EP1597515A1 - Düse zum zerstäuben von flüssigem brennstoff - Google Patents

Düse zum zerstäuben von flüssigem brennstoff

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Publication number
EP1597515A1
EP1597515A1 EP03727133A EP03727133A EP1597515A1 EP 1597515 A1 EP1597515 A1 EP 1597515A1 EP 03727133 A EP03727133 A EP 03727133A EP 03727133 A EP03727133 A EP 03727133A EP 1597515 A1 EP1597515 A1 EP 1597515A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
air
fuel
nozzle according
glow plug
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03727133A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Neumüller
Christian Bäcker
Christine Sallinger
Felix Wolf
Stefan Kunz
Florian Metz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Publication of EP1597515A1 publication Critical patent/EP1597515A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/106—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet
    • F23D11/107—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet at least one of both being subjected to a swirling motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for atomizing liquid fuel by means of air flowing through the nozzle with an air inlet area, an air outlet area and a flow path connecting the air inlet area with the air outlet area.
  • Generic nozzles are used, for example, in vehicle heaters.
  • Vehicle heaters of this type can be operated, for example, as additional heaters and / or as auxiliary heaters.
  • the nozzle is used to supply combustion air, liquid fuel, for example diesel or gasoline, being carried along and atomized from a fuel needle due to the flow of the combustion air.
  • combustion air liquid fuel
  • fuel needle due to the flow of the combustion air.
  • a mixture of combustion air and fuel is obtained, which, if appropriate after being mixed with air supplied on other flow paths, can be burned, as a result of which the heat required for heating operation is generated.
  • This heat generated by a burner then heats a heat transfer medium, for example water or air.
  • Prior art nozzles are often made of metal, with castings or turned parts being used.
  • a disadvantage of such components is the comparatively high production outlay and the generally high thermal conductivity of the metals. Thermal conductivity can cause problems if the temperature in the area of the fuel needle rises excessively due to the heat generated in the burner.
  • To solve the problems, which are connected to the metallic nozzles have already been proposed in a previous patent application to use a ceramic nozzle.
  • the flow behavior of the combustion air is important for the mixing of the combustion air with the fuel in the common way of these substances through the nozzle.
  • it has already been proposed in DE 100 39 152 A1 to impart a swirl to the combustion air.
  • a carrier with swirl vanes was connected upstream of the inlet area of the nozzle.
  • a disadvantage of such a carrier with upstream swirl blades is, however, that an additional component is required, on the basis of which the tolerances existing for an undisturbed function of the nozzle can sometimes be exceeded.
  • the invention has for its object to provide a nozzle which is inexpensive to produce, has a low thermal conductivity compared to metal and brings about advantageous properties with regard to the flow behavior of the combustion air, adjustment problems being avoided.
  • the invention builds on the generic nozzle in that the nozzle consists of ceramic material, in the air inlet area means for air guidance are provided which impart a swirl to the inflowing air, and in that the means for air guidance are formed in one piece with the nozzle.
  • the ceramic material can be processed in a simple manner, with numerous variations in terms of shape being possible.
  • the means for guiding the air which cause a swirl to the combustion air outside the air inlet area, can be formed in one piece with the nozzle.
  • the invention is advantageously developed in that the nozzle has means for holding a glow plug.
  • the positioning of the glow plug in relation to the nozzle is an important parameter with regard to good starting behavior of the burner.
  • the glow plug was generally held by the burner housing, so that positioning fluctuations with respect to the nozzle could result.
  • Such tolerances can be excluded by the property of the nozzle according to the invention that the nozzle itself has means for holding the glow plug.
  • the glow plug is always in the same position with respect to the nozzle.
  • the nozzle according to the invention is further developed in an advantageous manner in that the nozzle has at least partially an essentially cylindrical shape and in that the means for guiding air form channels which are offset with respect to the radial directions.
  • the air flowing in perpendicular to the axis of the nozzle is therefore not supplied radially but with an offset. This offset determines the swirl that is supplied to the combustion air so that the Flow behavior and ultimately also the properties and quality of the combustion.
  • the air guiding means have essentially triangular bases, the corners being rounded. This allows the channel offset to be implemented in a simple manner. The rounding of the corners is advantageous for a uniform flow behavior.
  • the air guiding means can also be designed as blades. Such blades can also provide the offset channels, so that the combustion quality is also positively influenced by this.
  • the means for holding the glow plug are implemented as a bore running obliquely to the cylinder axis.
  • the glow plug then only has to be inserted into the hole for suitable positioning.
  • a stop on the glow plug and / or within the bore ensures that the glow plug is guided into its optimal position with respect to the nozzle.
  • the nozzle according to the invention is developed in a particularly advantageous manner in that an at least substantially cylindrical part of the nozzle has a substantially cylindrical extension with an enlarged diameter and that the means for holding the glow plug are implemented as a bore which runs obliquely to the cylinder axis and penetrates the extension.
