DE3343617C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallzerstäuber-Brenner für kleine Heizgeräte, insbesondere Fahrzeugheizungen, mit Mitteln zur Brennluftzufuhr und zur Brennstoffzufuhr zum Zerstäuber, dessen von einer geringen Brennluftmenge um­ strömter, an einem Horn angeordneter Zerstäuberteiler in der Stirnwand einer zylindrischen Brennkammer mittig liegt, deren andere Stirnseite eine Flammenblende und daran an­ schließend ein axiales Heizgasaustrittsrohr aufweist und die eine mit Wandbohrungen für Primärluft versehene und eine Hochspannungszündeinrichtung enthaltene Zündzone so­ wie daran anschließend Wandöffnungen für Sekundärluft zugeordnete Ausbrennzone umfaßt.

Fahrzeugheizungen unterliegen recht unterschiedlichen An­ forderungen, je nachdem, ob sie nur kurzzeitig zum Vor­ wärmen des Kühlmittels des Fahrzeugmotors bzw. des Innen­ raumes eines solchen Fahrzeuges oder ob sie im Dauerbetrieb zum Einhalten einer bestimmten Temperatur des Kühlmittels bzw. des Innenraumes verwendet werden; diese Geräte werden überwiegend mit voller Leistung in von einem Thermostaten gesteuerten Ein-Aus-Schaltung betrieben.

Durch die DE-PS 23 33 880 und die DE-OS 24 50 801 sind Bau­ arten von Ultraschallzerstäuber-Brennern bekanntgeworden, die von üblichen Druckzerstäubern abgeleitet sind; sie weisen axiale Zuführung der Brennluft zu einem drallerzeugenden Leitschaufelkranz auf, ergeben also große zusammenhängende Luftquerschnitte mit geringer Eintrittsgeschwindigkeit der Luft in die Brennkammer. Diese Bauweise ist auf kleine Heiz­ geräte nicht anwendbar.

In der AT-PS 2 80 811 ist ein Heizgerät mit Rotationszerstäubung für Fahrzeuge dargestellt, bei dem die Zündzone eine nicht­ metallische Umhüllung aufweist. Diese dient ausschließlich der Wärmeisolierung und weist keine Durchtrittsöffnungen für Brenn­ luft auf.

In der DE-OS 33 18 054 ist ein Ultraschallzerstäuber-Brenner der gattungsgemäßen Art beschrieben, bei welchem der Zerstäuber­ teller mittig in der Stirnwand einer zylindrischen Brennkammer liegt und wobei der Zerstäuberteller brennluftumströmt ist und die Brennkammer in räumlicher Trennung mittels Trennwand eine Zündzone und eine Ausbrennzone mit jeweils gesonderter Luftzu­ führung aufweist. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil des höheren Fertigungsaufwandes und der höheren Kosten, da es sich bei der Trennwand um hochwarmfeste und verzunderungsfeste Werk­ stücke handelt, die schwer zu bearbeiten sind, sowie einer durch die räumliche Trennung mittels Trennwand von Zündzone und Aus­ brennzone schlechteren Verbrennung, so daß höhere Abgasmis­ sionen auftreten und die Trennwand infolge der thermischen Be­ lastung sich in ihrer Geometrie verändern kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der ein­ gangs genannten Art anzugeben, der einen Betrieb mit geringer Abgasemission ermöglicht und im Aufbau einfach ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallzerstäuber-Brenner gelöst, bei welchem die Zündzone und die Ausbrennzone trennwand­ los ineinander übergehen und die Wandöffnungen für Sekundärluft als Wandschlitze ausgebildet sind und die den Zerstäuberteller umströmende Brennluftmenge höchstens 1% der gesamten Brennluft­ menge beträgt.

Die durch in der Zündzone angebrachte Bohrungen der Brennkammer­ wand radial eintretenden Primärluftstrahlen zerreißen infolge der gemäß der Erfindung trennwandlosen Anordnung von Zündzone und Aus­ brennzone den trägen vom Zerstäuberteller abgehenden Brennstoff­ nebelstrahl, wobei diese Wirkung von der erfindungsgemäß ausge­ stalteten Sekundärluftzufuhr verstärkt wird, so daß eine be­ sonders gute Gemischbildung erreicht wird.

