Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung, bei der flüssiger Brennstoff mittels eines eine Vielzahl von Düsen zur Erzeugung von Brennstofftropfchen aufweisenden Düsensystems in einen Strom eines gasförmigen Oxidationsmittels eingetragen wird.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß für Brenneranordnungen solche Düsensysteme besonders geeignet sind, die die Erzeugung von Tröpfchen mit gleich großem Durchmesser bzw. Volumen ermöglichen. Es ist weiterhin bekannt, daß herkömmliche Vorrichtungen zur Tröpfchenerzeugung wie z.B. Rotationszerstäuber oder Ultraschallzerstäuber diese Aufgabe nicht befriedigend lösen. Auch mit Verdampfungs- und Vorverdampfungseinheiten arbeitende Brenneranordnungen sind nicht in der Lage, einen sehr homogenen Strom aus Brennstoff und Luft zu erzeugen.

Der Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs bezüglich des Ausbrandgrades und der Schadstoffentwicklung sind dadurch Grenzen gesetzt. Insbesondere ist es schwierig, mit den herkömmlichen Vorrichtungen zur Tröpfchenerzeugung Brenner im niedrigen Leistungsbereich bis 5 kW zu bauen, deren Wärmeleistung in weiten Bereichen regelbar ist und die strenge Abgasvorschriften einhalten. Auch weisen solche Brenner nach dem Stand der Technik ein relativ großes Bauvolumen und auch eine relativ große Masse auf.

Zur Lösung der vorstehend genannten Probleme, die durch die ungleiche Tröpfchengröße des Brennstoffs entstehen, wurde in der DE 3524701 eine Ultraschallzerstäuberdüse vorgeschlagen, bei der der Brennstoff gleichzeitig über mehrere Spritzöffhungen mit gleichen Durchmessern aus einem Gehäuse austritt, das mittels eines Ultraschallschwingers zu Schwingungen angeregt wird. Die Schwingfrequenz wird so ausgewählt, daß die durch die Spritzöffhungen austretenden Flüssigkeitsstrahlen in gleich große Tröpfchen zerfallen. Der wesentliche Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß der Tröpfchenabstand und die Tröpfchengeschwindigkeit wesentlich von den konstruktiven Parametern der

Vorrichtung abhängen, die für jede Vorrichtung festgelegt werden und somit unveränderbar sind. Somit läßt sich bei einer konkreten Ausfuhrungsform der Vorrichtung der zeitliche Tröpfchenabstand nicht mehr wesentlich verändern, d.h. nur unzureichend regeln. Weiterhin handelt es sich bei dieser Vorrichtung um ein schwingungsfähiges System. Somit können Schwingungen, die durch den Verbrennungsprozeß oder durch andere Umstände erzeugt werden, sich mit den Schwingungen des schwingenden Düsengehäuses überlagern, was zu unkontrollierbaren Veränderungen der Tröpfchenparameter führen kann. Wenn die Vorrichtung ein- oder ausgeschaltet wird, treten Undefinierte Betriebszustände auf So kann es z. B. beim Abschalten zur Bildung von Brennstofftropfen kommen, deren Größe ein Vielfaches der Tröpfchengröße des Betriebszustands beträgt. Die konstruktive Ausführung dieser Vorrichtung weist ebenfalls eine beträchtliche Baugröße und auch ein hohes Gewicht auf.

In der DE 39 12 524 wird gleichfalls eine Vorrichtung zur periodischen Erzeugung von Tröpfchen gleicher Größe und kleinster Abmessung vorgeschlagen. Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Vorkammer auf, von der eine kleine Öffnung nach außen fuhrt. In der Vorkammer steht die Flüssigkeit unter einem statischen Druck, wodurch ein aus der Öffnung austretender laminarer Flüssigkeitstrahl erzeugt wird. Dieser Flüssigkeitsstrahl wird durch einen Quarzkristall-Schallwandler gestört, welcher die in der Vorkammer befindliche Flüssigkeit mit Schall beaufschlagt. Die für den Gegenstand der DE 35 24 701 zutreffenden Nachteile gelten im wesentlichen auch für diese Vorrichtung.

