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Die
Erfindung betrifft einen Brenner für flüssige Brennstoffe, mit einem
Brennergehäuse,
in dem mindestens ein Zerstäuberventil
für flüssigen Brennstoff
angeordnet ist, welches eine Brennstoffdüse aufweist und welches eine
Luftdüse
aufweisen kann, welche ausgangsseitig in eine, an das Brennergehäuse anschließende Flammkammer
weisen.
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Brenner
dienen dazu, Wärme
für die
unterschiedlichsten Anwendungen bereitzustellen.
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Ortsfeste
Brenner im Bereich der Heizungstechnik werden in der Regel mit Gas
oder mit leichtem Heizöl
betrieben. Dabei müssen
bei diesen Kleinfeuerungsanlagen die gesetzlichen Umweltauflagen
erfüllt
werden. Bei Niedrigenergiehäusern werden
oft nur noch kleine Brennerleistungen benötigt. Bei der Brauchwassererwärmung sind
anderseits relativ große
Brennerleistungen gefordert. Wünschenswert
sind daher Brennersysteme, die zum einen sehr kleine Brennerleistungen
ermöglichen
und zugleich einen großen
Modulationsbereich aufweisen.
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Die
für flüssige Brennstoffe
eingesetzten Zerstäubungskonzepte
sehen so genannte Drall-Druck-Zerstäuber vor, die bei kleinen Brennerleistungen
unterhalb 12 kW an ihre Grenzen stoßen, da die Sprayaufbereitung
bei kleinen Leistungen nicht mehr mit ausreichender Qualität erfolgt,
wodurch ein höherer
Schadstoffausstoß resultiert.
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Weitere
Zerstäuber
für flüssige Brennstoffe sind
aus der
DE-OS 10132195 bekannt.
Dabei wird der flüssige
Brennstoff in der Zerstäuberdüse elektrostatisch
aufgeladen, wodurch eine bessere Sprayaufbereitung erfolgt.
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Weiterhin
sind Verdampferkonzepte im Einsatz, bei denen der flüssige Brennstoff
an heißen Oberflächen verdampft
wird. Nachteilig ist dabei, dass beim Start und Stopp des Brenners
undefinierte Betriebsbedingungen auftreten, die insbesondere für einen
erhöhten
Schadstoffausstoß verantwortlich sind.
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Für mobile
Heizanwendungen, beispielsweise für Standheizungen zur Fahrzeugklimatisierung, für das Vorheizen
von Abgaskatalysatoren auf Betriebstemperatur und/oder zur Motorerwärmung, um den
Schadstoffausstoß beim
Kaltstart zu reduzieren, werden insbesondere flüssige Brennstoffe, wie Benzin,
Dieselkraftstoff, Ethanol oder Rapsmethylester eingesetzt, da die
Speicherung von Gasen aufwendig und kostenintensiv ist. Weiterhin
sind für
den mobilen Einsatz platz- und gewichtssparende Brenner gefordert.
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In
diesem Bereich kommen insbesondere die oben genannten Verdampferbrenner
zum Einsatz, mit denen kleinere Brennerleistungen realisiert werden
können,
die aber einen – gegenüber ortsfesten
Brennern – deutlich
höheren
Schadstoffausstoß aufweisen.
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Zukünftig werden
auch im mobilen Anwendungsbereich verstärkt schadstoffarme Brennersysteme
gefordert.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, schadstoffarme Brennerkonzepte für kleine
Brennerleistungen insbesondere im mobilen Anwendungsbereich bereit zustellen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass das Zerstäuberventil
aus einem getakteten Einspritzventil besteht. Dies hat den Vorteil,
dass derartige Brenner auch bei kleiner Leistung betrieben werden
können und
dabei eine gleich bleibende Sprayqualität aufweisen, was sich in einer
niedrigen Schadstoffemission auswirkt. Gleichzeitig wird ein großer Modulationsbereich
ermöglicht.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass das Zerstäuberventil
aus einem Benzineinspritzventil oder aus einem Dieseleinspritzventil
besteht, wodurch ein hohes Druckpotenzial genutzt werden kann. Zudem
können
damit besonders kompakte und kostengünstige Brennersysteme realisiert werden,
da diese Ventile in der Kraftfahrzeugtechnik etablierte Serienkomponenten
darstellen. Bei derartigen Zerstäuberventilen
ist eine Sprayaufbereitungsfunktion integriert. Zusätzlich weisen
sie auch eine Dosierfunktion auf. Damit lässt sich dann auf einfache
Weise eine Leistungssteuerung des Brenners verwirklichen.
