DE19717544A1 - Verdampferbrenner für ein Heizgerät oder eine thermische Regeneration eines Abgas-Partikelfilters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampferbrenner mit einer Brennkammer für ein Heizgerät oder eine thermische Regenera­ tion eines Abgas-Partikelfilters, mit einer Umfangs-Begren­ zungswand, einer Stirn-Begrenzungswand, welche eine zentrale Öffnung besitzt, einem einen radialen Umfangsflansch aufwei­ senden, koaxial in die Brennkammer hineinragenden Luftzufüh­ rungsstutzen, welcher radiale Luftaustritte durch die Stut­ zenwand aufweist und welchem eine Luftleiteinrichtung für eine Drallstrom-Luftzufuhr vorgelagert ist, und mit einer seitlichen Zündeinrichtung sowie einer Brennstoffzuführung.

Aus WO 96/15408 ist ein Verdampferbrenner der vorgenannten Art bekannt, welcher einen zentralen Luftzuführungsstutzen besitzt, der auf dem Umfang mit Schlitzen versehen ist und eine Durchgangsöffnung aufweist, welche auch verschlossen sein kann. Die Brennstoffzuführung erfolgt über einen am Außenmantel angebrachten Kerzenstutzen oder über einen Ring­ kanal am Brennkammerboden. Der zugeführte Brennstoff wird über eine an der Innenseite der Umfangsbegrenzungswand ange­ brachte poröse Auskleidung durch Kapillarwirkung in axialer und tangentialer Richtung verteilt, abgedampft und im Be­ reich der Schlitze verbrannt. Die Auskleidung weist in der Regel eine axiale Erstreckung bis zum Ende der Luftzufüh­ rungsstutzen auf.

Von Nachteil bei der vorgenannten bekannten Ausführungsform eines Verdampferbrenners ist die Lageabhängigkeit der Brenn­ stoffverteilung infolge der Schwerkraft sowie der relativ hohe Materialaufwand hinsichtlich der porösen Auskleidung. Da die Brennkammer mit dem porösen Material vollständig aus­ gekleidet und damit ein großer Teil der Verbrennung ausge­ setzt ist, unterliegt das poröse Material einem hohen Ver­ schleiß. Desweiteren ist der seitliche Aufnahmestutzen bzw. Kerzenstutzen vergleichweise kompliziert in der Umfangsbe­ grenzungswand der Brennkammer integriert und mit einem zu­ sätzlichen Sieb versehen, was ein weiteres Bauteil mit Anbin­ dungsproblemen zum Brennraum bedeutet.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verdampferbrenner der eingangs genannte Art zu schaffen, welcher sehr einfach aufgebaut ist und lage­ unabhängig in zuverlässiger und effektiver Weise betrieben werden kann.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Mittel.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 14.

Die Erfindung kennzeichnet sich also dadurch, daß die Luft­ leiteinrichtung, der Luftzuführungsstutzen und die Stirn-Be­ grenzungswand ein einstückiges Feinguß-Bauteil dergestalt sind, daß die radiale Stirn-Begrenzungswand der Brennkammer und der Luftzuführungsstutzens zusammen mit dem radialen Umfangsflansch eine Zündtasche mit einer radialen Zündluft­ bohrung ausbilden, wobei die seitliche Zündeinrichtung zumin­ dest teilweise in der Zündtasche angeordnet und poröses Ver­ dampfermaterial in Ringform im Brennkammerbodenbereich vorge­ sehen ist.

Die Luftleiteinrichtung besitzt vorzugsweise einen radial äußeren Leitschaufelring, wobei eine geschlossene Stirnwand vorgelagert ist, welche als Scheibe dem Leitschaufelring aufgesetzt ist.

Eine besonders günstige Luftführungsgeometrie mit minimier­ tem Gebläsegegendruck ergibt sich, wenn in vorteilhafter Wei­ terbildung der Erfindung die vorgenannte geschlossene Stirn­ wand eine zentralsymmetrische im wesentlichen konische Ein­ buchtung und der Luftzuführungsstutzen an seinem brennkammer­ inneren Axialende eine geschlossene weitere Stirnwand mit ei­ ner weiteren zentral symmetrischen konischen Einbuchtung auf­ weist, welche der erstgenannten Einbuchtung entgegengerich­ tet ist.

