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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorwärmung von
flüssigem
Brennstoff gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, 2 oder 3.
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Darüber hinaus
betrifft die Erfindung ein Heizgerät mit solch einer Vorrichtung
zur Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff.
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Beispielsweise
im Zusammenhang mit der Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff für
Fahrzeugheizgeräte
ist es bekannt, den Brennstoff indirekt in einem von dem Brennstoff
durchströmten
Vorwärmer zu
erwärmen.
Das Vorwärmer-Bauteil
wird durch eine in den Vorwärmer
integrierte Heizpatrone aufgeheizt und erwärmt seinerseits den von Brennstoff
durchströmten
Bereich. Die Heizpatrone selbst wird dabei nicht von Brennstoff
berührt.
Ein Beispiel für
eine derartige Lösung
ist die aus der
DE
39 18 663 A1 bekannte Anordnung zur Brennstoffvorwärmung für einen
Ultraschallzerstäuber
für Heizgeräte.
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Nachteilig
bei dieser Art der Brennstoffvorwärmung sind das langsame Ansprechverhalten
und der niedrige Wirkungsgrad des Vorwärmers. Das langsame Ansprechverhalten
ergibt sich daraus, dass eine große Bauteilmasse erwärmt werden muss,
bevor die brennstoffführenden
Wände auf
die erforderliche Temperatur gebracht sind. Diese große thermische
Trägheit
kann nur durch eine entsprechend hohe Leistung der Heizpatrone kompensiert werden.
Diese Maßnahme
hat aber den Nachteil hoher Bauteilkosten und eines hohen Startenergieverbrauchs.
Weiterhin erschwert die große
thermische Trägheit
eine schnelle Regelung des Vorwärmers. Eine
schnelle Regelung ist jedoch vorteilhaft, um schwierig zu handhabende
Betriebszustände
wirksam steuern zu können,
beispielsweise eine nicht-anliegende Brennstoffsäule, ein Auftreten großer Blasen
in der Brennstoffleitung und so weiter. Der niedrige Wirkungsgrad
der oben beschriebenen Vorwärmtechnik
ergibt sich daraus, dass der Vorwärmer als Ganzes mehr oder weniger
isotherm aufgewärmt wird.
Daraus resultieren hohe Oberflächentemperaturen,
die wiederum hohe Verluste bewirken (Wärmestrahlung, konvektive Kühlung durch
den Vorwärmer überströmende Brennluft
und so weiter).
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Zur
Lösung
dieses Problems ist es aus der
DE 35 05 206 A1 bereits bekannt, das Heizaggregat in
Form eines innerhalb des vom Kraftstoff durchströmten Leitungshohlraums angeordneten
Heizstabes auszubilden.
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Diese
Lösung
erzielt zwar ein schnelleres Ansprechverhalten und ergibt auch einen
besseren Wirkungsgrad, führt
aber zu neuen Problemen. Denn durch Totzonen in der Strömung, Rückströmgebiete und ähnliches
besteht das Risiko, dass Brennstoff über längere Zeit mit der heißen Oberfläche des
Heizelements in Kontakt bleibt und deshalb zu Ablagerungen führt.
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Ferner
ist aus der
EP 0 495
402 A2 eine Vorrichtung zur Vorwärmung von flüssigem Brennstoff gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, 2 und 3 bekannt.
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Aus
der
DE 34 28 484 A1 ist
eine Vorrichtung zur Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff mit einem in einem Durchflußrohr angeordneten Rohrheizkörper bekannt.
der Rohrheizkörper
ist mit wendelförmigen
Distanzstücken
mittig im Durchflußrohr
angeordnet.
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Die
CH 631 798 A5 offenbart
eine Ölvorwärmeeinrichtung
für einen
Druckzerstäuberbrenner
mit einem in einem Block aufgenommenen Heizkörper. Der Heizkörper steht
mit dem Block in Berührung, wobei
die Brennstoffzuführungsleitung
durch eine schraubenlinienförmige
Aussparung an der Berührungsfläche zwischen
dem Block und dem Heizkörper
gebildet wird.
