DE4243712C1 - Heizgerät für Fahrzeuge, das mit flüssigem Brennstoff unabhängig von dem Motor des Fahrzeuges betreibbar ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät für Fahrzeuge, das mit flüssigem Brennstoff unabhängig von dem Motor des Fahrzeu­ ges betreibbar ist, mit einer Brennkammer, einem nachfol­ genden Flammrohr, einem Wärmetauscher, Mitteln zur Brenn­ stoff- und Verbrennungsluftzufuhr, einer Zündeinrichtung, Mitteln zur Abfuhr des Wärmeübertragungsmittels und zur Ab­ gasableitung sowie einer die Brennkammer, die mit Luft­ durchtrittsöffnungen in der Umfangswand und stromauf mit einem Boden versehen ist, umgebenden Ringkammer, wie es in dem Hauptpatent (DE 41 41 367 C1) unter Schutz gestellt ist.

Aus der DE 33 18 054 C2 geht ein Heizgerät für Fahrzeuge hervor, das mit flüssigem Brennstoff unabhängig von dem Motor des Fahrzeuges betreibbar ist und eine Brennkammer sowie ein nachfolgendes Flammrohr aufweist. Diesem Heiz­ gerät sind ein Wärmetauscher, Mittel zur Brennstoff- und Verbrennungsluftzufuhr, eine Zündeinrichtung und Mittel zur Abfuhr des Wärmeübertragungsmittels und zur Abgasableitung zugeordnet. Die Brennkammer ist mit Luftdurchtrittsöffnun­ gen in der Umfangswand und stromauf mit einem Boden ver­ sehen und von einer Ringkammer zur Luftzufuhr umgeben. Bei diesem Heizgerät ist es nicht möglich, Teillastbereiche kleiner 1 : 4 mit noch vertretbaren Verbrennungseigenschaf­ ten zu betreiben.

Mit dem Heizgerät nach dem Hauptpatent wird erreicht, daß beim Teillastbetrieb nach der erforderlichen Reduktion der Verbrennungsluftmenge durch Zurücknahme der Gebläsedrehzahl der stromab hintere Abschnitt mit seinen Luftzuführungsöffnungen abgeschaltet wird, so daß die verbleibende Luftmenge allein dem strom­ auf vorderen Abschnitt mit seinen Luftzuführungsöffnungen zugeführt wird und dort unter höherem Druck und damit größerer Geschwindigkeit der Brennkammer zugeführt wird, so daß eine bessere Durch­ mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erreicht wird und damit eine bessere Verbrennung.

Es hat sich aber gezeigt, daß bei diesem Heizgerät noch der Stromverbrauch für das Verbrennungsluftgebläse zu hoch ist und der Ausbrand der Brennkammer nicht optimal erfolgt, so daß eine höhere Emission von Kohlenwasserstoffen festzu­ stellen ist und daß insbesondere beim Betrieb im Teillast­ bereich die Gefahr einer Verkokung der Brennkammer besteht. Diese Nachteile treten insbesondere bei Heizgeräten mit stark wechselndem Wärmebedarf auf, z. B. bei einem Bedarf von 10 KW für eine schnelle Motorvorwärmung und nur etwa 1 KW für eine Kabinenbeheizung.

Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zu­ grunde, ein Heizgerät gemäß dem Hauptpatent dahingehend weiterzubilden, daß bei großem Regelbereich - etwa 1 : 10 bis 1 : 15 - auch im unteren Teillastbetrieb ein guter Aus­ brand erzielt wird und trotzdem der Strombedarf des Ver­ brennungsluftgebläses bei Vollast noch in akzeptablen Gren­ zen bleibt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Hierbei ist von der Überlegung ausgegangen worden, daß eine Aufteilung und Steuerung der Verbrennungsluftströme alleine nicht ausreicht, um eine be­ sonders gute und angepaßte Heizleistung bei geringen Emissionswerten zu erreichen, sondern daß Änderungen an der Brennkammer erforderlich sind.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß drei für den Brennerbetrieb erforderliche Zonen oder Kammern ge­ bildet werden: zunächst bei Ausbildung eines Aufnahmeteiles für einen Glühstift am Boden des Einsatzes eine Zündkammer, sodann eine Teillastkammer, die von der Wand des Einsatzes begrenzt wird, und schließlich die Vollastkammer, die den Raum außerhalb des Einsatzes in der Brennkammer umfaßt und zu der die Teillastkammer bei Vollast funktionell hinzu­ kommen kann. Durch diese Anordnung ist ein emissions­ geringer Betrieb bei besonders großem Regelbereich möglich.

