DE2106194A1 - Verfahren fur die Zufuhr von Warme zum Erhitzer eines Heißgasmotors sowie ein Heißgasmotor, der mit einer Vorrichtung zur Durchfuhrung des Ver fahrens versehen ist - Google Patents

Description

Anmelder: N. Y. Philips' GioeücinpenfabnekeD

AfcfeNo., PHN- 4619
Anmeldung vom: 9, Febr. 1971

¹¹ Verfahren für die Zufuhr von WSrrae zum Erhitzer eines Heissgasmotore sowie ein Heissgaamotor, der mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens versehen ist ".

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Zufuhr von Wärme zum Erhitzer eines Heissgasmotors sowie einen Heissgasmotor, der mit einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens versehen ist.

Hit Heisegasmotor wird eine Vorrichtung zum Umsetzen von kalorischer in mechanische Energie gemeint, in der ein gasförmiges Medium einen geschlossenen thermodyn&tnischen Kreislauf durchlauft, und wobei dem Kreislaufmedium durch die Wand eines Erhitzers hindurch von aussen WHrme zugeführt wird.

Heissgasmotoren der soeben beschriebenen Art sind bekannt naoh dar "MTZ Motortechnischen Zeitschrift" 2£ Nr. 7-Juli 1968, Fig. 13.

Diese Heissgesmotoren haben den Verbrennungsmotoren

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gegenüber u.a. 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. Auoh Städte mit ihrer grossen Bevölkerungskonzentration und ihren zahllosen, gesundheitsschädliche Gase produzierenden Fahrzeugen gehören dazu.

Bei dem bekannten Heissgasmotor wird einer Brennervorrichtung Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt, die dort reagieren. Das gebildete Gasgemisch wird nacheinander an einem ersten Erhitzerteil unter Abgabe von VSrme entlang geführt, an wenigstens einem weiteren Erhitzerteil entlang gleichfalls unter Abgabe von Wärme, und anschliessend abgeführt. Obwohl das abgeführte Gasgemisch arm ist an schädlichen Verbrennungsgasen, hat sich herausgestellt,, dass es noch eine geringe Menge von Stickstoffoxyden enthält.Diese Stickstoffoxyde 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.

Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Zufuhr von Wärme zum Erhitzer eines Heissgasmotora zu schaffen, sowie einen Heissgaamotor, der mit einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens versehen ist, mit dar die Stickatoffoxydmenge in den Auspuffgasen weiter verringert werden kann.

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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis,

dass die Bildung von Stickstoffoxyden stark mit der Temperatur ansteigt, bei der die Verbrennung stattfindet, sowie auf der Erkenntnis der Tatsache, dass die Verbrennung des Verbrennungsluft/-Brennstoffgemiaches in der Brennervorrichtung nahezu adiabatisch stattfindet, wodurch hohe Reaktionstemperaturen in der Brennervorrichtung auftreten. Dadurch, dass nun dafür gesorgt wird, dass die Temperaturen, bei denen die Verbrennung stattfindet, nicht zu sehr ansteigen, kann eine Verringerung der Stickstoffoxydmenge in den Auspuffgasen erhalten werden.

Dazu wird das erfindungsgemSsse Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Brennervorriohtung eine Menge von Verbrennungsluft zugeführt wird, die kleiner ist als die Menge, die stöchiometrisch der zugeführten Brennstoffmenge entspricht, wobei dem zwischen dem ersten und dem weiteren Srhitzerteil liegenden Raum Verbrennungsluft zugeführt wird, die mit dem durchströmenden Gasgeraisch reagiert, wobei ferner die der Brennervorrichtung und dem Raum zugeführten Verbrennungsluftmengen derart gewählt sind, dass das Gasgemisch, das abgeführt wird, wenigstens nahezu von Stickstoffoxyden und anderen schädlichen Gasen frei ist.