Zweckmäßigerweise ist die Umfangs-Begrenzungswand der Brenn­ kammer als zylindrisches blechgeformtes Flammrohr ausgebil­ det.

Im Flammrohr kann eine dem Luftzuführungsstutzen nachgeordne­ te blechgeformte Blende aufgenommen sein.

Das ringförmige poröse Verdampfermaterial ist insbesondere eine mehrlagige brennkammerbodenseitige Auskleidung (gege­ benenfalls mit unterschiedlicher Dichte zur Steuerung der Brennstoffverteilung) , welche der Zündeinrichtung nachgeord­ net ist, oder alternativ ein mehrlagiges Gespinst mit einer Aussparung für die Zündeinrichtung, wobei zwischen dem Brenn­ kammerboden und dem Gespinst zusätzlich eine Metallfilz­ schicht eingefügt sein kann. Das poröse Verdampfermaterial kann auch eine ringförmige Keramikplatte sein.

Die Zündeinrichtung ist bevorzugt eine Glühkerze oder ein Glühstift, welche(r) formschlüssig zumindest teilweise in der Zündtasche (18) aufgenommen ist.

Die seitliche Zündeinrichtung kann vorteilhafterweise tangen­ tial zum radialen Umfangsflansch des Luftzuführungsstutzens gelegen sein.

Insbesondere ist die seitliche Zündeinrichtung bezüglich des Brennkammerbodens bzw. der Ebene des radialen Umfangsflan­ sches des Luftzuführungsstutzens in einem Neigungswinkel von bevorzugt ca. 4° bis 10° angeordnet.

Die Brennstoffzuführung zum ringförmigen porösen Verdampfer­ material erfolgt über den Brennkammerboden oder alternativ über den Zündeinrichtungsstutzen bzw. über die Zündtasche.

Um also das Bauteil Kerzensieb zu sparen, wird zwischen Brennkammerboden und Luftleiteinrichtung erfindungsgemäß eine Zündtasche mit einer radialen Zündluftbohrung vorge­ sehen. In dieser Zündtasche befindet sich die Zündeinrich­ tung (Glühstift oder ähnliches), welcher die ringförmige Auskleidung in einer Ausführungsvariante in Richtung Brenn­ kammer nachgelagert ist. Die Zündtasche liegt tangential am Luftzuführungsstutzen an.

Für die Lageunabhängigkeit und die Zündung ist der Ort des Brennstoffeintritts von Bedeutung. Da dieser Ort nicht unab­ hängig von der Zündeinrichtung und der Schwerkraft sein kann, wird erfindungsgemäß der Brennkammerbodenbereich aus­ gewählt, wo sich das ringförmige poröse Verdampfermaterial befindet, welches für die Verteilung und Verdampfung des Brennstoffs vergleichweise wenig Ringfläche bzw. wenig Mate­ rial beansprucht und zu geringen Kosten gefertigt werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verdampferbrenner sind im Bereich des Verdampfers und des Brennraumes und des Ortes der Flamment­ stehung geringe Materialmassen eingesetzt, so daß sich keine unnötig langen Aufheizzeiten ergeben, bis der Prozeß stabil läuft. Da durch die Gußtechnik eine bestimmte Mindestwand­ stärke in Abhängigkeit der Bauform zwingend erforderlich sind, müssen Teile, die diesen Zwang hervorrufen, reduziert werden. Dies ist möglich, wenn die Auskleidung der Brennkam­ merwand an den Boden verlegt wird und somit der Brennkammer­ mantel nicht mehr gegossen werden muß.