  • the glow plug can be kept in an area in which it influences the flow behavior of the inflowing fuel / air mixture as little as possible. Due to the cylindrical approach, which has a larger diameter than the rest of the nozzle body, this can be accomplished in a simple manner.
  • an at least substantially cylindrical part of the nozzle has an essentially cylindrical extension with an enlarged diameter and that the cylindrical extension has recesses for receiving mounting bolts.
  • These mounting bolts Zen can, for example, be firmly attached to a heat shield of the burner.
  • the relative positioning of the nozzle is determined in this way by the recesses in the neck and the position of the mounting bolts. This makes assembly particularly easy and possible with only small tolerances.
  • the nozzle is a venturi nozzle.
  • the Venturi effect for atomizing the fuel emerging from the fuel needle can be advantageously combined in this way with the swirl supplied to the combustion air. The effects support each other and thus lead to high quality combustion.
  • the invention is based on the knowledge that an inexpensive to produce nozzle with a shape that can be varied within wide limits is made available by using a ceramic material.
  • the shape of the nozzle can be expanded so that means for air flow that an incoming
  • Combustion air impart a swirl can be formed in one piece with the nozzle.
  • the ceramic also has the advantage that an undesirably high temperature in the area of the fuel needle can be avoided.
  • Another task is to create a heater for mobile applications that is inexpensive to manufacture.
  • Figure 1 is a partially sectioned schematic representation of a heater in which the present invention can be used;
  • Figure 2 is a partially sectioned side view of an embodiment of a nozzle according to the invention;
  • FIG. 3 shows a plan view of the air inlet area of a nozzle according to the invention;
  • FIG. 4 shows a nozzle according to the invention mounted on a burner.
  • FIG 1 shows a partially sectioned schematic representation of a heater in which the present invention can be used.
  • a heater 10 is shown with a burner 12 for burning a fuel / air mixture.
  • the heating device comprises an annular duct blower 14 with a blower motor 36.
  • the annular duct blower 14 draws combustion air 42 through an air inlet connection 16 and blows it into a combustion air plenum 18 on the pressure side.
  • the combustion air available in the combustion air plenum 18 is divided into primary air and secondary air.
  • the primary air is conveyed into the combustion chamber 24 through a nozzle 20, which in the present example is designed as a Venturi nozzle.
  • the secondary air is conveyed through secondary air bores 22 into the combustion chamber 24.
  • the division of the combustion air into primary air and secondary air is useful in order to provide a rich, ignitable mixture at the outlet of the nozzle 20.
  • the nozzle 20 includes a settling zone 26 and a diffuser 30 to provide the venturi effect.
  • a fuel needle 28 is arranged within the nozzle 20.
  • the fuel needle 28 is supplied with fuel 44 via a fuel line 82. Due to the high flow rate of the
  • the flow rate of the fuel / air mixture is drastically reduced in the course of the diffuser 30, as a result of which low flow rates are achieved in the area of a glow plug 62 indicated in FIG. 2. the.
  • a baffle plate 32 is arranged within the combustion chamber 24. This represents an obstacle to flow, so that the air emerging from the nozzle 20 is forced outwards. This results in a good mixing of the primary air with the secondary air, which is useful in terms of good burnout.
  • the region between the nozzle 20 and the baffle plate 32 thus serves as a mixing zone 34, and the region beyond the baffle plate 32, that is to say the region lying downstream with respect to the baffle plate 32, serves as the reaction zone 38.
  • the mixture produced burns in the further course of the combustion tube 40 and becomes passed through the exhaust gas-carrying parts from the heater 10.
  • the incoming heat heats up cold water 46 in the heat exchange with the exhaust gas-carrying parts, so that warm water 48 emerges from the heater 10.
  • Air for example, can also be used as the heat transfer medium.
  • FIG. 2 shows a partially sectioned side view of an embodiment of a nozzle 20.
  • a nozzle 20 can be used, for example, in a heater 10 as shown in FIG. 1.
  • the nozzle 20 is made of ceramic material, which simplifies the manufacture of the nozzle 20 compared to metal nozzles.
  • the nozzle 20 has an air inlet area 50 and an air outlet area 52.
  • the air inlet area 50 is connected to the air outlet area 52 via a flow path 54.
  • this flow path 54 is subdivided into a calming zone 26 and a diffuser 30.
  • Means 56 for air guidance are provided in the air inlet area. These air guide elements 56 are formed in one piece with the ceramic nozzle 20.
  • the air guide elements 56 are aligned in such a way that a swirl is imparted to the supplied air, which is explained in more detail below with reference to FIG. 3.
  • a fuel needle 28 (see FIG. 4) can be arranged in the calming region 26, so that a mixture of fuel and air emerges from the nozzle 20. This can then be done via a glow plug 62, which can be inserted into a bore 58 of the nozzle 20, is ignited.