In der Ausbrennzone haben sich dabei Sekundärluft-Wandschlitze mit einem Längen- zu Breiten-Verhältnis von etwa 7 am besten bewährt. Die nach innen gerichteten Luftstrahlen sorgen für eine weitere intensive Durchmischung.

Die den Zerstäuberteller umströmende geringe Luftmenge, die vor­ her das Horn des Zerstäubers umströmt hat und durch die Drossel­ bohrung im umhüllenden Rohrstück auf höchstens 1% der Brenn­ luftmenge begrenzt wird, dient zur Spülung und Wärmeabfuhr, also dazu, die für die Zerstäubung maßgebenden Stellen frei und sauber zu halten.

Um den Wärmefluß zum teilweise aus Piezokeramik bestehenden und damit wärmeempfindlichen Zerstäuber zu vermindern, ist die Zünd­ zone gemäß einer Weiterführung der Erfindung in einem dünnwandigen mit Lutzutrittsbohrungen versehenen Blecheinsatzstücken ge­ bildet, das über Warzen an der mit wenigstens einer Wand­ bohrung für Primärluft versehenen zylindrischen Wand der Brenn­ kammer sowie an deren Stirnwand anliegt, wobei der gebildete Zwischenraum von der Primärluft durchströmt wird, während ein umlaufender Abdichtwulst den axialen Austritt der Primärluft in die Ausbrennzone verhindert. Dieses Blecheinsatzstück hat zusätzlich eine weitere wichtige Funktion. Die zur Distanzierung zur umgebenden Brennkammerwand verwendeten Warzen stellen einen hohen Wärmeleitwiderstand dar. Außerdem ist der konvektive Wärme­ übergang nach außen begrenzt, da der Anteil der durch die Primär­ luftbohrungen strömenden Luft klein ist gegenüber der Gesamtluft­ menge. Das hat zur Folge, daß das Blecheinsatzstück eine wesent­ lich höhere Temperatur erreicht als die dieses umgebenden Brenn­ kammerwände. Die Gefahr der Rußablagerung bzw. Verkokung dieser Brennkammerzone kann damit entscheidend vermindert werden.

Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Blecheinsatzstück Luftzutrittsbohrungen aufweist, die mit Wand­ bohrungen der Brennkammer fluchten. Der Abstand zwischen Blech­ einsatzstück und Brennkammerwand beträgt dabei nur ca. 0,5 mm, was durch entsprechende Dimensionierung der Warzen bewirkt wird. Bei der Herstellung der Brennkammer werden die Primärluft­ bohrungen in einem gemeinsamen Arbeitsgang durch beide Bleche von außen nach innen durchgestanzt. Durch den entstehenden Stanzgrat an der Brennkammerwand wird der beim Überströmen von Verbrennungs­ luft in den Zwischenraum wirksame örtliche Spalt verringert. Der Blecheinsatz wird deshalb durch die im Zwischenraum strömende Luft infolge Konvektion weniger gekühlt als bei der oben beschriebenen Ausführung. Die Verkokungsneigung in der Zündzone der Brennkammer wird hierdurch weiter verringert.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennkammer­ oberfläche ganz oder teilweise mit einer wärmeisolierenden Schicht ausgekleidet. Diese kann aus einer aufgebrachten Keramik, aus einer dünnen Matte aus Faserkeramik oder aus einer dünnen Matte aus Metallgespinst bestehen. Diese Matten haben durch ihre Saugwirkung und ihre infolge der Faserstruktur große Oberfläche zusätzlich zur Isolationswirkung noch den Vor­ teil, die evtl. die Wand erreichenden Brennstofftröpfchen wirk­ sam aufzubereiten und einer rückstandsfreien Verbrennung zuzu­ führen. Die Matten können mechanisch mittels Haltelaschen oder mittels eines hitzebeständigen Zements an der Brennkammerwand befestigt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird dadurch erzielt, daß die Wandschlitze für Sekundärluft mit der Projektion der Brennerlängsachse einen Winkel bilden und die Brennluft etwa senkrecht zur Längserstreckung der Wandschlitze zuströmt. Dabei hat sich ein Winkel von 60° als besonders günstig erwiesen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Horn des Zerstäubers von einem mit einer Drosselbohrung für die den Zerstäuberteller umströmende Brennluftmenge versehenen, mit der Stirnwand der Brennkammer verbundenen Rohrstück umhüllt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung mit zwei Ausführungs­ beispielen erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Ultra­ schallzerstäuber-Brenner mit axialem Austrittsrohr und