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Das
Zerstäuberventil
kann dabei über
eine Signalleitung mit einer Ventilsteuerung verbunden sein, welche
die Taktung und/oder die Dosierfunktion des Zerstäuberventils
bewirkt, wodurch die Brennerleistung über die Taktfrequenz und/oder
die Pulslänge
verändert
werden kann.
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Vorzugsweise
ist die Ventilsteuerung integraler Bestandteil einer bereits vorhandenen
Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors. Der Brenner kann dann mit
geringem Teileaufwand in ein Fahrzeug integriert werden.
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Bei
der thermischen Integration des Brenners in ein bestehendes Fahrzeug-Heizungssystems kann
vorgewärmte
Luft in den Brenner einströmen und
zur thermodynamischen Optimierung beitragen, womit sich der Gesamtwirkungsgrad
des Systems steigern lässt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Luftdüse
des Zerstäuberventils
konisch ausgebildet ist und/oder der Luftdüse ein Drallgitter zugeordnet
ist, welches in Strömungsrichtung
der Verbrennungsluft vor der Luftdüse angeordnet ist. Dem Luftstrom
wird dadurch neben dem axialen auch ein tangentialer Impuls aufgeprägt, was
insbesondere in Verbindung mit der konisch ausgebildeten Luftdüse Vorteile
bei der Mischung des Brennstoffs und der Verbrennungsluft hat.
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Zusätzlich in
der Flammkammer angebrachte Flammenhalter sorgen für eine kontrollierte
und schadstoffarme Verbrennung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Flammenhalter eine poröse Oberfläche auf und sind vorzugsweise
aus Drahtgeflecht, Keramik-Lochplatten oder aus Keramik-Fasermatten
aufgebaut, was besonders den NOx-Ausstoß minimiert.
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Der
Brenner kann sowohl als Diffusionsbrenner oder als Vormischbrenner
betrieben werden, was im letzteren Fall durch die homogenere Mischung von
Brennstoff und Verbrennungsluft eine besonders schadstoffarme Verbrennung
ermöglicht.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Geometrie des Brennergehäuses und
der Flammkammer des Brenners an die Betriebsart anpassbar ist, was
den Teileaufwand reduzieren hilft und damit Kosten spart.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen Brenner in der Schnittansicht
mit stilisierter Motorsteuerung und
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2 eine Flammkammer in der
Schnittansicht mit einem Flammenhalter
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Ausführungsbeispiele
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Entsprechend
der 1 besitzt ein erfindungsgemäßer Brenner 1 für flüssige Brennstoffe
ein Brennergehäuse 20,
in dem ein Zerstäuberventil 10 mit
einer Brennstoffdüse 12 für flüssige Brennstoffe angeordnet
ist, welches, abhängig
von der geforderten Leistung, mit unterschiedlicher Frequenz und/oder
unterschiedlicher Pulslänge
getaktet angesteuert wird.
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Das
Zerstäuberventil 10 ist
in einer bevorzugten Ausführungsform
ein Einspritzventil aus der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise
ein Benzineinspritzventil oder ein Dieseleinspritzventil, das im
gezeigten Beispiel auf der Brennerachse 21 positioniert ist.
Dieses Einspritzventil kann aus dem Bereich der Niederdruckventilanwendungen
stammen. Weiterhin weist das Brennergehäuse 20 mindestens
eine Öffnung
auf, die als Lufteinlass 23 für die nötige Verbrennungsluft genutzt
wird. Im weiteren Verlauf tritt die Verbrennungsluft dann durch
eine konisch zulaufende Luftdüse 11 in
eine Flammkammer 30 ein. Vorher hat die Verbrennungsluft
ein Drallgitter 13 durchströmt, das dem Luftstrom neben
dem axialen auch einen tangentialen Impuls mitgibt. Dies kann bei
der Mischung des Brennstoffs und der Verbrennungsluft vorteilhaft
sein. Der Brennstoff wiederum wird unter relativ hohem Druck dem
getaktet arbeitenden Zerstäuberventil 10 über einen
Brennstoffeinlass 22 zugeführt. An der Brennstoffdüse 12,
die üblicherweise im
Zerstäuberventil 10 integriert
ist, entspannt der flüssige
Brennstoff und zerstäubt
sich dabei. Die Gemischbildung erfolgt in der als Flammrohr ausgebildeten
Flammkammer 30, in der sich dann auch die eigentliche Verbrennung
anschließen
kann.
