DE2945250A1

DE2945250A1 - Brenner

Info

Publication number: DE2945250A1
Application number: DE19792945250
Authority: DE
Inventors: Joseph M Johnson; Joel D Smith
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1978-11-13
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1980-05-14
Also published as: CA1119061A; JPS5591757A; GB2036297A; DE2945250C2; ES485886A0; FR2441798B1; MX149043A; ES8100425A1; BR7907373A; GB2036297B; SE7909336L; IN152498B; IT1125674B; IT7927221A0; FR2441798A1

Description

ΟΜ.-ΙΝβ. ΟΙΡΙ_-ΙΝβ. V SC O1PI_-»HVS. OR. O«PU.-*MY*. '""--•'MV*. 0«.

HÖGER - STELLRECHT - -3RIFSSBACH - HAECKER E PATENTANWALTS IM STU.TGk^I 23A5250

Ά 43 844m Anmelder: Cummins Engine Company Inc.

m - 181 1ooo 5th Street

5. November 1979 Columbus

Indiana 472o1

Beschreibung Brenner

Die Erfindung betrifft einen

Brenner zur Erzeugung einer gegenüber quer und gegenströmender Umgebungsluft stabilen Flamme. Insbesondere hat es die Erfindung mit derartigen Brennstoffbrennern zu tun, welche der Vorerwärmung der eintretenden Luft einer Verbrennungskraftmaschine dienen. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Brenner mit hochstabiler Flamme und vorausbestimmbarem Wärmeausgang zur Anwendung in einer Umgebung, die plötzlichen Druckschwankungen und einer Strömung der umgebenden Luft unterliegen jaie dies beispielsweise bei der Einlaßverteilerleitung einer Verbrennungskraftmaschine der Fall ist.

Seit langem ist eine Brennerkonstruktion erwünscht, die den manchmal einander widersprechenden Zielen niederer Herstellungs- und Unterhaltungskosten sowie hoher Flammenstabilität und Unempfindlichkeit gegenüber Strömungen der umgebenden Luft genügt. Die Erfüllung dieser Ziele ist insbesondere für die Hersteller und Benutzer von Verbrennungskraftmaschinen des Kompressionszündungstyps (Dieselmotoren) wichtig, da Brennstoffbrenner normalerweise in dem Einlaßverteiler dieser Motoren vorgesehen sind, um ein leichteres Starten zu begünstigen und Abgase und andere schädliche Emissionen zu reduzieren. Eine stabile Flamme ist insbesondere kritisch beim eigentlichen Betrieb derjenigen Brenner, die zur Vorerhitzung der Luft in dem.Einlaßverteiler eines Motors mit innerer Verbrennung benutzt werden, weil eine ungenügende Verbrennung einen schwierigen Start und giftige Abgasemissionen verursacht. Darüberhinaus entleert eine übermäßige Verbrennung den zur Verfügung stehenden Sauerstoffvorrat in dem Einlaßverteiler, so daß möglicherweise ein Starten des Motors überhaupt unmöglich wird.

Es wurden bereits eine große Anzahl von Brennern zur Verwendung in Einlaßverteilern von Motoren vorgeschlagen, beispielsweise in der

030020/0889

-6-

η " hi

5. November 1,979

US-PS 3 687 122. Alle bekannten Brenner weisen eine Brennstoffdüse auf, die sowohl mit Brennstoff als auch mit Luft gespeist wird. Ferner ist ein Mantel vorgesehen, um die Brennerflamme zu umfassen und auszurichten. Obwohl die bekannten Flammenum- -mantelungen im Hinblick auf eine Erreichung der Flammenstabilität erfolgreich waren, sind die in der genannten US-PS vorgeschlagenen Konstruktionen nicht immer effektiv, um ein Ausblasen der Flamme zu verhindern und eine ausreichende Wärmeerzeugung zu gewährleisten, ohne daß dabei übermäßig viel Brennstoff oder Sauerstoff in der Einlaßverteilerleitung des Motors verbraucht werden. Diese Unwirksamkeit geht teilweise auf die Anforderung zurück, daß eine zusätzliche Luftmenge der Brennerflamme zugeführt wird, die größer als diejenige Luftmenge ist, welche der Brennerdüse zugeführt wird, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu gewährleisten. Da diese Forderung normalerweise dadurch erfüllt wird, daß man Luft aus dem Einlaßverteiler durch eine Öffnung in dem Mantel in der Nähe der Flammenbasis der Brennerflamme zuführt, kann eine Druckschwankung und eine Veränderung des Luftstromes in dem Einlaßverteiler auf die Flammenstabilität nachteilige Effekte haben. Selbst in den Fällen, in denen der Flammenmantel die Gestalt einer Tasse hat, welche die Flammenbasis vollständig umgibt, und von dem Einlaßverteiler abtrennt, kann eine unregelmäßige Brennstoffverbrennung als Folge einer turbulenten Luftströmung auftreten, wie sie sich in beiden Richtungen am offenen Ende des tassenförmigen Mantels abspielt, wobei Luft in den Mantel einströmt und aus diesem wieder austritt. Darüberhinaus müssen tassenförmige Flammenummantelungen stets noch mit einer Hilfsluftströmung in der Nähe der Brennerflamme versehen werden, um vollständige Verbrennung zu gewährleisten. Diese zusätzliche Luft wird normalerweise durch eine Leitung zugeführt, die mit einer äußeren Luftquelle verbunden ist, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 977 beschrieben ist. Eine solche Hilfsluftquelle kann die Kosten einer Vorerhitzereinrichtung der in Rede stehenden Art erheblich erhöhen, ohne zu optimalen Ergebnissen zu führen.

