DE2444188C2 - Brennkammer mit einem sich drehenden Brennstoffverteilertopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches i. Eine derartige Brennkammer ist aus der schweizerischen Patentschrift 1 80 799 bekannt In dieser Brennkammer ist der Verteilertopf in Flammricbtung offen. Das Flammrohr wird von einem massiven Körper mit zyijndrischer Ausnehmung gebildet, dessen radiale Rückwand eine zentrale öffnung für den Luftzutritt und eine koaxial angeordnete Antriebswelle aufweist Der topfförmige Brennstoffverteiler ist etwa in der Mitte ίο des Verbrennungsraumes mit der Welle mit seinem durchlöcherten Boden verbunden. Eine Brennstoffleitung ragt ebenfalls durch die zentrale öffnung bis in das Innere des rotierenden Topfes.

Die Umfassungswand des rotierenden Topfes vcrjungt sich kegelstumpfartig von einem offenen Durchmesser, der der Luftzutrittsöffnung entspricht bis zum durchlöcherten Boden hin, so daß ein großer Teil der Luft in Richtung auf die Bodenlöcher beschleunigt wird. Dadurch werden große Brennstofftropfen mitgerissen. Die Luft treibt die Flamme aus dem Flammrohr und die unvollständige Verbrennung der großen Tropfen findet in einem unerwünschten Abstand zum Brenner statt. Die vom Rand dieser Wand abgeschleuderten Tropfen treffen auf die ebenfalls ungekühlte Rückwand des Verbrennungsraumes und unterliegen dort dem Leidenfrost'schen Phänomen. Die Folge ist eine unkontrollierte Verbrennung und eine unzulängliche Brennstoffausnutzung.

Ein aus der britischen Patentschrift Nr. 3 00 236 bekannter Brenner hat in einer Brennkammer einen rotierenden Zerstäuber oder Verteilertopf für den durch eine Hohlwelle zugeführten flüssigen oder pulverförmigen Brennstoff. Dieser Brennstoff wird über eine Leitung an den Rand des Topfes in eine Umfangsrinne geführt. Die Luft wird sowohl innen als auch außen an dieser Rinne vorbeigeführt. Der innere Luftstrom als Vergaserstrom ' wird auf die Rinne gerichtet und reißt Brennstoffpartikel mit. Es findet keine gezielte Verdampfung statt, weil der Hauptanteil der zugeführten Luft radial außen an der Rinne vorbeigeführt wird. Bei dieser Betriebsweise werden immer Brennstoffanteile unverdampft bleiben, wofür bei den bekannten Brennern deshalb eine Fangkapsel vorgesehen ist. Diese Brennerkonstruktion bedingt eine bestimmte Betriebslage und ist deshalb für Fahrzeuge ungeeignet. Die einzige Regelung besteht in einer Drosselvorrichtung für die Zuluft.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, aaß insbesondere so bei kleinen Abmessungen des Brennstoffverteilertopfes eine für die Erzeugung einer gleichmäßigen stabilen Verbrennung ausreichende Verdampfung bzw. Vergasung des optimal zu nutzenden Brennstoffs ohne unerwünschte Überhitzung des Brennstoffs erreicht wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Damit eine Überhitzung des Brennstoffs, die zu Spaltprodukten, Verbrennungsvorgängen an der Oberfläche des Brennstoffs im Verteiiertopf und Rußbildung führt, vermieden wird, müssen bei bekannten Brennkammern die Verbrennungszonen in axialer Richtung des Luftstromes im axialen Abstand hinter dem jeweiligen Brcnnstoffverteilertopf beginnen. Dies hat aber zur Folge, daß die Brennstoffverteilertöpfe durch den noch h5 nicht erhitzten Luftstrom ausschließlich und damit zu stark gekühlt werden. Dadurch wird die Vergasung b/w. Verdampfung stark beeinträchtigt. Wegen zu geringer Vergasung bzw. Verdampfung gelangt ein beträchtli-

