DE29713519U1 - Device for forming a mixture of fuel and air - Google Patents
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Description
Greenworld GmbH 15142Greenworld GmbH 15142
Vorrichtung zur Bildung eines Gemisches aus Brennstoff und LuftDevice for forming a mixture of fuel and air
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bildung eines Gemisches aus Brennstoff und Luft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for forming a mixture of fuel and air according to the preamble of claim 1.
Eine solche Vorrichtung ist aus DE 44 43 770 Al bekannt. Dabei wird der mit einer Düse in die Schaufelradkammer gespritzte Brennstoff durch die rotierenden Schaufelräder in der Luft zu einem Nebel aus feinsten Tröpfchen verteilt, der dem Brennraum zugeführt wird.Such a device is known from DE 44 43 770 Al. The fuel sprayed into the impeller chamber with a nozzle is distributed in the air by the rotating impellers to form a mist of the finest droplets, which is then fed into the combustion chamber.
Mit der bekannten Vorrichtung kann gegenüber einem herkömmlichen Heizölbrenner bereits eine deutliche Reduzierung des Heizölverbrauchs erreicht werden.With the known device, a significant reduction in heating oil consumption can be achieved compared to a conventional heating oil burner.
Aus der DE 42 00 804 Cl ist es bekannt, zur Verringerung der Schadstoffemission und zur Heizöleinsparung dem Ölbrenner ein Heizöl zuzuführen, dem Luft zudosiert worden ist. Dazu ist in die Brennstoffleitung eine Luftdosiervorrichtung vorgesehen, die einen Grundkörper mit einer Öl durchströmten Bohrung aufweist, wobei die Wand des Grundkörpers von einem Rohrstück durchsetzt wird, dessen Öffnung in der Bohrung des Grundkörpers injektorartig in Ölströmungsrichtung weist und das mit einem Drosselventil zur Luftzufuhr versehenen ist.From DE 42 00 804 Cl it is known to supply the oil burner with heating oil to which air has been added in order to reduce pollutant emissions and to save heating oil. For this purpose, an air metering device is provided in the fuel line, which has a base body with a bore through which oil flows, the wall of the base body being penetrated by a piece of pipe whose opening in the bore of the base body points in the direction of oil flow like an injector and which is provided with a throttle valve for supplying air.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung nach DE 44 43 770 Al hinsichtlich der Schadstoffemission und des Brennstoffverbrauchs noch wesentlich zu verbessern.The object of the invention is to significantly improve the device according to DE 44 43 770 Al with regard to pollutant emissions and fuel consumption.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben.This is achieved according to the invention with the device characterized in claim 1. Advantageous embodiments of the device according to the invention are given in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird also in der Schaufelradkammer ein Schaum aus dem Brennstoff gebildet, der dann in die Brennkammer eingespritzt wird.According to the invention, a foam is formed from the fuel in the impeller chamber, which is then injected into the combustion chamber.
Damit wird eine wesentliche Herabsetzung des Brennstoffverbrauchs erreicht, d. h. während bei Einspritzung des nach DE 44 43 770 Al gebildeten Brennstoff-Nebels gegenüber einem herkömmlichen Ölbrenner immerhin schon eine ausserordentlich hohe Heizöleinsparung von etwa 10 % erreicht werden 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.This results in a significant reduction in fuel consumption, i.e. while an extraordinarily high heating oil saving of around 10% can be achieved when injecting the fuel mist formed according to DE 44 43 770 Al compared to a conventional oil burner, the heating oil saving can be increased to the almost unbelievable value of around 30%, as has been confirmed by tests, if a fuel foam is generated according to the invention with the rotating impeller and fed into the combustion chamber.
Ein solcher Brennstoff-Schaum läßt sich vorzugsweise dadurch 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.Such a fuel foam can preferably be obtained by mixing the fuel with air before it enters the impeller chamber, namely with 0.5 to 5 vol% air, based on atmospheric pressure.
Damit ausschließlich Brennstoff-Schaum in den Brennraum eintritt, muss die Schaufelradkammer vollständig mit Brennstoff-Schaum gefüllt sein. Das heißt, die in der Schaufelradkammer enthaltene Luft liegt ausschließlich in Form von Schaumbläschen vor. Die Schaumbläschen werden dabei durch die Luft gebildet, mit der der Brennstoff versetzt worden ist.To ensure that only fuel foam enters the combustion chamber, the impeller chamber must be completely filled with fuel foam. This means that the air contained in the impeller chamber is only in the form of foam bubbles. The foam bubbles are formed by the air that has been mixed with the fuel.