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Ferner
offenbart die
DE 198
60 196 C1 den Aspekt der Brennstoffvorwärmung bei einem Fahrzeugheizgerät.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zur Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff zur Verfügung
zu stellen, welche den Wirkungsgrad der Vorwärmung begünstigt und gleichzeitig kostengünstig herzustellen
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch
auf, dass die Spiralfeder zumindest abschnittsweise mit einem Außenumfangsbereich
des Heizelements und/oder einem Innumfangsbereich des Brennstoffleitungsabschnitts
verbunden ist. Die Feder muss nicht notwendigerweise längs der
gesamten Berührungslinie
mit dem Heizelement verbunden sein. Eine thermische Anbindung der
Feder steigert jedoch den Wirkungsgrad, da in diesem Fall der Wärmeeintrag
in den flüssigen
Brennstoff zu einem besonders großen Teil über die Feder erfolgen kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff baut alternativ auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf,
dass die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung zumindest ein auf dem
Außenumfangsbereich
des Heizelements vorgesehenes Außengewinde umfassen. In diesem
Fall bildet der Boden der spiralförmigen Gewindenut den Außenumfangsbereich des
Heizelements, wäh rend
der spiralförmige
Steg des Gewindes die Mittel zum Umlenken der Brennstoffströmung darstellt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff baut alternativ auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf,
dass die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung zumindest ein auf dem
Innenumfangsbereich des Brennstoffleitungsabschnitts vorgesehenes Innengewinde
umfassen. In diesem Fall bildet der Boden der spiralförmigen Gewindenut
den Innenumfangsbereich des Brennstoffleitungsabschnitts, während der
spiralförmige
Gewindesteg die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung darstellt.
Bei dieser, wie auch bei allen anderen Ausführungsformen, wird bevorzugt,
dass die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung möglichst unter Abdichtung mit dem
Außenumfangsbereich
des Heizelements und dem Innenumfangsbereich des Brennstoffleitungsabschnitts
in Verbindung stehen, damit ein Kurzschlussstrom beziehungsweise
ein Bypass in axialer Richtung vermieden werden kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung zwei oder mehr voneinander
getrennte Strömungskanäle bilden.
Auf diese Weise kann der Strömungswiderstand
beziehungsweise der Druckverlust weiter reduziert werden.
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Dabei
wird besonders bevorzugt, dass die zumindest zwei der zwei oder
mehr voneinander getrennten Strömungskanäle im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufen. Beispielsweise kann ein zwei- oder
mehrgängiges
Gewinde beziehungsweise eine doppelt oder mehrfach gewickelte Feder
verwendet werden.
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Weiterhin
wird bevorzugt, dass der Brennstoffleitungsabschnitt einen größeren Außenumfang als
andere Brennstoffleitungsabschnitte aufweist. Eine derartige Vergrößerung des
Außenumfangs
ermöglicht
den Einsatz eines Heizelements mit einer vergleichbar großen wirksamen
Oberfläche
ohne zu große
Druckverluste zu erzeugen.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorgesehen, dass sie eine Einlassöffnung aufweist, die im Bereich
des Anfangs zumindest eines durch die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung gebildeten
Kanals angeordnet ist. Auch dadurch werden Totzonen vermieden, die
wegen möglicher
Ablagerung von mitgeführten
Schmutzpartikeln, der Bildung von Brennstoffablagerungen in Folge
hoher Verweilzeit des Brennstoffs oder des Verharrens und Ansammelns
von Luftbläschen
ungünstig
sind.
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Aus
dem gleichen Grund wird bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Auslassöffnung aufweist, die
im Bereich des Endes zumindest eines durch die Mittel zur Umlenkung
der Brennstoffströmung
gebildeten Kanals angeordnet ist.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Heizelements
kann vorgesehen sein, dass der Außenumfangsbereich des Heizelements
zumindest abschnittsweise durch eine Hülse gebildet ist. In diesem
Fall wird die Heizelementoberfläche
nicht direkt überströmt, weil
die Hülse
den Brennstoff und das eigentliche Heizelement trennt. Die Wandstärke der
Hülse ist
dabei vorzugsweise so niedrig zu halten, dass die Wärmekapazität der Hülse kleiner
als die Wärmekapazität des in
der Vorrichtung befindlichen Brennstoffs ist.
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Jedes
Heizgerät,
insbesondere jedes Kraftfahrzeugzusatzheizgerät und/oder jedes Kraftfahrzeugstandheizgerät, das die
erfindungsgemäße Vorrichtung
aufweist, fällt
in den Schutzbereich der zugehörigen
Ansprüche.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass sich durch die vorliegende Erfindung insbesondere die
folgenden Vorteile ergeben:
- – hoher
Wirkungsgrad des Vorwärmers
bei gleichzeitig kleiner Baugröße;
- – kleine
Wärmekapazität und damit
schnelles Ansprechverhalten und gute Regelbarkeit des Vorwärmers;
- – einstellbarer
Druckverlust im Vorwärmer
durch geeignete Wahl des Querschnitts und der Länge des Strömungskanals beziehungsweise
der Strömungskanäle;
- – geringes
Flüssigkeitsvolumen
und damit geringes Volumen an Brennstoff, das bei der Vorheizung
des Vorwärmers
(Brennstoffmassenstrom Null) infolge thermischer Ausdehnung des
Brennstoffs ausgefördert
wird;
- – geringes
Risiko der Bildung von Ablagerungen aufgrund der Vermeidbarkeit
von Totzonen und Rückströmgebieten, was
durch die zwangsgeführte
Strömungsausrichtung
durch die Mittel zur Umlenkung erreicht wird;
- – einfacher
Aufbau, der zu niedrigen Bauteilkosten führt; und
- – bei
der Variante der in die Hülse
eingesteckten Heizpatrone wird der Kontakt von Brennstoff und Heizelement
vermieden, was eine besonders einfache Lösung für die Abdichtung des Vorwärmers darstellt;
- – niedriger
Strömungswiderstand/Druckverlust, wenn
die Steigung der Spirale sowie der Querschnitt des resultierenden
Strömungskanals
groß ist;
- – bestmöglicher
Wirkungsgrad hinsichtlich des Wärmeübergangs,
wenn die Steigung der Spirale sowie der Querschnitt des gebildeten
Strömungskanals
klein sind, was dazu führt,
dass die Strömungsgeschwindigkeit
und der Wärmeübergang groß sind.