Ergänzend ist für den Stand der Technik noch festzustellen, daß bei den meisten Vorrichtungen die Vorgänge „Brennstoff fordern" und „Brennstoff zerstäuben" bzw. „Brennstoff fördern" und „Brennstoff mischen" durch räumlich getrennte Funktionseinheiten realisiert werden, z.B. mittels einer Pumpe und einer davon getrennt angeordneten Düse. Diese räumliche Trennung vergrößert den Aufbau des Gesamtsystems.

Zur Überwindung der aus dem Stand der Technik nachgewiesenen Nachteile ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung für flüssige Brennstoffe zu schaffen, die

eine sehr weite Regelbarkeit zur Erzielung eines optimalen Ausbrenngrades des Brennstoffs aufweist, wodurch der Schadstoffanteil im Abgas wesentlich vermindert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit der Kombination der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Erfindungsgemäß ist eine Vielzahl von Mikrodosierpumpen zu mindestens einer als Dosiersystem bezeichneten modularen Einheit zusammengefaßt, wobei die Ausstoßöffhungen der Mikrodosierpumpen vorzugsweise innerhalb einer Ebene oder auch räumlich dreidimensional angeordnet sind. Die Dosiersysteme ihrerseits sind außerhalb einer Brennkammer, vorzugsweise an verschiedenen Brennkammerseiten angeordnet. Die Mikrodosierpumpen werden mittels Brennstoffzuleitungen im wesentlichen drucklos mit Brennstoff versorgt. Durch eine elektrische Ansteuerung werden die Mikrodosierpumpen zum Ausstoß von Brennstofftropfchen angeregt. Mittels der elektronischen Ansteuerung können daher - bezogen auf jede einzelne Mikropumpe - der Zeitpunkt des Ausstoßes und weitere Ausstoßparameter separat bestimmt werden. Somit kann die zeitliche und räumliche Verteilung der durch die Vielzahl der Mikrodosierpumpen erzeugten Tröpfchenfront in weiten Grenzen geregelt werden. Die so erzeugten Tröpfchen treten durch eine Öffnung in der Wandung einer Brennkammer in diese ein und werden verbrannt. In der Phase des Austritts aus dem Düsensystem bis zum Eintritt in die Brennkammer werden die Tröpfchen mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, z.B. Luft vermischt. Ein definiert erzeugter Oxidationsmittel-Strom, der vorzugsweise laminar ist, bewirkt eine sehr gleichmäßige Durchmischung. In Verbindung mit einem Regelsystem kann auch bei wechselnden Betriebsbedingungen immer ein optimaler Verbrennungszustand eingestellt bzw. nachgeregelt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Dosiersysteme mittels Fertigungstechnologien der Mikromechanik bzw. der Halbleitertechnik hergestellt, wie sie bereits bei der Fertigung von Druckköpfen für Tintenstrahl-Drucker verwendet werden. Somit können die Mikrodosierpumpen elektrothermische, elektrostatische, elektrodynamische oder piezoelektrische Wandler aufweisen, die aufgrund eines elektrischen Ansteuersignais eine

Expansion von Dampfblasen in einer brennstoffgefüllten Kammer bzw. eine Volumenänderung dieser Kammer bewirken und somit zum wiederholten Ausstoß von im wesentlichen gleich großen Brennstofftropfchen führen. Die vorstehend genannten Technologien ermöglichen eine sehr kostengünstige Fertigung hochpräziser Mikrodosierpumpen, wodurch die Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Brenneranordnung wesentlich gesenkt werden können.

