DE2106194C3 - HeiBgasmotor mit geschlossenem Kreislauf und mit mindestens zwei Erhitzerteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor, in dem ein gasförmiges Medium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, mit einem Erhitzer und einer Vorrichtung für die Zufuhr von Wärme zu dem Erhitzer, welche mindestens eine Brennervorrichtung enthält und daran anschließend mindestens eine Zufuhr für Brennstoff, mindestens eine Zufuhr für Verbrennungsluft und mindestens eine Abfuhr für Rauchgasgemisch, wobei die Brennervorrichtung sich nacheinander über einen ersten Erhitzerteil, einen Raum und mindestens einen weiteren Erhitzerteil an eine Abfuhrleitung anschließt.

Ein Heißgasmotor obenerwähnter Art ist aus der »MTZ Motortechnischen Zeitschrift«, Jahrgang 29, Nr. 7, Juli 1968, insbesondere Fig. 13, bekannt.

Heißgasmotoren haben den üblichen Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung gegenüber unter anderem den Vorteil, daß die Verbrennungsgase beträchtlich sauberer sind, d. h. insbesondere weniger Kohlenmonoxyde und unverbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten. Demzufolge sind Heißgasmotoren hervorragend für eine Verwendung an solchen Orten geeignet, wo die Luftverunreinigung auf ein Minimum beschränkt werden muß. Solche Orte sind beispielsweise Fabrik- bzw. Speicherräume, in denen der Motor fest aufgestellt ist oder als Kraftquelle in Fahrzeugen vorhanden ist, und Bergwerke in denen der Motor als Kraftquelle in Fahrzeugen verwendet wird. Auch Städte mit ihrer großen Bevölkerungskonzentration und ihren zahllosen, gesundheitsschädliche Gase produzie

renden Fahrzeugen gehören dazu.

Es hat sich herausgestellt, daß, obwohl die Abgase des Heißgasmotors arm sind an schädlichen Bestandteilen, sie noch eine geringe Menge «on Stickstoffoxyden enthalten. Diese Sticksioffoxyde sind gesundheitsschädlich und dürfen deshalb eine bestimmte Konzentration in der Atmosphäre nicht überschreiten. Dies bedeutet, daß man zur Einschränkung der Konzentration dieser Oxyde die Räume, in denen der Motor arbeitet, ventilieren muß, was natürlich nachteilig ist.

Nun ist es aus der US-PS 30 48 131 bekannt, zur Verringerung der Stickstoffoxyde in den Abgasen einer Brennervorrichtung dem Brenner eine Menge Verbrennungsluft zuzuführen, die kleiner ist als die theoretisch für völlige Verbrennung erforderliche, und die restliche Menge Verbrennungsluft dem reagierenden Gemisch zuzuführen an einer Stelle im Abstand vom Brenner. Zwar führt dies zu einer Verringerung der Stickstoffoxydbildung, das Ergebnis ist aber noch nicht optimal.

Die Erfindung bezweckt einen verbesserten Heißgasmotor zu schaffen, bei dem die Stickstoffoxydbildung weiter verringert ist.

Der Heißgasmotor nach der Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, daß mindestens eine weitere Zufuhr für Verbrennungsluft vorhanden ist, die sich an den zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegenden Raum anschließt. Dadurch, daß die weitere Zufuhr für Verbrennungsluft stromabwärts des reagierenden Gemisches nach dem ersten Erhitzerteil liegt, ist auf vorteilhafte Weise erreicht worden, daß dem reagierenden Gemisch vom ersten Erhitzerteil eine große Menge Wärme entzogen wird, bevor die sekundäre Verbrennungsluft diesem Gemisch zugeführt wird. Dies bedeutet, daß die Reaktiunsieinperaturen wegen der Kühlung durch den ersten Erhitzerteil niedriger sind und infolgedessen die Stickstoffoxydbildung minimal ist.

Fine günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heißgasmotors hat das Kennzeichen, daß einer oder mehrere Katalysatoren vorhanden sind, die in der Nähe der erwähnten Erhitzerteile und/oder· in der Nähe von bzw. an den Wänden der Räume, in denen diese Erhitzerteile angeordnet sind, vorgesehen sind.