030020/0889

-7-

A 43 844 m - 7 -

5. November 1979

Ein Versuch, dieses Dilemma aufzulösen findet sich in der US-PS 4 o44 74o, in welcher ein zur Anordnung in einem Motoreneinlaßverteiler bestimmter Brenner beschreiben ist, welcher innere und äußere, ringförmige Gehäuse besitzt. Auch wenn mit Hilfe dieses neuen Brenners eine wirksamere Verbrennung und größere Flammenstabilität im Vergleich mit früheren Konstruktionen erreichbar ist, erhöht doch die komplizierte Anordnung innerer und äußerer Gehäuse die Herstellungskosten hinsichtlich der bekannten Konstruktionen und der blockierte Ausgangsdurchlaß für die Verbrennungsgase kann zu Kohlenstoffabscheidungen und hohen Unterhaltskosten führen.

Ein anderer Versuch, einen wirksamen und dennoch sehr vielseitigen Brenner zu Vorerhitzung der Einlaßluft für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, ist in der US-PS 4 o27 642 beschrieben. Dort ist eine Brennstoffdüse in der Nähe der Basis eines schalenförmigen Mantels angeordnet, der sich in den Einlaßverteiler eines Motors öffnet. Dem Flammenbereich wird Hilfsluft durch eine öffnung in der Nähe einer Seite des Verbrennungsgasauslasses des Mantels zugeführt, was offensichtlich zu einer gewissen Zirkulation der Verbrennungsgase in der schalenförmigen Ummantelung führt. Jedoch ist dort die Zirkulationsbahn nicht symmetrisch und zeigt ein unregelmäßiges Verhalten, was wiederum zu einer Flammeninstabilität führt.

Außerhalb des Fachgebiets der Erhitzer für die in Verbrennungskraftmaschinen eintretende Luft ist beispielsweise aus der US-PS 2 o33 838 ein Brennstoffbrenner mit einer Ummantelung bekannt geworden, die einen zylindrischen Körperabschnitt einschließt, der die für flüssigen Brennstoff bestimmte Düse umgibt, wobei der Mantel eine Auslaßöffnung für Verbrennungsgas besitzt, die durch eine nach innen umgebogene Lippe bestimmt ist. Diese Patentschrift zeigt weiterhin ein Gebläse, welches Luft durch den Mantel hindurch und aus der öffnung herausdrückt, die von der erwähnten Lippe gebildet ist. Durch diese Konstruktion erhöhen sich die Kosten und die Kompliziertheit des Brenners. Kurz gesagt, zeigt keiner der bekannten Brennstoff brenner einen einfachen und dennoch wirksamen Weg auf, eine ausreichende Flammenstabilität zu erreichen, welche den strengen An-

030020/0889 ~⁸~

5. November 1979

förderung genfigt, wie sie an eine brauchbare Vorerhitzereinrichtung für Einlaßluft gestellt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mängeln abzuhelfen und eine einfache Brennerkonstruktion anzugeben, die in der Lage ist, eine Flamme zu erzeugen, die ihrerseits im wesentlichen durch Strömungen der Umgebungsluft und Druckschwankungen unbeeinflußt bleibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

a. eine Brennkammer mit einem ersten Abschnitt, dessen Wand als Rotationsfläche ausgebildet ist, mit einem zweiten, an den ersten anschließenden Abschnitt, dessen Stirnwand im wesentlichen senkrecht zur Achse der Wand verläuft, und mit. einer Einspritzdüse zum Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer;

b. die Stirnwand ist als eine ringsum nach einwärts zur Achse hin verlaufende, eine Auslaßöffnung umschließende Lippe ausgebildet;

c. der aus der Einspritzdüse in die Brennkammer austretende Brennstoff erzeugt in einem ringförmig von der Wand un der Stirnwand begrenzten Bereich der Brennkammer eine torroidförmig zirkulierende Teilströmung von Verbrennungsprodukten sowie eine weitere,die Auslaßöffnung verlassende Teilströmung von Verbrennungsprodukten und

d. die Einspritzdüse ist so positioniert, daß sie Brennstoff in die torroidförmig zirkulierende Teilströmung der Verbrennungsprodukte einspritzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung bestehen in Folgendem:

Es wird ein Brenner für flüssige Brennstoffe geschaffen zurEr-

030020/0889

5. November 1979

zeugung einer Flamme, die gegenüber Ausblasen resistent ist. Der Brenndr weist eine Brennstoffeinspritzdüse auf, die einen konusförmigen, zerstäubten Brennstoffsprühstrahl ausbildet. In Kombination damit ist eine Flammenummantelung vorgesehen, die so gestaltet ist, daß sie den kegelförmigen Sprühstrahl in der Weise ergänzt, daß ein torroidförmiges Muster an zirkulierenden Verbrennungsprodukten hervorgerufen wird, welches sich innerhalb der Ummantelung ausbildet.

