DE3600053A1

DE3600053A1 - Verfahren zur zuleitung von waerme an einen motor mit waermezufuhr von aussen durch intermittierende verbrennung sowie motor zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3600053A1
Application number: DE19863600053
Authority: DE
Inventors: Stig G. Malmö Carlqvist
Original assignee: CARLQVIST STIG G MOTOR CONSULT
Current assignee: CARLQVIST STIG G MOTOR CONSULT
Priority date: 1985-01-14
Filing date: 1986-01-03
Publication date: 1986-07-17
Also published as: FR2576061A1; US4693082A; JPS61185658A; GB2169969A; SE8500149D0; SE8500149L; SE458051B; GB2169969B; GB8600592D0

Description

, P 9785 - regb

O 30.12.1985

STIG G. CARLQVIST MOTOR CONSULTANT, (C.M.C.) Aktiebolag, Malmö, Schweden

VERFAHREN ZUR ZULEITUNG VON WÄRME AN EINEN MOTOR MIT WÄRMEZUFUHR VON AUSSEN DURCH INTERMITTIERENDE VERBRENNUNG SOWIE MOTOR ZUR DURCHFÜHRUNG DES

VERFAHRENS

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuleitung von Wärme an einen Motor mit Wärmezufuhr von aussen durch intermittierende Verbrennung. Ausserdem umfasst die Erfindung einen Motor zur Durchführung dieses Verfahrens.

\a/ Ein Heissgasmotor arbeitet mit einem geschlossenen,

thermodynamischen System, in dem ein Arbeitsmittel, beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Luft, von einem Erhitzer mit Wärme versorgt wird. Der Erhitzer erhält seine Wärme von aussen her, beispielsweise

durch Verbrennung eines Brennstoffs in einer Brenn- f, kammer.

Die Wärmeübertragung wird weitgehend gesteigert, falls die Verbrennung intermittierend ausgebildet wird, da die ständig variierende Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase den Aufbau von isolierenden Grenzschichten im Erhitzer verhindern.

Die Zuleitung von Luft zur Brennkammer und die Beseitigung von Abgasen aus der Brennkammer können ausserdem selbstwirkend ausgebildet werden, wodurch sich die Verwendung eines einen hohen Energieaufwand verlangenden Lüfters erübrigt.

Für Motoren mit Wärmezufuhr von aussen, beispielsweise Heissgasmotoren, wird normalerweise eine Brennkammer mit kontinuierlicher Verbrennung benutzt, und hierzu werden gross Wärmeübertragungsflächen und hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase benötigt, um die erforderliche Wärmeübertragung an den Motor aufrechtzuerhalten. Hierdurch entsteht auch

der Bedarf an einem kräftigen Lüfter, dessen Leistungs-

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dann durch den Erhitzer 7 des Heissgasmotors an der Aussenseite der bereits erwähnten Erhitzerrohre Ie des Erhitzers. Die Wärme, die nicht direkt vom Heissgasmotor ausgenutzt werden kann, wird dann in den bereits beschriebenen Gegenstrom-Blechwärmetauschern 4 wiedergewonnen, und die Abgase werden durch das Abgasrohr 8 abgeleitet.

Fig. 2 zeigt eine einfachere Ausführungsform des Motorsystems, deren Aufgabe es ist, teils Leistung und teils Wärme zur Warmwasserversorgung zu gewinnen. Der Heissgasmotor 1 treibt in diesem Falle auch eine Maschine, einen Stromerzeuger, eine Wärmepumpe oder eine Klimaanlage 2 an. Der Motor wird mit Kühlwasser Ib gekühlt, welches erforderlichenfalls zum Zwecke der Erwärmung benutzt werden kann. Der Regenerator und der Kühler des Motors sind in diesem Falle in den Motorzylinder eingebaut, der in den Abgasstrom von der Brennkammer hineinragt und mit Wärmeflanschen zu wirksamen Wärmeübertragung versehen ist. Die Verbrennungsluft 3a strömt intermittierend durch die Einlaufventile 3 ein und wird dann mit Brennstoff 5a vermischt, das durch das Brennstoffrohr 5 durch die Brennstoffdüse 5b ausströmt. Beim Start der Brennkammer wird der Brennstoff von der Zündkerze 5c entzündet, die dann abgeschaltet wird, wonach die intermittierende Zündung durch rückströmende, heisse Abgase oder mit Hilfe eines Glühkörpers 5d erfolgt. Nach der Verbrennung strömen die Verbrennungsgase durch den Erhitzer 7 des Heissgasmotors, wo ein Teil des Wärmeinhalts des Gases an den Heissgasmotor übertragen wird. Restliche Wärme wird grösstenteils in einem Wasserwärmer 9 absorbiert, der Wasser 9a für Versorgungszwecke erwärmt. Danach strömen die Abgase durch das Abgasrohr 8 nach aussen.