Es wird bemerkt, daß die Anwendung von Katalysatoren im sekundären Verbrennungsraum einer Brennervorrichtung an sich aus der CH-PS 3 12 089 bekannt ist. Die Verwendung von Katalysatoren bietet in dem vorliegenden Fall den Sondervorteil, daß der Raum zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil geringe Abmessungen haben kann, da das chemische Gleichgewicht zwischen den Komponenten des durch diesen Raum strömenden Gasgemisches durch die katalytische Wirkung schneller erreicht wird, und eine geringere Aufenthaltszeit des Gasgemisches in dem erwähnten Raum ausreichend ist.

Wenn Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, sind schädliche unverbrannte Brennstoffreste von vornherein nicht vorhanden, während die Bildung von Stickstoffoxyden verhindert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

In F i g. 1 wird mit der Bezugsziffer 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem sich ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 phasenverschoben bewegen können. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind durch eine Kolbenstange 4

bzw. Verdrängerstand 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionsraum 6, während sich oberhalb des Verdrängers 3 ein Expansionsraum 7 befindet Der Kompressionsraum 6 und der Expansionsraum 7 stehen üb.;r einen Kühler 8, einen Regenerator 9 und einen Erhitzer 10 miteinander in Verbindung.

Der in einem Gehäuse 11 vorgesehene Erhitzer 10 ist aus einer Anzahl von Röhren 12 aufgebaut, die sich einerseits an den Regenerator 9 und andererseits an einen Ringkanal 13 anschließen, und einer Anzahl von Röhren 14, die sich einerseits an den Ringkanal 13 und andererseits an den Expansionsraum 7 anschließen.

Eine Reihe von Zwischenwänden 15 verteilt den Raum innerhalb der Erhitzerröhren in zwei Teilräume 16 und 17. Zwischen den Wänden des Gehäuses 11 und des Erhitzers 10 befindet sich ein Raum 18. Der Heißgasmotor ist mit einer Brennervorrichtung 19 versehen, an die sich eine Zufuhr 20 für Brennstoff und eine Zufuhr 21 für Verbrennungsluft anschließen. Die Brennervorrichtung 19 schließt sich über den Teilraum 16, einen durch die oberhalb der Zwischenwände 15 liegenden Teile der Röhren 12, sowie durch den Ringkanal 13 und die Röhren 14 gebildeten ersten Erhitzerteil an den Raum 18 an, der sich seinerseits über einen zweiten, durch die unteren Teile der Röhren 12 gebildeten Erhitzerteil und über den Teilraum 17 an eine Abfuhr 22 für Verbrennungsgase anschließt. Der Raum 18 ist weiter mit einer Zufuhr 23 für Verbrennungsluft versehen.

Der Motor enthält einen Vorerhitzer 24, der sich über eine gemeinsame Leitung 25 an die beiden Zufuhren 21 und 23 für Verbrennungsluft und über eine Leitung 26 an die Abfuhr 22 für Verbrennungsgase ansehließt. In diesem Vorerhitzer können die Verbrennungsgase Wärme austauschen mit der Verbrennungsluft. Zum Ansaugen von Verbrennungsluft ist ein regelbarer Ventilator 27 vorhanden, während in die Leitung 25 ein Verteilhahn 28 aufgenommen ist, mit dem die von dem Ventilator angesaugte Menge Verbrennungsluft über die beiden Zufuhren 21 und 23 verteilt werden kann.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Der Zufuhr 21 wird eine Menge Verbrennungsluft zugeführt, die kleiner ist als die Menge, die stöchiometrisch der der Zufuhr 20 zugeführten Brennstoffmenge entspricht. Demzufolge werden während der Verbrennungsreaktionen in der Brennervorrichtung 19 wegen der niedrigen Sauerstoffkonzentration kaum Stickstoffoxyde gebildet. Außerdem wird bei dem nahezu adiabatisch verlaufenden Verbrennungsprozeß weniger Wärme entwickelt, was zu niedrigeren Temperaturen in der Brennervorrichtuiig führt. Der niedrigere Temperaturpegel sorgt außerdem dafür, daß kaum Stickstoffoxyde gebildet werden. Das in der Brennervorrichtung 19 gebildete Gasgemisch strömt nun an dem ersten, bereits beschriebenen Erhitzerteil unter Abgabe von Wärme entlang und bekommt eine niedrigere Temperatur. Danach strömt es in den Raum 18 und reagiert dort mit der diesem Raum über Zufuhr 23 zugeführten Verbrennungsluft. Hierdurch finde? ein Temperaturanstieg des Gasgemisches statt. Durch eine geeignete Wahl der Menge der der Zufuhr 23 zugeführten Verbrennungsluft findet eine vollständige Verbrennung des übrigbleibenden Brennstoffes bei einem solchen Temperaturpegel im Raum 18 statt, daß eine Bildung von Stickstoffoxyden nahezu nicht stattfindet

