DE19731456A1 - Vorrichtung zur Bildung eines Gemisches aus Brennstoff und Luft - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bildung eines Gemisches aus Brennstoff und Luft nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus DE 44 43 770 A1 bekannt. Dabei wird der mit einer Düse in die Schaufelradkammer ge­ spritzte Brennstoff durch die rotierenden Schaufelräder in der Luft zu einem Nebel aus feinsten Tröpfchen verteilt, der dem Brennraum zugeführt wird.

Mit der bekannten Vorrichtung kann gegenüber einem herkömm­ lichen Heizölbrenner bereits eine deutliche Reduzierung des Heizölverbrauchs erreicht werden.

Aus der DE 42 00 804 C1 ist es bekannt, zur Verringerung der Schadstoffemission und zur Heizöleinsparung dem Ölbren­ ner ein Heizöl zuzuführen, dem Luft zudosiert worden ist. Dazu ist in die Brennstoffleitung eine Luftdosiervorrich­ tung vorgesehen, die einen Grundkörper mit einer Öl durch­ strömten Bohrung aufweist, wobei die Wand des Grundkörpers von einem Rohrstück durchsetzt wird, dessen Öffnung in der Bohrung des Grundkörpers injektorartig in Ölströmungsrich­ tung weist und das mit einem Drosselventil zur Luftzufuhr versehenen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung nach DE 44 43 770 A1 hinsichtlich der Schadstoffemission und des Brenn­ stoffverbrauchs noch wesentlich zu verbessern.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben.

Erfindungsgemäß wird also in der Schaufelradkammer ein Schaum aus dem Brennstoff gebildet, der dann in die Brenn­ kammer eingespritzt wird.

Damit wird eine wesentliche Herabsetzung des Brennstoffver­ brauchs erreicht, d. h. während bei Einspritzung des nach DE 44 43 770 A1 gebildeten Brennstoff-Nebels gegenüber ei­ nem herkömmlichen Ölbrenner immerhin schon eine außeror­ dentlich hohe Heizöleinsparung von etwa 10% erreicht wer­ den kann, läßt sich, wie durch Versuche bestätigt werden konnte, die Heizöleinsparung auf den fast unglaublichen Wert von etwa 30% erhöhen, wenn erfindungsgemäß mit dem rotierenden Schaufelrad ein Brennstoff-Schaum erzeugt und der Brennkammer zugeführt wird.

Ein solcher Brennstoff-Schaum läßt sich vorzugsweise da­ durch erhalten, daß der Brennstoff vor Eintritt in die Schaufelradkammer mit Luft versetzt wird, und zwar mit 0,5 bis 5 Vol% Luft, bezogen auf Atmosphärendruck.

Damit ausschließlich Brennstoff-Schaum in den Brennraum eintritt, muß die Schaufelradkammer vollständig mit Brenn­ stoff-Schaum gefüllt sein. Das heißt, die in der Schaufel­ radkammer enthaltene Luft liegt ausschließlich in Form von Schaumbläschen vor. Die Schaumbläschen werden dabei durch die Luft gebildet, mit der der Brennstoff versetzt worden ist.

Dazu muß die in der Schaufelradkammer enthaltene Luft ent­ lernt werden. Dazu wird vorzugsweise die Drehachse des Schaufelrades senkrecht angeordnet und die Schaufelradkam­ mer, die vorzugsweise aus einer koaxialen zylindrischen In­ nenwandung und einer unteren und einer oberen Stirnwand ge­ bildet wird, mit einer Eintrittsöffnung für den mit Luft versetzten Brennstoff im Bereich der unteren Stirnwand ver­ sehen, während die Austrittsöffnung für den Brennstoff- Schaum im Bereich der oberen Stirnwand der Schaufelradkam­ mer angeordnet ist. Damit füllt sich die Schaufelradkammer mit dem Brennstoff von unten nach oben, wodurch die Luft in der Kammer bei Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vor­ richtung nach oben verdrängt wird und über die Austritts­ öffnung entweicht.

