DE4243036A1 - Brennersystem zur Aufbereitung von flüssigen Brennstoffen für Verbrennungsvorgänge, beispielsweise für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach den gattungsbildenden Merkma­ len des Anspruches 1.

Der Verbrennungsvorgang, beispielsweise beim Betrieb von Diesel-Brenn­ kraftmaschinen oder bei anderen Verbrennungsvorgängen wie z. B. bei der Müllverbrennung oder bei Heizanlagen, kann erheblich gestört werden durch Zündunwilligkeit der eingesetzten Brennstoffe, insbesondere bei unzureichen­ der Höhe der Betriebstemperatur beim Verbrennungsvorgang, aber auch durch Beeinträchtigungen die hervorgerufen werden durch Verstopfung der Brennstoffzuführung und bzw. oder der Brennstoffzuführung zu einem Brenn­ raum durch Ablagerung von Ruß- oder anderen Feststoffpartikeln.

Wenn beim Einsatz eines Brenners z. B. bei Diesel-Brennkraftmaschinen die erforderliche Betriebstemperatur nicht oder noch nicht erreicht ist, kann die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs unregelmäßig verlaufen, wobei einer­ seits ein schlechter Wirkungsgrad die Folge ist und andererseits unverbrannte Partikel die Zuführung des Brennstoffs zum Brennraum verstopfen können.

Beispielsweise bei kurzzeitigem Stillsetzte einer Antriebsanlage und nachfol­ gendem Wiederanlassen, also wenn die Antriebsanlage nicht mit der erforder­ lichen Betriebstemperatur arbeitet, können unverbrannte Partikel die Zufüh­ rung des Brennstoffs zu einem Brennraum erheblich behindern oder sogar unterbrechen.

Der gleiche, ungünstige Verbrennungsablauf kann sich beispielsweise bei mit flüssigen Brennstoffen betriebenen Heizanlagen für die Gebäudeheizung ein­ stellen bei denen die Anlage jeweils nur zur Aufrechterhaltung der geforder­ ten Heiztemperatur läuft und sonst stillgesetzt ist. Beim Wiederanlassen der Anlage und der durch das Stillsetzen jeweils absinkenden Betriebstemperatu­ ren, läßt sich ein Verstopfen der Brennstoffzuführung zu den Brennkammern der Anlage nur schwer vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei mit flüssigen Brennstoffen arbei­ tenden Antriebs- bzw. Verbrennungsanlage die Zündwilligkeit des Brenn­ stoffs zu verbessern.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung gleichzeitig mit einer Verbesserung der Zündwilligkeit des Brennstoffs ein Verschmutzen der Brennstoffzuführung zum Brennraum durch Feststoff- bzw. Rußpartikel über den gesamten Ver­ brennungsvorgang hinweg zu verhindern.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst mit einer Brennereinrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 und in wei­ terer, vorteilhafter Ausgestaltung nach den Merkmalen der dem Anspruch 1 folgenden Ansprüche.

Die Zündwilligkeit flüssiger Brennstoffe wird erfindungsgemäß wesentlich ver­ bessert, indem der Brennstoff vor dem Verbrennungsvorgang aus dem flüssi­ gen in den gasförmigen Aggregatszustand übergeführt und in bestimmtem Verhältnis mit Luft oder Sauerstoff vermischt wird. Dabei ist zur Zündung des Gemischs eine Energiezufuhr von außen vorgesehen.

Mittels des erfindungsgemäß ausgebildeten Brenners wird auf kürzestmög­ lichem Wege von der Kraftstoffzuführung zu einem Brennraum eine Umwand­ lung des Brennstoffs vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand be­ wirkt und unter Zumischung von Luft oder Sauerstoff bei Zündung im Brenner­ raum eine wesentlich verbesserte Zündwilligkeit erreicht.

Dadurch, daß sich die Heizelemente, nach einer weiteren, vorteilhaften Aus­ gestaltung des Haupterfindungsgedankens, um einen bestimmten Betrag in den Brennraum hinein erstrecken, werden bedingt durch die Erwärmung der Elemente die sich bei der Verbrennung an den Einströmöffnungen für den Brennstoff in den Brennraum absetzenden Rußpartikel abgebrannt und stets ein freies Einströmen des Brennstoffgases in den Brennraum gewährleistet. Infolge der Zufuhr der Heizenergie von außen, kann der Brennstoffstoff bzw. das Luft-Brennstoffgemisch stets auf dem für die Zündung notwendigen Tem­ peraturniveau gehalten werden, unabhängig von sich ändernden Temperatur­ einflüssen beim Verbrennungsvorgang.

