DE19607240A1 - Flügelzellenmotor mit äußerer kontinuierlicher Verbrennung - Google Patents

Description

Bei dem Erfindungsgegenstand handelt es sich um einen Verbrennungsmotor mit äußerer, kontinuierlicher Verbrennung, bei offenem oder geschlossenem Arbeitsprozeß, und Nutzung der Abwärme innerhalb des Motors. Das Einsatzgebiet des Motors ist das selbe wie das der bekannten Hub- bzw. Kreiskolbenmotoren, nämlich Otto- Motor, Diesel- und Wankelmotor. Darüber hinaus bietet sich besonders die Anwendung im Bereich der Kraft-Wärmekopplung, sowie zum Antrieb von Wärmepumpen an.

Der Stand der Technik wird zur Zeit markiert durch Hubkolbenmotoren, bei welchen der Entwicklungsschwerpunkt auf Verbrauchsminderung und Minderung der Abgasschadstoffe im Interesse von Umweltschutz und Resourcenschonung liegt. Die zweifellos zu verzeichnenden Fortschritte dürfen aber nicht darüber hinwegtäuschen, daß die bei Hubkolbenmotoren ohnehin ungünstigen Verhältnisse zwischen Masse und Bauvolumen einerseits, und durchgesetztem Luftvolumen andererseits, durch periphere Anreicherung mit Aggregaten wie:

Abgaskatalysator nebst Regelung, Mehrventiltechnik z. T. mit Steuerzeitenverstellung, komplexer Einspritzsysteme, umschaltbarer Ansaugsysteme, Abgasturbolader und Ladeluftkühler, noch schlechter geworden sind. Das Bestreben, Fahrzeuge im Interesse der Verbrauchsminderung leichter zu bauen, wird durch die Gewichtserhöhung im Antriebsbereich konterkariert. Selbstverständlich ist auch, daß die Verkomplizierung der Antriebe zu höheren Kosten und zu größerer Störanfälligkeit führt. Weitere Verbrauchsminderungen und Minderung der Abgasschadstoffe, falls sie auf dem seitherigen Wege realisiert werden sollen, werden eine enorme Steigerung der Herstellkosten, bzw. Einschränkungen der Fahreigenschaften und des Nutzwertes zur Folge haben. Auch der Einsatz des Wankelmotors, welcher aufgrund seines günstigeren Verhältnisses Bauvolumen/Masse-Leistung, als Fahrzeugantrieb prädestiniert wäre, wird voraussichtlich an der beschriebenen Problematik nichts ändern können. Hier sind es die geometrischen Verhältnisse, die den Einsatz als sparsamen Dieselmotor verhindern. Als Otto-Motor steht die ungünstige Brennraumform, mit großen wärmeableitenden Oberflächen, niedrigen Verbräuchen entgegen.

Als weiterer Anwendungsbereich des Erfindungsgegenstands ist die Kraft-Wärmekopplung genannt.

Da der größte Teil der in Deutschland benötigten Energie zur Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser aufgewandt wird, ist es künftig unumgänglich, diese Energie kaskadenartig in Form von Kraft-Wärmekopplung zu nutzen. Zur Zeit sind für diesen Zweck fast ausschließlich lebensdaueroptimierte Hubkolbenmotoren als Diesel (Heizöl)- oder Erdgas-Motoren im Einsatz. Die Motoren sind meist mit einem Asynchron-Generator gekoppelt, welcher die elektrische Energie erzeugt, welche bei Überschußproduktion ins Netz eingespeist wird. Die Heizenergie wird über das Motor-Kühlsystem und weitere Wärmetauscher in den Gebäudeheizkreis eingespeist. Die kleinsten Geräte beginnen bei einer Heizleistung von ca. 25 kw. Weiter sind statt Diesel- oder Gas-Hubkolbenmotoren auch Stirlingmotoren vorgeschlagen.