Der erfindungsgemäße Brenner ist insbesondere dazu bestimmt, bei der Vorerhitzung der Luft im Einlaßverteiler einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt zu werden, wobei jedoch keine Notwendigkeit für eine hilfsweise Zuführung von Luft von außerhalb des Verteilers zur Gewährleistung einer vollständigen Verbrennung des dem Brenner zugeführten Brennstoffes besteht. Dennoch wird dabei die Flammenstabilität des Brenners nicht beeinträchtigt.

Der erfindungsgemäße Brennstoffbrenner ist mit einem Mantel versehen, der einen Auslaß für Verbrennungsgas besitzt. Dieser Auslaß ist durch eine nach innen umgebogene, um den Umfang des Mantels herum verlaufende Lippe bestimmt. Die Lippe ist so geformt, daß sie eine zylindrische Gegenströmung von Umgebungsluft in den Mantel hinein verursacht, wobei diese Gegnströmung die durch den Verbrennungsgasauslaß ausströmenden Verbrennungsgase umschließt.

Es wird erfindungsgemäß eine Heizeinrichtung für die Einlaßluft einer Verbrennungskraftmaschine mit Einlaßverteiler vorgeschlagen. Die betreffende Verbrennungskraftmaschine hat vorzugsweise ein Brennsotffzuführsystem, mit dem der Maschine Brennstoff bei veränderlichem Druck zugeführt wird, um auf diese Weise die Motorgeschwindigkeit zu steuern. Es wird für die Heizeinrichtung eine Brennstoffzuflußsteuerung vorgesehen, die den unter Druck von dem Zufuhrsystem der Maschine angelieferten Brennstoff aufnimmt und den Brennstoffluß zum Brenner steuert und zwar in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Programm, welches auf die Maschinenge-

030020/0889

-1O-

A 43 844 m - 1o -

ra -·181

5. November 1979

schwindigkeit bezogen ist, um auf diese Weise eine optimale Vorerhitzung der in den Motor eintretenden Luft zu erreichen.

Der in erster Linie für die Verbrennung flüssigen Brennstoffes bestimmte Brenner der Erfindung umfaßt eine Brennstoffeinspritzdüse, die mit Luft und Brennstoff gespeist wird und derart ausgebildet ist, daß sich ein kegelförmiger Sprühstrahl aus zerstäubtem Brennstoff ergibt. Weiterhin ist eine Flammenummantelung vorgesehen, die eine Brennkammer mit einer inneren, zylindrischen Fläche bestimmt. An der einen Stirnseite der Ummantelung ist eine nach einwärts umgebogene, um den Umfang der Ummantelung herum verlaufende Lippe vorgesehen, die so gestaltet ist, daß sie eine Auslaßöffnung für Verbrennungsgas bildet. Diese Auslaßöffnung hat einen Durchmesser, der gleich dem Durchmesser der Basis des kegelförmigen BrennstoffStrahls ist. Die Brennstoffdüse ist in der Nähe des einen Endes der Verbrennungskammer in einer Weise angeordnet, daß sie den konusförmigen Brennstoffsprühstrahl symmetrisch entlang der Mittelachse der zylindrischen Innenfläche der Brennkammer richtet, wobei die Entfernung der Düse zum Verbrennungsgasauslaß etwa gleich dem Durchmesser dieses Auslasses ist. Der kegelförmige Brennstoffsprühstrahl ist so geformt, daß der Umfangsrand der Kegelbasis in einem Bereich der Verbrennungskammer endet, der durch die zylindrische Innenfläche und die nach innen umgebogene Lippe bestimmt ist. Die Kegelbasis ist jedoch etwa gleichmäßig von der Lippe entfernt, so daß im Betrieb des Brenners sich ein torroidförmiges Muster zirkulierender Verbrennungsprodukte innerhalb einer torroidförmigen Zone der Verbrennungskammer ausbildet, wobei diese Zone von der erwähnten Lippe und der zylindrischen Innenfläche der Brennkammer gebildet ist. Ein ^vin vorbestimmter Weise gesteuerter oder programmierter Brennstoffstrom wird durch eine Brennstoffzuführleitung erreicht, die eine Hauptdrosselöffnung zur Einspeisung des Brennstoffes aus der Brennstoffzuführvorrichtung der Verbrennungskraftmaschine einschließt. Ferner sind zwei parallele Zweigleitungen vorgesehen, von denen eine dem Brenner Brennstoff durch eine Drosselöffnung zuleitet, die gleich der

030020/0889 -n-

5. November 1979

Hauptdrosselöffnung ist. Die zweite Zweigleitung führt den Brennstoff zum Brennstofftank der Verbrennungskraftmaschine durch einen Druckregulator und über eine Drosselöffnung zurück, die größer als die Hauptdrosselöffnung ist.

