-
Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung,die einen Verdichterteil für
die Verbrennungsluft, einen Expansionsteil für die Verbrennungsgase und eine dazwischenliegende
Brennkammer mit Kraftstoffzufuhrung aufweist.
-
Bei bekannten Maschinen dieser Art sind verhäitnismäßig große Brennkammern
erforderlich, wenn die Verbrennung des Kraftstoffes vollständig sein soll. Bei diesen
erfolgt die vergleichsweise langsame Verbrennung der Kohlenwasserstoffe mit leuchtender
Flamme, was bei ungenügend großem Brennraum zu unverbrannten Kohlenwasserstoffen
und Ruß im Abgas führt. Die Anordnung großer Brennkammern ist aber schwierig und
führt zu sperrigen Maschinen, zu größeren Abkuhlungswörmeverlusten und ähnlichen
Nachteilen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Verhältnisse zu
verbessern und mit verhältnismdßig kleinen Brennkammern eine saubere Verbrennung
zu erzielen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die
Brennkammer so auszubilden und die Kraftstoffzufuhr so anzuordnen, daß der Kraftstoff
zunächst in Abgas eingebracht und erst anschließend mit der Verbrennungsluft gemischt
wird. Dadurch wird, noch vor der eigentlichen Verbrennung, eine Aufbereitung des
Brennstoffes erreicht, ehe dieser noch mit der Verbrennungsluft in Verbindung kommt.
Bei der Vermischung mit den rückgeführten Abgasen ergibt sich in einer aldehydischen
Reaktion ein Abbau der Kohlenwasserstoffmoleküle in kleinere Moleküle, die sich
grUndlich mit dem Abgas vermischen. Dieses aufbereiteteunter höherem Druck stehende
Gemisch von Kraftstoff und Abgas verbrennt - mit Luft gemischt - im Gegensatz zu
den Verhältnissen in leuchtenden Flammen - in einer aldehydischen, nichtleuchtenden
Verbrennung, die sehr viel schneller erfolgt, als der Abbau des glUhenden Kohlenstoffs
in der leuchtenden Flamme. Infolge der schnelleren intensiven Verbrennung bei der
erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, die Brennraumleistung um ein Vielfaches
zu steigern, so daß in dem gleichen Brennkammervolumen wesentlich größere Leistungen
untergebracht werden können.
-
Zur Vermischung mit dem Kraftstoff soll erfindungsgemäß das Abgas
dienen, das noch unter dem zwischen Verdichtungs- und Entspannungsteil herrschenden
Druck steht und noch nicht entspannt ist. Geeignet ist das eigene Abgas, das der
Brennkammer entweicht und zum Brenner zurückgeführt wird - oder auch das Abgas eines
besonderen Brenners, der kontinuierlich betrieben wird und das nicht entspannte
Abgas zur Vermischung mit dem Kraftstoff liefert. Dabei kann der besondere, vorgeschaltete
Brenner entweder so groß bemessen sein, daß er etwa die zur Reaktion mit dem Kraftstoff
ausreichende Menge liefert oder größer, so daß nur ein Teil des Abgases der Hauptverbrennung
zugeführt wird. Es ist zweckmäßig, den ersten Brenner so groß auszubilden, daß er
die fUr den Leerlaufbetrieb erforderliche Energie liefert.
-
Das (heiße) Abgas, das in oder hinter der Brennkammer aber noch vor
der Entspannung entnommen wird, ist für die Aufbereitung des eingebrachten Kraftstoffs
gut geeignet. An dieser Stelle ist auch das Abgas noch unter hohem Druck und kann
ohne großen Energieaufwand zum Brennstoffeintritt zurückgefUhrt werden. Die Rückführung
kann erfindungsgemäß leicht bewirkt werden durch Ausnutzung der Strömungsenergie
der der Brennkammer zuströmenden Verbrennungsluft. DafUr kann ein Injektor dienen,
der von der Verbrennungsluft durchströmt wird und mit einem Teil der Bewegungsenergie
die Ruckförderung der Abgase bewirkt. Eine besonders vorteilhafte Ausführung eines
solchen lnjektors weist eine ringförmige Treibdüse auf, in deren Inneren das Rückgas
strömt, und in deren Verldngerung auch die Kraftstoffzufuhr angeordnet werden kann.