Daraus ergibt sich, dass ein Kompromiss zwischen optimalem Wärmeübergang
und niedrigem Strömungswiderstand
zu wählen
ist, der alle Anforderungen erfüllt;
- – wenn
als Spiralfeder eine Drahtfeder verwendet wird, kann diese zusätzlich als
wärmeübertragendes
Element wirken.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen
beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 eine
dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine
vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine
fünfte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6 eine
sechste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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7 eine
siebte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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8 eine
achte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
und
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9 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizgeräts.
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In
den 1 bis 9 sind gleiche oder ähnliche
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei
allen in den 1 bis 8 dargestellten
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Vorwärmung
von flüssigem
Brennstoff ist ein im Wesentlichen zylinderförmiges elektrisches Heizelement 14 coaxial
in einem ebenfalls im Wesentlichen zylindrischen Brennstoffleitungsabschnitt 12 angeordnet,
wobei die nur teilweise dargestellten elektrischen Anschlussleitungen
mit 54 bezeichnet sind. Die Brennstoffströmungsrichtung
ist durch jeweilige Pfeile dargestellt, die am Ein- beziehungsweise
Auslass das Bezugszeichen 36 tragen. Weiterhin ist den
in den 1 bis 8 dargestellten Ausführungsformen
gemeinsam, dass die jeweiligen Mittel 20 bis 34 zur
Umlenkung der Brennstoffströmung 36 eine
im Wesentlichen spiralförmige
Umlenkung von Brennstoff bewirken, wobei die spiralförmige Umlenkung
in Windungen um die Brennstoffleitungsabschnittlängsachse herum erfolgt, wie
es durch die jeweiligen Pfeile angedeutet ist.
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Nachfolgend
werden die jeweiligen Besonderheiten der einzelnen Ausführungsformen
erläutert.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Mittel
zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 durch
eine Spiralfeder 20 gebildet, die in einem Ringspalt 38 angeordnet
ist, der zwischen dem Außenumfangsbereich 16 des
Heizelements 14 und dem Innenumfangsbereich 18 des
Brennstoffleitungsabschnitts 12 gebildet wird. Die vorzugsweise aus
Draht hergestellte Spiralfeder 20 ist thermisch an das
elektrische Heizelement 14 angebunden, so dass die aktive
Heizoberfläche
vergrößert wird.
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Gemäß der Ausführungsform
von 2 sind die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 durch
ein auf dem Außenumfangsbereich 16 des
Heizelements 14 vorgesehenes Außengewinde 22 gebildet,
das aufgeprägt
oder geschnitten sein kann. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich ein
optimaler Wirkungsgrad, da die Außenfläche des Heizelements 14 und
somit die für
die Wärmeübertragung
wirksame Oberfläche
besonders groß ist.
Bei dieser Ausführungsform
bildet der Boden der Gewindenut den Außenumfangsbereich 16 des
Heizelements 14, während
der Gewindesteg die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 darstellt.
Vorzugsweise steht der Gewindesteg unter Abdichtung mit dem Innenumfangsbereich 18 des
Brennstoffleitungsabschnitts 12 in Verbindung.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Mittel
zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 durch
ein auf dem Innenumfangsbereich 18 des Brennstoffsleitungsabschnitts 12 vorgesehenes
Innengewinde 24 gebildet. In diesem Fall bildet der Boden
der Gewindenut den Innenumfangsbereich 18 des Brennstoffleitungsabschnitts 12,
und der Gewindesteg stellt die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 dar.
Der Gewindesteg steht dabei vorzugsweise unter Abdichtung mit dem
Außenumfangsbereich 16 des
Heizelements 14 in Verbindung.