Dazu muss die in der Schaufelradkammer enthaltene Luft entfernt werden. Dazu wird vorzugsweise die Drehachse des Schaufelrades senkrecht angeordnet und die Schaufelradammer, die vorzugsweise aus einer koaxialen zylindrischen Innenwandung und einer unteren und einer oberen Stirnwand gebildet wird, mit einer Eintrittsöffnung für den mit Luft versetzten Brennstoff im Bereich der unteren Stirnwand versehen, während die Austrittsöffnung für den Brennstoff-Schaum im Bereich der oberen Stirnwand der Schaufelradkammer angeordnet ist. Damit füllt sich die Schaufelradkammer mit dem Brennstoff von unten nach oben, wodurch die Luft in der Kammer bei Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach oben verdrängt wird und über die Austrittsöffnung entweicht.For this, the air contained in the impeller chamber must be removed. To do this, the axis of rotation of the impeller is preferably arranged vertically and the impeller chamber, which is preferably formed from a coaxial cylindrical inner wall and a lower and an upper end wall, is provided with an inlet opening for the aerated fuel in the area of the lower end wall, while the outlet opening for the fuel foam is arranged in the area of the upper end wall of the impeller chamber. The impeller chamber is thus filled with the fuel from bottom to top, whereby the air in the chamber is displaced upwards when the device according to the invention is started up and escapes via the outlet opening.
Das für die Schaumbildung erforderliche Versetzen des Brennstoffs mit Luft kann durch eine Vorrichtung gemäß DE 42 00 804 Cl erfolgen. Das heißt, in der Brennstoffleitung wird ein Grundkörper mit einer Brennstoff durchströmten Bohrung angeordnet, wobei die Wand des Grundkörpers von einem Rohrstück durchsetzt wird, dessen in die Bohrung ragende Öffnung injektorartig in die Strömungsrichtung des Brennstoffs weist und das mit einem Dosierventil zur Luftzufuhr versehen ist.The addition of air to the fuel required for foam formation can be carried out by a device according to DE 42 00 804 Cl. This means that a base body with a bore through which fuel flows is arranged in the fuel line, with the wall of the base body being penetrated by a piece of pipe whose opening protruding into the bore points in the direction of fuel flow like an injector and which is provided with a metering valve for supplying air.
Durch die erfindungsgemäße Gemischaufbereitung wird ein verbessertes Abbrandverhalten bei der Verbrennung erreicht. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, dass der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff sich in unmittelbarer Nähe des Brennstoffs befindet, also nicht von aussen herangeführt werden muß. Demgemäß erfolgt die Verbrennung auch im Inneren der Flamme mit einem hohen Luftüberschuß, wobei erfindungsgemäß ein zur Verbrennung optimales Verhältnis von Brennstoff und Sauerstoff im gesamten Bereich der Flamme vorliegt.The mixture preparation according to the invention achieves improved combustion behavior during combustion. This is probably due to the fact that the oxygen required for combustion is located in the immediate vicinity of the fuel, i.e. does not have to be supplied from outside. Accordingly, combustion also takes place inside the flame with a high excess of air, whereby according to the invention there is an optimal ratio of fuel and oxygen for combustion in the entire area of the flame.
Neben einer Verringerung des Brennstoffverbrauchs unter gleichzeitiger Erhöhung der Verbrennungstemperatur wird damit eine extrem niedrige Schadstoffemission, insbesondere eine Herabsetzung der Rußzahl und des Kohlenmonoxidwertes . · erreicht. · *"In addition to reducing fuel consumption while simultaneously increasing the combustion temperature, this results in extremely low pollutant emissions, in particular a reduction in the soot number and the carbon monoxide value. · *"
Die erf indungsgemäße Vorrichtung ist nach den bisherigen Versuchen insbesondere für Heizölbrenner geeignet. Sie kann jedoch auch für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, insbesondere bei Dieselmotoren und Einspritz-Ottomotoren. Darüber hinaus ist sie allgemein immer dann anwendbar, wenn Brennstoff mit Luft bei hoher Flammtemperatur mit geringem Brennstoffverbrauch verbrannt werden soll.According to previous tests, the device according to the invention is particularly suitable for heating oil burners. However, it can also be used for internal combustion engines, in particular diesel engines and injection gasoline engines. In addition, it can generally be used whenever fuel is to be burned with air at a high flame temperature with low fuel consumption.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher beschrieben. Darin zeigen:The invention is described in more detail below using the drawing as an example.