eher Teil des Brennstoffs zum offenen Ende des jeweiligen Brennstoffverteilertopfes und wird abgeschleudert, wobei sich ein Oberschuß an Brennstoff ergibt, der nicht verbrannt wird. Demgegenüber wird mit der vorstehend beschriebenen neuen Vorrichtung au di bei kleinen Abmessungen des Brennstoffverteilertopfes beim Dauerbetrieb eine gleichmäßige, ausreichend große Verdampfung bzw. Vergasung des Brennstoffs in einem günstigen Temperaturbereich erzielt, bei der weder Spaltprodukte noch Verbrennungsvorgänge auf der Brennstoffoberfläche entstehen. Es ergibt sich dabei eine gleichmäßige, nicht pulsierende Verbrennung, so daß unerwünschte Geräusche vermieden werden. Die Parameter der Verbrennung lassen sich gut steuern. Deshalb eignet sich die Vorrichtung besonders gut für Brennkammern von geringer Größe, wie sie in Standheizungen aller Arten von Fahrzeugen verwendet werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der oben beschriebenen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer Brennkammer,

F i g. 2 eine abgewandelte Ausführungsform und

F i g. 3 eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Brennstoffverteilertopfes und des diesen umgebenden Gehäuses.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkammer weist einen topfförmigen Brennstoffverteiler mit einem Boden la auf, der in einen zylindrischen Teil Xb übergeht. Der Verteilerkopf 1 ist in der Mitte seines Bodens Xa mit einer drehbaren Welle 2 verbunden, die in nicht weiter dargestellter Weise angetrieben wird.

Der Verteilertopf ί ist koaxial innerhalb einer äußeren zylindrischen Luftzuführung 3 angeordnet, deren Außenwand ein Gehäuse für die Brennkammer bildet. Im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 tritt die Luft vom linken offenen Ende her ein und verteilt sich radial nach außen und nach innen, wie noch näher dargelegt werden wird. Rechts ist die Luftleitung eingezogen und bildet eine Flammaustrittsöffnung. In diesem Ausführungsbeispiel tritt zumindest eine Brennstoffleitung 4 radial durch die Luftführung 3 hindurch in das Innere. Diese Brennstoffleitung 4 transportiert Brennstoff auf die innenseite des Verteilertopfes 1, so daß die Innenwand mit einer dünnen Breiinstoffschicht bedeckt wird.

Der Verteilertopf 1 ist innerhalb der Brennzone der Brennkammer angeordnet, wodurch ein Teil der Verbrennungswärme im Betrieb dazu verwendet wird, die gewünschte Verdampfung oder Verdunstung der Brennstoffschicht auf der Innenwand des Verteilertopfes 1 zu bewirken. Um jedoch lediglich eine Verdunstung zu erzielen, wird der Verteilertopf 1 außen von einer Frischluftschicht 6 umgeben, welche durch eine im Abstand um den Verteilertopf 1 angeordneten Kappe 7 gebildet wird. Diese Kappe 7 rot'ert mit dem Verteilertopf 1 mit und ist deshalb in axiülem Abstand mit der t>o Welle verbunden. Die Kappe 7 ist rückwärtig offen, hat aber eine vollständig geschlossene Umfangszylinder- und radiale Wand und kann aVs wärmebeständigem Material wie Keramik bestehen oder mit diesem oder mit Asbest ausgekleidet sein. Diii Frischluft zur Erzielung einer Kühlluftschicht 6 wird über einen zentralen Kanal zugeführt, welcher die Welle 2 des Verteilertopfes 1 koaxial umgibt, wofür im Boden des Verteilertopfes 1 eine oder mehrere öffnungen 17 vorgesehen sind.

Der Verteilertopf 1 ist zentral innerhalb eines diesen umgebenden zylindrischen Flammrohres 9 angeordnet welches innerhalb der Wand für die Luftzuführung 3 einen bestimmten Abstand einhäl». Das Flammrohr 9 ist gegen den Luftstrom durch eine radial einwärts gezogene Wand abgeschlossen, welche im Abstand zur Welle 2 einen stromabwärts offenen Zylinder bildet, der in den Verteilertopf 1 bis nahe an dessen Beden hineinragt. Diese offene Zylinder bildet einen zentralen Luftkanal 8, durch welchen Luft sowohl an dit- Öffnungen 37 als auch in die Verdampfungszone im \^rteilertopf gelangt Außerdem können durch diesen stehenden Luftzuführungsringzylinder die Brennstoffleitungen 4 verlegt werden.

