DE4213567A1 - Gasbrennkammer eines Kleinheizgerätes, insbesondere für Fahrzeuge - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasbrenn­ kammeranordnung eines Kleinheizgerätes, insbesonde­ re für Fahrzeuge.

Bei Brennkammern, die in Kleinheizgeräten zur An­ wendung kommen, erweist es sich als wesentlich, die Brennkammern, die einen erheblichen Anteil am Ge­ samtgerätevolumen haben, möglichst klein auszufüh­ ren. Diese notwendige Miniaturisierung ist zum einen durch den für die Erzielung einer vorgegebe­ nen Brennkammerleistung benötigten Raumbedarf und zum anderen durch den für einen wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Betrieb der Brennkammer notwendigen Wirkungsgrad, der unter anderen vom räumlichen Aufbau der Brennkammer abhängig ist, begrenzt.

Ein guter Brennkammerwirkungsgrad setzt eine gute Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft in der Brennkammer voraus, da nur so eine stöchio­ metrische Verbrennung in der Brennkammer erreichbar ist. Die wohl am weitesten verbreitete Lösung, eine gute Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungs­ luft in der Brennkammer zu erreichen, besteht dar­ in, der eigentlichen Brennkammer vorgeschaltet eine Vormischkammer vorzusehen, die für die Bildung eines zündfähigen Gemisches schon außerhalb der eigentlichen Brennkammer sorgt, das dann in die Brennkammer eingeführt werden kann. Zur Verbrennung des Gemisches trägt der zur Ausbildung der Vor­ mischkammer benötigte Raum nichts bei. Auf der anderen Seite jedoch wird für die Vormischkammer zusätzlicher Raum benötigt, der zu einer Vergröße­ rung des gesamten Bauvolumens beiträgt.

Davon ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasbrennkammeranordnung zu schaffen, die eine gute Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft ohne die Vorschaltung einer Vor­ mischkammer ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Aufbau der Brennkammer weist einen mit der Brennkammer eine räumliche Einheit bildenden Stutzen auf, der zum einen zur Aufnahme einer elektrischen Zündeinrichtung, etwa einer Zündkerze, dient und in den zum anderen sowohl eine Brenngaszuführung als auch eine Verbrennungsluft­ zuführung mündet. Die aus der entsprechenden Brenn­ gas-Zuführöffnung und der Verbrennungsluft-Zuführ­ öffnung in den Stutzen einströmenden Gase dienen zur Ausbildung eines zündfähigen Gemisches im Stutzenbereich. Die zur Unterhaltung der Verbren­ nung bzw. zur Erzielung einer stöchiometrischen Verbrennung notwendige Verbrennungsluft wird unmit­ telbar durch den Brennkammerboden in die Brennkam­ mer eingeführt. Darüber hinaus ist eine weitere Verbrennungsluft-Zuführöffnung im Wandungsbereich des Stutzens oder in der Brennkammerwand vorgese­ hen, die der Ausbildung einer in den Innenraum des Stutzens gerichteten Verbrennungsluftströmung dient. Diese in den Stutzenraum gerichtete Verbren­ nungsluft-Richtströmung trifft auf die in Richtung auf die Brennkammer zuströmenden Gase bzw. das aus diesen gebildete Gasgemisch, so daß es im Stutzen­ bereich zu großen Turbulenzen kommt, die für eine gute Durchmischung von Verbrennungsluft und Brenn­ stoff sorgen.

Durch die in den Stutzenraum gerichtete Verbren­ nungsluftströmung wird im Stutzenbereich eine Vor­ mischzone ausgebildet, wie sie bislang nur durch eine gesondert vorzusehende, von der eigentlichen Brennkammer abgetrennte Vormischkammer mit den damit zusammenhängenden, oben geschilderten Nach­ teilen erreicht wurde. Da der Stutzenraum räumlich zusammenhängend mit der eigentlichen Brennkammer ausgebildet ist, erfolgt die Verbrennung des Gas­ gemisches sowohl in der Brennkammer als auch im Stutzenraum.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Gasbrennkammeranordnung ist die im folgenden als Richtströmungs-Öffnung bezeichnete, zur Einführung der gerichteten Verbrennungsluft­ strömung in den Stutzenraum dienende Öffnung durch eine der im Brennkammerboden vorgesehenen Verbren­ nungsluft-Zuführöffnungen gebildet, und der Strömungsquerschnitt der im folgenden als Stutzen- Zuführöffnung bezeichneten, der Zuführung von Ver­ brennungsluft in den Stutzen dienenden Öffnung ist in Relation zu den Strömungsquerschnitten der Ver­ brennungsluft-Zuführöffnungen im Brennkammerboden, die im folgenden als Brennkammerboden-Zuführöff­ nungen bezeichnet werden, und der Richtströmungs- Öffnung derart bemessen, daß 2% bis 20% der Gesamtverbrennungsluft durch die Stutzen-Zuführöff­ nung zuströmen.