Es ist zwar nach der DE-PS 21 29 663 bereits ein Heizgerät für Fahrzeuge bekannt mit einem Einsatz aus gesintertem, rostfreiem Stahl, der in eine Brennkammer ragt, jedoch er­ folgt hierbei nur eine Unterteilung in eine als Zündkammer wirkende Vorkammer und eine als Hauptkammer bezeichnete Kammer, die mit der von einem den Einsatz umgebenen Ringraum gebildeten Brennkammer in Verbindung steht. Dieser Einsatz verfügt jedoch nur über eine gemeinsame Luftzufuhr für die Vorkammer und die Hauptkammer. Bei dieser Anordnung soll nur im Anfahrbetrieb eine Verbrennung in der Vorkammer stattfinden. Ein Betrieb in einem größeren Regelbereich ist mit dieser Anordnung nicht möglich. Bei dieser Anordnung tritt als Nachteil das Fehlen der für eine gute Gemisch­ bildung erforderlichen Luftgeschwindigkeit bei Teillast bzw. bei Erhöhung der Luftgeschwindigkeit auf das an sich erforderliche Maß die Gefahr des Ausblasens der "Zündflamme" auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Ausbildung nach Anspruch 2 weist hinsichtlich der Herstellung und Montage der Brennkammer Vorteile auf, da der Einsatz sich beim Einsetzen in den topfförmigen Abschnitt des Bodens selbst zentriert.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele vereinfacht und schematisch dargestellt, die nachfolgend erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Heizgerät im Längsschnitt mit integrier­ ter Verbrennungsluftführung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Brennkammer mit der Verbrennungsluftzuführung, jedoch mit abwei­ chender Zündeinrichtung;

Fig. 3 eine Variante der Brennkammer im Schnitt;

Fig. 4 eine weitere Variante der Brennkammer im Schnitt;

Fig. 5 einen Schnitt an der Stelle A-A der Fig. 4.

In der Fig. 1 ist ein Heizgerät 1 dargestellt, mit einem zusammengesetzten Gehäuse mit dem Abschnitt 2a, der den Wärmetauscher 4 des Heizgerätes 1 umgibt, dem weiteren Ab­ schnitt 2b, der das Verbrennungsluftschaltventil 5, einen Elektromotor 6 und den stromab vorderen Teil der Brennkam­ mer 7 umgibt. An diese beiden Abschnitte 2a, 2b schließt sich noch ein Abschnitt 3a, 3b mit dem Seitenkanalgebläse 8 zur Verbrennungsluftförderung an. Von dem Verbrennungsluft­ schaltventil führen die Abschnitte (Kanäle) 9a und 9b zur Brennkammer 7 zur Versorgung mit der Teillastluftmenge bzw. Vollastluft­ menge wie in Verbindung mit Fig. 2 noch ausgeführt wird.

