DE2106194B2 - Heissgasmotor mit geschlossenem kreislauf und mit mindestens zwei erhitzerteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen I teißgasmotor. in dem ein gaslörmiges Medium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, mit einem Erhitzer und einer Vorrichtung für die Zufuhr von Wärme zu dem Erhitzer, welche mindestens eine Brenncrvoi richtung enthält und daran anschließend mindestens eine Zufuhr für Brennstoff, mindestens eine Zufuhr für Verbrennungsluft und mindestens cmc Abfuhr für Rauchgasgemisch, wobei die Brennervorrichiung sich nacheinander über einen ersten Erhitzerteil, einen Raum und mindestens einen weiteren Erhii/erteil an eine Abiuhrlciuing anschließt. -^so

Ein Heißgasmotor obenerwähnter Art ist aus der »MTZ Motortechnischen Zeitschrift«. |ahrgang 24. Nr. 7. |uli 1968. insbesondere Eig. 1 3. bekannt.

Heißgasmotoren haben den üblichen Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung gegenüber unter an- -^s<i derem den Vorteil, daß die Verbrennungsgase beträchtlich sauberer sind. d. h. insbesondere weniger Kohlenmonoxyde und unverbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten. Demzulolge sind Heißgasmotoren hervorragend für eine Verwendung an solchen Orten geeignet. ^(l° wo die EufUerunreinigung aul ein Minimum beschränkt werden muß. Solche Orte sind beispielsweise Eabrik- bzw. Speicherräume. in denen der Motor fest aufgestellt ist oder als Kraftquelle in Fahrzeugen vorhanden ist. und Bergwerke in denen der Motor als ^ft-^s 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 von Stickstoffoxyden enthalten. 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.

Nun ist es aus der US-PS 30 48 131 bekannt, zur Verringerung der Stickstoffoxyde in den Abgasen einer Brennervorrichtung den 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 StickstoffoxydbiHung, das Ergebnis ist aber noch nicht optimal.

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

Der heißgasmolor nach der Lrlindung weist da/u das Kennzeichen auf. daß mindestens cmc weitere Zufuhr für Verbrennungsluft vorhanden ist. die sich an dei zwischen dem ersten und weiteren Erhitzerieil liegenden Raum anschließt. Dadurch, daß die weitere Ziifur.i für Verbrennungsluft stromabwärts des reagierenden Gemisches nach dem ersten Erhit/er.eil liegt. i>t .-.u: vorteilhafte Weise errecht worden, daß dein reagierenden Gemisch vom ersten Erhit/erieil eine groik-Menge Wärme entzogen wird, bevor die sekundäre Verbrennungsluft diesem Gemisch zugelühri wird. Dies bedeutet, daß die Reaktionsiemperauiren wegen der Kühlung durch den ersten Erhilzerteil niedriger suu: und infolgedessen die Stickstoffoxydbildung minima¹ ist.

Eine günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heißgasmotors hai das Kennzeichen, daß eine; 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, sorgeschen sind.

Es wird bemerkt, daß die Anwendung von Katalysatoren im sekundären Verbrennungsraum einer Brennervorrichiung an sich aus der CH-PS 3 12 08°) bekannt ist. Die Verwendung von Katalysatoren bietet m dem vorliegenden Fall den Sondervorteil. daß der Raum zwischen dem eisten und weiteren Erhit/erteil geringe Abmessungen haben kann, da das chemische Gleichgewicht zwischen den Komponenten lies durch diesen Raum strömenden Gasgemisches durch die k.i lalytische Wirkung schneller erreicht wird, und eine geringere Aufenthaltszeit des Gasgemisches in dem erwähnten Raum ausreichend ist.

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

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

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

fe/.w. Verdrängerstand 5 mn einem mont dargestellten CJeiriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionsraum b. während sieh oberhalb des Verdrängers 3 ein Expansionsraum 7 befindet. Der Kompres.ionsraum 6 und der Kxpansionsraum 7 stehen über einen Kühler 8. einen Regenerator 9 und einen Kinit/er 10 miteinander in Verbindung.