Die Nachteile der bekannten Systeme sind hier: Bei den Hubkolbenmotoren die durch innere Verbrennung bedingte, beschränkte Lebensdauer, welche eigentlich ein Mehrfaches der Motoren in Fahrzeugen betragen sollte, die hohe Wartungsintensität, die Lärmproblematik, die Abgasnachbehandlung und das Fehlen der für Einfamilienhäuser benötigten kleineren Einheiten. Stirlingmotoren sind in ähnlicher Weise in die Kraft-Wärmekopplungsanlagen eingebunden wie Hubkolbenmotoren. Das Prinzip der äußeren Verbrennung verschont die vom Prozeßgas beaufschlagten Teile, wie Arbeits- und Verdrängerkolben nebst Zylinder vor Verbrennungsrückständen, und führt zu einer wesentlich höheren Lebenserwartung als bei Hubkolbenmotoren. Der hohe Bauaufwand jedoch, bedingt durch komplizierte Getriebe, hohe Prozeßgasdrücke mit Druckhaltung, aufwendige Wärmetauscher, die große Oberflächen bei kleinem Volumen vereinigen müssen, führt zu hohen Herstellungskosten.

Beiden Antriebsarten haftet die Eigenschaft an, daß die erzeugte Wärmeenergie und die elektrische Energie in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Aus dieser Tatsache ergibt sich bei der Anwendung dieser Systeme folgendes Problem:
Aus Gründen der Kapazitätssteuerung der Energieversorgungsunternehmen - EVU - wäre es wünschenswert, außerhalb der Heizperiode, bzw. in den Übergangs-Jahreszeiten bei Spitzenstrombedarf die Geräte über Fernschaltung zu starten. Die dabei zwangsläufig anfallende Wärme könnte dann nur unter Einsatz eines kostspieligen Wärmespeichers in begrenztem Umfang genutzt werden.

Um den genannten Problemen in den angeführten Anwendungsbereichen gerecht zu werden, soll mit dem Erfindungsgegenstand durch folgende Punkte Verbesserung erreicht werden:
Äußere kontinuierliche Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe, und damit vielstoffähig und schadstoffarm bei geringem Verschleiß und zuverlässiger Funktion der Dichtelemente.
Arbeit im offenen, oder in speziellen Fällen geschlossenen Prozeß.
Regenerative Nutzung der in der Prozeßluft nach dem Ausschieben enthaltenen Wärme durch Verwendung dieser Luft als "Brenner-Luft", und damit hoher thermischer Wirkungsgrad.
Einfache Bauweise, und damit kostengünstige Herstellung. Hohe Leistungsdichte, und damit relativ geringes Gewicht und Bauvolumen.
Geräuscharm, und damit geringer Schalldämpfungsaufwand. Vibrationsarm.
Trockenlauf durch moderne Oberflächentechnik.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben:

Es zeigen:

Fig. 1 zeigt das Gerät mit abgenommenem Abschlußdeckel 7 entsprechend Schnittverlauf A-A.

Fig. 2 zeigt das Gerät im Längsschnitt, wobei der Rotor 2 nur zur Hälfte geschnitten ist.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Gerätes bei geschlossenem Arbeitsprozeß.

Fig. 4 zeigt das Gerät bei Einsatz im Bereich der Kraft-Wärmekopplung, bei geöffneter Absperrklappe 36.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 für den offenen Prozeß erläutert:

Es ist dargestellt ein zweikammeriges Gehäuse 1 bestimmter Breite, in welchem sich mittig ein zylindrischer Rotor 2 in der angegebenen Pfeilrichtung 19 dreht. Der Rotor ist in einem am Gehäuse 1 befestigten Lagerflansch 3 mittels zweier Wälz- oder Gleitlager "fliegend" gelagert, und mit einer Schwungscheibe 4 versehen. In den Rotor 2 sind vier Schlitze eingebracht, in welchen vier Trennflügel 5 radial verschiebbar gelagert sind. Die Trennflügel 5 werden von einer Kurvenplatte 6, welche am Abschlußdeckel 7 befestigt ist, und in eine zylindrische Aussparung des Rotors 2 hineinragt, derart gesteuert, daß sie an der Innenkontur des Gehäuses 1 entlanggeführt werden. Dadurch entstehen bei Rotation sich im Volumen verändernde Arbeitsräume. Die Stirnseiten des Rotors 2, die Führungsschlitze, sowie die an den Begrenzungsflächen der Arbeitsräume anliegenden Kanten der Trennflügel 5 sind mit angefederten Dichtleisten 8 versehen. Die linke Arbeitskammer 15 des Gehäuses 1 ist im unteren Bereich mit einer Einlaßöffnung 17 versehen, die rechte Kammer 16 mit einer Auslaßöffnung 18. Der Umfang des Rotors 2 ist am zylindrischen Teil mit jeweils vier Überströmnuten 9 für das Überströmen der verdichteten Luft, und jeweils vier Überströmnuten 10 für die erhitzte Luft versehen. Im oberen Bereich des Gehäuses 1 befinden sich die, bezogen auf die Gehäusebreite seitlich versetzten, und mit den Überströmnuten 9 und 10 korrespondierenden Überströmbohrungen 11 und 12. Die Überströmbohrungen sind mit einem Röhren-Gegenstromwärmetauscher 13 verbunden, welcher auf der Rauchgasseite von einem Brenner 14 beaufschlagt wird. Die Begrenzung der sichelförmigen Arbeitskammern im Gehäuse sind aus Fertigungsgründen bevorzugt als Kreisbogen ausgebildet. Die Arbeitskammern sind derart angeordnet, daß im Bereich der Überströmbohrungen der Rotor 2 vom Gehäuse 1 umfaßt wird, was im Zusammenhang mit den Überströmnuten 9 und 10 des Rotors eine Gaswechselsteuerung, ähnlich eines Walzendrehschiebers ermöglicht.