Im Gegensatz zu den im Tintendruck eingesetzten Dosiersystemen besteht bei dem erfindungsgemäßen Brenner nicht die Forderung, jede Tröpfchenerzeugung einzeln abrufen zu können, so daß mehrere Düsen einer Pumpkammer zugeordnet werden können oder mehrere Pumpkammern von einem Wandler betrieben werden können. Damit sind auch hohe Brennstoff-Förderraten bei geringer Komplexität des Dosiersystems erreichbar. Eine unterschiedliche zeitliche und/oder räumliche Verteilung der Tröpfchen zur Beeinflussung des Verbrennungsvorganges läßt sich einerseits durch die Ansteuerfrequenz der Wandler bzw. bei größerer Zahl von Wandlern durch das wechselnde Zu- und Abschalten derselben erzeugen. Andererseits ist es auch möglich, durch die Anordnung der Düsen, deren Gestalt und durch eine Beschichtung der Düsenaustrittsfläche die Größe, die Austrittsrichtung und die Geschwindigkeit der Tröpfchen zu beeinflussen. So kann z.B. ein Auffächern der räumlichen Tröpfchenverteilung erzielt werden, um somit die jedem Brennstofftropfchen zugeordnete Luftmenge zu vergrößern. Die Düsengröße muß so gewählt werden, daß einerseits die Tröpfchengröße bei vorgegebener Ansteuerfrequenz für den gewünschten Brennstoffmassenstrom und damit für den produzierten Wärmestrom ausreicht, andererseits der kapillarische Sperrdruck ein unbeabsichtigtes Ausströmen des Brennstoffs oder Eindringen von Luft in die Düsen verhindert. Bei einem Einsatz des Brenners in einem mobilen System soll diese Absperrwirkung auch bei starken Beschleunigungen gewährleistet sein.

Die nahezu freie Wählbarkeit der Tröpfchenverteilung im Raum ermöglicht eine besonders einfache Zündung des Brenners. Dazu kann z.B. eine ausgewählte, ggf. am Rand liegende Düse gesondert angesteuert werden, so daß mittels einer Zündvorrichtung eine Zündflamme entzündet werden kann. Die verbleibenden Düsen können mittels dieser

Zündflamme in einer optimalen Reihenfolge gezündet werden, so daß bei dem Zündvorgang der Anteil schädlicher Abgase minimiert werden kann.

Entscheidend für eine hohe Wärmeausbeute bei möglichst geringer Schadstoffentwicklung ist die Einstellung eines konstanten Luftverhältnisses λ, d.h. des Verhältnisses zwischen der tatsächlich vorhandenen und der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge zur vollständigen Verbrennung einer bestimmten Menge Brennstoff. Dieses Luftverhältnis λ ist bei idealen Bedingungen gleich 1.

Zusammenfassend weist die erfindungsgemäße Brenneranordnung folgende Merkmale und Vorteile auf:

Ein Dosiersystem zum Dosieren des Brennstoffs, eine Brennkammer mit einem Brennraum zur Verbrennung eines Gemisches aus dem Brennstoff und einem mit dem Brennstoff vermischten gasförmigen Oxidationsmittel, wobei das Dosiersystem eine Vielzahl von Mikrodüsen aufweist, die mit einem oder mehreren Pumpmechanismen integriert sind, wobei diese Pumpmechanismen so betrieben werden, daß über einen Steuerimpuls aus jeder der Düsen pro Steuerimpuls ein Brennstofftropfchen ausgestoßen wird. Die Brennkammer hat eine Eintrittsöffnung, durch welche die von dem Dosiersystem ausgestoßenen Brennstofftropfchen in den Brennraum gespritzt werden, wobei das Dosiersystem so vor der Eintrittsöffnung angeordnetet ist, daß die Brennstofftropfchen in ein gasförmiges Oxidationsmittel, vorzugsweise in Luft, eingebracht werden.