Durch eine entsprechende Aufteilung der insgesamt in die Brennkammeranordnung eingeführten Verbren­ nungsluft wird die durch die aus der Richtströ­ mungs-Öffnung in den Stutzenraum austretende Richtströmung erreichte gute Durchmischung noch weiter in Richtung der Ausbildung eines stöchiome­ trischen Gasgemisches in der Brennkammeranordnung verbessert. Die genaue Größe des bereichsweise angegebenen Verbrennungsluft-Zuführverhältnisses hängt dabei natürlich von der Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffgases ab und ist in Versuchen leicht zu ermitteln.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Stutzen umfangsseitig an der Brennkammer angeordnet ist und der Brennkammerboden mit den Brennkammer­ boden-Zuführöffnungen im wesentlichen mit der Stutzenwand fluchtend angeordnet ist.

Der Brennkammerboden kann so ausgebildet sein, daß er gleichzeitig einen Wandbereich eines der Brenn­ kammer vorgeordneten Verbrennungsluft-Zuführraumes bildet, der mit einer zentralen Verbrennungsluft- Zuführöffnung für die Brennkammer versehen ist. Dabei besteht die Möglichkeit, den Brennkammerboden napfförmig auszubilden und die Verbrennungsluft- Zuführöffnung in einer den napfförmig ausgebildeten Brennkammerboden zu einem Verbrennungsluft-Zuführ­ raum abschließenden Abschlußwand vorzusehen. Bei dieser Abschlußwand kann es sich beispielsweise um einen Gehäusebereich eines die Brennkammeranordnung aufnehmenden Kleinheizgerätes handeln, so daß durch die Integration des Gerätegehäuses in die Wandung des Verbrennungsluft-Zuführraums eine besonders raumsparende Möglichkeit zu dessen Ausbildung ge­ geben ist. Darüber hinaus kann an die somit von außen leicht zugängliche Verbrennungsluft-Zuführ­ öffnung ein zentraler Verbrennungsluftanschluß angeschlossen werden, der durch die Ausbildung des Verbrennungsluft-Zuführraums in gleicher Weise zur Versorgung der Brennkammerboden-Zuführungsöffnungen als auch der Richtströmungs-Öffnung dient. Somit wird es überflüssig, innerhalb der Gehäusewandung besondere Gaszuleitungen vorzusehen.

Hinsichtlich einer guten Gasdurchmischung innerhalb der Brennkammer erweist es sich weiterhin als vor­ teilhaft, wenn die Brennkammerboden-Zuführöffnungen gleichmäßig über den der Brennkammer zugewandten Wandbereichsumfang des Brennkammerbodens verteilt angeordnet sind.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkammeranordnung ist es auch möglich, den Stutzen einstückig mit der Brennkammerwand zu verbinden, und den Brennkammer­ boden zur Bildung der Brennkammer in die Brennkam­ merwand einsetzbar zu gestalten. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau der Brennkammeranordnung gegeben, die auch eine schnelle und kostengünstige Fertigung der Brennkammeranordnung ermöglicht.

Anhand der Zeichnung wird nachfolgend eine bevor­ zugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gas­ brennkammeranordnung näher erläutert.

Die dargestellte Gasbrennkammeranordnung 10 weist als wesentliche Bestandteile eine Brennkammerwand 11 und einen napfförmig ausgebildeten, in einen offenen Endbereich der im wesentlichen einen Zylin­ dermantel bildenden Brennkammerwand 11 eingesetzten Brennkammerboden 12 auf.

Die Brennkammerwandung 11 weist eine im wesentli­ chen quer zu einer Brennkammer-Längsachse 13 ausge­ richtete Querschnittserweiterung in Form eines Stutzens 14 auf. An ihrem dem Brennkammerboden 12 gegenüberliegenden Ende ist die mit Ausnahme des Stutzenbereichs im wesentlichen einen Zylinderman­ tel bildende Brennkammerwand 11 mit einer Flammen­ blende 15 versehen. Die Flammenblende 15 besteht im wesentlichen aus einer kragenförmig ausgebildeten Querschnittsverengung der Brennkammerwandung 11. Im Bereich der Flammenblende 15 ist die Brennkammer­ wandung 11 mit einem Heizrohraufsatz 16 versehen, der in bekannter Weise zum Einsatz der Brennkammer in einem Wärmetauscher dient.

Der napfförmig ausgebildete Brennkammerboden 12 ist zur Ausbildung eines Verbrennungsluft-Zuführraumes 17 mit einer Abschlußwand 18 versehen, die unter Zwischenlage einer Dichtung 19 an einem Umfangs­ rand 20 des Brennkammerbodens 12 anliegt.