Die Funktion des Flügelzellenmotors läuft folgendermaßen ab:
Die in die linke Arbeitskammer 15 im Gehäuse 1 über den Einlaß angesaugte, gefilterte Luft wird vom nachfolgenden Trennflügel verdichtet und mittels einer Überströmnut 9 durch die Überströmbohrung 11 in den Wärmetauscher 13 befördert. Die zugeführte Wärme erhöht den Druck der im Wärmetauscher befindlichen Luft. Nach Freigabe der Überströmbohrung 12, zur rechten Arbeitskammer 16 durch die Überströmnut 10, wird der Druck auf den entsprechenden Trennflügel geleitet. Nach einem bestimmten Drehwinkel endet die Überströmnut 10, und die Überströmbohrung 12 wird wieder verschlossen. Vom öffnen dieser Überströmbohrung 12, bis zur Freigabe der Auslaßöffnung durch den betrachteten Trennflügel expandiert die Luftladung, erzeugt ein Drehmoment, und tritt mit einer bestimmten Restwärme aus dem Gehäuse durch den Auslaß 18 aus. Diese noch heiße Abluft wird als Brennerluft dem Brenner 14 zugeführt, wodurch Brennstoff eingespart wird. Der geschilderte Ablauf wiederholt sich pro Umdrehung des Rotors 2 viermal. Die Volumenverhältnisse in der linken Arbeitskammer 15 zum Zeitpunkt des Überströmens in den Wärmetauscher bestimmt den Wert des Verdichtungsverhältnisses und somit die Höhe des Verdichtungsenddruckes. Der Zeitpunkt des Verschlusses der Überströmbohrung 12 zur rechten Arbeitskammer 16 bestimmt die Höhe des im Wärmetauscher verbleibenden Restdruckes. Dieser soll gleich oder etwas größer als der Verdichtungsenddruck sein, um Verluste durch Zwischenexpansion zu vermeiden. Im folgenden Beispiel soll dies näher erläutert werden:

Wird bei gegebener Lage der Überströmbohrung 11 das Bogenmaß der Überströmnut 9 verkleinert, so kommt der Überström­ zeitpunkt später zu liegen, was eine größere Verdichtung, und damit einen höheren Verdichtungsenddruck zur Folge hat. Eine Vergrößerung des Bogenmaßes bewirkt das Gegenteil. Auf der Expansionsseite bewirkt eine Verkleinerung des Bogenmaßes der Überströmnut 10 daß der Restdruck im Wärmetauscher höher bleibt, während eine Vergrößerung des Bogenmaßes auch hier das Gegenteil bewirkt.

Mittels der beiden Überströmnuten kann damit eine Abstimmung hinsichtlich optimaler Druckverhältnisse erreicht werden.

Die Regelung des Motors kann über die Kombination Drosselklappe/Brennstoffzufuhr, oder drosselfrei, nur über die Brennstoffzufuhr erfolgen.

Der Fluß des Prozeßmediums innerhalb des Gerätes ist in Fig. 1 mit Pfeilen, beginnend beim Einlaß gekennzeichnet.

Die Funktion des Flügelzellenmotors bei geschlossenem Prozeß unterscheidet sich nur unwesentlich von dem zuvor beschriebenen Ablauf.

