DE3918663A1 - Anordnung zur brennstoffvorwaermung fuer einen ultraschallzerstaeuber fuer heizgeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Brennstoffvorwärmung für einen Ultraschallzerstäuber in einem mit flüssigem Brennstoff be­ triebenen Heizgerät, das aus einer Brennkammer mit einem an diese an­ schließenden Wärmetauscher und einer Zündzone, in welche die Zündein­ richtung ragt, sowie einem Brennerkopf mit Mitteln zur Brennstoff- und Verbrennungsluftzufuhr besteht, wobei der Ultraschallzerstäuber eine mittige Längsbohrung für den Brennstoff aufweist, die mit einer radia­ len Bohrung zur Brennstoffzufuhr in Verbindung steht, und der Ultra­ schallzerstäuber innerhalb des Brennergehäuses in dessen Längsachse in einem mit einer abgesetzten Längsdurchgangsbohrung versehenen Zerstäu­ berflansch angeordnet ist.

Derartige Heizgeräte werden zur motorunabhängigen Beheizung von Fahr­ zeugen und für Motorvorwärmung verwendet.

Eine gattungsgemäße Anordung ist aus der DE-PS 35 22 697 bekannt. Die in dieser Patentschrift beschriebene Anordnung dient ebenfalls zur motorunabhängigen Beheizung von Fahrzeugen, aber auch Baumaschinen und Booten und zur Motorvorwärmung derartiger Anlagen. Derartige Fahrzeug­ heizungen müssen kompakt sein, da nur ein sehr eingeschränkter Raum zu deren Einbau zur Verfügung steht. Sie sollen ferner nur einen geringen Strombedarf erfordern, da sie von der Fahrzeugbatterie mit Strom ver­ sorgt werden, die bei sehr tiefen Temperaturen, also gerade dann, wenn ein besonderer Bedarf für die motorunabhängige Beheizung des Fahr­ zeuginnenraumes und evtl. der Motorvorwärumung besteht, nur eine be­ sonders geringe Stromabgabefähigkeit aufweist.

Bekannte Heizgeräte mit einer Heizleistung von etwa 10 KW haben einen Brennstoffdurchsatz von etwa 1,3 l/h Dieselkraftstoff. Im stationären Heizbetrieb, d. h. bei betriebswarmer Anlage wird zur Ultraschallzer­ stäubung einschließlich Sicherheitsreserve 2 W elektrische Wirklei­ stung erforderlich. Diese wird von einem Ultraschallgenerator in einer Oszillatorschaltung erzeugt und dem Ultraschallzerstäuber zugeführt. Beim Kaltstart unter extremen Bedingungen von z. B. -40°C, für die solche Heizgeräte insbesondere konzipiert sind, steigt infolge der stark zunehmenden Zähigkeit des Brennstoffes und der dadurch bedingten verstärkten Bedämpfung des Zerstäubertellers des Ultraschallzerstäu­ bers und der erschwerten Abtrennung der Brennstoffnebeltröpfchen aus dem Brennstoffilm, der elektrische Leistungsbedarf auf das 5- bis 10fache an, so daß der Ultraschallgenerator für diesen Betriebszustand 10 bis 15 Watt Wirkleistung abgeben muß.

Aus diesen Gründen ist bei den bekannten Anordnungen der Ultra­ schallgenerator für zwei Leistungsstufen ausgelegt, für die Kalt­ startphase, z. B. 12 W Leistungsabgabe und für den normalen Betrieb 2 W Leistungsabgabe, wobei die Stufe 1 nur für den wenige Minuten wäh­ renden Anfahrbereich bei einer Umgebungstemperatur deutlich unter 0°C benutzt wird. Bei Erreichen der Betriebstemperatur wird durch die Brennkammer des Heizgerätes so viel Wärme durch Konvektion und Strah­ lung abgegegeben, daß auf die Stufe 2 mit geringer Leistungsabgabe um­ geschaltet werden kann.