Das für die Schaumbildung erforderliche Versetzen des Brennstoffs mit Luft kann durch eine Vorrichtung gemäß DE 42 00 804 C1 erfolgen. Das heißt, in der Brennstoffleitung wird ein Grundkörper mit einer Brennstoff durchströmten Bohrung angeordnet, wobei die Wand des Grundkörpers von ei­ nem Rohrstück durchsetzt wird, dessen in die Bohrung ragen­ de Öffnung injektorartig in die Strömungsrichtung des Brennstoffs weist und das mit einem Dosierventil zur Luft­ zufuhr versehen ist.

Durch die erfindungsgemäße Gemischaufbereitung wird ein verbessertes Abbrandverhalten bei der Verbrennung erreicht. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, daß der zur Ver­ brennung notwendige Sauerstoff sich in unmittelbarer Nähe des Brennstoffs befindet, also nicht von außen herange­ führt werden muß. Demgemäß erfolgt die Verbrennung auch im Inneren der Flamme mit einem hohen Luftüberschuß, wobei er­ findungsgemäß ein zur Verbrennung optimales Verhältnis von Brennstoff und Sauerstoff im gesamten Bereich der Flamme vorliegt.

Neben einer Verringerung des Brennstoffverbrauchs unter gleichzeitiger Erhöhung der Verbrennungstemperatur wird da­ mit eine extrem niedrige Schadstoffemission, insbesondere eine Herabsetzung der Rußzahl und des Kohlenmonoxidwertes erreicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nach den bisherigen Versuchen insbesondere für Heizölbrenner geeignet. Sie kann jedoch auch für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, ins­ besondere bei Dieselmotoren und Einspritz-Ottomotoren. Dar­ über hinaus ist sie allgemein immer dann anwendbar, wenn Brennstoff mit Luft bei hoher Flammtemperatur mit geringem Brennstoffverbrauch verbrannt werden soll.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung bei­ spielhaft näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 eine schematische Ansicht einer ersten bzw. einer zweiten Ausführungsform einer Heizölbrenner-Anlage;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Einrichtung zur Luftdosie­ rung in das Heizöl;

Fig. 4 einen Schnitt durch die Schaufelradkammer.

Gemäß Fig. 1 weist die Anlage einen Heizöltank 1 auf, der über eine Heizölleitung 2 mit der Einspritzdüse 3 in die Brennkammer 4 des Ölbrenners verbunden ist. Zwischen dem Heizöltank 1 und der Einspritzdüse 3 sind in der Leitung 2 in Heizöl-Strömungsrichtung hintereinander ein Feinfilter 5, eine Heizölpumpe 6, eine Einrichtung 7 zur Luftdosierung in das Heizöl, ein Schauglas 8, eine Schaufelradkammer 9 und ein Magnetventil 10 vorgesehen.

Die Anlage nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß das Magnetventil 10 zwischen dem Feinfilter 5 und der Luftdosiereinrichtung 7 und die Ölpumpe 6 an der Brennkammer 4, also zwischen der Schaufelradkammer 9 und der Einspritzdüse 3 angeordnet ist.

Mit dem Feinfilter 5 werden Ablagerungen aus dem Heizöl entfernt. Das Feinfilter 5 weist dazu einen Porendurchmes­ ser von maximal 100 µm, insbesondere maximal 20 µm auf. Feine Partikel in dem Heizöl können sich insbesondere stö­ rend auf den Betrieb der Luftdosiereinrichtung 7 auswirken. Das Magnetventil 10 kann auch als Rückschlagventil ausge­ bildet oder durch ein rein mechanisches Rückschlagventil ersetzt sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1, bei der die Pumpe 6 in Ölströmungsrichtung vor der Luftdosiereinrichtung 7 an­ geordnet ist, verhindert das zwischen der Schaufelradkammer 9 und der Düse 3 angeordnete Magnetventil 10 ein Nachtrop­ fen der Düse 3 durch Auslaufen der Kammer 9. Bei der Aus­ führungsform nach Fig. 2 verhindert es ein Ansaugen von Luft durch die Luftdosiereinrichtung 7.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 wird im allgemeinen vorge­ zogen, weil die Schaufelradkammer 9 auf der Saugseite der Pumpe 6 liegt und damit bei undichter Schaufelradwelle 12 kein Öl austreten kann. Dies kann insbesondere dann gravie­ rende Folgen haben, wenn das Schaufelrad 11 durch einen Elektromotor angetrieben wird und Öl in den Elektromotor gelangt.