Die nachstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfidnung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht einer Verbrennungskraftmaschine mit erfindungsgemäßem Brenner zum Vorerhitzen der in die Brennkraftmaschine eintretenden Luft;

Fig. 2 eine Querschnittansicht des Brenners aus Figur 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzufuhrsystems zur Anwendung bei dem Brenner aus Figur 1 und 2 und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des dem Brenner zugeführten Brennstoffes bei Verwendung des in Figur 3 dargestellten Züführsystems.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffbrenner, der für einen Einsatz als Heizeinrichtung für die eintretende Luft bei einer Verbrennungskraftmaschine geeignet ist. Der Brenner ist durch eine extrem stabile Flamme gekennzeichnet, die gegenüber Druckschwankungen und Veränderungen der Luftsrömung innerhalb des Einlaßverteilers unempfindlich ist. Der Brenner enthält einen im wesentlichen vollstandig umhüllenden Mantel, der so gestaltet ist, daß sich eine torroidförmig zirkulierende Teilströmung von Verbrennungsprodukten ergibt, welche die Flammenstabilität begünstigt und über einen breiten Bereich der Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine hinweg eine Kapazität vorhersagbarer Wärmeerzeugung ermöglicht.

030020/0889

-12-

A 43 844 m - 12 - γλγλ

η - .181 294 5 ZbO

5. November 1979

Um die Art und Weise zu verstehen, in der die verschiedenen, oben angegebenen Verbesserungen erreicht werden, wird auf Figur 1 Bezug genommen, die eine Verbrennungskraftmaschine 2 mit Kompressionszündung (Dieselmotor) zeigt. Die Verbrennungskraftmaschine weist einen Einlaßverteiler 4 auf, der so angeordnet ist, daß er Einlaßluft aus einem Turbolader 6 über eine Luftleitung 8 empfängt. Die Luftleitung 8 ist mit der Kompressorstufe 1o des Turboladers 6 verbunden. Der Einlaßverteiler 4 ist seinerseits so konstruiert, daß er die vom Turbolader empfangene Luft zu den einzelnen Einlaßöffnungen 12 hin verteilt, die zu den jeweiligen, nicht dargestellten Motorzylindern führen.

Die Betriebseinzelheiten eines Motors der in Figur 1 dargestellten Art sind an sich bekannt. Kurz gesagt, komprimiert der Dieselmotor in seinen Zylindern durch Kolben Luft, so daß die Temperaturen hoch genug werden, um den in jedem Zylinder am oberen Ende des Kompressionshubs eingespritzten Brennstoff spontan zu zünden. Die sich daraufhin ergebende Explosion treibt die Kolben nach unten und erzeugt an einer Kurbelwelle eine Ausgangsdrehbewegung. Die Abgase werden über einen Abgasverteiler 14 aus dem Motor 2 ausgestoßen. Der Abgasverteiler 14 lenkt die Abgase durch eine Turbinenstufe 16 des Turboladers 6. Die Turbinenstufe 16 ist mechanisch mit der Kompressorstufe 1o verbunden, so daß unter Druck stehende Luft zum EinlaßVerteiler 4 hingelenkt werden kann.

Wenn die Umgebungstemperatur ausreichend niedrig ist, erfordert ein Dieselmotor Unterstützung , beispielsweise eine Erhitzung der Einlaßluft, um den Start des Motors zu ermöglichen. Darüberhinaus erfordern moderne, turbogeladene und nachgekühlte Motoren eine Erwärmung der Einlaßluft während bestimmter Betriebsbedingungen,um das Auftreten weißen Rauches und anderer unerwünschter Abgasemisionen zu vermeiden. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Einlaßluft duch einen mit flüssigem Brennstoff gespeisten Brenner 18 j erhitzt, der so gestaltet und angeordnet ist, daß er eine extrem stabile Flamme einem vorbestimmbaren Brennstoffverbrauch liefert,

030020/0889 _l3

A 43 844 m - 13 - 29A525O

m - 181

5. November 1979

wie bereits oben erwähnt. Um den Heizeffekt der vom Brenner 18 erzeugten Flamme zu verteilen, kann ein Verteilerrohr 44 vorgeseheB werden, welches gewährleistet, daß die erwärmte Luft gleichmäßig über die Einlaßöffnungen 12 hinweg verteilt wird. Wie aus Figur 1 hervorgeht, wird sowohl Brennstoff als auch Luft dem Brenner 18 zugeleitet,und zwar aus einer Brennstoffquelle 2o und einer Lu ft quelle 22, die über Leitungen 24 bzw. 26 mit dem Brenner verbunden sind.