Diese bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der Ultra­ schallgenerator mit seinen Bauteilen Ausgangsübertrager und End­ stufentransistoren für die hohe Leistung von etwa 15 W ausgelegt wer­ den muß, was zu einem verringerten Wirkungsgrad für die weit überwie­ gende Betriebsdauer führt und zudem kostenintensiv ist. Nachteilig ist bei dieser Anordnung außerdem, daß die hohe elektrische Wirkleistung während der Kaltstartphase den Ultraschallzerstäuber thermisch und mechanisch stark belastet mit negativen Auswirkungen auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Zum Ausgleich der in den letzten Jahren bei Heizöl eingetretenen Viscositätsschwankungen ist es bei Gebäudeheizanlagen mit Hoch­ druckzerstäuberbrennern bekannt geworden, im Heizölzufluß vor der Zer­ stäuberdüse ein Heizelement anzuordnen. Dadurch ist es auch möglich, die untere Leistungsgrenze dieses Brenners herabzusezten, d.h. weniger Brennstoff bei gleicher Düsenabmessung zu zerstäuben. Eine derartige Anordnung ist jedoch zur Vorwärmung des Brennstoffes für Heizgeräte für Fahrzeuge ungeeignet, da bei dieser bekannt gewordenen Anordnung eines Heizelementes dieses dauernd vom kalten Brennstoff umspült und damit das Heizelement in Betrieb ist und permanent elektrische Energie verbraucht. Diese Energie steht bei einem Fahrzeug zur Aufheizung, insbesondere bei stehendem Motor und laufender Heizung, nicht zur Ver­ fügung. Bei laufender Heizung wird dagegen durch die Temperatur der Brennkammer genügend Wärme zur Vorwärmung des Brennstoffes erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße An­ ordnung dahingehend zu verbessern, daß sie bei geringem zusätzlichen technischen Aufwand für einen stromsparenden Kaltstart durch Sicher­ stellung der Brennstoffzerstäubung im Bereich von tiefen Temperaturen (bis etwa -40°C) geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein im Bereich der Brenn­ stoffzufuhr in räumlicher Nähe zum Ultraschallzerstäuber und außerhalb der Brennstoffleitung angeordnetes Heizelement gelöst.

Mit dieser Anordnung wird der Wärmefluß von dem Heizelement zu dem Brennstoff und - nach Zündung des Heizgerätes und Erwärmung der Brenn­ kammer - der Wärmefluß von der Brennkammer zu dem Brennstoff so abge­ stimmt, daß nach kurzer Betriebsdauer des Heizgerätes das Heizelement abgestellt werden kann oder sich selbst abstellt. Daher darf das Heiz­ element nicht in zu innigem thermischem Kontakt zum Brennstoff stehen, da in diesem Fall bei andauernder Zufuhr von kaltem Brennstoff auch bei bereits heißer Brennkammer kein Abschalten des Heizstromes erfolgt und infolgedessen ein hoher, die Batterie entleerender Stromverbrauch auftritt. Es hat sich bei dieser Anordnung überraschender Weise ge­ zeigt, daß schon nach kurzer Ausbildung der Flamme im Brennraum des Heizgerätes und dessen Stabilisierung auf die externe Vorwärmung durch das Heizelement verzichtet werden kann, da der Brennstoff-Zerstäuber­ teller des Ultraschallzerstäubers durch die Flammenstrahlung und Konvektion der Verbrennungsgase ausreichend aufgewärmt wird, so daß der anhaftende Brennstoffilm in seiner Zähigkeit soweit vermindert wird, daß eine gute Zerstäubung sichergestellt ist. Andererseits muß jedoch die Wärmeübertragung von dem Heizelement an den Brennstoff so gut sein, daß ein möglichst hoher Anteil der Stromwärme auf den Brenn­ stoff übertragen wird und nur wenig als Verlust auf die den Brenner­ kopf durchströmende Verbrennungsluft und an die Brennerbauteile.

Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, daß das Heizelement an der der Brennkammer abgewandten Seite in wärmeleitender Verbindung mit dem Zerstäuberflansch angeordnet ist. Der Zerstäuberflansch ist dabei als das mittig den Ultraschallzerstäuber tragende Bauteil verstanden, das mit dem Brennergehäuse verbunden ist. Dieser Zerstäuberflansch kann auch aus einzelnen Stegen bestehen. Die Anordnung des Heizelementes kann dabei in einem an dem Zerstäuberflansch angegossenen und auf das Maß des Heizelementes aufgebohrten Ansatz erfolgen und mit einer Hal­ teklammer fixiert werden. Dabei ist es zweckmäßig zum Ausgleich even­ tueller Toleranzen zum Herstellen eines guten Wärmekontaktes zwischen Bohrung - die nicht unbedingt rund sein muß, sondern entsprechend der Form des Heizelementes auch oval oder eckig sein kann - und Heizele­ ment eine Wärmepaste einzubringen. Bei dieser Anordnung, bei welcher das Heizelement z. B. aus Widerstandsdraht gebildet ist, sind die elektrischen Anschlüsse des Heizelementes über ein Relais im Steuer­ gerät des Heizgerätes mit der Betriebsspannung verbunden. Dieses Relais wird während der Kaltstartphase des Heizgerätes eingeschaltet, und die vom Heizelement abgegebene Wärme heizt den Zerstäuberflansch und über diesen, oder bei auf dem Zerstäuberflansch angeordneter Brennstoffzuleitung direkt, den Brennstoff auf. Bei extremen Tempera­ turen von z. B. -40°C bis -10°C kann durch eine Verzögerungsschal­ tung im Steuergerät die Brennstofförderung auch verzögert, nach einer zuvor festgelegten Vorheizzeit, eingeschaltet werden. Die Abschaltung des Heizelementes bei ausreichender Wärmeübertragung aus der Brenn­ kammer kann zeit- oder temperaturabhängig erfolgen. Das Heizelement kann aber auch als flaches Element ausgebildet sein und auf dem Zer­ stäuberflansch wärmeisoliert abgedeckt angeordnet und festgeklammert sein. Diese Befestigungsart eignet sich insbesondere für die Nach­ rüstung bereits vorhandener Heizgeräte mit einem Ultraschallzerstäu­ ber.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines an das Heizungssteuergerät angeschlossenen Halbleiterelementes erwiesen, wo­ bei gemäß einer noch vorteilhafteren Lösung der gestellten Aufgabe sich die Verwendung eines PTC-Elementes als Halbleiterelement erwiesen hat. Diese Lösung hat insbesondere Vorteile bezüglich der Sicherheit, ist aber auch kostengünstiger. Ein weiterer Vorteil ergibt sich da­ durch, daß der Ultraschallgenerator auf eine geringe Wirkleistung aus­ gelegt und optimiert werden kann und daß im Steuergerät keine Steuer­ befehle für eine Leistungsumschaltung erzeugt werden müssen. Da die PTC-Widerstände (Kaltleiter) eine sprunghafte Zunahme des Widerstandes bei einer materialspezifischen Bezugstemperatur haben, kann auf eine Ansteuerung über ein Schaltrelais verzichtet werden, d.h., die PTC- Elemente werden als selbstregelnde Heizelemente direkt an die Be­ triebsspannung angeschlossen. Die PTC-Heizelemente können zylindrische oder scheibenförmige Bauform aufweisen, so daß sie wie die Heizele­ mente aus Widerstandsdraht am Rohr in dem Zerstäuberflansch angeordnet werden können.

Um den Wärmeübergang von dem durch das Heizelement aufgeheizten Zer­ stäuberflansch auf das Brennergehäuse zu mindern, hat es sich als wei­ terhin vorteilhaft erwiesen, daß zwischen dem das Heizelement tragen­ den und die Brennstoffzufuhr aufnehmenden Zerstäuberflansch und dem Brennergehäuse eine Wärmeisolierung angeordnet ist. Diese Wärmeisolie­ rung wirkt als Wärmedrossel. In den meisten Anwendungsfällen genügt als Wärmeisolierung ein einfacher Ring aus geeignetem Material, jedoch kann auch eine andere Form, z. B. ein Winkelprofil gewählt werden, um das metallische Brennergehäuse von dem metallischen Zerstäuberflansch thermisch möglichst gut zu trennen.

Wie aufgezeigt, weisen mindestens einige der Unteransprüche einen selbständigen Schutz beanspruchende Merkmale auf.

In den Fig. 1 bis 4 ist die Erfindung vereinfacht unter Fortlassung einiger Teile beispielsweise dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil des Heizgerätes im Schnitt mit einem in einem Ansatz eingesetzten Heizelement,

Fig. 2 eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt wie Fig. 1 jedoch mit aufge­ spanntem Heizelement,

Fig. 4 eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 2.