Weiter stromabwärts hat das Flammrohr 9 nach dem Ende der Welle 2 eine Vielzahl von über den Umfang verteilten Durchtrittsöffnungen 10 für die Luft. Ein Kühlspalt 11 befindet sich in der Nähe des Auslasses der Luftführung 3. Aufgrund dieser Anordnung ergeben sich in der Brennkammer Brennzonen, welche in zwei Bereiche geteilt sind, und zwar in eine erste Zone 12, welche unmittelbar den Verteilertopf 1 umgibt sowie eine zweite Zone 13. In diese erste Zone 12 ist ein Rückfluß heißer Brenngase vorgesehen, welche für die erforderliche Aufheizung des drehbaren Verteilertopfes 1 sorgen. In der ersten Zone 12 soll ein wenig überstöchiometrisches Mischungsverhältnis aufrecht erhalten werden. In der zweiten Zone 13, in die durch die Durchtrittsöffnungen 10 zusätzliche Luft eingeführt wird, erfolgt die vollständige Verbrennung.

Zur Zündung des Verbrennungsprozesses ist eine Zündkerze 14 vorgesehen. Das offene Ende des Verteilertopfes 1 ist zu einer Schulter oder einem Kragen 15 ausgebildet. Dieser Kragen 15 ist radial einwärts so verlängert, daß sich an der Innenwand des Verteilertopfes 1 eine Brennstoffschicht genügender Dicke zur Erzielung einer gleichförmigen Brennstoffverteilung entlang der inneren Umfangsfläche und eine Unempfindlichkeit gegen kurzzeitige Störungen der Brennstoffzufuhr ergibt. Die Zündkerze 14 wird zu Beginn des Verbrennungsprozesses verwendet, damit der Rückfluß der heißen Gase in die erste Zone 12, der rückwärts den Verteilertopf 1 verläßt, zünden und "erbrennen kann.

Die Brennkammer kann mit verschiedenen Brennstoffen wie Benzin, Dieselöl usw. arbeiten. Wenn Dieselöl oder ähnliche Brennstoffe verwendet werden, die schwierig zu zünden sind, lassen sich diese durch eine eigene Brennstoffleitung 4a einführen, wobei die erstgenannte Brennstoffleitung 4 für die Zufuhr von Benzin oder ähnlichen leichten Brennstoffen, verbleibt, um mit diesen leichten Brennstoffen zu starten. Natürlich ist es auch möglich, nur eine Brennstoffleitung 4 zu verwenden, welche wahlweise mit zwei oder mehreren Brennstofftanks verschiedener Brennstoffe verbunden werden kann.

Während der Anlaufzeit, wenn der Verteilertopf 1 noch kalt ist, wird keine Verdunstung oder Verdampfung auftreten. Aber durch die Drehbewegung des Verteilertopfes 1 wird der Brennstoff nach außen und nach hinten an das freie Ende geschleudert, das vorzugsweise nach außen hin divergierend ausgebildet ist, so daß sich freie Tröpfchen ablösen, die im Luftgemisch Zündung durch eine in diesem Bereich angeordnete Zündkerze 14 ermöglichen. Das nach außen hin divergierende freie Ende des Verteilerkopfes 1 stellt ein Mittel für das geeignete Führen des Brennstoff-Luft-Gemisches dar, welches den Verteilertopf 1 an der stromaufwärts gele-