In Figur 2 ist der Brenner 18 aus Figur 1 vergrößert dargestellt. Der Brenner umfaßt einen Mantel 28, der eine Brennkammer bestimmt. In der Brennkammer ist die Flamme des Brenners enthalten. Der Man-; tel 28 umfaßt einen ersten Abschnitt, der als eine im wesentlichen zylindrische Wand 3o ausgebildet ist. Ein zweiter Abschnitt des Mantels wird von einer Stirnwand 3 2 gebildet, welche die eine Stirnseite der zylindrischen Wand 3o abschließt. Wie aus Figur 2 hervorgeht, umfaßt die zylindrische Wand 3o eine Innenfläche 31, die bezüglich einer Achse X-X als Rotationsfläche ausgebildet ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diese Innenfläche 31 von zylindrischer Gestalt. Die flache Innenfläche, welche von der Stirnwand 32 gebildet ist, verläuft im wesentlichen senkrecht zur Achse X-X und weist einen Verbrennungsgasauslaß 33 auf, der in der Mitte der STirnwand 32 ausgebildet ist. Auf diese Weise schließt die Stirnwand 32 eine peripher verlaufende, nach innen umgebogene Lippe 35 ein, welche die zylindrische Wand 3o des Mantels 28 schneidet und nach einwärts in Richtung auf die Achse X-X verläuft, um dort die Auslaßöffnung 33 zu bilden.

Der Mantel 28 umfaß auch noch einen dritten Abschnitt, der als Stirnwand 34 ausgebildet ist und dasjenige offene Ende der zylindrischen Wand 3o abschließt, welches der Stirnwand 32 gegenüberliegt. Die flache Innenfläche der Wand 34 verläuft, wie sich ebenfalls aus Figur 2 ergibt, vorzugsweise senkrecht zur Achse X-X. An der Außenseite der Wand 34 ist eine Armatur 36 befestigt, die einen mit Innengewinde versehenen Hohlraum 38 einschließt, welcher

030020/0889 -₁₄_

5. November 1979

seinerseits mit einer Enlaßöffnung 4o in der Wand 34 ausgefluchtet und so angeordnet ist/ daß die Mittelachse des mit Innengewinde versehenen Hohlraums 38 eine Verlängerung der Achse X-X ist. Innerhalb des Hohlraums 38 ist eine Brennstoffzerstäubungsoder Einspritzdüse 42 angeordnet, deren Außengewinde in das Innengewinde des Hohlraums 38 paßt. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Auslaßöffnung 46 der Einspritzdüse 42 innerhalb der Einlaßöffnung auf der Achse X-X liegt. Obwohl eine große Vielfalt von Einspritzdüsen in dem erfindungsgemäßen Brenner verwendet werden kann, hat sich eine Düse, die von der Firma DELAVAN als Modell Nr. 3o6o hergestellt und vertrieben wird,als besonders geeignet erwiesen. Düsen dieser Art sind durch die Erzeugung eines kegelförmigen Brennstoffsprühstrahls gekennzeichnet, der in Figur 2 schematisch durch die Linien 48 angegeben ist. Dieser kegelförmige Sprühstrahl hat einen Scheitel, der an der Auslaßöffnung 46 der Einspritzdüse liegt. In Figur 2 fällt die Achse des konusförmigen Sprühstrahls mit der Achse X-X zusammen.

Die Basis des konusförmigen, von der Düse 42 erzeugten Sprühstrahls, die schematisch durch die Linie 5o angedeutet ist, ist so gewählt, daß sie die durch den Mantel 28 bestimmte Gestalt der Verbrennungskammer ergänzt. Insbesondere ist der Durchmesser d- der Kegelbasis 5o gleich dem Drehmesser d~ der Verbrennungsgasauslaß-Öffnung 33 in der Stirnwand 32. Die gesamte axiale Länge d₃ des Mantels 28 ist ebenfalls gleich d. und d~. Wenn die oben erwähnte DELAVAN-Sprühdüse Modell 3o6o verwendet wird, hat die Basis des Sprühkegels einen Druchmesser von etwa 37 mm, wodurch die Größen von D₂ und D, des Mantels 28 bestimmt sind.

Der Durchmesser der durch den ersten Abschnitt 3o gebildeten, zylindrischen Innenfläche ist gleich d- plus 2b, wobei b vorzugsweise etwa gleich 1/3 von d- ist, so daß der Innendurchmesser des Mantels 28 etwa gleich 5/3 von d.. oder etwa 61 mm ist, wenn die oben erwähnte DELAVAN-Düse Anwendung findet. Der ungefähre Abstand a des von der Düse 42 gebildeten Sprühstrahls von der Verbrennungs-

030020/0889

-15-

A 43 844 in - 15 - 29A5250

m - 181

5. November 1979

gasauslaßöffnung 33 ist vorzugsweise gleich der Entfernung b, so daß die Höhe c des konusförinigen Sprühstrahls etwa gleich 2/3 von d₁ ist. Obwohl die verschiedenen, in Figur 2 dargestellten Abmessungen etwas variiert werden können, hat es sich doch erwiesen, daß der Betrieb des in Figur 2 dargestellten Mantels dann eine hochstabile Flamme und einen vorhersagbaren Wärnieausgang liefert, wenn die Abmessungen bei den oben angegebenen Werten gehalten werden.