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Gemäß der Ausführungsform
von 4 sind die Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 durch
eine doppelt gewickelte Spiralfeder 26 gebildet, so dass
sich zwei parallele spiralförmige
Strömungskanäle ergeben.
Durch den Einsatz von zwei oder mehr vorzugsweise parallelen Strömungs kanälen kann
der Strömungswiderstand
in vorteilhafter Weise gesenkt werden. Dabei ist es vorteilhaft,
wenn der Brennstoff längs
der Vorwärmerachse
ein- und ausgeleitet wird.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 5 sind die
Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 ebenfalls
durch eine in diesem Fall kurze Spiralfeder 28 gebildet.
Dabei zeigt 5 eine bevorzugte Anordnung
einer Auslassöffnung 50 im
Bereich des Endes des durch die Feder 28 gebildeten Strömungskanals.
Durch eine derartige Auslassöffnung 50 werden Totvolumen
und die damit verbundenen, bereits erläuterten Nachteile minimiert. 5 ist
ebenfalls zu entnehmen, dass der Außenumfang des Brennstoffleitungsabschnitts 12 größer als
der Außenumfang von
anderen Brennstoffleitungsabschnitten 46 ist.
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Bei
der in 6 dargestellten Ausführungsform sind die Mittel
zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 ebenfalls
durch eine Spiralfeder gebildet, die in diesem Fall mit dem Bezugszeichen 30 versehen
ist. 6 ist eine besonders bevorzugte Anordnung der
Einlassöffnung 48 zu
entnehmen. Die Einlassöffnung 48 ist
dabei im Bereich des Anfangs des durch die Feder 30 gebildeten
Strömungskanals angeordnet,
um eingangsseitig nachteilige Totvolumen zu vermeiden. Weiterhin
ist 6 zu entnehmen, dass auch die Brennstoffzuführleitung 44 einen geringeren
Querschnitt als der Brennstoffleitungsabschnitt 12 aufweist.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 7 bildet
wieder eine Spiralfeder 32 die Mittel zur Umlenkung der
Brennstoffströmung 36,
wobei der Brennstoff in diesem Fall in axialer Richtung zugeführt wird, wodurch
sich eine sehr gute Anströmung
des Ringspalts 38 ergibt.
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Bei
der in 8 dargestellten Ausführungsform ist der Außenumfangsbereich 16 des
Heizelements 14 durch eine Hülse 52 gebildet, das
heißt
der Brennstoff kommt nicht direkt mit dem eigentlichen Heizelement 14 in
Kontakt. Dabei ist die Wandstärke der
Hülse 52 so
niedrig gehalten, dass die Wärmekapazität der Hülse 52 kleiner
als die Wärmekapazität des im
Vorwärmer
befindlichen Brennstoffs ist. Als Mittel zur Umlenkung der Brennstoffströmung 36 dient
auch in diesem Fall eine Spiralfeder, die mit 34 bezeichnet
ist.
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9 zeigt
eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Heizgeräts 100,
das eine Brennkammer 110 aufweist. Der Brennkammer 110 wird über eine
hier nicht näher
interessierende Düsenanordnung 112 flüssiger Brennstoff
zugeführt. Der
flüssige
Brennstoff gelangt über
einen Brennstoffleitungsabschnitt 44 zu einer Vorrichtung 10 zur Vorwärmung des
flüssigen
Brennstoffs. Die Vorrichtung 10 kann irgendeiner der vorstehen
erläuterten Ausführungsformen
entsprechen. Der vorgewärmte Brennstoff
gelangt über
einen Brennstoffleitungsabschnitt 46 zu der Düsenanordnung 112.
Insgesamt führt
die Vorwärmung
des Brennstoffs dazu, dass dieser leichter verdampft werden kann,
was das Brennverhalten positiv beeinflusst.
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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.
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- 10
- Vorrichtung
zur Vorwärmung
von Brennstoff
- 12
- Brennstoffleitungsabschnitt
- 14
- Heizelement
- 16
- Außenumfangsbereich
- 18
- Innenumfangsbereich
- 20
- Spiralfeder
- 22
- Außengewinde
- 24
- Innengewinde
- 26
- doppelt
gewickelte Spiralfeder
- 28
- Spiralfeder
- 30
- Spiralfeder
- 32
- Spiralfeder
- 34
- Spiralfeder
- 36
- Brennstoffströmung
- 38
- Ringspalt
- 40
- Strömungskanal
- 42
- Strömungskanal
- 44
- Brennstoffzuführleitung
- 46
- anderer
Brennstoffleitungsabschnitt
- 48
- Einlassöffnung
- 50
- Auslassöffnung
- 52
- Hülse
- 54
- Anschlussleitungen
- 100
- Heizgerät
- 110
- Brennkammer
- 112
- Düsenanordnung