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen etwas ab­ geänderten Ultraschallzerstäuber-Brenner mit einem Blecheinsatzstück für die Zündzone und mit axialem Austritts­ diffusor.

Nach diesen Figuren ist ein mit einer Brennstoff-Zufuhrstelle 1 a versehener Ultraschallzerstäuber 1 mit einem von einem ganz geringen Teil der Brennluftmenge umströmten Zerstäuberteller 1 b an der Stirnwand 7 a einer zylindrischen, von Einbauten freien Brennkammer 7 mittig angebracht; er ist mit allseitigem Abstand von einem stirnseitigen Abschlußgehäuse 14 eines die Brennkammer mit allseitigem Abstand umhüllenden Mantels 10 umgeben; dem den Zerstäuber umhüllenden Zwischenraum 12 b wird zur intensiven Küh­ lung der Piezokeramik nahezu die gesamte Brennluft zugeführt, die dann über Durchtrittsöffnungen 7 d einer innerhalb des Ab­ schlußgehäuses angebrachten Querwand 7 e in den die Brennkammer umhüllenden Zwischenraum 12 einströmt. Die mittige Anordnung des Zerstäubers 1 an der Brennkammerstirnwand 7 a bewirkt eine gleich­ mäßige Gemischaufbereitung über den gesamten Brennkammerquer­ schnitt.

Der zur Brennluftzuführung dienende radiale Stutzen 16 ist am Gehäuse 14 zur Brennerlängsachse versetzt angebracht, um eine tangentiale Lufteinströmung zu ermöglichen.

Die Brennkammer weist anschließend an ihre Stirnwand 7 a eine mit Wandbohrungen 4 für Primärluftzutritt aus dem Zwischenraum 12 versehene Zündzone 3 auf, die auch eine radial stehende Hoch­ spannungszündkerze 2 enthält, sowie daran anschließend eine mit Wandschlitzen 6 für Sekundärluftzutritt aus dem Zwischenraum 12 versehene Ausbrennzone 5. Das Horn 1 c des Zerstäubers ist von einem mit einer Drosselbohrung 7 c für die durchströmende Um­ spülungsluft des Tellers versehenen mit der Brennkammerstirn­ wand 7 a verbundenen Rohrstück 7 b umhüllt; dieses ist mit jener Querwand 7 e einstückig ausgebildet, an die der Zerstäuber 1 durch eine Tellerfeder 13 innerhalb des Abschlußgehäuses nach­ giebig angedrückt wird.

Nach Fig. 1 ist am anderen Ende der Brennkammer 7 eine Flammen­ blende 9 und daran anschließend ein Heizöl-Austrittsrohr 8 von axialer Strömungsrichtung angeordnet. Die am Brennkammer­ ende angebrachte Flammenblende 9 begünstigt die für eine gute Gemischbildung wichtige Rezirkulation heißer Verbrennungsgase.

Nach Fig. 2 ist die Zündzone 3 mit einem Einsatzstück 11 ausge­ bildet, das aus zwei einen Zwischenspalt von etwa 1 bis 2 mm aufweisenden dünnen Blechen besteht. Sowohl an der Umfangswand wie an der Stirnwand dieses Einsatzes sind Warzen 11 a ausge­ bildet, nämlich herausgedrückt, über die er an den entsprechenden Stellen der Brennkammer anliegt. Die zylindrische Brennkammer­ wand weist im Bereich der Zündzone, in der Zeichnung nicht darge­ stellt, Wandbohrungen 4 für die Primärluft auf; diese strömt hier vom genannten Zwischenraum 12 in den zwischen Brennkammer und Ein­ satzstück gebildeten Zwischenraum 12 a und von da über Bohrungen 4′ in die Zündzone 3, während die Sekundärluft wie nach Fig. 1 vom Zwischenraum 12 direkt über die Wandschlitze 6 in die Ausbrenn­ zone 5 gelangt. An dem Ende des Einsatzstückes 11, das dem Zer­ stäuber gegenüberliegt, ist ein in Umfangsrichtung geschlossener Abdichtwulst 15 vorgesehen, der den Austritt von Primärluft axial in die Ausbrennzone 5 verhindert. Am anderen Ende der Brennkammer ist wieder eine Flammenblende 9, daran anschließend jedoch ein Heizgas-Austrittsdiffusor 8 a von axialer Strömungsrichtung ange­ ordnet.