Die Heizelementengeometrie, die Geometrie der Aufheizstrecke bzw. des Ver­ gasungsabschnitts und die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Kraftstof­ fes ist hierbei so gewählt, daß bei Austritt des Brennstoffs aus dem Verga­ sungsabschnitt der Einrichtung, der Übergang vom flüssigen in den gasförmi­ gen Aggregatzustand abgeschlossen ist.

Durch die spezielle Ausbildung der Austrittsöffnung am Ende des Verga­ sungsabschnitts der Einrichtung, wird gleichzeitig dafür gesorgt, daß der gas­ förmig austretende Brennstoff in geeigneter Weise mit Luft bzw. Sauerstoff im Brennraum verwirbelt wird.

Die Heizeinrichtung kann auf vielfältige Art, z. B. mittels elektrisch arbeitender Heizelemente mit externer Energieerzeugung, oder aber auch durch Zufüh­ rung extern aufgeheizter Medien zu entsprechend ausgebildeten Heizele­ menten betrieben werden. Für die Zufuhr des Brennstoffs ist eine Brennstoff­ pumpe mit zugehörigem Antrieb vorgesehen.

Das Brennersystem läßt sich in so geringen Dimensionen ausführen, daß der Einbau ohne weitere wesentliche Modifizierungen in eine große Anzahl gän­ giger, jedoch unterschiedlich ausgebildeter Anlagen erfolgen kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausge­ bildeten Brennersystems dargestellt, das in der nachfolgenden Beispielsbe­ schreibung näher erläutert wird.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 schematisiert dargestellt einen Längsschnitt durch das Brennersystem,

Fig. 2 Einzelheiten des Brenners in einem Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Brennersystem nach der Linie II-II der Fig. 2, ebenfalls schematisiert dargestellt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zur Aufbereitung von flüssigen Brennstoffen für den Verbrennungsvorgang ins­ gesamt mit 1 bezeichnet.

Die Einrichtung setzt sich zusammen aus den Komponenten A bzw. B, von denen die Komponente A zur Brennstoffaufbereitung dienenden Elemente und die Komponente B die für die Zündung und Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Teile enthält.

Die Komponente A der Einrichtung 1 weist eine Zuführungsleitung 2 für die Zuleitung flüssigen Brennstoff zum Gehäuse 3 des Brenners auf, welches einen Vergasungsraum 4 einschließt. Die Zuführungsleitung 2 mündet mit ihrem freien Ende in einen, flüssigen Brennstoff aufnehmenden Vorratsbehäl­ ter, wobei zur Brennstoffzuführung zum Raum 4 des Brennergehäuses 3 eine hier nicht dargestellte Fördereinrichtung üblicher Bauweise eingesetzt ist. Die Einrichtungskomponente A untergliedert sich, gesehen in Strömungsrich­ tung des geförderten Brennstoffes, in Abschnitte 4a, 4b bzw. 4c, von denen der Abschnitt 4a die Brennstoffzuleitung 2, der Abschnitt 4b die Brennstoff­ aufheizzone bzw. Vergasungszone und der Abschnitt 4c die Brennstoffzufüh­ rung zum Brennraum der Einrichtungskomponente B bildet.

In den vom Gehäuse 3 umschlossenen Raum 4 sind in konzentrischer Anord­ nung ein oder mehrere Heizstäbe 6′ einer Heizeinrichtung 6 eingesetzt, so daß der Raum 4 ringkanalförmigen Querschnitt aufweist. Die Heizstäbe 6′ er­ strecken sich, gemeinsam mit dem Ringkanal 4 über die gesamte Länge des Einrichtungsabschnittes 4b bis in den Brennraum 12 der Einrichtungskompo­ nente B.