Die vorerwähnte DELAVAN-Düse arbeitet mit getrennter Brennstoff- und Luftzuführung, wie dies bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben und im Einzelnen in Figur 2 dargestellt ist. Insbesondere kann das Brennstoffzuführsystem 2o das Brennstoffzuführsystem der Verbrennungskraftmaschine sein, an deren Einlaßverteiler der Brenner gemäß Figur 2 angeordnet ist. Das Luftzuführsystem 22 kann eine von einem Elektromotor angetriebene Luftpumpe umfassen, wie sie von der Firma Benton Division von AMBAC Industries unter der Modellbezeichnung Nr. 183oo hergestellt wird.

Eine an sich bekannte Art einer Verbrennungskraftmaschine, für die der Erfindungsgegenstand besonders gut geeignet ist, ist ein Dieselmotor mit Brennstoffeinspritzung wie er von der Firma Cummins Engine Company, Columbus, Indiana unter der Bezeichnung NTC-45O hergestellt wird. Dieser Motor besitzt eine Brennstoffzuführvorrichtung, welche in der Lage ist, die Motorgeschwindigkeit und die Ausgangsleistung des Motors zu steuern, und zwar dadurch, daß der Druck des Brennstoffes, der den verschiedenen Brennstoffeinspritzeinrichtungen zugeführt wird, variiert wird. Daher ist derjenige Druck, bei dem Brennstoff der Einspritzdüse 42 des Brenners zugeführt wird, nicht notwendigerweise der Druck, welcher bei einem Betrieb des Brenners als Einlaßluft- Vorerhitzer an sich erwünscht ist. Dementsprechend findet erfindungsgemäß eine Brennstoffzuflußsteuerung 56 Anwendung, die weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Bei dieser Steuereinrichtung wird ein Teil des Brennstoffes, der aus dem Brennstoffzuführsystem 2o des Motors erhalten wird,

030020/0889

-16-

A 43 844 m -16-

m -.181

5. November 1979

zum Brennstofftank des Motors über eine Leitung 58 zurückgeführt, um den Durchfluß durch eine Leitung 24, die zur Düse 42 führt, in Übereinstimmung mit einem gewünschten Programm zu halten, welches sich auf die Umdrehungszahl des Motors bezieht. Dies wird anschließend in Zusammenhang mit Figur 4 erläutert werden.

Wenn der Brennstoff in Ubereintimmung mit vorliegender Erfindung in die vom Mantel 28 gebildete Verbrennungskammer eingespritzt wird, hat der Brennstoff nach Zündung die Tendenz, ein torroidförmiges Muster zirkulierender Verbrennungsgase zu erzeugen, was durch die Pfeile 6o dargestellt ist. Gleichzeitig werden Verbrennungsgase durch den mittleren Teil der Auslaßöffnung 33 gedrückt, was durch den Pfeil 62 angegeben ist. Die Kombination der torroidförmig zirkulierenden Teilströmung der Verbrennungsgase, die durch den Pfeil 6o dargestellt ist, mit dem Austritt der weiteren Teilströmung von Verbrennungsgasen, die durch den Pfeil 62 dargestellt ist, verursacht die Ausbildung einer Zone 63 niederen Drucks auf der Innenseite der die öffnung 33 umgebenden Lippe 35. Dieser niedere Druck hat die Wirkung, daß Luft auf der Außenseite des Mantels 28 veranlaßt wird, in das Innere der Verbrennungskammer hineinzuschließen, und zwar in einem zylindrischen Muster, welches durch die Pfeile 64 dargestellt ist. Diese in die Brennkammer einströmende Außenluft umgibt koaxial die nach Außen gerichtete, durch den Pfeil 62 dargestellte Teilströmung der Verbrennungsprodukte.

Aufgrund dieser Ausbildung und Anordnung braucht keine besondere Vorkehrung gegtroffen zu werden, um Hilfsluft der Verbrennungskammer zuzuführen, wie dies bei bekannten Brennern der Fall war, die als Einlaßvorerhitzer für Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wurden. Darüberhinaus ist die Flammenstabilität, die durch die erfindungsgemäße Brennerkonstruktion erreichbar ist, von so hoher Qualität, daß die innerhalb des Mantels 28 stattfindende Verbrennung praktisch immun gegenüber Luftströmung und Druckveränderungen innerhalb des Einlaßverteilers 4 ist, innerhalb dessen

030020/0889

-17-

^{A 43 844 m} " ¹⁷ " OQ/ COCA

m - 181 294 CU OU

5. November 1979

der Brenner angeordnet ist. Wie aus Figur 2 hervorgeht, kann die Anordnung des Brenners im Verteiler 4 durch Verbindung der Armatur 36 mit den Wänden 66 des Verteilers 4 erfolgen. Jedoch werden auch andere Befestigungsmöglichkeiten in Betracht gezogen. Die Zündung des im Mantel 28 zerstäubten Brennstoffes erfolgt durch eine Zündkerze 68, die in einer Gewindeöffnung der Armatur 36 derart befestigt ist, daß der den Zündfunken bildende Spalt 7o innerhalb oder in der Nähe des von der Düse 4 2 gebildeten, kegelförmigen Sprühstrahls liegt.

