DE19752293C1

DE19752293C1 - Heizgerät mit einem eine Zweistoffdüse aufweisenden Brenner

Info

Publication number: DE19752293C1
Application number: DE19752293A
Authority: DE
Inventors: Ingrid Dr Lanzl; Christian Hubbauer; Stefan F Ullerich
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH
Current assignee: Webasto Thermosysteme GmbH
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: EP0918193B1; EP0918193A3; US5993191A; JPH11287407A; EP0918193A2; DE59808432D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere ein motorunabhängig betreibbares Fahrzeugheizgerät, mit einem Brenner, der über eine Zweistoffdüse mit Brennstoff und Luft versorgt wird und eine Brennkammer umfaßt, und mit einem mehrstufigen Verdichter zum Verdichten der Luft.

Zweistoffdüsen weisen üblicherweise in konzentrischer Anordnung eine Bohrung und eine Ringkammer auf, wobei entweder der Bohrung oder der Ringkammer Brennstoff mittels einer. Dosierpumpe zugeführt und durch den Luftmassenstrom zerstäubt wird, der über die anderen Düsendurchtrittsöffnung, den Ringkanal bzw. die Bohrung zugeführt wird.

Es ist ferner aus der DE-AS 21 35 093 bekannt, bei einem Heizgerät den gesamten zur Verbrennung notwendigen Luftmassenstrom mittels einer zweistufigen Strömungsmaschine zu verdichten und über eine Düse in die Brennkammer einzutragen. Nachteilig hierbei ist, daß für einen großen Volumenstrom ein hoher Druck erforderlich ist, der einen entsprechend hohen Energieaufwand bedingt. Die damit verbundene große Strömungsgeschwindigkeit würde an einer Zweistoffdüse zu Startproblemen, einem hohen Geräusch und hohen Druckverlusten führen.

Bekannt ist außerdem ein derartiges Heizgerät mit einer eine Zweistoffdüse aufweisendem Brenner, bei welchem der der Brennstoffzerstäubungs-Luftmassenstrom getrennt von dem übrigen für die Verbrennung notwendigen Luftmassenstrom über einen volumetrischen Verdichter, einen Kompressor, auf ein höheres Druckniveau verdichtet wird. Nachteilig hieran sind die hohen Kosten, die Anfälligkeit und der entsprechende Wartungsaufwand des Kompressors und das hohe Geräusch des Kompressors.

Angesichts dieses Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art zu schaffen, das kostengünstig, geräuscharm und sicher betreibbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit anderen Worten sieht die Erfindung eine Luftführung des eine Zweistoffdüse aufweisenden Brenners in Verbindung mit einem mehrstufigen Verdichter vor, bei der in einer ersten Stufe der gesamte für die Verbrennung benötigte Luftmassenstrom auf ein unteres Druckniveau verdichtet wird, woraufhin dieser Luftmassenstrom aufgeteilt wird, und wobei ein Teilstrom der Brennkammer direkt und der andere Teilstrom nach einer zusätzlichen Verdichtung als Zerstäubungsluftmassenstrom der Zweistoffdüse zugeführt wird. Die erfindungsgemäße Luftführung des Brenners ermöglicht eine Anpassung des Zerstäubungsluftstroms an die jeweiligen Düsenerfordernisse, ohne daß dadurch die für die Verbrennung benötigte Luftmenge beeinflußt wird. Da erfindungsgemäß nicht der gesamte Luftmassenstrom auf ein hohes Druckniveau angehoben wird, sondern nur derjenige Teil des Luftmassenstrom, der zur Zerstäubung des Brennstoffs in der Zweistoffdüse dient, ist weniger Energie erforderlich als bei dem vorstehend genannten Stand der Technik. Dadurch ist eine höhere Startsicherheit erreichbar. Außerdem zeichnet sich das erfindungsgemäße Heizgerät durch die spezielle Luftführung im Vergleich zu dem vorstehend genannten Stand der Technik, der einen Kompressor erfordert, durch einen günstigen Gestehungspreis sowie durch eine Wartungsfreiheit über die Motorlebensdauer hinweg aus. Im Gegensatz zu der volumetrischen Verdichtung beim Stand der Technik in einem Kompressor, dessen Betrieb mit einem hohen Geräusch verbunden ist, zeichnet sich die erfindungsgemäße Luftführung durch ein niedriges Geräusch aus.

Vorteilhaft ist ferner, daß sämtliche Verdichterstufen auf einer einzigen Motorwelle angeordnet werden und mit derselben Drehzahl arbeiten können.