Der Stutzen 14 nimmt an seinem einen Brennkammerin­ nenraum 21 gegenüberliegenden Ende eine elektrische Zündeinrichtung 22 auf, die das entsprechende Stutzenende druckdicht verschließt. In den Stutzen 14 münden im vorliegenden Ausführungsbeispiel pa­ rallel zur Längsachse 13 der Brennkammeranordnung 11 ausgerichtete Zuleitungen 23, 24, die durch eine Brenngas-Zuführöffnung 25 bzw. eine Verbrennungs­ luft-Zuführöffnung 26 Brenngas bzw. Verbrennungs­ luft durch die Stutzenwandung dem Brennkammerinnen­ raum 21 zuführen. Eine weitere Zuführung von Verbrennungsluft erfolgt durch eine zentrale Verbrennungsluft-Zuführöffnung 27 in der Abschluß­ wand 18. Durch die Verbrennungsluft-Zuführöffnung 27 gelangt Verbrennungsluft in den Verbrennungs­ luft-Zuführraum 17 und von dort durch Verbrennungs­ luft-Zuführöffnungen 28 im Brennkammerboden 12 in den Brennkammerinnenraum 21.

Die Öffnungsquerschnitte der Verbrennungsluft-Zu­ führöffnung 26 im Stutzen 14 und der Verbrennungs­ luft-Zuführöffnungen 28 im Brennkammerboden 12 sind im Verhältnis zueinander so bemessen, daß durch die Verbrennungsluft-Zuführöffnung im Stutzen (Stut­ zen-Zuführöffnung 26) lediglich ein Bruchteil der durch die Gesamtheit der Verbrennungsluft-Zuführ­ Öffnungen im Brennkammerboden 12 (Brennkammerboden- Zuführöffnungen 28) dem Brennkammerinnenraum 21 zugeführten Verbrennungsluft zugeführt wird. Je nach Art des für die Verbrennung verwendeten Brenn­ gases hat sich dabei eine Zuführung von 2% bis 20% der Gesamtverbrennungsluft durch die Stutzen- Zuführöffnung 26 als vorteilhaft zur Erzielung einer stöchiometrischen Verbrennung erwiesen.

Zur Erzielung einer guten Durchmischung des aus Verbrennungsluft und Brenngas bestehenden Gasgemi­ sches bereits im Stutzen 14 ist im Brennkammerboden 12 neben den Brennkammerboden-Zuführöffnungen 28 eine Richtströmungs-Öffnung 29 vorgesehen, die so ausgebildet ist, daß der durch diese vom Verbren­ nungsluft-Zuführraum 17 in den Brennkammerinnenraum 21 eintretende Verbrennungsluft-Anteil als in den Innenraum des Stutzens 14 ausgerichtete Strömung ausgebildet ist.

Zur Erläuterung des durch die gerichtete Strömung im Brennkammerinnenraum 21 erreichten Effekts sind die durch die Richtströmungs-Öffnung 29 austretende Verbrennungsluft-Richtströmung 30 und die aus der Stutzen-Zuführöffnung 26 sowie der Brenngas-Zuführ­ öffnung 25 in den Brennkammerinnenraum 21 eintre­ tenden Strömungen (Verbrennungsluft-Strömungen 31 und Brenngas-Strömung 32) durch entsprechende Pfeile dargestellt. Zwar handelt es sich bei der Verbrennungsluft-Strömung 31 und der Brenngas-Strö­ mung 32 nicht um gerichtete Strömungen im eigent­ lichen Sinne, jedoch ergibt sich aufgrund des quer zur Brennkammer-Längsachse 13 ausgerichteten Stut­ zens 14 eine radial zur Brennkammer-Längsachse 13 hin erfolgende Strömung, die durch die Pfeile 31 und 32 angedeutet ist.

Durch die in den Stutzen 14 gerichtete Verbren­ nungsluft-Richtströmung wird erreicht, daß bereits im Stutzenbereich des Brennkammerinnenraums 21 eine gute Durchmischung des aus Verbrennungsluft und Brenngas bestehenden Gasgemisches aufgrund der im Ausführungsbeispiel sogar aufeinanderzu gerichteten Strömungen 30, 31 und 32 erfolgt. Dieser vorteil­ hafte Effekt wird dadurch noch unterstützt, daß der Brennkammerboden 12, in dem die Richströmungs-Öff­ nung 29 ausgebildet ist, im wesentlichen fluchtend mit dem Wandungsbereich des Stutzens 14 angeordnet ist, der die Stutzen-Zuführöffnung 26 und die Brenngas-Zuführöffnung 25 aufweist.

