in welchem die Düse (12) und die Kerze (14) integral angeordnet sind zum Bereitstellen einer selbstabstützenden Brennstoffverbrennungs­ anlage.

32. Die Kombination des Anspruchs 31, gekennzeichnet durch ei­ nen Luftdurchlaß (40) ,bin dem Gehäuse zum Zuführen von Luft zwecks Mi­ schung mit dem Brennstoffnebel.

33. Die Kombination des Anspruchs 32, gekennzeichnet durch ei­ nen Luftwirbler (94), der in dem Luftdurchlaß angeordnet ist.

34. Die Kombination des Anspruchs 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdurchlaß und der Brennstoffnebelauslaß in der Düse zu einer Verbrennungsöffnung hin offen sind, in der ein aufheizbares Glühkerzen­ elemente angeordnet ist.