Figur 1 und 2 eine schematische Ansicht einer ersten bzw. einer zweiten Ausführungsform einer Heizölbrenner-Anlage;Figures 1 and 2 show a schematic view of a first and a second embodiment of a heating oil burner system;
Figur 3 einen Schnitt durch die Einrichtung zur Luftdosierung in das Heizöl;Figure 3 shows a section through the device for dosing air into the heating oil;
Figur 4 einen Schnitt durch die Schaufelradkammer.Figure 4 shows a section through the impeller chamber.
Gemäß Figur 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.According to Figure 1, the system has a heating oil tank 1, which is connected to the injection nozzle 3 in the combustion chamber 4 of the oil burner via a heating oil line 2. Between the heating oil tank 1 and the injection nozzle 3, a fine filter 5, a heating oil pump 6, a device 7 for metering air into the heating oil, a sight glass 8, a paddle wheel chamber 9 and a solenoid valve 10 are provided in the line 2, one after the other in the direction of heating oil flow.
Die Anlage nach Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 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.The system according to Figure 2 differs from that according to Figure 1 essentially in that the solenoid valve 10 is arranged between the fine filter 5 and the air metering device 7 and the oil pump 6 is arranged on the combustion chamber 4, i.e. between the impeller chamber 9 and the injection nozzle 3.
Mit dem Feinfilter 5 werden Ablagerungen aus dem Heizöl entfernt. Das Feinfilter 5 weist dazu einen Porendurchmesser von maximal 100 pm, insbesondere maximal 20 pm auf. Feine Partikel in dem Heizöl können sich insbesondere störend auf den Betrieb der Luftdosiereinrichtung 7 auswirken. Das Magnetventil 10 kann auch als Rückschlagventil ausgebildet oder durch ein rein mechanisches Rückschlagventil ersetzt sein.The fine filter 5 removes deposits from the heating oil. The fine filter 5 has a pore diameter of maximum 100 pm, in particular maximum 20 pm. Fine particles in the heating oil can have a particularly disruptive effect on the operation of the air dosing device 7. The solenoid valve 10 can also be designed as a check valve or replaced by a purely mechanical check valve.
Bei der Ausführungsform nach Figur 1, bei der die Pumpe 6 in Ölströmungsrichtung vor der Luftdosiereinrichtung 7 angeordnet ist, verhindert das zwischen der Schaufelradkammer 9 und der Düse 3 angeordnete Magnetventil 10 ein Nachtropfen der Düse 3 durch Auslaufen der Kammer 9. Bei der Ausführungsform nach Figur 2 verhindert es ein Ansaugen von Luft durch die Luftdosiereinrichtung 7.In the embodiment according to Figure 1, in which the pump 6 is arranged upstream of the air metering device 7 in the oil flow direction, the solenoid valve 10 arranged between the impeller chamber 9 and the nozzle 3 prevents dripping from the nozzle 3 due to leakage from the chamber 9. In the embodiment according to Figure 2, it prevents air from being sucked in by the air metering device 7.
Die Ausführungsform nach Figur 2 wird im allgemeinen vorgezogen, 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 gravierende Folgen haben, wenn das Schaufelrad 11 durch einen Elektromotor angetrieben wird und Öl in den Elektromotor gelangt.The embodiment according to Figure 2 is generally preferred because the impeller chamber 9 is on the suction side of the pump 6 and therefore no oil can escape if the impeller shaft 12 is leaking. This can have serious consequences in particular if the impeller 11 is driven by an electric motor and oil gets into the electric motor.
Gemäss Figur 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-According to Figure 3, the air metering device 7 has a base body 15 with an inlet bore 16 through which oil flows. The wall of the base body 15 is penetrated by a pipe section 17 which is arranged at an angle such that its inner opening, i.e. arranged in the bore 16
nung 18 in Ölströmungsrichtung weist. Das Rohrstück 17 ist zugleich mit einem Luftdosierventil 19 versehen.opening 18 points in the direction of oil flow. The pipe section 17 is also provided with an air metering valve 19.
Das Drosselventil 19 ist in einem Aufsatz 21 an dem Rohrstück 17 vorgesehen, welcher eine durchgehende Bohrung 22 aufweist, die die Ventilkammer 23, in der der als Feindosiernadel 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.The throttle valve 19 is provided in an attachment 21 on the pipe section 17, which has a through-bore 22 that connects the valve chamber 23, in which the valve body 24 designed as a fine metering needle is adjustably arranged, with the pipe section 17. The pipe section 17 passes through the longitudinal bore 16 so that its inner opening 18 is arranged on the side of the longitudinal bore 16 in the base body 15 opposite the air metering valve 19.