Die Ringspaltdüse kann ersetzt werden durch im Kreis angeordnete Öffnungen oder
im Kreis angeordnete DOsen oder Injektoren.
-
Für die Brennkraftmaschinen der beschriebenen Bauart ist eine bekannte
Brennerbauart besonders geeignet, bei der in der Strahirichtung der BrennstoffdUse
ein in die Brennkammer einmundendes Mischrohr vorgesehen ist, das eine achsial zur
Brennstoffdüse angeordnete Zufuhröffnung fUr die zurUckgefUhrten Abgase und eine
Zufuhröffnung für die Luft aufweist, die so angeordnet sind, daß die Abgase mit
dem beigegebenen Brennstoff und die Luft das Mischrohr in der Strahlrichtung der
Brennstoffdüse passieren.
-
Da der Brenner zweckmäßig durch eine Luftleitung umgangen wird, sieht
die Erfindung die Entnahme des rückzufUhrenden Abgases - sofern sie nicht unmittelbar
aus der Brennkammer erfolgt - noch vor der EinmUndung der Umgehungsleitung vor.
In der Rückleitung der Abgase kann auch ein Kühler angeordnet sein, der das Abgas
auf die optimale Reaktionstemperatur bringt.
-
Wenn aus Gründen des Umweltschutzes ein besonders reines Abgas erzeugt
werden soll, kann gemaß der Erfindung die Verbrennung auch zweistufig erfolgen,
wobei in der ersten Stufe das Kohlenwasserstoffgemisch unterstöchiometrisch verbrennt
und in einer zweiten Stufe nachverbrannt wird. Zwischen den Kammern kann in einem
Reaktor das In der ersten Brennkammer gebildete NOx mit CO abgebaut werden. -
In
den Abbildungen 1 - 4 ist die Erfindung in mehreren Ausführungsformen näher erläutert.
In Abb. 1 ist zunächst dargestellt, wie die Brennkammer zwischen dem Verdichter
1 und der Expansionsmaschine 2 angeordnet ist. Diese beiden Elemente der Kraftmaschine
können sowohl Turbomaschinen sein als auch Kolben - oder auch Kapselpumpen bzw.
- motoren, Bei allen diesen Geräten wird in 1 ein Druck luftstrom erzeugt, ein Kraftstoff
eingebracht und in der Brennkammer 3 verbrannt. Das heiße noch unter Druck stehende
Abgas dieser Verbrennung expandiert arbeitleistend in dem Maschinenteil 2. Aus der
Abgasleitung 4 zwischen 3 und 2 wird durch die Leitung 5 ein Teil des Abgases entnommen
und durch die Wirkung des Injektors 6 wieder in die Brennkammer 3 zurückgeführt,
In diese Rückleitung 5 des Abgases wird bei 7 Kraftstoff eingedüst.
-
Dabei reagiert der Kraftstoff mit dem heißen Abgas in einer chemischen
Umsetzung, deren Endprodukte im Injektor 6 und dem anschließenden Mischrohr sich
mit der Brennluft mischen, ehe sie in der Brennkammer 3 verbrennen.