  • the positioning of the glow plug 62 is thus fixed with respect to the nozzle 20, since the glow plug 62 is held by a bore 58 of the nozzle 20, that is to say in particular not by any other components. Very small tolerances with regard to the installation position of the glow plug 62 can thus be maintained.
  • the bore 58 advantageously passes through a cylindrical shoulder 64 of the nozzle 20 which is enlarged in its radius, which has the advantage that the flow behavior of the nozzle 20 is only slightly influenced by the bore 58 or by the glow plug 62 arranged in the bore 58 ,
  • FIG. 3 shows a top view of the air inlet area 50 of a nozzle.
  • a possible configuration of the air inlet area 50 by air guiding elements 56 is shown.
  • the air guide elements 56 form channels 60 for the inflowing air. These channels 60 are positioned with respect to the radii of the structure essentially arranged on an axis such that there is an offset. Air flowing in from outside thus experiences a swirl, which has advantageous properties with regard to the atomization of the fuel which emerges from the fuel needle to be arranged in the calming region 26.
  • the arrangement of the opening 58 for receiving the glow plug can be seen in the present illustration. This penetrates an essentially cylindrical projection 64.
  • the projection 64 is further provided with recesses 66. These recesses 66 define the installation position of the nozzle 20, which is explained in more detail below with reference to FIG. 4.
  • FIG. 4 shows a partially sectioned view of a device according to the invention.
  • An end of the burner 12 facing the nozzle 20 is shown.
  • the burner 12 is delimited by a heat shield 78.
  • two mounting bolts 68 are provided on this heat shield 78. These mounting bolts 68 can be welded to the heat shield 78 or to the burner 12.
  • the mounting bolts 68 define the positioning of the further components described below.
  • a seal 76 is provided, which is preferably made of a mica layer and a graphite layer, the mica layer facing the burner 12 and the graphite layer facing the nozzle 20.
  • the ceramic nozzle 20 which with its recesses 66 shown in FIG. 3 sits non-rotatably on the mounting bolt 68.
  • a fuel supply 70 which is connected to the fuel needle 28, is placed on the nozzle 20.
  • This fuel supply 70 is also positioned by means of holes 84 provided in a side flange through the mounting bolts 68.
  • the fuel supply 70 is supplied with fuel by a fuel line 82, in which a fuel sensor 80 is arranged.
  • the fuel supply 70 is followed by a spring 72, which is also placed on the mounting bolt 68.
  • the spring 72 is held by clamping disks 74 which sit immovably on the mounting bolts 68.
  • the spring 72 is shown in a tensioned state in which the legs of the spring 72 are, for example, parallel to the disc in between. In the relaxed state of the spring 72, the legs of the spring 72 are bent upwards in the direction of the disc in between.
  • the glow plug not shown in FIG. 4, is positioned by the nozzle 20 in accordance with the embodiment of FIG. 2 and held by a wire spring (not shown) which is supported on the nozzle 20.
  • the fuel supply 70 and thus the fuel needle 28 are automatically aligned with respect to the nozzle 20.
  • Glow plug 62 can also be positioned exactly with respect to nozzle 20 and burner 12.
  • the construction of the structure shown in FIG. 4 can be fully automated.
  • the mounting direction is uniformly axial, so that only the components 76, 20, 70, 72 and 74 have to be “threaded on”.
  • the seal 76 provides thermal insulation, a coupling of the nozzle ceramic 20 to the metal of the heat shield 78 and a tolerance compensation.
  • the structure can be mounted in an advantageous manner by force-controlled pressing of the clamping disks 74 onto the mounting bolts 68, so that with regard to the heat and temperature properties uniform conditions can be created.
  • force-controlled pressing of the clamping disks 74 onto the mounting bolts 68 so that with regard to the heat and temperature properties uniform conditions can be created.
  • the spring force of the spring 72 By means of the spring force of the spring 72, tolerances due to different heating of the components, different final temperatures of the components and different temperature expansion coefficients can be compensated for.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff mittels durch die Düse (20) strömender Luft mit einem Lufteintrittsbereich (50), einem Luftaustrittsbereich (52) und einem den Lufteintrittsbereich (50) mit dem Luftaustrittsbereich (52) verbindenden Strömungsweg (54), wobei die Düse (20) aus keramischem Material besteht, im Lufteintrittsbereich (50) Mittel (56) zur Luftführung vorgesehen sind, die der zuströmenden Luft einen Drall vermitteln, und die Mittel (56) zur Luftführung einstückig mit der Düse ausgebildet sind. Weiter ist ein mit einer solchen Düse (20) ausgestattetes Heizgerät (10) für mobile Anwendungen vorgesehen.