Die beiden Zeichnungsfiguren veranschaulichen nur Beispiele der Anwendung der vorliegenden Erfindung. Der Heissgasmotor kann durch einen anderen Motor mit

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Wärmezufuhr von aussen ersetzt werden, wie eine Gasturbine (offener oder geschlossener Brayton-Zyklus), Dampfkolbenmotor oder Dampfturbine (Rankine-Zyklus). Der der Brennkammer zugeführte Brennstoff kann gasförmig, flüssig oder fest in Pulverform sein. Das mechanische Luftventil kann ein aerodynamisches Ventil sein. Der in Fig. 2 gezeigte Wasserwärmetauscher kann ein Gas/Gaswärmetauscher sein. Schliesslich kann der Heissgasmotor in beiden Figuren ein Freikolbenmotor sein, der Strom oder eine hydraulische oder pneumatische Leistung erzeugt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

J Verfahren zur Zuleitung von Wärme an einen Motor (1) mit Wärmezufuhr von aussen durch Verbrennung von Brennstoff (5a) und Verbrennungsluft (3a) in einer Brennkammer (Id), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung intermittiernd erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Brennkammer (Id) eine Vorrichtung (3) zur Zuleitung der Verbrennungsluft (3a), ein Einspritzsystem (5, 5b) zur Zuleitung des Brennstoffs (5a), einen Erhitzer

(7) für die Wärmezuleitung und ein Abgassystem (8) zur Ableitung der Abgase besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zu Zuleitung der Verbrennungsluft (3a) von einem Ventilsystem (3) gebildet ist, das dem Brennstoffeinspritzsystem (5, 5b) vorgeschaltet wird, dass zwischen dem Brennstoffeinspritzsystem (5, 5b) und dem Erhitzer (7) ein Turbulenzerzeuger (6) vorgesehen wird, der den Brennstoff (5a) mit der Verbrennungsluft (3a) vermischt, und dass der Erhitzer (7) derart in der Brennkammer (Id) angebracht wird, dass die intermittierende Bewegung der Verbrennungsgase nicht gestört wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem (8) derart ausgebildet wird, dass die Restwärme rückgewonnen werden kann, vorzugsweise zum Vorwärmen der Verbrennungsluft (3a) oder zum Wärmen von z.B. Wasser für die Warmwasserversorgung, wobei auch in diesem Falle die Bedingungen der intermittierende Strömung erfüllt sein müssen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Strömung durch Ausnutzen der Triebkraft der einströmenden, kalten Verbrennungsluft ( l.i ) und d<>! ent sprerhendon Triebkraft der ausströmenden,

heissen Abgase erzielt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (5a) und die Verbrennungsluft (3a) im Turbulenzerzeuger (6) beim Start mittels einer Zündkerze (5c) endzündet wird, die beim weiteren Betrieb weggeschaltet wird, da Selbstzündung erfolgt.
6. Motor für die Wärmezufuhr von aussen durch Verbrennung von Brennstoff (5a) und Verbrennungsluft (3a) in einer Brennkammer (Id) mit einer Vorrichtung (3) zur Zuleitung der Verbrennungsluft (3a), einem Einspritzsystem (5, 5b) zu Zuleitung des Brennstoffs (5a), einem Erhitzer (7) zur Zuleitung von Wärme an den Motor (1) und einem Abgassystem (8) zum Ableiten der Abgase, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewirkung der intermittierende Verbrennung die Vorrichtung zur Zuleitung der Verbrennungsluft (3a) von einem Ventilsystem (3) gebildet ist, das dem Brennstoffeinspritzsystem (5, 5b) vorgeschaltet ist, dass zwischen dem Brennstoffeinspritzsystem (5, 5b) und dem Erhitzer (7) ein Turbulenzerzeuger (6) angebracht ist, um Brennstoff (5a) und Verbrennungsluft (3a) zu vermischen, und dass der Erhitzer (7) derart in der Brennkammer (Id) angebracht ist, dass die intermittierende Bewegung der Verbrennungsgase unbehindert ist.
7. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem (8) derart ausgebildet ist, dass Restwärme gewonnen werden kann, vorzugsweise zum Vorwärmen der eintretenden Verbrennungsluft (3a) oder zum Wärmen von z.B. Wasser für die Warmwasserversorgung.
8. Motor nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Zündkerze (5c), die beim Start das Gemisch aus Brennstoff (5a) und Verbrennungsluft (3a) entzündet und beim weiteren Betrieb wegschaltbar ist, da Selbstzündung erfolgt.