Gemäß Fig. 3 weist die Luftdosiereinrichtung 7 einen Grundkörper 15 mit einer Öl durchströmten Eingangsbohrung 16 auf. Die Wand des Grundkörpers 15 wird dabei von einem Rohrstück 17 durchsetzt, das derart schräg angeordnet ist, daß seine innere, also in der Bohrung 16 angeordnete Öff­ nung 18 in Ölströmungsrichtung weist. Das Rohrstück 17 ist zugleich mit einem Luftdosierventil 19 versehen.

Das Drosselventil 19 ist in einem Aufsatz 21 an dem Rohr­ stück 17 vorgesehen, welcher eine durchgehende Bohrung 22 aufweist, die die Ventilkammer 23, in der der als Feindosi­ ernadel ausgebildete Ventilkörper 24 verstellbar angeordnet ist, mit dem Rohrstück 17 verbindet. Das Rohrstück 17 durchragt die Längsbohrung 16, so daß seine innere Öffnung 18 auf der dem Luftdosierventil 19 gegenüberliegenden Seite der Längsbohrung 16 im Grundkörper 15 angeordnet ist.

Der Ventilkörper 24 ist an einer Einstellschraube 25 ange­ ordnet, die mit einer Längsbohrung 26 zur Luftzufuhr verse­ hen ist, welche über Querbohrungen 27 in die Ventilkammer 23 mündet. Das aus dem Aufsatz 21 nach außen ragende Ende der Einstellschraube 25 ist mit einem Betätigungsring 28 versehen, ferner mit einem Sintermetallfilter 29, dessen Poren eine Porengröße von weniger als 20 um, insbesondere weniger als 10 um aufweisen. Wie Versuche gezeigt haben, ist diese Porengröße für die Schaumbildung in der Schaufel­ radkammer 9 von Bedeutung.

Zwischen dem Ventilkörper 24 und der Öffnung 18 ist im Rohrstück 17 ein Rückschlagventil 30 vorgesehen, das aus einem mit einer Feder 32 gegen einen O-Ring 33 gedrückten kugelförmigen Ventilkörper 34 besteht.

Eine optimale Luftzuführung ist dann festzustellen, wenn die Luft aus dem Rohrstück 17 in Form feiner Perlen aus­ tritt. Der Durchmesser der Luftperlen sollte dabei weniger als 1 mm betragen. Die optimale Luftperlenbildung durch Einstellung des Luftdosierventils 19 kann mit dem Schauglas 8 überwacht werden.

Gemäß Fig. 4 ist die Schaufelradwelle 12 in der Schaufel­ radkammer 9 senkrecht angeordnet. Die Kammer 9 wird dabei von der koaxialen zylindrischen Wandung 35 sowie einer un­ teren Stirnwand 36 und einer oberen Stirnwand 37 umschlos­ sen.

Die Eintrittsöffnung 38 für das mit Luft versetzte Heizöl ist am unteren Ende der Umfangswandung 35 angeordnet, und die Austrittsöffnung 39 diametral gegenüber am oberen Ende der Wandung 35.

Die unteren Kanten 13 der Schaufeln 11 sind oberhalb der Eintrittsöffnung 38 angeordnet. Der Abstand a der Außen­ kanten 40 der Schaufeln 11 von der Umfangswand 35 beträgt mindestens 5 mm und im allgemeinen mindestens ein Viertel des Abstandes b zwischen der unteren Kante 13 der Schaufeln 11 und der unteren Stirnwand 36. Die oberen Kanten 41 der Schaufeln 11 sind unterhalb der Austrittsöffnung 39 ange­ ordnet. Die Schaufeln 11 sind mit einer Hülse 43 auf der Schaufelradwelle 12 befestigt und zwar derart, daß sie mit ihren Innenkanten 44 lediglich an dem der unteren Stirnwand 36 zugewandten Axialbereich an der Welle 12 befestigt sind. Das heißt, der größte Teil der Innenkanten 44 ist mit einem Abstand d von der Welle 12 entfernt. Der Abstand d nimmt dabei von der Hülse 43 zu der oberen Stirnwand 37 zu. Die Außenkanten 40 der Schaufeln 11 verlaufen parallel zur Welle 12.