Unter der Menge Verbrennungsluft, die stSchiometrisoh einer Brennstoffmenge entspricht, muss im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung diejenige Menge Verbrennungsluft verstanden werden, die eine Menge Sauerstoff enthält, die theoretisch für eine vollständige Oxydation der Brennstoffmenge erforderlich ist. Da die der Brennervorrichtung zugefShrte Menge Verbrennungsluft kleiner ist als stöchiometrisch für die zugeführte Brennstoffmenge erforderlich ist, werden während der Lufir-Brennstoffreaktionen infolge der relativ niedrigen Sauerstoffkonzentration kaum Stickstoffoxyde gebildet. Ausserdem wird bei dem nahezu adiabatisch verlaufenden

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Verbrennungsprozess weniger Wärme entwickelt, was zu niedrigeren Heaktionstemperaturen in der Brennervorrichtung führt, so dass auch dadurch die gebildete Menge von Stickstoffoxyden geringer ist. Das die Brennervorrichtung verlassende Gasgemisch gibt dann dem eisten Erhitzerteil einen Teil seiner Wärme ab und bekommt dadurch eine niedrigere Temperatur. Dieses Gasgemisch reagiert danaoh mit der dem zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegenden Raum zugeführten Verbrennungsluft, wodurch die Temperatur wieder ansteigt. Durch eine geeignete Wahl der Brennervorrichtung und dem zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegenden Raum zugeführten Menge Verbrennungsluft wird erreicht, dass die Temperatur in dem erwähnten Raum auf einem solohen Pegel liegt, dass in diesem Raum nahezu keine Stickstoffoxyde gebildet werden. Das Gasgemisch, das diesen Raum verlässt, und dessen Temperatur durch Wärmeabgabe an das weitere Erhitzerteil weiterhin sinkt, enthält dann nahezu keine Stickstoffoxyde. Mit dem erfindungegemässen Verfahren wird ausserdem erreicht, dass die an Stickstoffoxyden armen Verbrennungsgase keine weiteren schädlichen Auspuffgase enthalten, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die als Brennstoff zugeführt sind, und Kohlenmonoxyde.

Bei einer günstigen Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass schädliche unverbrannte Brennstoffreste von vornherein nicht vorhanden sind, während eine Bildung von Stickstoffoxyden durch die Durchführung der Verbrennung auf die beschriebene Art und Weise verhindert wird.

Die Erfindung betrifft ferner einen Eeissgasmotor, der mit einem Erhitzer und einer Vorrichtung für die Zufuhr von Wärme zum Erhitzer nach dem soeVin beschriebenen Verfahren versehen ist,

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und welche Vorrichtung wenigstens eine Brennelvorrichtung und daran ansohliessend wenigstens eine Zufuhr für Brennstoff enthltlt, wenigstens eine Zufuhr für Verbrennungsluft und wenigstens eine Abfuhr für Rauohgasgemisch enthält, welohe Brennervorrichtung sich nacheinander über einen ersten Erhitzerteil, einen Raum und wenigstens einen weiteren Erhitzerteil an eine Abfuhrleitung anschliesst,

Der erfindungsgemSsse Heissgasmotor wird dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Zufuhr für Verbrennungsluft vorhanden ist, die sich an den zwischen dem ersten und dem weiteren Erhitzerteil liegenden Raum anschliesat.

Es hat sich erwiesen, dass das abgeführte Gasgemisch unter Umstanden doch nooh eine Menge von Stickstoffoxyden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen enthält. Dies kann duroh zu kurze Aufenthaltszeiten und eine zu schnelle Abkühlung des Gasgemisches im Motor verursacht werden, so dass die Gelegenheit zum Herstellen eines vollständigen chemischen Gleichgewichtes zwischen den Gaakomponenten, die durch den weiteren Bihitzerteil hindurohgehen und abgeführt werden, nicht ausreicht. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, ist eine günstige Ausführungsform des Heiasgasmotors naoh der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegende Raum ein Volumen hat, bei dem die Aufenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum gross genug ist zum Erreichen eines wenigstens nahezu vollständigen chemischen Gleichgewichts dieses Gasgemisches bei dem herrschenden Te mpe r atur pe ge I.