In Figur 3 ist die Brennstoffzuflußsteuerung 56 aus Figur 3 vergrößert und mit mehr Einzelheiten dargestellt. Diese Brennstoffsteuerung 56 umfaßt eine Brennstoffleitung mit einer Hauptdrosselöffnung 72, die in einer Leitung 74 ausgebildet ist. Die Leitung 74 ist an ihrem einen Ende mit dem Brennstoffzuführsystem 2o und an ihrem anderen Ende mit einem Paar von parallelen Zweigleitungen 76 und 78 verbunden. Die Zweigleitung 76 ist an einem Ende an die Leitung 74 und am anderen Ende an die Einspritzdüse 42 angeschlossen. Zwischen den Enden der Zweigleitung 7 6 befindet sich eine zweite den Durchfluß drosselnde öffnung 8o. Die Zweigleitung 78 ist an ihrem einen Ende mit der Leitung 74 und an ihrem anderen Ende mit der Leitung 58 verbunden, die ihrerseits Brennstoff zum Brennstofftank 82 des Motors zurückführt. Zwischen den Enden der Leitung 78 ist eine dritte Drosselstelle 84 vorgesehen, und zwar vor einem Druckregulierventil 86, mit dessen Hilfe ein konstanter Druck von o,1 kg/cm^ im Bereich der Leitung 78 zwischen Ventil 86 und Drosselstelle 84 erzeugt werden kann.

Wenn die Strömungssteuerung 56 gemäß Figur 3 dem programmierten Brennstoffdruck unterliegt, wie er durch ein Brennstoffzuführsystem 2o eines typischen Dieselmotors erzeugt wird, bei dem der Brennstoffdruck variiert wird, um die Motorgeschwindigkeit und die Motorleistung zu steuern, erreicht eine Brennstoffmenge die Einspritzdüse 42, die in Figur 4 in Abhängigkeit von den jeweiligen Motorgeschwindigkeiten dargestellt ist.

030020/0889

A 43 844 ra - 18 -

m - 181

5. November 1979

Aus Figur 4 folgt, daß der die Düse 42 erreichende Brennstofffluß zwischen etwa 15o und 35o ü/min am größten ist. Es wurde gefunden, daß diese Strömungsgeschwindigkeiten im allgemeinen ideal für einen Brenner des hier beschriebenen Typs sind. Diese Brennstoffverteilung ergibt sich bei Verwendung der Schaltung gemäß
Figur 3, in welcher die Drosselöffnungen 72 und 8o einen Durchmesser von etwa ο,36 mm haben, während der Durchmesser der Drossel-Öffnung 84 etwa ο,96 mm beträgt.

Im voranstehenden wurde ein Brennstoffbrenner zur Erzeugung einer hochstabilen Flamme und mit voraussagbarem Wärmeausgang beschrieben zur Anwendung in einer Umgebung, die plötzlichen Druckschwankungen und Änderungen in der umgebenden Luftströmung unterliegt. Der beschriebene Brenner ist daher insbesondere für einen Einsatz als Vorerhitzer für die eintretende Luft bei einer Verbrennungskraftmaschine geeignet, die ihrerseits durch Variation des Drucks des
Brennstoffs gesteuert wird, der den Einspritzdüsen des Motors zugeführt wird.

030020/0889

L e e r s e i t e

Claims

OR. -ing. OIPL.-INQ.I.I. se. οι«- γ ι :· s. si. oi«--pm»i

HÖGER - STELLRECI-JT - GRIESSßACH - HAECKCR BOEHME

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 43 844 m Anmelder: Cummins Engine Company Inc.

m - 181 1ooo 5 th Street

5. November 1979 Columbus

Indiana 472o1

Patentansprüche :

Brenner zur Erzeugung einer gegenüber quer- und gegenströmender Umgebungs

Merkmale:

^"^ Umgebungsluft stabilen Flamme, gekennzeichnet durch folgende

a. eine Brennkammer (28) mit einem ersten Abschnitt, dessen Wand (3o)als Rotationsfläche ausgebildet ist, mit einem zweiten, an den ersten anschließenden Abschnitt, dessen Stirnwand (32) im wesentlichen senkrecht zur Achse (X-X) der Wand (3o) verläuft, und mit einer Einspritzdüse (42) zum Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer;

b. die Stirnwand (32) ist als ringsum nach einwärts zur Achse (X-X) hin verlaufende, eine Auslassöffnung (33) umschließende Lippe (35) ausgebildet;

c. der aus der Einspritzdüse (41) in die Brennkammer (48) austretende Brennstoff erzeugt in einem ringförmigen, von der Wand (3o) und der Stirnwand (321- be.qgenzten Bereich der Brennkammer eine torroidförmig zirkulierende Teilströmung (6o) von Verbrennungsprodukten sowie eine weitere, die Auslaßöffnung (33) verlassende Teilströmung (62) von Verbrennungsprodukten ;

d. die Einspritzdüse (42) ist so positioniert, daß sie Brennstoff in die torroidförmig zierkulierende Teilströmung (6o) der Verbrennungsprodukte einspritzt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt der Brennkammer (28) von einer zylindrischen Innenwand (3o) gebildet ist.