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9. Motor nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennz eichnet, dass zwischen dem Ventilsystem (3) und dem Brennstoffeinspritzsystem (5) ein Luftvorwärmer (4) angebracht ist, der von den
Verbrennungsgasen nach dem Erhitzer (7) durchströmt wird, um die eintretende Verbrennungsluft (3a) mit
der Restwärme zu erhitzen.
10. Motor nach einem der Ansprüche 6-9, g e k e η η ζ e i c η e t durch einen im Turbulenzerzeuger (6) vorgesehenen Glühkörper (5d), der die intermittierende Verbrennung unterstützt und sicherstellt.

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kammer gesteuert. Die intermittierende Funktion führt da2u, dass die Luft und die Abgase unter Selbstwirkung geführt werden, gleichzeitig wie die Wärmeübertragung im Erhitzer des Motors beträchtlich gesteigert wird. "D 5 Beispiele derartiger Wärmesysteme sind in zwei verschiedenen Ausführungsformen in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht. Fig. 1 zeigt ein System, bei dem ein maximaler Leistungsgrad erstrebt wird und das deshalb einen wirksamen Luftvorwärmer benötigt. Fig. 2 zeigt ein einfacheres System, bei dem die erzeugte Energie teils in Form von Leistung und teils in Form von Warmwasser benutzt wird. Ausserdem kann, wie dies sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 der Fall ist, in sämtlichen Heissgasmotoren das erhitzte Kühlwasser vom Motor direkt für Erhitzungszwecke benutzt werden. Die Leistung kann zum Antrieb von Maschinen, zur Erzeugung von elektrischem Strom, oder zum Antrieb einer Wärmepumpe oder alternativ einer Klimaanlage benutzt werden.

Fig. 1 zeigt ein Motorsystem bestehend aus einem Heissgasmotor 1, der eine Vorrichtung 2 antreibt, die eine Maschine, ein Stromerzeuger, eine Wärmepumpe oder eine Klimaanlage sein kann. Der Heissgasmotor hat in herkömmlicher Weise einen Kühler la mit Kühlwasserzufuhr Ib und Regeneratoren Ic. Die Wärmezufuhr erfolgt durch den Erhitzer Id und die Wärmerohre Ie. Die Luft wird bei 3a in das Brennkammersystem durch das Rückschlagventil 3 hineingeleitet. In einem Gegenstrom-Luftvorwärmer 4 wird die Luft erhitzt und dann 0 mit durch das Brennstoffrohr 5 vom Brennstoffverteiler 5b herangeleitetem Brennstoff 5a vermischt. Das Zünden des Brennstoffs erfolgt beim Start mit einer Zündkerze 5c und dann automatisch durch rückströmende, heisse Verbrennungsgase oder mittels eines besonderen Glüh-5 körpers 5d, der in einem zur wirksamen Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches beitragenden Turbulenzerzeuger 6 angebracht ist. Die Verbrennungsgase strömen

bedarf die von der Motorwelle erzeugte Leistung in unerwünschtem Ausmasse herabsetzt.

Die Schwierigkeiten, die intermittierende Verbrennung erfolgreich auf Motoren mit Wärmezufuhr von aussen anzuwenden, haben dazu geführt, dass es heutzutage kaum ein praktisch verwendbares Verfahren auf diesem Gebiet gibt.
Δ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

Funktion der intermittierende Verbrennung im Erhitzer eines Heissgasmotors in einer solchen Weise zu integrieren, dass die Wärmeübertragungsbedingungen erfüllt werden, gleichzeitig wie die intermittierende Verbrennung aufrechterhalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Ventilsystem der Brennkammer dem Luftvorwärmer, falls ein solcher vorhanden ist, und der Brennstoffeinspritzung vorgeschaltet wird. In einem Turbulenzerzeuger werden Luft und Brennstoff vermischt und beim Start mittels einer Zündkerze entzündet, die beim weiteren Betrieb weggeschaltet werden kann, da Selbstzündung erfolgt. In der Brennkammer wird der Erhitzer des Motors mit Erhitzerrohren oder Wärmeflanschen in einer solchen Weise angeordnet, dass die intermittierende Bewegung der Verbrennungsgase nicht behindert wird. Schliesslich wird das Abgassystem derart ausgebildet, dass die Restwärme entweder zum Erhitzen der Zuluft oder zum Erhitzen von beispielsweise Wasser für die Warmwasserversorgung ausgenutzt wird. Auch in diesem Teil des Verbrennungssystems müssen die Bedingungen der intermittierende Strömung erfüllt sein. Die intermittierende Funktion wird durch Ausnutzen der Triebkraft der einströmenden Kaltluft und der entsprechenden Triebkraft der auströmenden, heissen Abgase erzielt. Der Verlauf wird mittels der oben beschriebenen, kalten und heissen Gassäulen,

vom Einlaufventil und von der automatisch wiederkehrenden Zündung des Brennstoff-Luftgemisches in der Brenn-

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