Durch hinreichend grosse Abmessungen des Raumes zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil wird die Aufenthaltszeit des hindurchströmenden Gasgemisohes in diesem Raum also vergröasert, und es wird bei dem herrschenden niedrigen Temperaturpegel in

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diesem Raum verhindert, dass zurückbleibende Stickstoffoxyde, bzw. unverbrannte Kohlenwasserstoffe unvollständig reduziert, bzw. oxydiert werden.

Eine weitere günstige Ausführungaform des Heissgasmotors nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass nur ein 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.

Katalysatoren an sich sind bekannt, beispielsweise durch das Buch von Romp, "Oil burning", Seite I47-I49 (Martinus Nijhoff, Den Haag 1937) und dienen als Zöndmechanisnus oder als Hilfsmittel zur Förderung der Zündung und der Verbrennung von Gasgemischen.

Die Verwendung von Katalysatoren bietet in dem vorliegenden Fall jedoch 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 katalytiache Wirkung schneller erreicht wird, und eine geringere Aufenthaltszeit des Gasgemisches in dem erwähnten Raum ausreichend ist.

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

In Fig. 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. Verdrängerstange 5 Bit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem

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Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionaraum 6, während sich oberhalb des VerdrSngera 3 ein Expansionsraum 1 befindet.Der !Compressionaraum 6 und der Expansionsraum 7 stehen über 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 eich einerseits an den Regenerator 9 und andereraeits an einen Ringkanal 13 anschliessen, und einer Anzahl von Röhren 14» die sich einerseits an den Ringkanal 13 und andererseits an den Expansionsraum 7 anschlieasen.

Eine Reihe von Zwischenwänden 15 verteilt den Raum innerhalb der Erhitzerröhren in zwei Teilröume 16 und 17. Zwischen den Wänden des Gehäuses 11 und des Erhitzers 10 befindet sich ein Raum 18. Der Heissgasmotcr ist mit einer Brennervorrichtung 19 versehen, an die sich eine Zufuhr 20 für Brennstoff und eine Zufuhr 21 für Verbrennungsluft anschliessen. Die Brennervorrichtung 19 echliesst sich über den Teilraum 16, einen durch die oberhalb der Zwischenwände 15 liegenden Teile der Röhren 12, eowie durch den Ringkanal 13 und die Röhren I4 'gebildeten ersten Srhitzerteil an den Raum an, der sich seinerseits über einer, zweiten, durch die unteren Teile der Röhren 12 gebildeten Erhitzerteil, und über den Teilraum 17 an eine Abfuhr 22 für Verbrennungsgase anschliesst. Der Raum ist weiter mit einer Zufuhr 25 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 anschliesst. In diesem Vorerhitzer können die Verbrennungsgase Wärme austauschen mit der Verbrennungsluft. Zum Ansaugen von Verbrennungsluft ist ein regelbarer Ventilator 27

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vorhanden, während in die Leitung 25 ein Verteilhahn 28 aufgenommen ist, mit clem die von dem Ventilator angesaugte Menge Verbrennungsluft über die beide 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 zugefllhrten Brenn at off menge entspricht. Demzufolge werden wShrend der Verbrennungsreaktionen in der Brennervorrichtung 19 wegen des niedrigen Sauerstoffkonzentration kaum Stickstoffoxyde gebildet. Ausserdem wird bei dem nahezu adiabatisch verlaufenden Verbrennungsprozess weniger Wa'rme entwickelt, was zu niedrigeren Temperaturen in der Brennervorrichtung führt. Der niedrigere Temperaturpegel sorgt ausaerdem dafür, dass kaum Stickstoffoxyde gebildet werden. Das in der Brennervorrichtung 19 gebildete Gasgemisch strömt nun an dem ersten, bereits beschriebenen Erhitzerteil unter Abgabe von WSrme entlang und bekommt eine niedrigere Temperatur. Danach strömt ea in den Raum 18 und reagiert dort mit der diesem Raum über Zufuhr 23 zugeführten Verbrennungsluft. Hierdurch findet ein Temperaturanstieg des Gasgemisches statt. Durch eine geeignete Wahl der Menge der der Zufuhr 23 zugeführten Verbrennungsluft findet eine vollständige Verbrennung des übrigbleibenden Brennstoffes statt bei einem solchen Temperaturpegel im Raum 18, dass eine Bildung von Stickatoffoxyden nahezu nicht stattfindet.