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genen, geschlossenen Endwand des Flammrohres 9 ver- topf und der diese umgebenden Kappe ausströmenden läßt und von dort reflektiert wird. Dadurch entsteht eine Kühlluft bewirkt werden. Das Auftreten dieser Störundie Verbrennung unterstützende Rückflußzone, welche gen kann jedoch durch eine Form des Brennstoffverteidie erste Brennzone 12 darstellt. Dadurch, daß die äuße- lertopfes 1 entsprechend der Darstellung in F i g. 3 der re Oberfläche des offenen Endes des Verteilertopfes 1 5 Zeichnung vermieden werden. Dieser Brennsioifverteidieselbe divergierende Form aufweist, wird hier auch lertopf 1 ist an seiner Außenseite in einem bestimmten die Luft aus der Schicht 6 umgelenkt. Was die Verbren- Abstand vom offenen Ende mit einem radial vorsprinnung in dieser Rückflußzone 12 unterstützt. genden über den Umfang verlaufenden Bördel 20 als

Bei tiefen Außentemperaturen und/oder bei der Ver- Flansch versehen, der als Mittel zur Aufrechterhaltung wendung schwer entflammbarer Brennstoffe kann vor io der Verbrennung und als Flammenhalter dient. In der dem Starten eine vorbereitende Vorheizung des Brenn- dargestellten Ausführungsform ist der Verteilertopf Stoffverteilertopfes 1 stattfinden. Hierfür isl wahlweise aus einem Blech gepreßt hergestellt, wobei in diesem eine elektrisch betreibbare Heizung 16 (F i g. 2) vorge- Fall der Flansch 20 als eine doppelt umgebogene Kante sehen, insbesondere wenn auf die Verwendung eines entlang der Peripherie des Topfes hergestellt sein kann. Startbrennstoffes verzichtet werden soll. Die Heizung 15 Vorzugsweise weist gemäß dieser Ausführungsform der hat die Form einer Heizschlange 16, welche vorzugswei- Topf eine konkave äußere Oberfläche im Bereich zwise an der Außenseite des zentralen Kühl-Luftzufüh- sehen dem Flansch 20 und dem freien Ende des Topfes rungskanales 8 und innerhalb der Ringkanals für die auf, wobei der Teil dieses Bereiches am nächsten an der Brennstoffrückführung angeordnet ist. Welle 2 liegt und gleichzeitig die Schwelle 15 an der

In F i g. 2 sind andere praktische Modifikationen der 20 Innenwand des Topfes 1 bildet. Dank dieser Ausbildung Vorrichtung gemäß F i g. 1 dargestellt. In dieser Ausfüh- wird eine wesentlich verbesserte definierte Rückflußzorungsform ist der Brennstoffverteilertopf 1 zusammen ne des Gasgemisches erreicht, und die den Topf verlasmit der antreibenden Welle 2 axial verschiebbar ange- sende Kühlluft kann keinen störenden Einfluß auf die ordnet. Außerdem ist die den Verteilertopf 1 umgeben- Rückflußzone haben, und zwar für alle Betriebsbedinde Kappe 7 auf einer eigenen Welle 2a für sich getrennt 25 gungen, die in der Praxis auftreten können.

axial verstellbar angeordnet. Diese Welle 2a gleitet in-

nerhalb der Verteilertopfwelle 2. Sowohl der Verteiler- Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

topf 1 als auch die Kappe 7 lassen sich entweder in ihren

Lagen zum Flammrohr 9 einzeln als auch in ihren Lagen zueinander einstellen. Auf diese Weise wird eine feinfühlige Regelung verfügbar gemacht. Die Temperatur der Wand des topfförmigen Brennstoffverteilers 1 und somit der Grad der Vergasung bzw. Verdampfung des Brennstoffes lassen sich ebenso einstellen wie das Ausmaß der durch die Öffnungen 17 im Boden des Verteilertopfes 1 hindurchgleitenden Luft, was einen Einfluß auf die Dicke der Luftschicht 6 hat. Mit dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind alle Möglichkeiten zur Erzielung einer optimalen Temperatur im Brennstoffverteilertopf hinsichtlich des Leidenfrostsehen Phänomens und der Brennstoffaufspaltung gegeben. Die Abwandlung mit axialer Beweglichkeit des Brennstoffverteilers 1 bzw. der diesen umgebenden K&ppe 7 ist in erster Linie für die Verwendung in Gasturbinen und für die Verbrennung von öl geeignet.