In allen Figuren sind für gleiche Posititionen gleiche Bezugsziffern verwendet. Die Fig. 1 und 3 zeigen jeweils in einem Längsschnitt den Teil eines Heizgerätes in dem der Ultraschallzerstäuber, die Brenn­ stoffzuführung und das Heizelement angeordnet sind. In diesem darge­ stellten Bereich des Heizgerätes sind Details, wie die Halterung des Ultraschallzerstäubers und die Einleitung des Brennstoffes in diesen, nicht dargestellt, sie erfolgen wie z. B. in der DE-PS 35 22 697 ge­ offenbart. Es ist das Brennergehäuse 1 dargestellt mit Durchtritts­ öffnungen 2 für die Verbrennungsluftzufuhr zur Brennkammer 3, die ebenfalls Durchtrittsöffnungen 4 zur Führung der Verbrennungsluft in den Brennraum 5, in welchem sich im Betrieb die Flamme 6 bildet. Die Brennkammer 3 ist stirnseitig mit dem Brennkammerboden 7 verschlossen und über diesen mit dem Zerstäuberflansch 8 verbunden. Der Brenn­ kammerboden 7 weist Durchtrittsöffnungen 9 zur Einleitung eines Teils der Verbrennungsluft in den Brennraum 5 auf. Zwischen dem Zerstäuber­ flansch 8 und dem Brennergehäuse 1 ist eine als Wärmedrossel wirkende Dichtung 10 aus wärmeisolierendem Material angeordnet. Diese ther­ mische Trennung soll in erster Linie einen zu starken Abfluß der durch das Heizelement 20 erzeugten Wärme in das während der Kaltstartphase noch kalte und dadurch als massereiche Wärmesenke wirkende Brenner­ gehäuse 1 verhindern und außerdem einen zu starken Wärmefluß von der im Betriebszustand heißen Brennkammer 3 auf den Zerstäuberflansch 8 verhindern, um eine zu starke Erwärmung des Brennstoffes zu vermeiden, weil sonst leicht Dampfblasen in der Brennstoffzuleitung auftreten können, die zu einer Störung des Betriebes führen würden. Die Dichtung 10 besteht im einfachsten Fall aus einem Ring aus wärmeisolierendem Material, sie kann jedoch auch aus einem Profilring aus einem festen Material, wie z. B. Keramik, bestehen. Diese Ausführung kann zugleich als Verbindungsstück zwischen dem Zerstäuberflansch 8 und dem Brenn­ kammergehäuse 1 eingesetzt werden, so daß eine besonders gute ther­ mische Trennung der beiden Bauteile erfolgt. Der Zerstäuberflansch 8 trägt mittig den Ultraschallzerstäuber 11 mit den elektrischen An­ schlüssen 12 zum Ultraschallgenerator. Der Ultraschallzerstäuber 11 weist eine radiale Bohrung 13 zur Brennstoffzufuhr auf, die in eine axiale Bohrung 14 mündet, über die der Brennstoff zu dem Zerstäuber­ teller 15 geführt wird. Die Durchtrittsöffnungen 16 in dem Zerstäuber­ flansch 8 dienen der Verbrennungsluftzufuhr zur Brennkammer 5. Die Brennstoffzufuhr zu der Axialbohrung 13 im Ultraschallzerstäuber 11 erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen in dem Zerstäuberflansch 8 angeordneten Kanal 17 in dem eintrittsseitig ein Rohrstück 18 zum Anschluß der Brennstoffzufuhrleitung 19 angeordnet ist. Die Brennstoffzufuhrleitung 19 muß jedoch nicht auf kürzestem Weg durch den Zerstäuberflansch 8 der Axialbohrung 13 des Ultraschallzer­ stäubers 11 zugeführt werden, sie kann auch über einen Teilabschnitt oder verlängert über Schleifen oder schneckenartig auf dem Zerstäuber­ flansch 8 verlegt sein. Bei der letztgenannten Führung der Brennstoff­ zufuhrleitung 19 ist eine bessere Abschirmung gegen die Wärme aus der Brennkammer 5 gegeben bei gleichzeitig verbesserter Wärmeübernahme von dem Heizelement 20 gegeben. Dieses Heizelement 20, z. B. ein Wider­ standdrahtelement oder bevorzugt ein PTC-Element, ist in dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 und zugehöriger Fig. 2 in einem stutzenarti­ gen Aufnahmekörper 21 angeordnet. Dieser hat seitliche Stützrippen 22, und um eine gute Wärmeübertragung von dem Heizelement 20 auf den Zer­ stäuberflansch 8 zu erreichen, wird ein eventuell entstehender Spalt 23 mit einer Wärmeleitpaste ausgefüllt. Hierzu wird vor dem Einbau diese Paste dünn auf das Heizelement 20 aufgetragen und dieses sodann in den Stutzen 21 eingeführt. Die elektrischen Anschlüsse 24 des Heiz­ elementes 20 führen die Betriebsspannung (etwa 12 V oder 24 V) von dem Steuergerät der Heizung zu.