Zur Erzeugung einer gerichteten Strömung weist die Richtströmungs-Öffnung 29 einen teilweise als Lei­ teinrichtung 33 ausgebildeten Öffnungsrand auf. Die Leiteinrichtung 33 läßt sich auf besonders einfache Art und Weise dadurch herstellen, daß ein mit einem Schlitz versehener Bereich des Brennkammerbodens 12 durch Druck so ausgeformt wird, daß sich eine rin­ nenförmige Vertiefung im Brennkammerboden 12 er­ gibt, an deren Ende der Schlitz zu einer quer zum Brennkammerboden 12 ausgerichteten Öffnung aufge­ weitet ist.

Die neben der Richtströmungs-Öffnung 29 im Brenn­ kammerboden 12 angeordneten Brennkammerboden- Zuführöffnungen 28 sind so angeordnet, daß sie zusammen mit der Richtströmungs-Öffnung 29 in einem Kreis angeordnet sind, dessen Zentrum im wesent­ lichen durch die Brennkammer-Längsachse 13 bestimmt ist.

Claims (8)

1. Gasbrennkammeranordnung (10) eines Kleinheiz­ gerätes, insbesondere für Fahrzeuge, aufwei­ send die folgenden Merkmale:

• a) an einer im wesentlichen einen Zylinder­ mantel bildenden Brennkammerwand (11) ist ein die Brennkammerwand (11) bereichsweise erweiternder Stutzen (14) angeordnet;
• b) in einem Brennkammerboden (12) sind meh­ rere Verbrennungsluft-Zuführöffnungen (Brennkammerboden-Zuführöffnungen 28) vorgesehen;
• c) im Stutzen (14) ist eine elektrische Zündeinrichtung (22) angeordnet, und die Stutzenwand weist zumindest eine Brenn­ gas-Zuführöffnung (25) sowie zumindest eine Verbrennungsluft-Zuführöffnung (Stutzen-Zuführöffnung 26) auf;
• d) in der Stutzenwand oder der Brennkammer­ wand (11) ist zumindest eine Verbren­ nungsluft-Zuführöffnung (Richtströmungs­ öffnung 29) angeordnet, die derart aus­ gebildet ist, daß eine aus dieser aus­ tretende Verbrennungsluft-Richtströmung (30) in das Innere des Stutzens (14) gerichtet ist.

2. Gasbrennkammeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtströmungs-Öffnung (29) durch eine besonders ausgebildete Brennkammerboden- Zuführöffnung (28) gebildet ist, und der Strömungsquerschnitt der Stutzen-Zuführöffnung (26) in Relation zur Gesamtheit der Strömungs­ querschnitte der Brennkammerboden-Zuführöff­ nungen (28) und der Richtströmungs-Öffnung (29) derart bemessen ist, daß 2% bis 20% der Gesamtverbrennungsluft durch die Stutzen- Zuführöffnung (26) einem Brennkammerinnenraum (21) zuströmen.

3. Gasbrennkammeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtströmungs-Öffnung (29) einen zumindest teilweise als Leiteinrichtung (33) ausgebildeten Öffnungsrand aufweist.

4. Gasbrennkammeranordnung nach einem oder mehre­ ren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzen (14) umfangsseitig an der Brennkammerwand (11) angeordnet ist und der Brennkammerboden (12) mit der darin angeordne­ ten Richtströmungs-Öffnung (29) mit dem Wan­ dungsbereich des Stutzens (14), der die Stutzen-Zuführöffnung (26) und die Brenngas- Zuführöffnung (25) aufweist, im wesentlichen fluchtend angeordnet ist.

5. Gasbrennkammeranordnung nach einem oder mehre­ ren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammerboden (12) einen Wandbe­ reich eines dem Brennkammerinnenraum (21) vorgeordneten Verbrennungsluft-Zuführraumes (17) bildet, der mit einer zentralen Verbren­ nungsluft-Zuführöffnung (27) versehen ist.

6. Gasbrennkammeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsluft-Zuführraum (17) durch den napfförmig ausgebildeten Brennkammerboden (12) und eine die Verbrennungsluft-Zuführöff­ nung (27) aufweisende Abschlußwand (18) gebil­ det ist.

7. Gasbrennkammeranordnung nach einem oder mehre­ ren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammerboden-Zuführöffnungen (28) gleichmäßig über den Randbereichsumfang des Brennkammerbodens (12) verteilt angeordnet sind.

8. Gasbrennkammeranordnung nach einem oder mehre­ ren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzen (14) einstückig mit der Brenn­ kammerwand (11) ausgebildet ist, und der Brennkammerboden (12) zur Bildung einer Brenn­ kammer in die Brennkammerwand (11) einsetzbar ist.