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Der
Brenner 1 arbeitet vorliegend als Vormischbrenner. Die
Erfindung kann auch bei Diffusionsbrennern verwirklicht sein. Bei
Diffusionsbrennern wird die für
die Verbrennung benötigte
Verbrennungsluft über
Diffusion an die Flamme geführt.
Die Flamme brennt dadurch gelb. Bei Vormischbrennern erfolgt die
Mischung des Brennstoffs und der Verbrennungsluft vor der Flamme,
wodurch die charakteristische blaue Flammenfarbe entsteht. Hierfür ist die
Brennergeometrie entsprechend anzupassen, so dass die Rezirkulation
von heißen
Gasen in die Flammenwurzel möglich
ist. Dies kann mit entsprechend geformten Einsätzen oder auch durch eine Geometrieanpassung
des Flammrohres 30 erfolgen. Blaubrenner weisen im Vergleich
zu Gelbbrennern aufgrund der homogeneren Mischung aus Brennstoff und
Verbrennungsluft niedrigere Schadstoffemissionen auf.
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Heizsysteme,
die herkömmliche
Kraftstoff-Einspritzventile zur Brennstoffaufbereitung verwenden,
sind Bauart bedingt sehr kompakt und lassen sich durch ihre geringe
Größe mechanisch
und thermisch in bestehende Systeme integrieren. Dabei ist zu beachten,
dass das Heizungssystem gewissen Bauraumbeschränkungen unterliegt und eine
geometrische Anpassung der Flammkammer 30 nötig sein
kann.
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Bei
der thermischen Integration kann vorgewärmte Luft aus dem bestehenden
Heizungssystem zur thermodynamischen Optimierung des Brenners 1 beitragen,
womit sich der Gesamtwirkungsgrad des Systems steigern lässt.
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Das
Zerstäuberventil 10 ist
an eine Ventilsteuerung 40 über eine Signalleitung 41 angeschlossen.
Die Ventilsteuerung 40 kann über eine bereits vorhandene
Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs erfolgen, wenn diese entsprechend
modifiziert wird, oder sie wird durch eine einfache separate Steuerung realisiert.
Die Brennerleistung wird dabei über
die Taktung gesteuert, wobei eine zunehmende Taktfrequenz und/oder
eine zunehmende Pulslänge
zu einer Steigerung der Brennerleistung führt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Zerstäuberventil 10 zusätzlich eine
Dosierfunktion aufweisen, wobei neben der Auf/Zu-Taktung des Zerstäuberventils 10 auch
der Öffnungsgrad
verändert werden
kann. Die Steuerung dieser Funktion kann ebenfalls über die
Ventilsteuerung 40 erfolgen.
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2 zeigt eine Flammkammer 30 in
der Schnittansicht mit einem Flammenhalter 50. Der Flammenhalter 50 besteht
aus Materialien mit porösen Oberflächen und
kann beispielsweise durch ein Drahtgeflecht, eine Keramiklochplatte
oder durch eine Keramik-Fasermatte gebildet sein. Dabei strömt das aus
Brennstoff und Verbrennungsluft bestehende Gemisch durch den Flammenhalter 50 hindurch und
wird an dessen Oberseite gezündet.
Die Verbrennung erfolgt sehr kontrolliert und schadstoffarm innerhalb
und/oder an der Oberfläche
des porösen Körpers. Insbesondere
bei Verwendung von SiC-Fasermatten,
wie sie bereits bei ortsfesten Heizeinrichtungen zum Einsatz kommen,
können
besonders niedrige NOx-Werte verzeichnet
werden.
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Zusammenfassend
lassen sich auf Basis der beschriebenen Varianten schadstoffarme
Brennerkonzepte mit kleinen Brennerleistungen realisieren, die insbesondere
in mobilen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. Zukünftige Anforderungen hinsichtlich
der Schadstoffemission können
damit bereits heute erfüllt
werden.