Description

Düse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff
Die Erfindung betrifft eine Düse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff mittels durch die Düse strömender Luft mit einem Lufteintrittsbereich, einem Luftaustrittsbereich und einem den Lufteintrittsbereich mit dem Luftaustrittsbereich verbindenden Strömungsweg.
Gattungsgemäße Düsen kommen beispielsweise in Fahrzeugheizgeräten zum Einsatz. Derartige Fahrzeugheizgeräte können zum Beispiel als Zusatzheizgeräte und/oder als Standheizungen betrieben werden.
Die Düse wird zum Zuführen von Verbrennungsluft verwendet, wobei aufgrund der Strömung der Verbrennungsluft flüssiger Brennstoff, beispielsweise Diesel oder Benzin, aus einer Brennstoffnadel mitgeführt und zerstäubt wird. Man erhält auf diese Weise ein Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff, welches, gegebenenfalls nach Mischung mit auf anderen Strömungswegen zugeführter Luft, verbrannt werden kann, wodurch die für den Heizbetrieb erforderliche Wärme erzeugt wird. Diese durch einen Brenner erzeugte Wärme erwärmt dann ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser oder Luft.
Düsen des Standes der Technik bestehen vielfach aus Metall, wobei Gussteile oder auch Drehteile zum Einsatz kommen. Nachteilig an derartigen Komponenten ist der vergleichsweise hohe Fertigungsaufwand und die im Allgemeinen hohe Wärmeleitfähigkeit der Metalle. Die Wärmeleitfähigkeit kann Probleme bereiten, wenn die im Bereich der Brennstoffnadel vorliegende Temperatur aufgrund der im Brenner erzeugten Wärme über die Maßen ansteigt. Zur Lösung der Probleme, die mit den metallischen Düsen in Verbindung stehen, wurde in einer früheren Patentanmeldung bereits vorgeschlagen, eine keramische Düse zu verwenden.
Für die Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff auf dem gemein- samen Weg dieser Stoffe durch die Düse ist das Strömungsverhalten der Verbrennungsluft wichtig. Um das Strömungsverhalten der Verbrennungsluft zu verbessern, wurde in DE 100 39 152 A1 bereits vorgeschlagen, der Verbrennungsluft einen Drall zu vermitteln. Auf diese Weise konnte es gelingen, die Zerstäubungsqualität und damit den Wirkungsgrad des Brenners deutlich zu verbes- sern, da die Verbrennungsluftgeschwindigkeit aufgrund einer ausgeprägten Tan- gentialbewegungskomponente vergrößert wird. Um die Vermittlung eines solchen Dralls zu erreichen, wurde dem Eingangsbereich der Düse ein Träger mit Drallschaufeln vorgeschaltet. Nachteilig an einem solchen Träger mit vorgeschalteten Drallschaufeln ist allerdings, dass ein zusätzliches Bauteil benötigt wird, aufgrund dessen die für eine ungestörte Funktion der Düse bestehenden Toleranzen mitunter überschritten werden können.
Bei Heizgeräten des Standes der Technik ist es weiterhin problematisch, die engen Toleranzen im Hinblick auf die Positionierung des Glühstiftes bezüglich des einströmenden Brennstoff/Luft-Gemisches einzuhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse zur Verfügung zu stellen, welche kostengünstig herstellbar ist, eine im Vergleich zu Metall geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf das Strö- mungsverhalten der Verbrennungsluft bewirkt, wobei Justageprobleme vermieden werden sollen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Düse dadurch auf, dass die Düse aus keramischem Material besteht, dass im Lufteintrittsbereich Mittel zur Luftführung vorgesehen sind, die der zuströmenden Luft einen Drall vermitteln, und dass die Mittel zur Luftführung einstückig mit der Düse ausgebildet sind. Auf diese Weise wird eine kostengünstig herzustellende Düse zur Verfügung gestellt. Das keramische Material lässt sich in einfacher Weise bearbeiten, wobei zahlreiche Varianten im Hinblick auf die Formgebung möglich sind. Insbesondere können die Mittel zur Luftführung, die der Verbrennungsluft außerhalb des Lufteintrittsbereiches einen Drall zuführen, einstückig mit der Düse ausgebildet werden. Auf- grund der Verwendung einer Keramik besteht der weitere Vorteil, dass der Bereich der Düse um eine in der Düse angeordnete Brennstoffnadel keine zu hohen Temperaturen annimmt, so dass es nicht zu einer Entzündung von eventuell aus der Düse austretenden Brennstoffmengen kommen kann. Durch die einstückige Ausbildung der Mittel zur Luftführung können Toleranzen in einfacher Weise ein- gehalten werden, da eine falsche Justierung der Mittel zur Luftführung beim Zusammenbau des Brenners nicht mehr möglich ist.