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen genügt zur Vorverdichtung des gesamten Luftmassenstroms eine einzige Verdichterstufe. Alternativ hierzu können mehrere Verdichterstufen zu diesem Zweck zum Einsatz gelangen. Dasselbe gilt für die Nachverdichtung für den als Brennstoffzerstäubungs-Luftmassenstrom verwendeten Teilstrom.

Zur Optimierung einer Ansteuerung des Brenners ist ferner vorteilhafterweise vorgesehen, parallel zur zweiten Verdichterstufe eine Umgehungsleitung zu schalten.

Bei dem mehrstufigen Verdichter handelt es sich bevorzugt um ein mehrstufiges Gebläse, beispielsweise ein entsprechend ausgelegtes Ringkanalgebläse.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch die Strömungsführung vor dem Brenner des erfindungsgemäßen Heizgeräts.

Von dem erfindungsgemäßen Heizgerät sind in der Figur lediglich die Brennkammer 1, die Zweistoffdüse 2 des Brenners, die in die Brennkammer 1 ragt, und ein zweistufiger Verdichter in Gestalt eines Gebläses mit einer ersten Gebläsestufe 3 und einer zweiten Gebläsestufe 4 gezeigt.

Der ersten Gebläsestufe 3 wird erfindungsgemäß der gesamte zur Verbrennung in der Brennkammer 1 erforderliche Luftmassenstrom m₀ zugeführt, wie schematisch durch eine Luftzuleitung 5 gezeigt. In der ersten Gebläsestufe 3 wird der Luftmassenstrom auf ein erstes relativ niedriges Druckniveau verdichtet, und dieser verdichtete Luftmassenstrom wird folgend auf den Ausgang 6 der ersten Gebläsestufe 3 in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen ein Sekundärluft-Teilstrom m₂ über eine Leitung 7 der Brennkammer 1 direkt, also ohne über den Umweg über die Zweistoffdüse 2 zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist die Leitung 7 mit einem Einlaß 8 der Brennkammer im Bereich der Zweistoffdüse 2 verbunden. Ein Primärluft-Teilstrom m₁ des in der ersten Gebläsestufe 3 verdichteten bzw. vorverdichteten Luftmassenstroms m₀ wird über eine Leitung 9 der zweiten Gebläsestufe 4 zugeführt. Die zweite Gebläsestufe 4 dient zur Nachverdichtung des Primärluft-Teilstroms m₁ auf ein höheres Druckniveau p₁ als das Druckniveau p₂ des Sekundär-Teilstroms m₂ der direkt in die Brennkammer 1 eingespeist wird. Der am Ausgang 10 der zweiten Gebläsestufe 4 anliegende nachverdichtete Primärluft-Teilstrom m₁ wird über eine Leitung 11 einem Zerstäubungsanschluß 12 der Zweistoffdüse 2 zugeführt. In der dargestellten Ausführungsform mündet der Zerstäubungsanschluß 12 in einen Ringkanal 13 der Zweistoffdüse 2, der eine Düsenbohrung 14 konzentrisch umgibt, die in Verbindung mit einer Brennstoffzuleitung 15 steht.

Ferner ist eine Bypaß- bzw. Umgehungsleitung 16 vorgesehen, die in der Figur strichliert gezeigt und parallel zu der zweiten Gebläsestufe 4 geschaltet ist, und damit wahlweise die mit dem Eingang der zweiten Gebläsestufe 4 verbundene Leitung 9 mit der Leitung 11 am Ausgang 10 der zweiten Gebläsestufe verbindet. Durch ein Regelventil 17 in der Bypaßleitung 16 kann der Anteil der hochverdichteten Primärluft den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt werden. Insbesondere ist eine Reduzierung in der Startphase realisierbar. Die Bypaßleitung 16 kann auch ersetzt werden durch ein Regelventil 18 an der Abzweigstelle der Leitung 9 von der Leitung 7, sodaß dort der Anteil von Primär- zu Sekundärluft in bestimmten Grenzen veränderbar ist.