Obwohl die Erfindung bisher ausschließlich für die Verwendung von flüssigen Brennstoffen beschrieben wurde, ist es ebenso möglich, gasförmige Brennstoffe entweder allein oder in Kombination mit flüssigen Brennstoffen zu verwenden. Bei einer derartigen Anwendung kann ein brennbares Gas durch einen Spalt zwischen der Verteüerweüe 2 und der Welle 2s entsⁿrechend der Ausführungsform in F i g. 2 eingeführt werden. Statt dessen ist es auch möglich, diesen Spalt für die Einführung zusätzlicher Kühlluft zu verwenden, sofern dies für erforderlich gehalten wird.

Die Welle 2 kann durch einen geeigneten, nicht dargestellten Motor angetrieben werden. Ebenso kann die Welle mit Rügein versehen sein und nur mittels der durch den Luftzuführkanal 8 zugeführten Luft angetrie- ω ben werden.

Eine weitere Verbesserung ist in Fig.3 dargestellt Diese Ausgestaltung kann benutzt werden, wenn unter bestimmten Arbeitsbedingungen Störungen in der Rückflußzone außerhalb des Brennstoffverteilertopfes 1 dort auftreten, wo die erste Brennzone 12 aufrechterhalten wird. Solche Störungen können vornehmlich durch die den Spalt zwischen dem Brennstoffverteiler-

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Brennkammer mit einem im Zentrum eines in Flammrichtung offenen, zylindrischen Flammrohres rotierenden topfförmigen Brennstoffverteiler, dessen in Flammrichtung liegender Boden mit öffnungen versehen ist, und koaxial mit einer den Verteilertopf durchragenden Antriebswelle verbunden ist, mit zumindest einer in das Innere des Verteilertopfes geführten Brennstoffleitung, mit einem gegen das Innere des Verteilertopfes gerichteten und koaxial zu diesem angeordneten Luftkanal und mit einer Zündhilfe in der zylindrischen Brennkammer im radialen Abstand zum topfförmigen Brennstoffverteiler, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilertopf (1) eine achsparallele zylindrische innere Oberfläche aufweist, welche am offenen Rand einen keichiörmigen Kragen (15) hat, der radial einwärts über die innere zylindrische Oberfläche des Verteilertopfes (J) übersieht, wobei der Verteilertopf (1) axial in Flammrichtung und radial von einer geschlossenen mitrotierenden Kappe (7) umgeben ist, während das umfassende Flammrohr (9) vor der offenen Seite des Verteilertopfes (1) radial einwärts gebogen und zur Bildung des zylindrischen Luftkanals (8) in den Verteilertopf (1) mit axialem Abstand bis zu dessen Boden geführt ist, und daß das Flammrohr (9) von einer radial außen liegenden Wand (3) zur Bildung eines zweiten, peripheren Luftkanals umgeben ist, von welchem öffnungen (10) in einer Ebene zwischen der Kappe (7) und dem Flammrohrauslaß für den Durchtritt von Luft in das Flammrohr (9) vorgesehen sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringkanal zwischen dem zylindrischen Teil des Verteilerkopfes (1) und zylindrischem Luftkanal (8) eine elektrisch betreibbare Heizschlange (16) angeordnet ist.

3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen Verteilertopf (1) und umgebender Kappe (7) einstellbar ist.

4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (2) mit dem daran befestigten Verteilertopf (1) axial verschiebbar ist.

5. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der hohl ausgebildeten Antriebswelle (2) für den Verteilertopf (1) eine Welle (2a) mit der daran befestigten umgebenden Kappe (7) axial beweglich ist.

6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Spalt zwischen der hohlen Antriebswelle (2) und inneren Welle (2a) Brenngas und/oder Luft zuführbar ist.

7. Brennkammer nach Ansprüchen 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Randende des zylindrischen Teils des Verteilertopfes (1) ein radial nach außen springender Bördelrand (20) angeordnet ist, dem sich in axialer Richtung eine Verengung und darauf folgend der radial nach außen vorstehende Kragen (15) anschließt.