Die Erfindung ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Düse Mittel zum Halten eines Glühstifts aufweist. Die Positionierung des Glühstiftes be- züglich der Düse ist ein wichtiger Parameter im Hinblick auf ein gutes Startverhalten des Brenners. Bei Heizgeräten des Standes der Technik wurde der Glühstift im Allgemeinen durch das Brennergehäuse gehalten, so dass sich hierdurch Positionierungsschwankungen bezüglich der Düse ergeben konnten. Durch die Eigenschaft der erfindungsgemäßen Düse, dass die Düse selbst Mittel zum Halten des Glühstifts aufweist, können derartige Toleranzen ausgeschlossen werden. Der Glühstift hat stets dieselbe Position bezüglich der Düse.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Düse in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Düse zumindest teilweise eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt hat und dass die Mittel zur Luftführung Kanäle bilden, die bezüglich der radialen Richtungen versetzt sind. Die senkrecht zur Achse der Düse einströmende Luft wird also nicht radial zugeführt sondern mit einem Versatz. Dieser Versatz bestimmt den Drall, der der Verbrennungsluft zugeführt wird, damit das Strömungsverhalten und letztlich auch die Eigenschaften und die Qualität der Verbrennung.
Besonders nützlich ist es, dass die Mittel zur Luftführung im Wesentlichen drei- eckige Grundflächen aufweisen, wobei die Ecken abgerundet sind. Hierdurch lässt sich der Kanalversatz in einfacher Weise realisieren. Die Abrundung der Ecken ist vorteilhaft für ein gleichmäßiges Strömungsverhalten.
Es kann auch nützlich sein, dass die Mittel zur Luftführung als Schaufeln ausge- bildet sind. Derartige Schaufeln können ebenfalls die versetzten Kanäle bereitstellen, so dass auch hierdurch die Verbrennungsqualität positiv beeinflusst wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Halten des Glühstifts als schräg zur Zylinderach- se verlaufende Bohrung realisiert sind. Der Glühstift muss dann zur geeigneten Positionierung lediglich in die Bohrung eingeführt werden. Ein Anschlag am Glühstift und/oder innerhalb der Bohrung sorgt dafür, dass der Glühstift bezüglich der Düse in seine optimale Position geführt wird.
Die erfindungsgemäße Düse ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass ein zumindest im Wesentlichen zylindrischer Teil der Düse einen im Wesentlichen zylindrischen Ansatz mit vergrößertem Durchmesser aufweist und dass die Mittel zum Halten des Glühstifts als schräg zur Zylinderachse verlaufende, den Ansatz durchdringende Bohrung realisiert sind. Auf diese Weise kann der Glühstift in einem Bereich gehalten werden, in dem er das Strömungsverhalten des einströmenden Brennstoff/Luft-Gemisches möglichst wenig beeinflusst. Durch den zylindrischen Ansatz, der einen größeren Durchmesser als der restliche Düsenkörper aufweist, ist dies in einfacher Weise zu bewerkstelligen.
Ebenfalls ist in besonders vorteilhafter Weise vorgesehen, dass ein zumindest im Wesentlichen zylindrischer Teil der Düse einen im Wesentlichen zylindrischen Ansatz mit vergrößertem Durchmesser aufweist und dass der zylindrische Ansatz Ausnehmungen zur Aufnahme von Montagebolzen aufweist. Diese Montagebol- zen können beispielsweise an einem Hitzeschild des Brenners fest angebracht sein. Die relative Positionierung der Düse ist auf diese Weise durch die Ausnehmungen in dem Ansatz und die Position der Montagebolzen festgelegt. Damit ist die Montage besonders einfach und mit nur geringen Toleranzen möglich.