Für die Heizeinrichtung 6 sind hierbei mit elektrischer Energie betriebene Heizstäbe 6′ handelsüblicher Ausbildung verwendet, die unabhängig von äußeren Temperatureinflüssen arbeiten und zu- bzw. abschaltbar sind. Der Ringkanal 4 weist gegenüber der Zuführungsleitung 2 einen größeren Durch­ flußquerschnitt auf, um eine Aufheizung des zugeführten Brennstoffs auf möglichst kurzem Wege zur Austrittsdüse 8 im Abschnitt 4c mit Überführung vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand mittels allseitiger Um­ strömung des Heizstabes 6′ erzielen zu können.

Wie bereits beschrieben, ist der Heizstab 6′ innerhalb des Gehäuses 3 so angeordnet, daß er mittels seines freien Endabschnitts 20 aus dem Gehäuse 3 heraus und um einen vorbestimmten Betrag verlängert in den Brennraum 12 der Einrichtungskomponente B hineinragt.

Mit Hilfe dieser Ausbildung und mittels einer besonderen Aufheizung des Heizstabbereichs 20 wird die düsenförmige Austrittsöffnung 8 am Ende des Ringkanals 4 im Gehäuse 3 durch das Abbrennen anströmender Feststoff- bzw. Rußpartikel weitgehend von Verstopfungen freigehalten.

Ferner ist vorgesehen, daß auch das Gehäuse 3 mit seiner als Drosselstelle wirkenden Düsenöffnungen 8 in den Brennraum 12 hineinragt.

Im Abschnitt 4c ist zur Verwirbelung des auf seinem Weg entlang des Heiz­ stabs 6′ vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand übergeführte Brennstoffs ein passiv arbeitendes Rotationselement 9 angeordnet. Das Rotationselement 9 weist in üblicher Bauweise auf den Umfang des Ge­ häuses 3 verteilte, feststehend angeordnete und den Durchtrittsquerschnitt des Ringraumes 4 quer zur Strömungsrichtung überdeckende Rotationsflügel bzw. Leitschaufeln 9′ auf, mit deren Hilfe der Brennstoffgasstrahl des Bren­ ners 1 in Rotation versetzt und mit dem über eine Zuleitung 14 in den Brenn­ raum 12 zugeführten Gasstroms z. B. des Abgasstroms einer Verbrennungs­ kraftmaschine, sowie mit Luft bzw. Sauerstoff zu einem zündwilligen Gas- Luftgemisch verwirbelt.

Um zu einer raschen Aufheizung des in flüssigen Zustand dem Ringraum 4 zugeführten Brennstoffs für die Überführung in den gasförmigen Zustand auf kürzestmöglichem Wege zu gelangen, ist gemäß Fig. 1 ein zusätzliches, zum Raum 4 bzw. zum Heizstab 6′ konzentrisches, äußeres Heizelement 7 im Gehäuse 3 angeordnet. Das Heizelement 7 umschließt den Raum 4 in seiner gesamten oder annähernd gesamten Längserstreckung und kann aus einem Ringheizelement oder aus ringförmig um den Raum 4 angeordneten Einzel­ elementen bestehen.

Innerhalb des Brennraumes 12 ist zur Zündung des im Brennraum 1 gebilde­ ten Gas-Luftgemischs eine Zündeinrichtung 22 üblicher Ausbildung einge­ setzt.

Die Einrichtung gemäß dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiel arbeitet wie folgt.

Aus dem Reservoire wird flüssiger Brennstoff mittels einer Pumpe angesaugt und über die Zuleitung 2 dem Ringraum 4 zugeleitet.

Im Raum 4 erfolgt die Aufheizung des flüssigen Brennstoffs mittels der Heiz­ einrichtung 6; 6′ bzw. 7 auf seinem Weg zur Austrittsdüse 8 und zwar zuneh­ mend auf einen Wert bei dem eine Umwandlung vom flüssigen in den gasför­ migen Aggregatszustand erfolgt, wobei der Vergasungsvorgang im Bereich der Austrittsdüse 8, zumindest jedoch vor dem Austritt aus der Düse 8 in den Brennraum 12 abgeschlossen ist.

Mit Hilfe der Leitschaufeln 9′ des am Ausgang des Ringraumes 4 vor der Drosselstelle 8 angeordneten Rotationselementes 9 wird das Brennstoffgas verwirbelt und dadurch mit dem in den Brennraum eingeleiteten Gasstrom sowie mit Sauerstoff oder Luft vermischt.