TJm 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

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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 Vorerhitzera ist nicht unbedingt notwendig, jedoch sehr günstig, um die kalorischen Verluste auf ein Minimum zu beschränken.

In Fig. 2 ist ein Heissgasmotor dargestellt, der nahezu vollständig dem in Fig. 1 entspricht. Für die entsprechenden Teile werden dieselben Bezugsziffern verwendet.

Der einzige Unterschied ist der, dass nun in der NHhe des Erhitzers in dem Raum 18 und dem Teilraum 16 Katalysatoren 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, reaktionsbeschleunigte Wirkung wird das erwünschte chemische Gleichgewicht zwischen den Komponenten des Gaageraisohes in dem Raum 18 schneller hergestellt. Die erforderliche Aufenthaltezeit des Gasgemisches in diesem Raum ist somit kleiner. Der Raum 18 ist in diesem Fall denn auch kleiner ausgebildet als bei dem Heissgasmotor nach Fig. 1, so dass der vorliegende Heiasgasmotor im Ganzen kleinere Abmessungen hat.

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Obwohl bei der beschriebenen AusfOhrungsform des Heisagaamotors 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 anschliessbax iet.

Ausaer den in dex Zeichnung dargestellten Ausführungsforroeη sind noch andere AusfUhrungeformen möglich, wobei das System der Verbrennung in Stufen mit dazwischenliegender Wärmeabgabe des Gemischea gleichfalls anwendbar ist.

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Claims (5)

PHK.4619. PATENTANSPRÜCHE

1.J Verfahren für die Zufuhr von WSrme zum Erhitzer eines Heissgasmotors, in dem ein gasförmiges Medium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, wobei einer Brennervorrichtung Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt wird, die dort reagieren, wobei das gebildete Gasgemisch nacheinander an einem ersten Erhitzerteil unter Abgabe von WSrme entlang geführt wird, danach an wenigstens einem weiteren Erhitzerteil entlang, gleichfalls unter Abgabe von VSrme, und anschliessend abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennervorrichtung eine Menge Verbrennungsluft zugeführt wird, die kleiner ist als die Menge, die stöchiometrisch der zugeführten Brennstoffmenge entspricht, wobei dem zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegenden Raum Verbrennungsluft zugeführt wird, die reagiert mit dein hir,-durchstrSmenden Gasgemisch, wobei ferner di« der Brennervorrichtung und dem Raum zugeführten Mengen Verbrennungsluft so gewählt sind, dass das Gasgemisch, daa abgeführt wird, wenigetens nahezu von Stickstoffoxyden und anderen schädlichen Gasen frei ist«

2. Verfahren nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet,dass Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.

3. Heissgasraotos, in dem ein gasförmiges Medium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf durchläuft mit einem Erhitzer und einer Vorrichtung für die Zufuhr von WSrme zu dem Erhitzer nach dem Verfahren in Anspruch 1 oder 2, und weiche Vorrichtung wenigstens eine Brennelvorrichtung enthSlt und daran anschliessend wenigstens eine Zufuhr für Brennstoff, wenigstens eine Zufuhr für Verbrennungsluft und wenigstens eine Abfuhr für

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Rauchgasgemisch, welche Brennervorrichtung sich nacheinander über einen ersten Erhitzerteil, einen Raum und wenigstens einen weiteren Erhitzerteil an eine Abfuhrleitung anachliesst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Zufuhr für Verbrennungsluft vorhanden ist, die sich an den zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegenden Raum anschliesst.

4. Heissgasmotor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerteil liegende Raum ein Volumen hat, bei dem die Aufenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum lang genug ist zum Erreichen eines wenigstens nahezu vollständigen chemischen Gleichgewichts dieses Gasgemisches bei dem herrschenden Temperaturpegel.

5. Heissgasmotor nach Anspruch 3 oder 4i dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Katalysatoren vorhanden sind, die in der Nähe der erwShnten Erhitzerteile und/oder in der Mhe von, bzw, an den WBnden der RSume, in denen diese Erhitzerteile angeordnet sind, vorgesehen sind.

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