In besonders vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass die Düse eine Ven- turi-Düse ist. Der Venturi-Effekt zum Zerstäuben des aus der Brennstoffnadel austretenden Brennstoffes kann auf diese Weise in vorteilhafter Weise mit dem der Brennluft zugeführten Drall kombiniert werden. Die Effekte unterstützen sich und führen somit zu einer Verbrennung von hoher Qualität.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine kostengünstig herstellbare Düse mit in weiten Grenzen variierbarer Formgebung zur Verfügung gestellt wird, indem ein keramisches Material verwendet wird. Die Formgebung der Düse kann so ausgebaut werden, dass Mittel zur Luftführung, die einer eintretenden
Verbrennungsluft einen Drall vermitteln, einstückig mit der Düse ausgebildet werden können. Die Keramik hat weiterhin den Vorteil, dass eine unerwünscht hohe Temperatur im Bereich der Brennstoffnadel vermieden werden kann.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Heizgerätes für mobile Anwendungen, das kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst. Die in Bezug auf die erfindungsgemäße Düse dargestellten Vorteile finden sich in vorteilhafter Weise auch bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung eines Heizgeräts, in dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen kann; Figur 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse; Figur 3 eine Draufsicht auf den Lufteintrittsbereich einer erfindungsgemäßen Düse; und Figur 4 eine an einem Brenner montierte erfindungsgemäße Düse.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt eine teilweise geschnittene schematische Darstellung eines Heizgeräts, in dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen kann. Es ist ein Heizgerät 10 mit einem Brenner 12 zum Verbrennen eines Brennstoffs/Luft- Gemisches dargestellt. Das Heizgerät umfasst ein Ringkanalgebläse 14 mit einem Gebläsemotor 36. Durch das Ringkanalgebläse 14 wird über einen Lufteintrittsstutzen 16 Brennluft 42 angesaugt und druckseitig in einen Brennluftsammel- raum 18 eingeblasen. Die in dem Brennluftsammelraum 18 zur Verfügung ste- hende Brennluft wird in Primärluft und Sekundärluft unterteilt. Die Primärluft wird durch eine Düse 20, die im vorliegenden Beispiel als Venturi-Düse ausgebildet ist, in die Brennkammer 24 gefördert. Die Sekundärluft wird durch Sekundärluftbohrungen 22 in die Brennkammer 24 gefördert. Die Aufteilung der Brennluft in Primärluft und Sekundärluft ist nützlich, um am Austritt der Düse 20 ein fettes, zündwilliges Gemisch bereitzustellen.
Die Düse 20 umfasst eine Beruhigungszone 26 und einen Diffusor 30, um den Venturi-Effekt bereitzustellen. Innerhalb der Düse 20 ist eine Brennstoffnadel 28 angeordnet. Die Brennstoffnadel 28 wird über eine Brennstoffleitung 82 mit Brennstoff 44 versorgt. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der
Brennluft in der Beruhigungszone 26 wird der aus der Brennstoffnadel 28 annähernd drucklos austretende Brennstoff in Fäden gezogen, die dann in Tröpfchen zerfallen. Die für eine gute Zerstäubung erforderlichen hohen Luftgeschwindigkeiten lassen sich durch einen guten Druckrückgewinn des Diffusors 30 erzielen.
Weiterhin wird im Verlauf des Diffusors 30 die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches drastisch reduziert, wodurch im Bereich eines in Fig. 2 angedeuteten Glühstiftes 62 geringe Strömungsgeschwindigkeiten realisiert wer- den. Dies unterstützt das Ausbilden und Ausbreiten einer Pilotflamme. Nach dem Startvorgang, das heißt der Zündung des Systems durch den Glühstift 62, wird der Glühstift abgeschaltet. Nachfolgend dient er unter Verwendung einer Widerstandsmessung zur Flammüberwachung.
Innerhalb der Brennkammer 24 ist eine Prallscheibe 32 angeordnet. Diese stellt ein Strömungshindernis dar, so dass die aus der Düse 20 austretende Luft nach außen gezwungen wird. Hierdurch findet eine gute Vermischung der Primärluft mit der Sekundärluft statt, was im Hinblick auf einen guten Ausbrand nützlich ist. Der Bereich zwischen Düse 20 und Prallscheibe 32 dient somit als Mischzone 34, und der Bereich jenseits der Prallscheibe 32, das heißt der bezüglich der Prallscheibe 32 stromabwärts liegende Bereich, dient als Reaktionszone 38. Das erzeugte Gemisch verbrennt im weiteren Verlauf des Brennrohres 40 und wird durch die abgasführenden Teile aus dem Heizgerät 10 geleitet. Durch die erzeug- te Wärme wird eintretendes kaltes Wasser 46 im Wärmetausch mit den abgasführenden Teilen erwärmt, so dass warmes Wasser 48 aus dem Heizgerät 10 austritt. Als Wärmeträgermedium kann anstelle des Wassers beispielsweise auch Luft verwendet werden.