Die beschriebene Ausführung des Brenners kann beispielsweise eingesetzt werden, bei einer Antriebsanlage, bei der dem Brennraum 12 als Teil der Einrichtungskomponente B, Verbrennungsabgase unter Beimischung eines Oxydators zugeleitet wird und mit Hilfe des Brenners der Rußfilter der Abgas­ anlage einer Verbrennungskraftmaschine freigebrannt wird.

Die Anwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten und arbeitenden Bren­ ners beschränkt sich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel, son­ dern kann in allen Fällen eingesetzt werden, deren einwandfreier Betrieb in erhöhtem Maße von der Aufbereitung flüssigen Brennstoffs in einem zünd­ willigen Zustand abhängt.

Bezugsziffern

Claims (11)

1. Brennersystem mit einer Einrichtung zur Aufbereitung von flüssigen Brennstoffen für Verbrennungsvorgänge, enthaltend eine Brennerein­ richtung mit einer an eine Zuführung für flüssigen Brennstoff anschlie­ ßenden Brennstoffaufbereitung und Mitteln zur Aufheizung des Brenn­ stoffs, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Einrichtung für die Zuführung (2) von Brennstoff in flüssigem Aggregatszustand eine vom Brennstoff durchströmbare Einrich­ tungskomponente (A) mit einem Brennstoffaufbereitungsraum (4) ferner
• - Mittel (6; 6′; 7) zur Aufheizung des flüssigen Brennstoffs im Raum (4) auf eine die Umwandlung des Brennstoffs vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand bewirkende Temperatur,
• - eine an die Einrichtungskomponente (A) über eine oder mehrere Drosselstellen (8) anschließende Einrichtungskomponente (B) mit einem Brennraum (12) mit Zuführungen (14) für einen Oxyda­ tor, sowie
• - Mittel (20, 22) zur Zündung des Gas-Brennstoffgemischs im Brenn­ raum (12) aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des durchströmbaren Raumes (4) ausgelegt ist, in Abhän­ gigkeit von der zugeführten Menge und Strömungsgeschwindigkeit des zu vergasenden Brennstoffs, sowie von der Wärmezufuhr zur Auf­ heizung des flüssigen Brennstoffs mittels der Heizeinrichtung (6; 6′; 7) auf eine zur Verdampfung ausreichende Temperatur im Bereich der Austrittsöffnung (8) des Raumes (4) zum Brennraum (12).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und bzw. oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der durchströmbare Raum (4, 4a, 4b, 4c), durch ein oder mehrere, zentral im Raum (4) angeordnete stabförmige Heiz­ elemente (6′) Ringform aufweist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Heizeinrichtung (6) im Gehäuses (3) ein den Ringraum (4) teilweise oder vollständig umgebendes, aus einem oder mehreren Elementen gebildetes, äußeres Ringheizelement (7) zuge­ ordnet ist.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Heizeinrichtung (6; 6′; 7) handelsübliche Heizelemente verwendet sind.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Heizeinrichtung (6; 6′; 7) die zum Aufheizen bzw. Aufrechterhalten der zur Vergasung des Brennstoffs erforderlichen Temperatur eine externe Energieversorgung zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Zündeinrichtung (22) Zündkerzen, Glühstifte oder dergleichen vorgesehen sind.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest der Endabschnitt (20) des Heizstabes (6′) bzw. des Ringheizelements (7) auf eine zur Zündung des in den gasförmigen Aggregatszustand übergeführten Brennstoffs im Brenn­ raum (12) geeignete Zündtemperatur bzw. Verbrennungstemperatur aufheizbar ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest der Heizstababschnitt (20) und bzw. oder das Ringheizelement (7) aus den Abschnitt (4b) des Rau­ mes (4) in den Brennraum (12) hineinragend angeordnet ist.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mittels der Heizeinrichtung (6; 6′; 7) zur Besei­ tigung von Feststoff- oder Rußpartikeln im Bereich des Drosselquer­ schnitts (8) auch bei nicht strömendem Kraftstoff, eine zum Abbrand der Verschmutzung geeignete Temperatur (Mindesttemperatur von 600°C) aufrechterhalten wird.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Verwirbelung des in den gasförmigen Aggre­ gatszustand übergeführten Brennstoffs der Drosselstelle (8) ein passiv arbeitendes Rotationselement (9, 9′) zugeordnet ist.