Zusätzlich zu den in Fig. 1 und 2 aufgeführten Teilen sind die in Fig. 3 schematisch dargestellten Teile, nämlich der zweite Wärmetauscher 25, welcher als Kühler fungiert, und das Prozeßgas nach Verlassen des Auslaßkanals und vor dem Eintritt in den Einlaßkanal rückkühlt. Weiter ist ein Gebläse 26 angeordnet, welches den Luftstrom erzeugt, welcher die Wärme vom Wärmetauscher 25 abführt, und dem Brenner 27 als Brennerluft regenerativ zuführt. Das Prozeßgas ist frei wählbar (Luft, Helium, Wasserstoff). Es ist eine Druckhalteeinrichtung erforderlich. Die Regelung kann ähnlich derer beim Stirlingmotor durch Verändern des Prozeßgas-Druckniveaus, und der Brennstoffzufuhr verwirklicht werden.

Die Anordnung des Flügelzellenmotors bei Anwendung in der Kraft-Wärmekopplung ist in Fig. 4 dargestellt.

Bei dieser Anwendung kann der Motor in zwei Betriebsweisen genutzt werden:
Zum einen ist es möglich den Flügelzellenmotor im reinen Stromerzeugungsbetrieb arbeiten zu lassen, wobei prinzipiell keine nennenswerte Heizwärme anfällt, zum anderen wird mit Hilfe zugeführter Zusatzluft und zusätzlicher Brennstoffmenge über ein nachgeschaltetes zweites Brennersystems Heizwärme an den Kessel abgegeben.

Die Anordnung ist im folgenden beschrieben:
Die komplette Einheit 30, bestehend aus Flügelzellenmotor nebst Brenner und Wärmetauscher, gekuppelt mit einem asynchronen Drehstrom-Motor-Generator, ist an der Kesselwand 31, ähnlich einem Gebläsebrenner angeflanscht. Das Abgasrohr 32 des Motors ragt in den Düsenbereich des Luftkanals 33 und saugt nach dem Prinzip eines Injektors die Luft für das zweite Brennersystem 34 an, das durch separate Düsen 35 mit Brennstoff versorgt wird. Der Luftkanal ist mit einer Absperrklappe 36 versehen.

Wird nur Stromerzeugung gewünscht, läuft der Flügelzellen­ motor nach Anwurf durch den in dieser Phase als Starter geschalteten Generator, wobei die Absperrklappe 36 geschlossen, und das zweite Brennersystem 35 außer Betrieb ist. Wird Strom und Heizleistung benötigt, so wird mit geöffneter Absperrklappe und aktivem zweiten Brennersystem gefahren. Der Energiegewinn dieser Anordnung liegt darin, daß die in den Motorabgasen enthaltene Wärme der Heizleistung zugute kommt, und die kinetische Energie der Abgase zum Fördern der Brennerluft für das Brennersystem 34 genutzt wird. Das Verhältnis zwischen Heizleistung und Stromerzeugung kann frei gewählt werden.

Um eine möglichst hohe Betriebsdauer des Stromerzeugungssystems zu erhalten ist es sinnvoll, während der Heizperiode den Motor durchgehend laufen zu lassen, während das Zusatzsystem intermittierend, entsprechend dem Wärmebedarf des Kessels geschaltet wird.

Eine Kühlung des Motors aus Funktionsgründen ist wegen der kleinen wärmeaufnehmenden Oberflächen im Arbeitsraum, und wegen der Strahlungsreflektion dieser Flächen nur in geringem Umfang nötig. Bei kleineren Geräten genügt Oberflächenkühlung durch natürliche Luft-Konvektion. Bei größeren Geräten kann Wasserkühlung und Einspeisung der Abwärme in den Kessel sinnvoll sein. Die Steuerung der Anlage kann derart gestaltet sein, daß bei Heizenergiebedarf der Kessel auf übliche Weise gestartet wird. Der Strom wird dann als Nebenprodukt erzeugt.

Ist Strombedarf von Seiten der EVU′s vorhanden, und die Anlage läuft wegen Heizenergiebedarf nicht, so kann das EVU durch Fernschaltung die Anlage zum Betrieb in der erstgenannten Weise starten.