Figur 2 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer Düse 20. Eine solche Düse 20 ist beispielsweise in einem Heizgerät 10, wie es in Figur 1 dargestellt ist, verwendbar. Die Düse 20 ist aus keramischem Material gefertigt, was die Herstellung der Düse 20 im Vergleich zu Metalldüsen vereinfacht. Die Düse 20 hat einen Lufteintrittsbereich 50 und einen Luftaustrittsbe- reich 52. Der Lufteintrittsbereich 50 ist mit dem Luftaustrittsbereich 52 über einen Strömungsweg 54 verbunden. Dieser Strömungsweg 54 ist im vorliegenden Beispiel in eine Beruhigungszone 26 und einen Diffusor 30 unterteilt. Im Lufteintrittsbereich sind Mittel 56 zur Luftführung vorgesehen. Diese Luftführungselemente 56 sind einstückig mit der Keramikdüse 20 ausgebildet. Die Luftführungselemente 56 sind so ausgerichtet, dass der zugeführten Luft ein Drall vermittelt wird, was nachfolgend mit Bezug auf Figur 3 näher erläutert wird. Im Beruhigungsbereich 26 kann eine Brennstoffnadel 28 (siehe Fig. 4) angeordnet werden, so dass aus der Düse 20 ein Gemisch von Brennstoff und Luft austritt. Dieses kann dann über einen Glühstift 62, der in eine Bohrung 58 der Düse 20 eingesetzt werden kann, entzündet werden. Die Positionierung des Glühstiftes 62 ist somit bezüglich der Düse 20 festgelegt, da der Glühstift 62 von einer Bohrung 58 der Düse 20 gehalten wird, das heißt insbesondere nicht von beliebigen anderen Bauteilen. Somit können sehr geringe Toleranzen im Hinblick auf die Einbaulage des Glühstiftes 62 eingehalten werden. Die Bohrung 58 durchsetzt in vorteilhafter Weise einen in seinem Radius vergrößerten zylindrischen Ansatz 64 der Düse 20, was den Vorteil hat, dass das Strömungsverhalten der Düse 20 nur wenig von der Bohrung 58 beziehungsweise von dem in der Bohrung 58 angeordneten Glühstift 62 beein- flusst wird.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf den Lufteintrittsbereich 50 einer Düse. Es ist eine mögliche Gestaltung des Lufteintrittsbereiches 50 durch Luftführungselemente 56 dargestellt. Die Luftführungselemente 56 bilden Kanäle 60 für die einströmende Luft. Diese Kanäle 60 sind bezüglich der Radien des im Wesentlichen auf einer Achse angeordneten Aufbaus so positioniert, dass ein Versatz vorliegt. Von außen einströmende Luft erfährt somit einen Drall, was vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf die Zerstäubung des Brennstoffes mit sich bringt, der aus der im Beruhigungsbereich 26 anzuordnenden Brennstoffnadel austritt. Weiterhin ist in der vorliegenden Darstellung die Anordnung der Öffnung 58 zur Aufnahme des Glühstiftes zu erkennen. Diese durchdringt einen im Wesentlichen zylinderförmi- gen Ansatz 64. Der Ansatz 64 ist weiterhin mit Ausnehmungen 66 versehen. Diese Ausnehmungen 66 definieren die Einbaulage der Düse 20, was nachfolgend mit Bezug auf Figur 4 näher erläutert wird.
Figur 4 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein der Düse 20 zugewandtes Ende des Brenners 12 ist dargestellt. Der Brenner 12 ist von einem Hitzeschild 78 begrenzt. An diesem Hitzeschild 78 sind bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform zwei Montagebolzen 68 vorgesehen. Diese Montagebolzen 68 können an dem Hitzeschild 78 beziehungsweise an dem Brenner 12 angeschweißt sein. Die Montagebolzen 68 definieren die Positionierung der nachfolgend beschriebenen weiteren Komponenten. Zunächst ist eine Dichtung 76 vorgesehen, die vorzugsweise aus einer Glimmer- schicht und einer Grafitschicht besteht, wobei die Glimmerschicht dem Brenner 12 zugewandt ist und die Grafitschicht der Düse 20 zugewandt ist. Es folgt die Keramikdüse 20, die mit ihren in Figur 3 dargestellten Ausnehmungen 66 un- verdrehbar auf den Montagebolzen 68 sitzt. Auf die Düse 20 ist eine Brennstoff- zufuhr 70, die mit der Brennstoffnadel 28 in Verbindung steht, aufgesetzt. Diese Brennstoffzufuhr 70 wird mittels in einem seitlichen Flansch vorgesehenen Bohrungen 84 ebenfalls durch die Montagebolzen 68 positioniert. Die Brennstoffzufuhr 70 wird von einer Brennstoffleitung 82, in der ein Brennstoffsensor 80 angeordnet ist, mit Brennstoff versorgt. Auf die Brennstoffzufuhr 70 folgt eine Feder 72, die ebenfalls auf die Montagebolzen 68 aufgesetzt ist. Die Feder 72 wird durch Klemmscheiben 74, die auf den Montagebolzen 68 unverrückbar sitzen, gehalten. Die Feder 72 ist in einem gespannten Zustand dargestellt, in dem die Schenkel der Feder 72 beispielsweise parallel zur dazwischenliegenden Scheibe sind. Im entspannten Zustand der Feder 72 sind die Schenkel der Feder 72 nach oben in Richtung auf die dazwischenliegende Scheibe gebogen. Der in Fig. 4 nicht dargestellte Glühstift wird in Übereinstimmung mit der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform einer Düse 20 von dieser positioniert und von einer (nicht dargestellten) Drahtfeder gehalten, die sich an der Düse 20 abstützt.