Der in einem Gehäuse 11 vorgesehen;: Erhitzer 10 is' 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 Hxpansionsraum 7 anschließen.

[line Reihe von Zwischenwänden 15 verteilt den Kaum innerhalb der Krhitzerröhren in zwei Teilräume 16 und 17 Zwischen den Wänden des Gehäuses 11 und Jes Lthn/cts 10 befindet sich ein Raum 18. Der Heißgasmotor ist mit einer Brennervorriehtung 19 versehen, un die μ cn eine Zufuhr 20 für Brennstoff und eine Zu-(uhr 21 für Verbrennungsluft anschließen. Die Brenner- \omchtung 19 schließt sich über den Teilraum 16, einen durch die oberhalb der Zwischenwände 15 liegenden Teile der Rohren 12, sowie durch den Ringkari;il ! 5 und die Röhren 14 gebildeten ersten Lrhilzerteil 2*. tin den Raum 18 an. der sich seinerseits über einen /weiten, durch die unteren Teile der Rohren 12 gebildeten I j hi i /erteil und über den Teilrauni 17 an cmc Ablulir 22 für Verbrennungsgase anschließt. !Der Raum 18 isi weiter nut einer Zufuhr 23 für Verbrennungsluft ν er V' sehen.

Der Motor enthält einen Vorerhii/er 24, der sich fiber eine gemeinsame !.ellung 25 an die beiden Zufuhren 21 und 2.3 für Verbrennungsluft und über eine Leitung 2fi an die Abluhr 22 fm Verbrenniingsgase an- is vhliel.lt. In diesem Vorerhil/er können die Verbrennungsgase Wärme auslauschen mit der Verbrennungsluft. Zum Ansaugen von Verbrennungsluft isi ein regelbarer Ventilator 27 vorhanden, während in die Leitung 25 ein Verteilhahn 28 aulgenonimen ist, mit dem die .)<> Von dem Venlilator 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 /ti- 4s gelulin. die kleiner ist als die Menge, die stochiome-Irisch iler der Zufuhr 20 /ugelührten Urennsioflmengc entspricht. Dcm/ulolge werden während tier Verbren- »ltingsreaktionen in der Brennervornchtung 19 wegen tier niedrigen Sauerstoffkonzentration k-.uim Stickstoff- v> (ixyde gebildet. Außerdem wird bei dem nahezu adiabatisch verlaufenden Verbrennungsprozeß weniger Wär-Mie entwickelt, was zu niedrigeren Temperaturen in tier !{rennervorrichlung führt. Der niedrigere Temperatur pegel sorgt außerdem dafür, tlaß kaum Sticksioffoxyde s> gebildet werden. Das in der BrennervoiTichtung 19 gebildete Gasgemisch strömt nun an dom ersten, bereits beschriebenen lirhit/erteil unter Abgabe von Wärme iMitlimg. und bekommt eine niedrigere I empcrauir. Da nach strömt es in den Raum 18 und reagiert dort mn < <■■> der diesem Kaum über Zufuhr 23 /Ligeführten Verbrennungsluft. Hierdurch findet ein Temperaturanstieg des Gasgemisches statt. Durch cmc geeignete Wahl der Menge der der Zufuhr 23 zugefuhrten Verbrennungsluft findet eine vollständige Verbrennung des übrigbleibenden Brennstoffes bei einem solchen Temperaturpegel im Raum 18 statt, daß eine Bildung \on Stickstof!· ox\den nahezu nicht stattfindet.