Gemäß Fig. 1 und 2 sind die Schaufeln 11 in Drehrichtung vorwärts gekrümmt. Gemäß Fig. 4 führt die geschilderte Ausbildung der Schaufeln 11 zu einer zirkulierenden Strö­ mung des Brennstoffs bzw. Schaums in der Kammer 9 entspre­ chend dem Pfeil 46. Dadurch wird eine homogene Schaumbil­ dung erzielt.

Der Antrieb der Schaufelradwelle 12 kann durch einen nicht dargestellten Elektromotor erfolgen. Auch kann das Schau­ felrad 12 durch einen um die Umfangswand 35 umlaufenden, nicht dargestellten Motor magnetisch angetrieben werden. Die Schaufelradwelle 12 kann auch nur einseitig gelagert sein. Wenn der Antrieb durch einen Elektromotor erfolgt, ist dieser vorzugsweise außen an eine Stirnwand 36 oder 37 angeflanscht, wobei die Motorwelle die Schaufelradwelle 12 bildet.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Bildung eines Gemisches aus Brennstoff und Luft in einer Kammer mit einem rotierenden Schaufel­ rad, wobei der Brennstoff der Kammer von einem Brenn­ stofftank über eine Brennstoffleitung zugeführt und das Brennstoff-Luftgemisch mit einer Brennstoffpumpe über we­ nigstens eine Einspritzdüse in einen Brennraum gespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (9) mit dem rotierenden Schaufelrad (14) ein Schaum aus Brenn­ stoff und Luft gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff vor Eintritt in die Schaufelradkammer (9) mit Luft versetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Brennstoff zur Schaumbildung mit 0,5 bis 5 Vol.% Luft, bezogen auf Atmosphärendruck, versetzt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Versetzen des Brennstoffs mit Luft ein Grundkörper (12) mit einer Brennstoff durch­ strömten Bohrung (16) in der Brennstoffleitung (2) ange­ ordnet ist, wobei durch die Wand des Grundkörpers (15) ein Rohrstück (17) ragt, dessen Öffnung (18) in der Boh­ rung (16) in Brennstoffströmungsrichtung weist und das mit einem Drosselventil (19) zur Luftzufuhr versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Drosselventil (19) in einer Ventilkammer (23) einen Ven­ tilkörper (24) an einer Einstellschraube (25) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhröffnung zur Ventilkammer (23) mit einem Filter (29) mit einem Porendurchmesser von weniger als 20 µm versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (29) aus Sintermetall besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Rohrstück (17) zwischen dem Ventilkörper (24) und dem Grundkörper (15) ein Rück­ schlagventil (30) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromabwärts des Grundkörpers (15) in der Brennstoffleitung (2) ein Schauglas (8) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Welle (12) des Schaufelra­ des (14) senkrecht angeordnet ist und die Kammer (9) eine koaxiale zylindrische Innenwandung (35) mit einer unteren und einer oberen Stirnwand (36, 37) aufweist, wobei die Eintrittsöffnung (38) für den mit Luft versetzten Brenn­ stoff im Bereich der unteren Stirnwand (36) und die Aus­ trittsöffnung (39) für den Brennstoff-Schaum im Bereich der oberen Stirnwand (37) der Kammer (9) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (11) des Schaufelrades (14) im Abstand (a) von der zylindrischen Innenumfangswand (35) angeord­ net sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaufeln (11) des Schaufelrades (14) im Abstand (b, c), von der unteren und oberen Stirnwand (36, 37) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (11) des Schau­ felrades (14) mit einem schmalen Axialbereich an der Schaufelradwelle (12) befestigt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (11) mit ihrer Innenkante (44) an dem der unteren Stirnwand (36) zugewandten Axialbereich der Schaufelradwelle (12) befestigt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) der Innenkanten (44) der Schaufeln (11) von der Schaufelradwelle (12) zur oberen Stirnwand (37) hin zunimmt.

16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (11) des Schau­ felrades (14) in Drehrichtung (45) vorwärts gekrümmt sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Brennstoffpumpe (6) zwi­ schen der Schaufelradkammer (9) und der Einspritzdüse (3) angeordnet ist.