Die Brennstoffzufuhr 70 und damit die Brennstoffnadel 28 sind auf diese Weise bezüglich der Düse 20 automatisch ausgerichtet. Es sind daher nur noch zwei Bauteile beteiligt, die die Brennstoffzufuhr und die Vermischung des Brennstoffs mit der Brennluft beeinflussen, so dass sehr geringe Toleranzen eingehalten werden können, was durch die axiale Montage auf den gemeinsamen Montagebol- zen 68 möglich ist. Ebenfalls kann der Glühstift 62 exakt bezüglich Düse 20 und Brenner 12 positioniert werden. Die Fertigung des in Figur 4 dargestellten Aufbaus ist voll automatisierbar. Insbesondere ist die Montagerichtung einheitlich axial, so dass lediglich ein "Auffädeln" der Bauteile 76, 20, 70, 72 und 74 durchgeführt werden muss. Die Dichtung 76 stellt eine Wärmeisolierung, eine Ankopp- lung der Düsenkeramik 20 an das Metall des Hitzeschildes 78 und einen Toleranzausgleich zur Verfügung. Der Aufbau kann in vorteilhafter Weise durch kraftgesteuertes Aufpressen der Klemmscheiben 74 auf die Montagebolzen 68 montiert werden, so dass im Hinblick auf die Wärme- und Temperatureigenschaften des Aufbaus einheitliche Voraussetzungen geschaffen werden können. Vermittelt durch die Federkraft der Feder 72 können Toleranzen aufgrund unterschiedlicher Erwärmungen der Komponenten, unterschiedlicher Endtemperaturen der Komponenten und unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffi∑ienten ausgegli- chen werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
10 Heizgerät
12 Brenner 14 Ringkanalgebläse
16 Lufteintrittsstutzen
18 Brennluftsammelraum
20 Düse
22 Sekundärluftbohrung 24 Brennkammer
26 Beruhigungszone
28 Brennstoffnadel
30 Diffusor
32 Prallscheibe 34 Mischzone
36 Gebläsemotor
38 Reaktionszone
40 Brennrohr
42 Verbrennungsluft 44 Brennstoff
46 eintretendes kaltes Wasser
48 austretendes warmes Wasser
50 Lufteintrittsbereich
52 Luftaustrittsbereich 54 Strömungsweg
56 Luftführungselemente
58 Bohrung
60 Kanal
62 Glühstift 64 Ansatz
66 Ausnehmung
68 Montagebolzen
70 Brennstoffzufuhr 72 Feder
74 Klemmscheibe
76 Dichtung
78 Hitzeschild
80 Brennstoffsensor
82 Brennstoffleitung
84 Bohrungen (in 70)

Claims

Patentansprüche
1. Düse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff mittels durch die Düse (20) strömender Luft mit einem Lufteintrittsbereich (50), einem Luftaustrittsbereich (52) und einem den Lufteintrittsbereich (50) mit dem Luftaustrittsbereich (52) verbindenden Strömungsweg (54), dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) aus keramischem Material besteht, dass im Lufteintrittsbereich (50) Mittel (56) zur Luftführung vorgesehen sind, die der zuströmenden Luft einen Drall vermitteln, und dass die Mittel (56) zur Luftführung einstückig mit der Düse (20) ausgebildet sind.
2. Düse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) Mittel (58) zum Halten eines Glühstifts (62) aufweist.
3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) zumindest teilweise eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt hat und dass die Mittel (56) zur Luftführung Kanäle (60) bilden, die bezüglich der radialen Richtungen versetzt sind.
4. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (56) zur Luftführung im Wesentlichen dreieckige Grundflächen aufweisen, wobei die Ecken abgerundet sind.
5. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (56) zur Luftführung als Schaufeln ausgebildet sind.
6. Düse nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Halten des Glühstifts (62) als schräg zur Zylinderachse verlaufende Bohrung (58) realisiert sind.
7. Düse nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest im Wesentlichen zylindrischer Teil der Düse (20) einen im Wesentlichen zylindrischen Ansatz (64) mit vergrößertem Durchmesser aufweist und - dass die Mittel zum Halten des Glühstifts (62) als schräg zur Zylinderachse verlaufende, den Ansatz (64) durchdringende Bohrung (58) realisiert sind.
8. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein zumindest im Wesentlichen zylindrischer Teil der Düse (20) einen im Wesentlichen zylindrischen Ansatz (64) mit vergrößertem Durchmesser aufweist und dass der zylindrische Ansatz (64) Ausnehmungen (66) zur Aufnah- me von Montagebolzen (68) aufweist.
9. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) eine Venturi-Düse ist.
10. Heizgerät (10) für mobile Anwendungen, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit einem Brenner (12) zum Verbrennen eines Brennstoff-/Luftgemisches, wobei der Brenner (12) eine Düse (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) eine Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist. Webasto Thermosysteme International GmbH HP 384/01 WO Zeichnung für die Zusammenfassung
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