Bevorzugt sind die ersten und zweiten Gebläsestufen 3 und 4 auf einer gemeinsamen Motorwelle angeordnet und werden mit derselben Drehzahl angetrieben. Die anteilsmäßige Aufteilung des die ersten Gebläsestufe 3 verlassenden vorverdichteten bzw. auf ein erstes niedriges Druckniveau verdichteten Luftmassenstroms in die zwei Teilströme erfolgt über eine entsprechende Dimensionierung der beiden Gebläsestufen 3 und 4 bzw. die Dimensionierung der Zweistoffdüse 2 und gegebenenfalls mit Hilfe der Umgehungsleitung 16 oder der Regelventile 17 bzw. 18. Die erfindungsgemäße, in der Figur dargestellte Luftführung des Brenners des erfindungsgemäßen Heizgeräts erlaubt eine Anpassung des Zerstäubungsluftstroms an die jeweiligen Düsenerfordernisse ohne Beeinflussung der für die Verbrennung benötigten gesamten Luftmenge. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Luftführung einen niedrigen Energieaufwand erfordert. Eine Wartung ist während der Lebensdauer des Motors zum Antrieb der beiden Gebläsestufen 3 und 4 nicht erforderlich. Die erfindungsgemäße aufgeteilte zweistufige Verdichtung des gesamten Luftmassenstroms führt zu einem niedrigeren Geräusch als bei bisherigen Brennern.

Bei einem Heizgerät mit etwa 5 kW Heizleistung wird in der ersten Gebläsestufe 3 bei Vollast ein Luftmassenstrom m₀ von etwa 9,5 m³/h auf einen Druck p₂ von etwa 18 hPa über dem Atmosphärendruck p₀ verdichtet. Davon wird ein Teilstrom m₂ von etwa 8 bis 9 m³/h über die Leitung 7 unmittelbar der Brennkammer 1 als Sekundärluft zugeführt. Der kleinere Teilstrom m₁ von etwa 0,5 bis 1,5 m³/h wird in der zweiten Gebläsestufe 4 auf einen Druck p₁ von etwa 70...100 hPa weiter verdichtet und über den Zerstäubungsanschluß 12 als Primär- oder Zerstäubungsdruckluft der Zweistoffdüse 2 zugeführt. Das Verhältnis von Primär- zu Sekundärluft beträgt somit zwischen 0,05 und 0,20, vorzugsweise 0,08 bis 0,12.

Bezugszeichenliste

1

Brennkammer

2

Zweistoffdüse

3

erste Gebläsestufe

4

zweite Gebläsestufe

5

Luftzuleitung

6

Ausgang der ersten Gebläsestufe

7

Leitung

8

Einlaß

9

Leitung

10

Ausgang der zweiten Gebläsestufe

11

Leitung

12

Zerstäubungsanschluß

13

Ringkanal

14

Düsenbohrung

15

Brennstoffzuleitung

16

Umgehungsleitung

17

Regelventil

18

Regelventil
m₀

gesamter Brennluftmassenstrom
m₁

Primärluft-Teilstrom
m₂

Sekundärluft-Teilstrom
p₁

Druck in m₁

p₂

Druck in m₂

Claims

1. Heizgerät, insbesondere motorunabhängig betreibbares Fahrzeugheizgerät, mit einem Brenner, der über eine Zweistoffdüse (2) mit Brennstoff und Luft versorgt wird und eine Brennkammer (1) umfaßt, und mit einem mehrstufigen Verdichter (3, 4) zum Verdichten der Luft, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer ersten Verdichterstufe (3) der gesamte für die Verbrennung in der Brennkammer (1) erforderliche Luftmassenstrom (m₀) zur Verdichtung auf ein erstes Druckniveau (p₂) zugeführt wird, und daß der derart verdichtete Luftmassenstrom in einen der Brennkammer (1) direkt zugeführten Sekundärluft-Teilstrom (m₂) und einen Primärluft-Teilstrom (m₁) aufgeteilt wird, welcher in zumindest einer zweiten Verdichterstufe (4) auf ein zweites Druckniveau (p₁) verdichtet und der Zweistoffdüse (2) als Brennstoffzerstäubungs-Luftmassenstrom zugeführt wird.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterstufen (3, 4) unterschiedliche Druckverhältnisse (p₂/p₀ bzw. P₁/p₂) bereitstellen.

3. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Primärluft-Teilstroms (m₁) veränderbar ist.

4. Heizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur zweiten Verdichterstufe (4) eine Umgehungsleitung (16) geschaltet ist, in der ein Regelventil (17) angeordnet ist.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verzweigungsstelle von Primärluft-Teilstrom (m₁) und Sekundärluft- Teilstrom (m₂) ein Regelventil (18) angeordnet ist.

6. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Primärluft-Teilstrom zu Sekundärluft-Teilstrom m₁/m₂ = 0,05...0,20, insbesondere m₁/m₂ = 0,09 beträgt.

7. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrstufige Verdichter (3, 4) ein mehrstufiges Ringkanalgebläse ist.