Bei der Erfüllung der vorgenannten Kriterien ergibt sich der Wegfall der Brennkammer-Umfangsbegrenzungswand aus Guß. Das bedeutet, daß der zentrale Luftzuführungsstutzen frei liegt und man weitere Freiheitsgrade (z. B. für die zusätzliche Ein­ bringung von Löchern im Luftverteilerrohr im Zündbereich) ge­ schaffen hat. Weiterhin können die Vorteile der Feingußtech­ nik ausgenutzt und die Wandstärken reduziert werden. Durch die Bauweise als Feingußteil kann der Verdampferbrenner sehr klein gestaltet werden, was zur Senkung der Stückkosten beiträgt. Weiterhin ist es möglich, die Baugruppe filigraner zu bauen, was weiter zu Wandstärkenreduktion führt.

Der Brennkammermantel fällt weg. Er wird durch die Verlän­ gerung des Flammrohres ersetzt.

Um eine optimale Brennstoffverteilung zu gewährleisten, wird das Verdampferflies mehrschichtig, eventuell mit unterschied­ licher Dichte, und/oder als Keramikplatte aufgebaut. Hierbei wird zwischen dem Brennkammerboden und dem mehrschichtig auf­ gebauten Gespinst zusätzlich eine Metallfilzschicht einge­ fügt, die die unterschiedlichen Oberflächenrauhigkeiten kom­ pensiert und damit einen optimalen Übergang des Brennstoffes ermöglicht. Die Schichtung und die Stärke werden durch Ver­ such ermittelt.

Eine weitere Variante sieht vor, den Kerzenstutzen tangenti­ al, aber am Innenmantel der Brennkammer vorzusehen. Somit ragt der Glühstift oder dergleichen im wandnahen Bereich tan­ gential in die Brennkammer. Der Brennkammerboden ist eben­ falls mit einer ringförmigen Gespinstpackung ausgekleidet, welche etwa 3mm bis 6mm hoch ist und den Glühstift umgibt. Damit sitzt der Glühstift in einer Gespinsttasche. Der Brenn­ stoff wird entweder über den Brennkammerboden oder über den Kerzenstutzen zugeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher be­ schrieben; es zeigen:

Fig. 1 einen Verdampferbrenner in einem schematischen Axial­ schnitt mit einem zentralen Luftzuführungsstutzen und einer vorgelagerten Luftleiteinrichtung,

Fig. 2 einen Luftzuführungsstutzen mit Luftleiteinrichtung in abgeänderter Form in einem Axialschnitt,

Fig. 3 eine andere Ausführungsvariante eines Verdampferbren­ ners in einem schematischen Axialschnitt ähnlich Fig. 1, und

Fig. 4 den Verdampferbrenner nach Fig. 3 im Querschnitt längs der Linie A-A der Fig. 3.

Der in der Fig. 1 gezeigte Verdampferbrenner für ein Heizge­ rät oder für eine thermische Regeneration eines Abgas-Parti­ kelfilters umfaßt eine Brennkammer 1 mit einer Umfangs-Be­ grenzungswand 2 und einer Stirn-Begrenzungswand 3.

Die Stirn-Begrenzungswand 3 weist eine zentrale Öffnung auf, durch welche ein zentraler Luftführungsstutzen 5 in die Brennkammer 1 hineinragend angeordnet ist.

Der Luftzuführungsstutzen besitzt in seiner zylindrischen Stutzenwand in der Brennkammer 1 radiale Luftaustritte 6 in Form von Längsschlitzen sowie endseitig eine geschlossene Stirnwand 15.

Durch den Luftzuführungsstutzen 5 wird in der Brennkammer 1 ein Ringraum ausgebildet, in welchem brennkammerbodenseitig in Höhe der Stirn-Begrenzungswand 3 ein poröses Verdampfer­ material 11 in Form einer mehrlagigen Auskleidung vorgesehen ist. Die mehrlagige Auskleidung, insbesondere ein mehrschich­ tiges Verdampfervlies oder -Gespinst, welcher bzw. welchem auch eine Metallfilzschicht 20 vorgelagert sein kann, wird im Betrieb mit Brennstoff von einer seitlichen Brennstoffzu­ führung 9 versorgt. Der Brennstoff wird im ringförmigen Ver­ dampfermaterial gleichmäßig verteilt, an der Brennkammerin­ nenseite des Verdampfermaterials verdampft und dort unter Luftzuführung im Ringraum der Brennkammer verbrannt.