Um zu erreichen, daß die Komponenten des den Raum 18 verlassenden Gasgemisches sich in einem nahezu vollständigen chemischen Gleichgewicht befinden und sich also bei dem herrschenden Temperaturpegel in diesem Raum nahezu keine Stickstoffoxyde, Kohlenwasserstoffe und andere schädliche Gase mehr befinden, hat der Raum 18 derart große Abmessungen, daß die Aufenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum lang genug ist zur Herstellung dieses Gleichgewichtes. Das Gasgemisch strömt danach unter Abgabe von Wärme an dem zweiten, durch die unteren Teile der Röhren 12 gebildeten Erhitzerteil entlang, wodurch das Gemisch erneut eine niedrigere Temperatur bekommt, und strömt danach über die Abfuhr 22 und die Leitung 26 zu dem Vorerhitzer 24, wo es im Gegenstrom mit der angesaugten Verbrennungsluft derselben Wärme abgibt. Die Verwendung eines Vorerhitzers ist nicht unbedingt notwendig, jedoch sehr günstig, um die kalorischen Verluste auf ein Minimum zu beschränken.

In F i g. 2 ist ein Heißgasmotor dargestellt, der nahezu vollständig dem in F i g. 1 entspricht. Für die entsprechenden Teile werden dieselben Bezugsziffern verwendet.

Der ein/ige Unterschied ist der, daß nun in der Nähe des Erhitzers in dem Raum 18 und dem Teilraum 16 Katalysatoren 30 vorgesehen sind, die beispielsweise aus feinverteiltem Platin bestehen. Die Katalysatoren üben einen günstigen Einfluß auf den Verbrennungsprozeß aus, vor allem an den Stellen, wo wegen der relativ niedrigen Temperatur (beispielsweise die Wände des Gehäuses 11) die Gefahr einer unvollständigen Verbrennung besteht. Durch die katalytische, reaktionsbeschleunigende Wirkung wird das erwünschte chemische Gleichgewicht zwischen den Komponenten des Gasgemisches in dem Raum 18 schneller hergestellt. Die erforderliche Aufenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum ist somit kleiner. Dei Raum 18 ist in diesem Fall denn auch kleiner ausgebildet als bei dem Heißgasmotor nach F i g. 1, so daß der vorliegende Heißgasmotor im Ganzen kleinere Abmessungen hat.

Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform des Heißgasmotors jeweils nur zwei Erhitzerteile dargestellt sind, sind selbstverständlich auch mehrere Erhitzerteile möglich, wobei dann an den Raum zwischen zwei benachbarten Erhitzerteilen jeweils eine Zufuhr für Verbrennungsluft anschließbar ist

Außer den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen sind noch andere Ausführungsformen möglich, wobei das System der Verbrennung in Stufen mit dazwischenliegender Wärmeabgabe des Gemisches gleichfalls anwendbar ist.

Hierzu 2 Bbtt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Heißgasmotor, in dem ein gasförmiges Medium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, mit einem Erhitzer und einer Vorrichtung für die Zufuhr von Wärme zu dem Erhitzer, welche mindestens eine Brennervorrichtung enthält und daran anschließend mindestens eine Zufuhr für Brennstoff, mindestens eine Zufuhr für Verbrennungsluft und mindestens eine Abfuhr für Rauchgasgemisch, wobei die Brennervorrichtung sich nacheinander über einen ersten Erhitzerteil, einen Raum und mindestens einen weiteren Erhitzerteil an eine Abfuhrleitung anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Zufuhr (23) für Verbrennungsluft vorhanden ist, die sich an den zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegenden Raum (18) anschließt.

2. Heißgasmotor nach Anspruch 1, dadurch ge- *> kennzeichnet, daß einer oder mehrere Katalysatoren (30) vorhanden sind, die in der Nähe der erwähnten Erhitzerteile und/oder in der Nähe von bzw. an den Wänden der Räume (16, 18), in denen diese Erhitzerteile angeordnet sind, vorgesehen ¹S sind.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegende Raum (18) ein Volumen hat, bei dem die ^fenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum (18) lang genug ist zum Erreichen eines wenigstens nahezu vollständigen chemischen Gleichgewichts dieses Gasgemisches bei dem herrschenden Temperaturpegel.

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