Die Brennkammer 7 besteht aus einem metallischen, hochtem­ peraturbeständigen, zylindrischen Abschnitt, der im darge­ stellten Beispiel durch eine Blende 10 in die Brennkammer 7 und ein nachfolgendes Flammrohr 11 unterteilt ist und Luft­ durchtrittsöffnungen 12 aufweist. In dem Brennkammerboden 7a ist mittig ein zylindrischer Abschnitt 13 angeordnet. Dieser ist gegenüber dem Brennkammerboden 7a thermisch ge­ trennt angeflanscht, er kann aber auch unmittelbar an dem Brennkammerboden 7a angeordnet oder angeformt sein. Dieser mittige Abschnitt 13 ist mit Bohrungen 14′ versehen, über die die Teillastluftmenge durchtreten kann. Der mittige Ab­ schnitt 13 dient der Aufnahme eines Einsatzes 15, der aus einem saugfähigen Material hergestellt und ein zur Brenn­ kammer 7 hin einseitig offener Zylinder ist. Im Bereich der Bohrungen 14′ sind im Einsatz 15 Luftdurchtrittsöffnungen 14 angebracht. Dieser Einsatz 15 hat die Aufgabe, den über die Brennstoffleitung 16 zugeführten Brennstoff auf einer möglichst großen Fläche zu verteilen, bevor er durch Ein­ wirkung der aus der Flamme durch Strahlung und Konvektion übertragenen Wärmeenergie verdampft. Als Material für die­ sen Einsatz 15 hat sich als vorteilhaft eine poröse Keramikmasse aus Sinterkeramik, Preßlinge aus Keramikfasern oder verdichtetes Metallgespinst erwiesen. Hierbei mündet die Brennstoffleitung 16 an dem Boden 15a des Einsatzes 15. In dem Boden 15a ist ferner ein Durchlaß 17 angeordnet, um die über den Glühstift 18 erfolgte Zündung in einer Teil­ lastzone zu erreichen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist an dem Boden 15a des Einsatzes 15 ein Aufnahme­ teil 19 zur Aufnahme des Glühstiftes 18 angeordnet. Dazu ist dieses Aufnahmeteil 19 mit einer Bohrung versehen, in der der Glühstift 18 angeordnet ist und in deren Nähe die Brennstoffzuleitung 16 mündet, so daß dort eine Zündkammer gebildet wird, in der die Zündflamme entsteht, die von dort in die Teillastzone gelangt. Dieses Aufnahmeteil 19 weist luftseitig eine Bohrung 29 auf und besteht aus einem hoch­ temperaturfesten Werkstoff. Der dort eingeführte Brennstoff wird in dem saugfähigen Einsatz 15 verteilt und gelangt in die Teillastkammer und von dort in eine Vollastkammer. Die erforderliche Verteilung des Brennstoffes aus der Brenn­ stoffleitung 16 über die Oberfläche des Einsatzes 15 erfor­ dert eine hohe Durchlässigkeit des Einsatzes 15 bzw. einen geringen Durchflußwiderstand. Bei zu geringer Durchlässig­ keit könnten im Vollastbetrieb Brennstoffteilchen bis in den Bereich der Lufteintrittsöffnungen 14 gelangen, dort vom Luftstrom erfaßt und in die Verbrennungszone hineinge­ tragen werden, ohne vollständig verdampfen zu können. Die Verweilzeiten in der Reaktionszone reichen dann nicht aus, um das Entstehen von Fackeln zu verhindern, die wiederum Rußablagerungen am Flammrohr 11 und am Wärmetauscher 4 er­ zeugen. Versuche haben ergeben, daß für ein Fahrzeugheizge­ rät mit etwa 11 KW maximaler Heizleistung, entsprechend einem Brennstoffdurchsatz von etwa 1,35 l/h, der Einsatz 15 pro cm² Oberfläche mindestens 0,5 l/h Dieselkraftstoff bei einem Differenzdruck von 1000 Pa und 20°C durchlassen muß. Bei geringerer Durchlässigkeit treten die Fackeln in der Brennkammer auf.