Der Ventilkörper 24 ist an einer Einstellschraube 25 angeordnet, die mit einer Längsbohrung 26 zur Luftzufuhr versehen 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 &mgr;&igr;&agr;, insbesondere weniger als 10 &mgr;&pgr;&igr; aufweisen. Wie Versuche gezeigt haben, ist diese Porengröße für die Schaumbildung in der Schaufelradkammer 9 von Bedeutung.The valve body 24 is arranged on an adjusting screw 25 which is provided with a longitudinal bore 26 for air supply, which opens into the valve chamber 23 via transverse bores 27. The end of the adjusting screw 25 protruding outward from the attachment 21 is provided with an actuating ring 28 and also with a sintered metal filter 29, the pores of which have a pore size of less than 20 μα, in particular less than 10 μα. As tests have shown, this pore size is important for the formation of foam in the impeller chamber 9.
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.Between the valve body 24 and the opening 18, a check valve 30 is provided in the pipe section 17, which consists of a spherical valve body 34 pressed against an O-ring 33 by a spring 32.
Eine optimale Luftzuführung ist dann festzustellen, wenn die Luft aus dem Rohrstück 17 in Form feiner Perlen austritt. 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.An optimal air supply can be determined when the air comes out of the pipe section 17 in the form of fine beads. The diameter of the air beads should be less than 1 mm. The optimal air bead formation by adjusting the air dosing valve 19 can be monitored using the sight glass 8.
Gemäß Figur 4 ist die Schaufelradwelle 12 in der Schaufelradkammer 9 senkrecht angeordnet. Die Kammer 9 wird dabei von der koaxialen zylindrischen Wandung 35 sowie einer unteren Stirnwand 36 und einer oberen Stirnwand 37 umschlossen .According to Figure 4, the impeller shaft 12 is arranged vertically in the impeller chamber 9. The chamber 9 is enclosed by the coaxial cylindrical wall 35 as well as a lower end wall 36 and an upper end wall 37.
Die Eintrittsöffnung 38 für das mit Luft versetzte HeizölThe inlet opening 38 for the aerated heating oil
ist am unteren Ende der Umfangswandung 35 angeordnet, undis arranged at the lower end of the peripheral wall 35, and
die Austrittsöffnung 39 diametral gegenüber am oberen Endethe outlet opening 39 diametrically opposite at the upper end
der Wandung 35.the wall 35.
Die unteren Kanten 13 der Schaufeln 11 sind oberhalb der Eintrittsöffnung 38 angeordnet. Der Abstand a der Aussenkanten 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 angeordnet. 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.The lower edges 13 of the blades 11 are arranged above the inlet opening 38. The distance a of the outer edges 40 of the blades 11 from the peripheral wall 35 is at least 5 mm and generally at least a quarter of the distance b between the lower edge 13 of the blades 11 and the lower end wall 36. The upper edges 41 of the blades 11 are arranged below the outlet opening 39. The blades 11 are fastened to the impeller shaft 12 with a sleeve 43 in such a way that they are fastened to the shaft 12 with their inner edges 44 only in the axial region facing the lower end wall 36. This means that the majority of the inner edges 44 are at a distance d from the shaft 12. The distance d increases from the sleeve 43 to the upper end wall 37. The outer edges 40 of the blades 11 run parallel to the shaft 12.
Gemäss Figur 1 und 2 sind die Schaufeln 11 in Drehrichtung vorwärts gekrümmt. Gemäß Figur 4 führt die geschilderte Ausbildung der Schaufeln 11 zu einer zirkulierenden Strömung des Brennstoffs bzw. Schaums in der Kammer 9 entsprechend dem Pfeil 46. Dadurch wird eine homogene Schaumbildung erzielt.According to Figures 1 and 2, the blades 11 are curved forward in the direction of rotation. According to Figure 4, the described design of the blades 11 leads to a circulating flow of the fuel or foam in the chamber 9 according to the arrow 46. This achieves homogeneous foam formation.
Der Antrieb der Schaufelradwelle 12 kann durch einen nicht dargestellten Elektromotor erfolgen. Auch kann das Schaufelrad 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.The impeller shaft 12 can be driven by an electric motor (not shown). The impeller 12 can also be driven magnetically by a motor (not shown) that rotates around the peripheral wall 35. The impeller shaft 12 can also be supported on only one side. If the drive is provided by an electric motor, this is preferably flanged to the outside of an end wall 36 or 37, with the motor shaft forming the impeller shaft 12.
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