Dem Luftzuführungsstutzen 5 nachgeordnet in der Brennkammer 1 ist ein Blende 17 aus Blech, welche an der Umfangs-Begren­ zungswand 2 befestigt ist, welche ebenfalls aus Blech be­ steht und als zylindrisches Flammrohr ausgebildet ist.

Auf der anderen brennkammeraußenseitig gelegenen Stirnseite des Verdampferbrenners ist der Luftzuführungsstutzen 5 mit einem radialen Umfangsflansch 4 versehen, welcher von der Stirn-Begrenzungswand 3 der Brennkammer beabstandet angeor­ dnet ist und eine Zündtasche 18 ausbildet, die nachfolgend noch beschrieben wird.

Dem Luftzuführungsstutzen 5 vorgelagert ist eine Luftleitein­ richtung 7 mit einem radial äußeren Leitschaufelring für ei­ ne Drallstrom-Luftzufuhr, wobei der Leitschaufelring durch eine separate geschlossene Stirnwand abgedeckt ist.

Die Luftleiteinrichtung 7 bzw. der Leitschaufelring, der Luftzuführungsstutzen 5 und die Stirn-Begrenzungswand 3 sind insbesondere als ein einstückiges Feinguß-Bauteil ausgebil­ det, wobei die radiale Stirn-Begrenzungswand 3 der Brennkam­ mer 1 und der nicht in die Brennkammer hineinragende Stutzen­ bereich 10 des Luftzuführungsstutzens 5 zusammen mit dem ra­ dialen Umfangsflansch 4 die vorgenannte Zündtasche 18 mit ei­ ner radialen Zündluftbohrung 19 ausbildet, und eine seitli­ che Zündeinrichtung 8 in Form eines Glühstiftes oder einer Glühkerze zumindest teilweise in der Zündtasche angeordnet ist. Die Zündtasche liegt hierbei tangential am Luftzufüh­ rungsstutzen an.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, können bei dünnwandiger fi­ ligraner Feingußfertigung der Luftzuführungsstutzen 5 und die Luftleiteinrichtung 7 luftdurchströmungsgünstig aufgebaut sein. Insbesondere können für einen minimierten Gebläsegegen­ druck die geschlossene Stirnwand 13 der Luftleiteinrichtung 7 eine zentral symmetrische im wesentlichen konische Einbuch­ tung 14 und der Luftzuführungsstutzen 5 an seinem brennkammer­ inneren Axialende eine geschlossene Stirnwand 15 mit einer weiteren zentralsymmetrischen konischen Einbuchtung 16 auf­ weisen, welche der erstgenannten Einbuchtung 14 entgegenge­ richtet ist.

Bei einer weiteren Variante eines Verdampferbrenners nach den Fig. 3 und 4 liegt der Kerzenstutzen tangential, aber am Innenmantel der Brennkammer. Der Glühstift oder die Glühker­ ze ragt hierbei im wandnahen Bereich tangential in die Brenn­ kammer selbst, ist also nicht der Brennkammer 1 vorgelagert, wie dies bei der erstgenannten Ausführungsvariante nach Fig. 1 der Fall ist. Der Brennkammerboden ist hierbei bis zum ra­ dialen Umfangsflansch 4 des Luftzuführungsstutzen vorverla­ gert und ebenfalls mit einem ringförmigen porösen Verdampfer­ material in Form einer Gespinstpackung ausgekleidet, welche etwa 3mm bis 6mm hoch bzw. dick ist und den Glühstift oder die Glühkerze umgibt. Damit sitzt der Glühstift bzw. die Glühkerze in einer Gespinsttasche. Der Brennstoff wird entwe­ der über den Brennkammerboden oder über die Brennstoffzufüh­ rung 9 über den Kerzenstutzen gemäß Fig. 3 und 4 zugeführt.

Die Zündeinrichtung 8 (Glühkerze, Glühstift) kann in der Zündtasche 18 bzw. dem Kerzenstutzen aufgenommen sein.