In der Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Brennkammer 7 samt Flammrohr 11 und den Einsatz 15 mit der Verbrennungsluft­ führung dargestellt. Die Verbrennungsluftzufuhr in die Räume 9a, 9b erfolgt aus der Verbrennungsluftleitung 20 mittels eines Gebläses 21. Diese Verbrennungsluftleitung 20 führt Verbrennungsluft zum Schaltventil 5 und weist eine Abzweigung auf, die als Luftzufuhrleitung 22 mit dem Raum 9a verbunden ist, während der stromab hintere Ringraum 9b mit dem Ventil 5 über die Luftzufuhrleitung 23 verbunden ist. Das Ventil 5 ist in dem Ausführungsbeispiel als ein pneumatisches Schaltventil ausgebildet und weist ein Ge­ häuse mit einem Anschluß für die Verbrennungsluftleitung 20 und einen Anschluß für die Luftzufuhrleitung 23 auf. Dieses Ventil 5 ist im Hauptpatent ausführlich beschrieben, ebenso dessen Wirkungsweise mit den Umschaltmöglichkeiten von Vollast auf Teillast. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der zylindrische Teil der Brennkammer 7 eintrittsseitig mit einem Boden 7a abgeschlossen, der zur Aufnahme des Ein­ satzes 15 topfförmig ausgebildet ist. In dem dargestellten Beispiel ist der Boden 7a mit dem zylindrischen Teil ver­ schweißt, der topfförmig ausgestaltete Boden 7a kann aber auch mit dem zylindrischen Teil einstückig die Brennkammer 7 samt Flammrohr 11 bilden. In dem Ausführungsbeispiel ist ferner der Glühstift 18 bis in die als Zündzone wirkende Teillastzone geführt und der Brennstoff über die Leitung 16 direkt zu dem Boden des saugfähigen Einsatzes 15.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung samt der Verbren­ nungsluftzuführung über die Leitungen 22 (Teillast) und 23 (Vollast). Bei dieser Ausführung gelangt die über die Luft­ zuführleitung 22 eingeleitete Teillastluft über Luftdurch­ trittsöffnungen 14 in den von dem Einsatz 15 gebildeten Raum 24 (Teillastzone). Die Vollastluft gelangt von der Luftzuführleitung 23 in eine Ringkammer 25 und sodann über eine größere Anzahl von Luftdurchtrittsöffnungen 12 in den Brennkammerabschnitt 26 (Vollastzone). Hierbei ist bei Teillast im wesentlichen die räumlich begrenzte Zone 24 (Teillastzone) wirksam, bei Vollast kommt der erheblich größere Brennkammerabschnitt 26 hinzu, so daß bei Vollast eine Zweizonen-Brennkammer wirksam wird. Die Zündung er­ folgt auch hier mittels des Glühstiftes 18 und des Durch­ lasses 17.

Die räumlich funktionelle Abgrenzung der Teillastzone 24 von der Vollastzone 26 wird durch eine Hülse 27 verstärkt. Diese Hülse 27 ist ein eingeschobener Zylinder aus dünnwan­ digem Blech. Er vermeidet eine großflächige Verdampfung der geringen Brennstoffmenge bei Teillast in die Zone 24, so daß in die Teillastzone nur der über den Boden 15a des Ein­ satzes 15 verdampfende Brennstoffteil eintreten kann, da die wirksame Verdampfungsfläche auf den ebenen Boden 15 des Einsatzes 15 beschränkt ist. Sofern der Einsatz 15 aus einem porösen keramischen Werkstoff besteht, kann die innere Zylinderfläche des Einsatzes 15 ganz oder teilweise versiegelt werden, z. B. durch Anbringen einer Glasur. Damit wird eine ähnliche Wirkung erzielt wie beim Einsetzen der Hülse 27.

Bei Vollast wird die räumlich größere Zone 26 wirksam. Die bei Vollast viel größere Brennstoffmenge verteilt sich im zylindrischen Teil 15c des Einsatzes 15 und kann dann groß­ flächig über diesen zylindrischen Teil und stirnseitig in die Vollastzone 26 abgedampft werden, wobei die Länge des über den Brennkammerboden 7a überstehenden Zylinders 15c die Aufteilung des Brennstoffes auf die Zonen 24 bzw. 26 bestimmt. In dem topfförmig gezogenen Boden 7a der Brenn­ kammer 7 sind ferner Bohrungen 28 angebracht. Sie dienen der Entlastung der Brennkammer bei Teillast und vermeiden zu hohe Geschwindigkeiten der Verbrennungsluft und damit ein Ausblasen der Flamme.