Im Gegensatz zur Ultraschallzerstäubung wird nicht ein vorgegebener Brennstoffstrahl in Tröpfchen zerlegt, sondern die Tröpfchen werden direkt an der Düse erzeugt. Dadurch wird ein wesentlich besseres Ansteuerverhalten des Düsensystems erreicht und bei Ein- bzw. Ausschaltung ein unkontrolliertes Vor- bzw. Nachtropfen oder Nachspritzen des Brennstoffs verhindert. Durch die im Dosiersystem integrierte Pumpe entfällt die bei der Ultraschallzerstäubung erforderliche separate Pumpe. Da die Tröpfchen nicht mittels Ultraschall erzeugt werden, haben betriebsbedingte Schwingungen der erfindungsgemäßen Brenneranordnung nur geringen Einfluß auf die Tröpfchenbildung. Die Bestimmung der

Masse bzw. des Volumes des Brennstoffs kann einfach und genau über die Zählung der ausgestoßenen Tröpfchen erfolgen. Die Tröpfchen treten nicht von selbst aus, sondern sind durch ein Signal definiert abrufbar. Der Druck in der Brennstoffleitung kann gering sein, so daß kein Überdruck erzeugt werden muß. Die Brenneranordnung ist im Gegensatz zum Prinzip der Ultraschallzerstäubung auch für sehr kleine Massenströme geeignet.

Zusätzliche Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brenneranordnung sind Gegenstand von weiteren Unteransprüchen und gehen aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor, in denen eine Ausführungsform der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Gesamtsystem einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung,

Fig. 2 einen Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgang in seinen einzelnen Phasen,

Fig. 3 eine Mikrodosierpumpe in Funktion,

Fig. 4 eine vorteilhafte Konstruktion einer Mikrodosierpumpe,

Fig. 5 ein Gesamtsystem der erfindungsgemäßen Brenneranordnung einschließlich einer vorteilhaften Regelschaltung als Blockschaltbild und

Fig. 6 eine Düsenplatte mit speziell ausgebildeten Düsenöffhungen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, fließt der Brennstoff aus einem nicht dargestellten Reservoir in zwei sich gegenüber stehende Dosiersysteme 1. Die erzeugten Tröpfchen 2 werden in einen wirbelfreien Luftstrom 3 eingespritzt. Dieser Luftstrom 3 wird z.B. durch einen nicht dargestellten Lüfter oder durch ein Druckluftsystem erzeugt und wie hier gezeigt um das Dosiersystem 1 herum oder seitlich an diesem vorbei geleitet. In der Gemischbildungszone 4 verteilen sich die Brennstofftropfchen gleichmäßig in dem wirbelfreien Luftstrom 3. Das

Gemisch aus Luft, bereits gasförmigen Komponenten des Brennstoffs und Brennstofftropfchen tritt durch eine Eintrittsöffnung 5 in den Brennraum 6 einer Brennkammer ein und verbrennt dort als Flamme 7. Der Abgasstrom 8 verläßt den Brennraum 6 durch eine Austrittsöffhung 9. In der Wandung der Brennkammer 10 können sich Hohlräume 11 befinden, die zur Nutzung des entstehenden Wärmestroms von einem Wärmetauschermittel durchströmt werden.

Fig. 2 zeigt den Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgang in seinen einzelnen Phasen:

a) Einspritzen der Tröpfchen 2 in den Luftstrom 3.

b) Einfangen der Tröpfchen durch den Luftstrom 3, wobei die Tröpfchen durch den Luftstrom 3 soweit abgebremst werden, daß sich die Luft und die Brennstofftropfchen mit näherungsweise gleicher Geschwindigkeit bewegen. Bereits in dieser Phase erfolgt eine teilweise Verdampfung des Brennstoffs, wobei sich die Tröpfchengröße verringert.

c) Eintritt des Gemisches durch die Eintrittsöffnung 5 in den Brennraum 6 einer Brennkammer und vollständiges Verdampfen der verbliebenen Tröpfchen.

d) Durchmischen des nun gasförmigen Gemisches durch Diffusion und Turbulenz sowie Verbrennung in der Flamme 7.

Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt das Funktionsprinzip einer Mikrodosierpumpe mit einem Piezowandler, die beispielhaft in dem Dosiersystem Anwendung finden kann. Aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effektes verändert ein Piezokeramik-Wandler 21, der normal zur Plattenebene polarisiert wurde, beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 22 seine Gestalt; je nach Polarität der Spannung wird er dabei seine Fläche vergrößern oder verkleinern. Ist eine der Oberflächen des Wandlers 2 mit einer flexiblen Membran 23 verbunden (zum Beispiel durch Kleben), so wird sich dieser Verbund beim Anlegen einer Spannung entgegen der Polarisierungsrichtung (negativ) derart verwölben, daß die freie Membranoberfläche 24 eine konkave Gestalt annimmt, und beim Anlegen einer

Spannung in Polarisierungsrichtung (positiv) derart, daß die freie Membranoberfläche 24 konvex wird. Im Verbund mit einer Pumpkammer 25 führt dieses Verhalten zu deren Volumenvergrößerung bzw. -Verkleinerung.

Ein Tröpfchenausstoßzyklus läuft somit folgendermaßen ab: In Fig. 3a befindet sich die Pumpe im Ruhezustand. Die Pumpkammer 25 ist mit Brennstoff gefüllt; ein schwacher Unterdruck am Eintritt 28 der Pumpkammer verhindert das Auslaufen des Brennstoffs aus der Düse 27, wobei sich ein konkaver Flüssigkeitsmeniskus 26 in der Düse 27 ausbildet. Durch Anlegen einer negativen Spannung an den Piezowandler (gem. Fig. 3b) vergrößert sich das Volumen der Pumpkammer 25, gleichzeitig zieht sich der Flüssigkeitsmeniskus 26 in der Düse 27 zurück. Durch Umpolen der Spannung (gem. Fig. 3c) wird diese Verformung umgekehrt, wodurch der Flüssigkeitsmeniskus 26 in der Düse 27 stark beschleunigt wird, so daß ein Flüssigkeitsstrahl 29 austritt, der gegen Ende der Volumenverkleinerung der Pumpkammer 25 abreißt und - durch Zähigkeitskräfte und Oberflächenkräfte des Brennstoffs beeinflußt - ein schnell fliegendes Tröpfchen 30 bildet. Fig. 3d zeigt die Pumpe während der Rückkehr in den Ruhezustand, wobei der nach dem Tröpfchenausstoß in die Düse 27 zurückgezogene Flüssigkeitsmeniskus 26 wieder in seine Gleichgewichtslage zurückkehrt und dabei das fehlende Flüssigkeitsvolumen über die Eintrittsöffnung 28 in die Pumpkammer 25 nachfördert.

Fig. 4 zeigt eine speziell auf den Anwendungsfall angepaßte Piezo-Pumpe. Bei dieser Bauform ist ein Piezowandler 31 zwischen einem Substrat 32 und einer flexiblen Membran 33 eingespannt. Durch Verlängerung bzw. Verkürzung des Piezowandlers 31 wird diese bewegt. Ahnlich wie in Fig. 3 dargestellt, werden so Tröpfchen aus einer Düsenplatte 34 ausgestoßen, mit dem Unterschied, daß ein Wandler mehrere Düsen betreibt.

Fig. 5 zeigt ein Gesamtsystem der Brenneranordnung einschließlich einer vorteilhaften Regelschaltung als Blockschaltbild. Die relevanten Betriebszustände der Brenneranordnung, einschließlich der Brennkammer werden mittels Sensoren erfaßt, deren Signale über eine Steuereinheit zur Steuerung der Luftzuführung und des Tröpfchenausstoßes verwendet werden. Vorzugsweise werden Sensoren zur Messung folgender Meßgrößen angeordnet:

Lufttemperatur, Luftdruck und Luftgeschwindigkeit am Eintritt in den Brennraum, Abgastemperatur, Abgaszusammensetzung, insbesondere Sauerstoffrestgehalt, Kohlenmonoxidgehalt, Flammenzustand.