Der Zerstäuberflansch 8 besteht meist aus einem ebenen Element mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen 16 für Verbrennungsluft und dem Aufnahmekörper 21 für das Heizelement 20. Er weist ferner zur mit­ tigen Aufnahme des Ultraschallzerstäubers 11 einen angeformten Ansatz 25 auf, der ringförmig die Öffnung für den Ultraschallzerstäuber 11 umgibt und im der Brennkammer 5 zugewandten Abschnitt dem Anschluß des Brennkammerbodens 7 dient. Der Zerstäuberflansch 8 kann aber auch aus zwei oder mehreren Stegen gebildet sein, wobei die Verbrennungsluft zwischen den Stegen durchtreten kann und der Aufnahmekörper 21 auf einem der Stege angeordnet ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 und 4 ist der gleiche Aufbau des Heizgerätes gegeben. An dem Zerstäuberflansch 8 ist zum An­ schluß der Brennstoffzufuhrleitung 19 jedoch ein Stutzen 26 angeformt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Heizelement 20 aus einem flachen PTC-Element mit dem elektrischen Anschluß 24. Dieses flache Heizelement 20 liegt auf dem Zerstäuberflansch 8 auf und wird von einer Federklammer 27, die mittels einer Schraube 28 (oder Niet) auf dem Zerstäuberflansch 8 befestigt ist, gehalten und zum wärmeleitenden Kontakt angedrückt.

Claims (9)

1. Anordnung zur Brennstoffvorwärmung für einen Ultraschallzerstäuber in einem mit flüssigem Brennstoff betriebenen Heizgerät, das aus einer Brennkammer mit einem an diese anschließenden Wärmetauscher und einer Zündzone, in welche eine Zündeinrichtung ragt, sowie einem Brennerkopf mit Mitteln zur Brennstoff- und Verbrennungsluftzufuhr besteht, wobei der Ultraschallzerstäuber eine mittige Längsbohrung für den Brennstoff aufweist, die mit einer radialen Bohrung zur Brennstoffzufuhr in Verbindung steht, und der Ultraschallzerstäuber innerhalb des Brennerkopfes in einem mit einer abgesetzten Längsdurchgangsbohrung versehenen Zerstäuberflansch angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein im Bereich der Brennstoffzufuhr in räum­ licher Nähe zum Ultraschallzerstäuber (11) und außerhalb der Brenn­ stoffzufuhrleitung (17) angeordnetes Heizelement (20).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizele­ ment (20) an der der Brennkammer (5) abgewandten Seite in wärmeleiten­ der Verbindung mit dem Zerstäuberflansch (8) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) ein an das Heizungssteuergerät angeschlossenes Halbleiterelement ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halblei­ terelement (20) ein PTC-Element angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem das Heizelement (20) tragenden und den Brennstoffkanal (17) aufnehmenden Zerstäuberflansch (8) und dem Brennergehäuse (1) eine Wärmeisolierung (10) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) in einem an dem Zerstäuberflansch (8) ange­ formten stutzenartigen Aufnahmekörper (21) angeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) eben auf dem Zerstäuberflansch (8) angeord­ net und mit einer Federklammer (27) gehalten ist.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung (10) aus einem winkelförmigen Keramikring gebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der winkel­ förmige Keramikring ein Gewinde zum Anschluß an den Zerstäuber­ flansch (8) und ein weiteres Gewinde zum Anschluß des Brennerge­ häuses (1) aufweist.