In der Fig. 4 mit dem angegebenen Schnitt an der Stelle A-A in Fig. 5 ist eine Variante bezüglich der Anordnung des Glühstiftes 18 und der Brennstoffzuführung über die Leitung 16 gezeigt. Bei dieser Ausführung ist der Boden 15a des Einsatzes 15 etwa in der Mitte in einem Abschnitt 15b ver­ stärkt und mit zwei, vorzugsweise in einer Ebene liegenden Bohrungen 30 und 31 versehen, die nicht durchgehend sind. Die Bohrung 31 dient dabei der Aufnahme des Glühstiftes 18, und in die Bohrung 30 wird der Brennstoff (Dieselkraftstoff) über die Leitung 16 geführt und gelangt von dort in den Einsatz 15 aus saugfähigem Material. Eine senkrecht zur Bohrung 31 und in diese ragende Bohrung 29 dient der Zündkammerbelüftung, wobei die Bohrung 31 im Durchmesser größer ist als es dem Durchmesser des Glühstif­ tes 18 entspricht und so als Zündkammer wirkt.

Bezüglich der Anordnung des Glühstiftes 18 und der Brenn­ stoffzuführung zu dem saugfähigen Einsatz 15 sind weitere Varianten möglich, z. B. unter unterschiedlichen Winkeln und in angeformte Taschen an dem Einsatz 15 oder dem Brenn­ kammerboden 7a.

Claims (10)

1. Heizgerät für Fahrzeuge, das mit flüssigem Brennstoff unabhängig von dem Motor des Fahrzeuges betreibbar ist, mit einer Brennkammer (7), einem nachfolgenden Flamm­ rohr, einem Wärmetauscher, Mitteln zur Brennstoff- und Verbrennungsluftzufuhr, einer Zündeinrichtung, Mitteln zur Abfuhr des Wärmeübertragungsmittels und zur Ab­ gasableitung sowie einer die Brennkammer (7), die mit Luft­ durchtrittsöffnungen (12) in der Umfangswand und strom­ auf mit einem Boden (7a) versehenen ist, umgebenden Ringkammer, bei welchem nach Patent 41 41 367 die Ring­ kammer zwei Abschnitte (9a, 9b) aufweist, die an ge­ trennte Luftzufuhrleitungen angeschlossen sind, von denen zumindestens eine Verbrennungsluft über ein Schaltelement erhält, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (7a) der Brennkammer (7) einen mittigen, im Durchmesser kleineren Abschnitt (13) zur Aufnahme eines in die Brennkammer (7) ragenden topfförmigen, stromab offenen Einsatzes (15) aus einem saugfähigen, hitzebeständigen Material aufweist, der mit Luftdurch­ trittsöffnungen (14) in der Umfangswand versehen ist, und im Bereich des Einsatzes (15) die Verbrennungsluft­ zufuhr über die Abschnitte (9a, 9b) zu beiden Luft­ durchtrittsöffnungen (12, 14) erfolgt.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Boden (7a) der Brennkam­ mer (7) zur Aufnahme des Einsatzes (15) topfartig aus­ gebildet ist.

3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Luftzufuhr in die Brennkammer (7) als tangentiale Einströmung ausgebildet ist.

4. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (15) zur Aufnahme einer metallischen Hülse (27) ausgebildet ist.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (15) aus einem porösen keramischen Werkstoff besteht, dessen innere, zylindri­ sche Oberfläche ganz oder teilweise versiegelt ist.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (15) zur Aufnahme eines Glühstiftes (18) als Zündeinrichtung ausgebildet ist.

7. Heizgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr in den Einsatz (15) in Längsachse des Glühstiftes (18) erfolgt.

8. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (15) aus Sinterkeramik besteht.

9. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Einsatz (15) aus einem zylindri­ schen Abschnitt aus Sinterkeramik und einem Boden aus einem verdichteten Fasermaterial gebildet ist.

10. Heizgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einsatz (15) ein Aufnahmeteil (19) für den Glühstift (18) aufweist, an dem eine Zündkammer gebil­ det ist, die über einen Durchlaß (17) im Boden (15a) des Einsatzes (15) mit dessen Innerem in Verbindung steht und der eine oder mehrere Bohrungen (29) im Aufnahmeteil (19) zur Zündkammerbelüftung zugeordnet sind.