Fig. 6 zeigt eine Düsenplatte mit speziell geformten Düsenöffhungen. Durch eine spezielle Formgebung der Düsenöffhung kann ein spezielles, angestrebtes Verteilungsmuster der Tröpfchen erzeugt werden.

Nachfolgend ist beschrieben, wie die Einstellung eines gewünschten Luftverhältnisses gelöst wird. Im Betrieb werden die von der Dosierpumpe erzeugten Tröpfchen von einem Luftstrom erfaßt und in den Brennraum getragen. Der Luftstrom kann dabei aufgrund der geringen Größe des Tröpfchenerzeugers entweder um diesen herum oder seitlich an diesem vorbeigeleitet werden. Dabei wird der Luftstrom derart geleitet, daß er die Tröpfchen so mit sich führt, daß jedem Tröpfchen eine ausreichende Menge Verbrennungsluft in seiner unmittelbaren Umgebung zur Verfügung steht. Der Gemischstrom ist gleichsam in eine Vielzahl von Zellen unterteilt, die jeweils ein Brennstofftropfchen mit der zur Verbrennung benötigten Luft enthalten. Dies wird durch Einstellen einer bestimmten Tröpfchenfrequenz an einer bestimmten Anzahl von Düsen oder Düsengruppen bei einem bestimmten Luftmassenstrom erreicht, so daß das gewünschte Luftverhältnis zu jedem Zeitpunkt überall im Gemischstrom erreicht wird.

Die gewünschte Verteilung des Brennstoffs im Gemischstrom kann durch eine geeignete Verteilung der Düsen auf der Düsenplatte und/oder auch durch Düsen unterschiedlicher Größe sichergestellt werden.

Wegen der geringen Masse der Tröpfchen ist es zweckmäßig, den Brennstoff in einen beruhigten Luftstrom einzubringen, um einer Verwirbelung der Tröpfchen und damit der Möglichkeit der Agglomeration mehrerer Tröpfchen vorzubeugen. Der Luftstrom kann dabei z.B. durch einen regelbaren Lüfter oder eine regelbare Druckluftvorrichtung eingestellt werden. Wenn dieses Vorgemisch in den heißen Brennraum eintritt, setzt die Verdampfung der Tröpfchen ein, und eine vollständige Durchmischung findet noch vor

Erreichen der Flammenfront statt. In den Strömungsbereichen, in denen der Verdampfungsprozeß abgeschlossen ist, wird das Gemisch verwirbelt, um örtlich stabile Flammenfronten zu erzielen. Diese sehr homogene Gemischbildung ermöglicht eine gleichmäßige Verbrennung mit hohem Ausbrandgrad und damit einen geringen Schadstoffausstoß. Durch geeignete Gestaltung des Brennraumes in Kombination mit einer an die Brennraumform angepaßten räumlichen und zeitlichen Tröpfchenverteilung kann eine sehr gleichmäßige Wärmedichteverteilung erreicht werden. Durch die Vermeidung örtlicher Temperaturspitzen wird die Entstehung von Stickoxiden (NOX) verringert und die Wahlmöglichkeit für den Werkstoff der Brennraumwände erweitert werden.

Die vorstehende Beschreibung einer Ausführungsform dient lediglich der Erläuterung nur einer von mehreren möglichen speziellen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes. Es ist klar, daß zahlreiche und unterschiedliche andere Anordnungen bei Kenntnis der durch die Erfindung vermittelten Lehre durch den Fachmann vorgenommen werden können, die jedoch als in den Rahmen der Erindung fallend anzusehen sind.