Im besonderen liegt die seitliche Zündeinrichtung 8 bezüg­ lich des Brennkammerbodens bzw. der Ebene des radialen Um­ fangsflansches 4 des Luftzuführungsstutzens 5 in einem Nei­ gungswinkel x von ca. 4° bis 10°.

Es sei noch angemerkt, daß in den Unteransprüchen enthaltene selbständig schutzfähige Merkmale trotz der vorgenommenen formalen Rückbeziehung auf den Hauptanspruch entsprechenden eigenständigen Schutz haben sollen. Im übrigen fallen sämtli­ che in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfinde­ rischen Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims (14)

1. Verdampferbrenner mit Brennkammer (1) für ein Heizgerät oder eine thermische Regeneration eines Abgas-Partikel­ filters, mit einer Umfangs-Begrenzungswand (2), einer Stirn-Begrenzungswand (3), welche eine zentrale Öffnung besitzt, einem einen radialen Umfangsflansch (4) aufwei­ senden, koaxial in die Brennkammer (1) hineinragenden Luftzuführungsstutzen (5), welcher radiale Luftaustritte (6) durch die Stutzenwand aufweist und welchem eine Luft­ leiteinrichtung (7) für eine Drallstrom-Luftzufuhr vorge­ lagert ist, und mit einer seitlichen Zündeinrichtung (8) sowie einer Brennstoffzuführung (9), dadurch gekennzeichnet, die Luftleiteinrichtung (7), der Luftzuführungsstutzen (5) und die Stirn-Begrenzungswand (3) ein einstückiges Feinguß-Bauteil sind, wobei die radiale Stirn-Begren­ zungswand (3) der Brennkammer (1) und der Luftzuführungs­ stutzens (5) zusammen mit dem radialen Umfangsflansch (4) eine Zündtasche (18) ausbilden, und die seitliche Zündeinrichtung (8) zumindest teilweise in der Zündta­ sche angeordnet und poröses Verdampfermaterial (11) in Ringform im Brennkammerbodenbereich vorgesehen ist.

2. Verdampferbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleiteinrichtung (7) einen radial äußeren Leitschaufelring umfaßt, wobei eine separate geschlos­ sene Stirnwand (13) vorgelagert ist.

3. Verdampferbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Stirnwand (13) eine zentralsymme­ trische im wesentlichen konische Einbuchtung (14) und der Luftzuführungsstutzen (5) an seinem brennkammerin­ neren Axialende eine geschlossene weitere Stirnwand (15) mit einer weiteren zentralsymmetrischen konischen Ein­ buchtung (16) aufweist, welche der erstgenannten Ein­ buchtung (14) entgegengerichtet ist.

4. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangs-Begrenzungswand (2) der Brennkammer (1) als zylindrisches blechgeformtes Flammrohr ausgebildet ist.

5. Verdampferbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Flammrohr eine dem Luftzuführungsstutzen (5) nach­ geordnete blechgeformte Blende (17) aufgenommen ist.

6. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige poröse Verdampfermaterial (11) eine mehrlagige brennkammerbodenseitige Auskleidung ist.

7. Verdampferbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige poröse Verdampfermaterial (11) ein mehrlagiges Gespinst, gegebenenfalls mit unterschiedli­ cher Dichte, oder eine poröse Keramikplatte ist.

8. Verdampferbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Brennkammerboden und dem Gespinst zusätzlich eine Metallfilzschicht (20) eingefügt ist.

9. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (8) eine Glühkerze oder ein Glühstift ist, welche(r) formschlüssig zumindest teil­ weise in der Zündtasche (18) aufgenommen ist.

10. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Zündeinrichtung (8) tangential zum radialen Umfangsflansch (4) des Luftzuführungsstutzens (5) gelegen ist.

11. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Zündeinrichtung (8) bezüglich des Brennkammerbodens bzw. der Ebene des radialen Umfangs­ flansches (4) des Luftzuführungsstutzens (5) in einem Neigungswinkel (x) angeordnet ist.

12. Verdampferbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (x) ca. 4° bis 10° beträgt.

13. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung (9) über den Brennkammerbo­ den erfolgt.

14. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung (9) über den Zündeinrich­ tungsstutzen bzw. über die Zündtasche erfolgt.