Claims (11)

1. Flügelzellenmotor mit kontinuierlicher äußerer Verbrennung dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem zweikammerigen Gehäuse (1), ein zylindrischer Rotor (2) in der angegebenen Pfeilrichtung (19) dreht. Der mit einer Abtriebswelle versehene Rotor, welcher mittels dieser in einem am Gehäuse befestigten Lagerflansch (3) mit Hilfe zweier Lager fliegend gelagert ist, ist mit vorwiegend vier Schlitzen versehen. In diesen Schlitzen sind vorwiegend vier radial verschiebbare Trennflügel (5) angeordnet, welche durch die am Abschlußdeckel (7) befestigte Kurvenplatte (6) derart gesteuert werden, daß sie stetig an der vorwiegend kreisbogenförmig ausgebildeten Innenkontur des Gehäuses (1) entlanggleiten, wodurch sich im Volumen verändernde Arbeitsräume bilden. Die Stirnseiten des Rotors, die Führungsschlitze im Rotor, sowie die an den Begrenzungsflächen der Arbeitskammern gleitenden Kanten der Trennflügel, sind mit angefederten Dichtleisten (8) versehen. Im unteren Bereich der Arbeitskammer (15) des Gehäuses (1) befindet sich die Einlaßöffnung (17), im selben Bereich der Arbeitskammer (16) die Auslaßöffnung (18).

2. Flügelzellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang des Rotors (2) mit vorwiegend vier Überströmnuten (9) für das Überströmen der verdichteten Luft durch die Überströmbohrung (11) in den Wärmetauscher (13), und vorwiegend vier Überströmnuten (10) für das Ausströmen der erhitzten Luft durch die Überströmbohrung (12) aus dem Wärmetauscher (13) in die Arbeitskammer (16) versehen ist.

3. Flügelzellenmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammern (15) und (16) des Gehäuses (1) derart angeordnet sind, daß im Bereich der Überströmbohrungen der Rotor (2) vom Gehäuse (1) umfaßt wird, was im Zusammenhang mit den Überströmnuten des Rotors eine walzendrehschieberartige Gaswechselsteuerung ermöglicht.

4. Flügelzellenmotor nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der auf den Umfang des Rotors (2) bezogenen Länge (Bogenmaß) der Überströmnuten (9) und (10), bei gegebener Lage der Überströmbohrungen (11) und (12), die Höhe des Verdichtungsenddruckes und des notwendigen Restdruckes im Wärmetauscher (13) bestimmt werden können.

5. Flügelzellenmotor nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhren-Wärmetauscher (13) mit einer ausgeprägten Trennung von Nieder- und Hochtemperaturteil ausgeführt ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Hochtemperaturteil (20) auf der Seite des Brenners (14), und der Niedertemperaturteil (21) auf der Seite des bereits abgekühlten Rauchgases liegt. Beide Seiten sind durch das Zwischenstück (22), welches aus einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff besteht, getrennt.

6. Flügelzellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im offenen Arbeitsprozeß angesaugte Luft, nach Verdichtung, Wärmezufuhr durch den Wärmetauscher und Arbeitsleistung, nach Verlassen des Auslasses (18) dem Brenner (14) als Brennerluft zugeführt wird.

7. Flügelzellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelzellenmotor nach Anfügen eines weiteren, als Kühler fungierenden Wärmetauschers (25), im geschlossenen Prozeß betrieben werden kann.

Mittels eines vorwiegend vom Motor selbst angetriebenen Gebläses (26) wird die vom Wärmetauscher (25) abgeführte Wärme dem Brenner (27) als Brennerluft zugeführt.

8. Flügelzellenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelzellenmotor bei Anwendung in der Kraft-Wärmekopplung in den zwei folgenden Betriebsweisen genutzt werden kann:
Die vorwiegend an einem Brennwertkessel (31) angeflanschte komplette Einheit (30), bestehend aus Flügelzellenmotor nebst Wärmetauscher und gekuppeltem elektrischen Startmotor-Generator, wird bei der ersten Betriebsweise, nämlich der ausschließlichen Stromerzeugung auf normale Weise als Antriebsmotor für den Generator betrieben, wobei der Wärmetauscher die Wärmeenergie bis auf einen unvermeidbaren Abwärmeanteil an den Flügelzellenmotor abgibt. Die Absperrklappe (36) ist geschlossen, der Brenner (34) ist nicht aktiviert.

Bei der zweiten Betriebsweise, nämlich Erzeugung von Strom und Heizwärme, wird bei geöffneter Absperrklappe (36) über den Luftkanal (33) nach dem Prinzip eines Injektors Luft dem nachgeschalteten Brenner (34) zugeführt. Der Brennstoff für diesen nun aktivierten Brenner (34) wird durch das Düsensystem (35) zugegeben.

9. Flügelzellenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Stromerzeugung und Heizwärmeerzeugung frei gewählt werden kann.