Wie in der einleitenden Beschreibung bereits dargelegt, kann diese Anordnung dadurch vorteilhaft modifiziert werden, daß die Brennkammer 7 und das Einsatzstück 11 gemeinsam durchge­ stanzte Bohrungen 4 aufweisen. Dies ist in der Fig. 2 nicht dargestellt.

Claims (7)

1. Ultraschallzerstäuber-Brenner für kleine Heizgeräte, ins­ besondere Fahrzeugheizungen, mit Mitteln zur Brennluftzu­ fuhr und zur Brennstoffzufuhr zum Zerstäuber, dessen von einer geringen Brennluftmenge umströmter, an einem Horn angeordneter Zerstäuberteller in der Stirnwand einer zylindrischen Brennkammer mittig liegt, deren andere Stirn­ seite eine Flammenblende und daran anschließend ein axiales Heizgasaustrittsrohr aufweist und die eine mit Wandbohrungen für Primärluft versehene und eine Hochspannungszündein­ richtung enthaltene Zündzone sowie daran anschließend eine Wandöffnungen für Sekundärluft zugeordnete Ausbrennzone um­ faßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündzone (3) und die Ausbrennzone (5) trennwandlos ineinander übergehen und die Wandöffnungen für Sekundärluft als Wandschlitze (6) ausge­ bildet sind und daß die den Zerstäuberteller (1 b) umströmende Brennluftmenge höchstens 1% der gesamten Brennluftmenge be­ trägt.

2. Ultraschallzerstäuber-Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zündzone (3) in einem dünnwandigen mit Luft­ zutrittsbohrungen (4′) versehenen Blecheinsatzstück (11) ge­ bildet ist, das über Warzen (11 a) an der mit wenigstens einer Wandbohrung (4) für Primärluft versehenen zylindrischen Wand der Brennkammer (7) sowie an deren Stirnwand anliegt, wobei der gebildete Zwischenraum (12 a) von der Primärluft durch­ strömt wird, während ein umlaufender Abdichtwulst (15) den axialen Abschnitt der Primärluft in die Ausbrennzone (5) verhindert (Fig. 2).

3. Ultraschallzerstäuber-Brenner nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Blecheinsatzstück (11) Luftzutritts­ bohrungen (4′) aufweist, die mit entsprechenden Wand­ bohrungen (4) der Brennkammer (7) fluchten.

4. Ultraschallzerstäuber-Brenner nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennkammeroberfläche ganz oder teil­ weise mit einer wärmeisolierenden Schicht ausgekleidet ist.

5. Ultraschallzerstäuber-Brenner nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wärmeisolierende Schicht aus einer aufgebrachten Keramik, aus einer dünnen Matte aus Faser­ keramik oder aus einer dünnen Matte aus Metallgespinst be­ steht.

6. Ultraschallzerstäuber-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandschlitze (6) für Sekundärluft mit der Projektion der Brennerlängsachse einen Winkel bilden und die Brennluft etwa senkrecht zur Längs­ erstreckung der Wandschlitze (6) zuströmt.

7. Ultraschallzerstäuber-Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn (1 c) des Zerstäubers (1) von einem mit einer Drosselbohrung (7 c) für die den Zer­ stäuberteller (1 b) umströmende Brennluftmenge versehenen, mit der Stirnwand (7 a) der Brennkammer (7) verbundenen Rohr­ stück (7 b) umhüllt ist.