Um zu erreichen, dal! 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 nahe/u keine Stickstoffoxide, 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 vo.n Warme an dem zweiten, durch die unteren Teile der Rohren f2 gebildete:! f"rhitze:'iei! entiang. wodurch da ν Gemisch erneu! eine niedrigere Temperatur bekomm:, und strömt danach über die -\bluhr 22 und die Leitung 26 zu dem Vorerhnzcr 24. wo es uv. Gegens'rom ;:..' der angesaugten Verbrennungsluft derselbe:¹. Warme abgibt. Die Verwendung eines Vorerhitzen ist !ücir unbedingt notwendig, jedoch sehr günstig, un; uie kai<· nschen Verluste aul e;r_; Μ.:·ιηιιιηι zu bes'.hrai '-.c::

In L 1 g. 2 ¹St ein I leiliga-^'notor darge¹-'eilt. :e: naiie zu vollständig dem ir: L ig. 1 entsprn I : : die einsprechenden '['eile werden .!'celbeii ISc.-^g ./ 'eni \e' wendet.

Der einzige I nterschied ist der. daß nun ·.;■. der Nahe des Erhitzers in dein Raum 18 und dem I eilraum lh Katalysatoren 30 vorgeseher ⁱⁱiid, die beispielsweise aus feinverteiltem Platin bestehen. Die katalysatoren üben einen günstigen Lmlluß aul den Verbrennung. prozeß aus. vor allem an den Stellen, wo wegen tier relativ niedrigen Temperatur (beispielsweise die Wände des Gehäuses 11) die Gefahr einer unvollständigen Verbrennung besteht. Durch die katalvtische. reak lionsbeschleunigendc Wirkung wird das erwünschte chemische Gleichgewicht /wischen ilen komponenten ties Gasgemisches in dem Raum 18 schneller hergestellt. Die erforderliche \ulenihaliszeii des Gasgemisches in diesem Raum ist somit kleiner. Der Raum 18 isi in diesem L.ill denn auch kleiner ausgebildet als he: dem I leißgasmoior nach I· ig. 1. so daß der ν iriiegen de I ieißgasmotor mi Ganzen kleinere Abmessungen hat.

Obwohl bei der beschriebenen Auslührungslorm des I lcißgasmotors jeweils nur zwei ürhitzertcile dargc stellt sind, sind selbstverständlich auch mehrere f.rhitz.erteile möglich, wobei dann an den Raum /wischen zwei benachbarten Lrhitzerteilen jeweils eine Zufuhr lur Verbrennungsluft anschließbar ist.

Außer den in tier Zeichnung dargestellten Ausl'ührungsl'ormen sind noch aiitlere Auslührungslormen möglich, wobei das Sv si cm der Verbrennung in Stufen mit dazwischenliegender Wriinieabgabe des Gemisches gleichlails anwendbar isi.

Hier/n 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. HeiSgasmotor, in dem ein gasförmiges Medium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf ί durchläuft, mit einem Erhitzer und einer Vorrichtung für die Zufuhr von Wärme zu dem Erhitzer, welche mindestens eine Brennervorrichiung enthält und daran anschließend mindestens eine Zufuhr für Brennstoff, mindestens eine Zufuhr für Verbrennungsluft und mindestens eine Abfuhr für Rauchgasgemisch., wobei die Brennervorrichiung sich nacheinander über einen ersten Erhitzerteil, einen Raum und mindestens einen weiteren Erhitzerteil an eine Abfuhrleitung anschließt, dadurch ge- '5 kennzeichnet, 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- *o kennzeichnet, daß einer oder mehrere Katalysatoren (30) vorhanden sind, die in der Nahe der erwähnten Erhiizcrieile und'oder in der Nähe von bzw. an den Wänden der Räume (16. 18), in denen diese Erhit/eneile angeordnet sind, vorgesehen sind.

3. Heißgasmotor nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der /wischen dem ersten und s\eiteren Erhitzerteil hegende Raum (18) ein Volumen hat. bei dem die Aufenthaltszeit des Gasgemisches in diesem Raum (18) lang genug ist zum Erreichen eines wenigstens nahe/i, vollständigen chemischen Gleichgewichts dieses Gasgemisches bei dem herrschenden Temperaturpegd.