-2-

030C20/0889

A 43 844 m - 2 -

m - 181

5. November 1979

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Düse (42 ) austretende Sprühstrahl (48) zur Achse (X-X) symmetrisch ist und die Düse (42) innerhalb der Brennkammer (28) auf dieser Achse (X-X) an einer Stelle angeordnet ist, die der Stirnwand (32) gegenüberliegt.

4. Brennkammer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (33) kreisförmig und zur Achse (X-X) zentriert ist, und daß der Sprühstrahl (48) die Form eines Kegels hat, dessen Scheitel an der Düse (42) und dessen Basis (5o) in der Nähe der torroidförmig zirkulierenden Teilströmung (6o) liegt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung (d,) zwischen Düse (42) und Auslaßöffnung (33) etwa gleich dem Durchmesser (d~) der Auslaßöffnung (33) ist.

6. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d.) der Kegelbasis (5o) etwa gleich dem Durchmesser (d_) der Auslaßöffnung (33) ist.

7. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des zylindrischen Brennkammermantels (3o) etwa gleich 5/3 des Durchmessers (d~) der Auslaß-Öffnung (33) ist.

8. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (33) derart gestaltet ist, daß eine Gegenströmung (64) der Umgebungsluft in die Brennkammer (28) hinein entsteht und diese Gegenströumg in einem zylindrischen Bereich zwischen den austretenden Verbrennungsgasen (62) und der Innenkante der Lippe (35) verläuft.

9. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d_) der Auslaßöffnung (33) so be-

030020/0889

A 43 844 - 3 -

messen ist, daß innerhalb der nach einwärts vorstehenden Lippe (35) ein Bereich niederen Drucks eintsteht, der eine Gegenströmung (64) von Umgebungsluft in die Brennkammer (28) hinein verursacht, und daß diese Gegenströmung in einem zylindrischen Bereich zwischen den austretenden Verbrennungsgasen (62) und der Innenkante der Lippe (35) verläuft.

10. Brennernach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (28) lediglich über die Austrittsöffnung (33) mit der Umgebung in Verbindung steht.

11. Brennkammer nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (42) mit einer Luftquelle (22) und einer Brennstoffquelle (2o) verbunden ist und einen Raum zur Vermischung von Luft und Brennstoff enthält.

12. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (28) eine auf ein elektrisches Signal ansprechende Zündkerze (68) zur Zündung des Brennstoffes angeordnet ist.

13. Brenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Vorerhitzer für eine Verbrennungkraftmaschine (2) dient und seine Auslaßöffnung (33) in einen Luftverteiler (4) der Verbrennungskraftmaschine (2) mündet, um die der Verbrennungskraftmaschine (2) zugeführte Luft zu erhitzen.

14. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskraftmaschine (2) eine Vorrichtung (2o) zur Steuerung ihrer Umlaufgeschwindigkeit und/oder Leistung durch Zuführung von Brennstoff unter steuerbar variablem Druck aufweist und der Brenner (18) mit dieser Vorrichtung (2o) in Verbindung steht.

15. Brenner nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Brennstoff steuereinrichtung (56) zur Einstellung der Brennstoffzufuhr

030020/0889

-4-

A 43 844 m - 4 -

5. November 1979

zum Brenner (18) in programmierter Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder Leistung der Verbrennungskraftmaschine (2).

16. Brenner nach Anspruch 13,14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die BrennstoffSteuereinrichtung (56) eine mit der Brennstoff zufuhrvorrichtung (2o) verbundene Hauptleitung (74) mit einer ersten Drosselstelle (72) und zwei Zweigleitungen (76, 78) umfaßt, daß die eine Zweigleitung (76) einersteits mit der Hauptleitung (74) und andererseits mit der Einspritzdüse (42) verbunden ist sowie eine zweite Drosselstelle (8o) enthält, daß die andere Zweigleitung (78) einersetis mit der Hauptleitung (74) und andererseits mit einer Brennstoffrückführleitung (58) verbunden ist sowie eine dritte Drosselstelle (84) und eine Druckregulieröffnung enthält, daß hinter der dritten Drosselstelle (84) ein Druckregulierventil (86) in der Zweigleitung (78) vorgesehen ist, und daß die erste und zweite Drosselstelle (72, 8o) gleichen Durchmesser haben, während der Durchmesser der dritten Drosselstelle (84) größer als derjenige der .ersten und zweiten Drosselstelle ist.

-5-

030020/0889 .