-
In Abb. 2 ist die Rückführung von Abgas aus der Brennkammer 3 zu dem
die Kraftstoffdüse 7 umgebenden Raum 10 dargestellt. Die Rückwirkung erfolgt hier
durch die Injektorwirkung i der aus der ringförmigen Düse 8 ausströmenden Druckluft,
die im Mischrohr 9 und an der Düse einen Unterdruck erzeugt, der den Rückstrom von
heißem Abgas aus der Brennkammer bewirkt. Im Diffusorteil der Mischeinrichtung 9
mischt sich das aus Kohlenwasserstoffen und Abgas gebildete Gemisch mit der aus
dem Ringspalt zuströmenden Luft und verbrennt beim Austritt aus dem Mischrohr. Die
Brennkammer ist hier mit feuerbeständigem keramischem Material ausgekleidet. Sie
mündet aus in die Leitung 4, die zur Expansionsmaschine führt.
-
In Abb. 3 ist die Entnahme vom Abgas für die Ruckführung hinter der
Brennkammer vorgesehen. Mittels der Leitung 5 wird das Abgas aus dem Rohr 14 entnommen,
das die Abgase der Verbrennung aus der Brennkammer herausführt. Die Abgase werden
auf ihrem Wege zur Brennerdüse durch einen Wärmetauscher 1 1 auf die optimale Reaktionstemperatur
in dem Mischraum 10 abgekühlt. Die zum Brenner führende Leitung 12 zweigt von der
vom Kompressor kommenden Leitung 13 ab, während ein Teil der geförderten Luft in
einer Leitung 14 a den Brenner umgeht. Die Menge dieses
Nebenstroms
wird durch ein Regelventil 15 gesteuert, Die Entnahme des Abgases durch 5 erfolgt
noch aus dem unverdünnten Abgas, ehe sich dieses bei 16 mit der Luft aus Leitung
14 a mischt.
-
Abb. 4 stellt eine Brennkammer mit Nachverbrennung dar. In der Brennkammer
3 erfolgt die Verbrennung unter unterstöchiometrischen Bedingungen, d.h., unter
Luftmangel. Die noch unverbrannten Teile des aus der Brennkammer 3 entweichenden
Abgases werden in einer Nachverbrennungskammer 17 vollständig verbrannt, ehe sie
durch 4 zu der Entspannungsmaschine 2 fließen. Ein Teil der von dem Verdichter 1
gelieferten Luft wird an der Brennkammer 3 vorbei durch Leitung 18 zur Nachverbrennung
in 17 geführte während der Hauptteil durch das Rohr 19 dem Brenner zuströmt. Hier
ist auch dargestellt, wie die injektorartige Förderung des Abgases aus der Brennkammer
3 zum Dusenvorraum 10 durch einzelne Luftstrahlen erfolgt, die schräg in die Mischkammer
eingeführt werden und einen Unterdruck in der Mischkammer 10 erzeugen, unter dessen
Einfluß die Rückströmung des Abgases aus der Brennkammer erfolgt. Es ist auch noch
dargestellt, wie die von dem Verdichter 1 gelieferte Luft durch die Abgase der Expansionsmaschine
2 beheizt werden kann.
-
Wenn in der Brennkammer 3 die Verbrennung unterstöchiometrisch erfolgt,
kann zwischen 3 und Nachreaktor 17 ein Reaktor angeordnet sein, in dem Nachreaktionen
erfolgen oder bei der Verbrennung entstandenes NOx mit CO reagiert.
-
Abb. 5 stellt eine Ausführungsform der Brennkraftmaschine dar, bei
der das Abgas für die Zumischung zum Kraftstoff vor der Brennkammer 3 von einem
besonderen Brenner 20 geliefert wird. Dessen Luftversorgung erfolgt Uber eine Leitung
21' vom Verdichterteil 1 her. Der Kraftstoff wird Uber eine Düse 22 eingebracht.
Das Abgas dieses Brenners strömt entweder durch eine mit Regeleinrichtung 24 versehene
Leitung 23 unmittelbar zur Entspannungsmaschine 2 - z.B. bei Leerlaufioder ganz
oder z.Teilz.B bei Vollast - zum Mischraum 10, in dem es sich mit dem durch Düse
7 eingebrachten Kraftstoff mischt, ehe es mit Luft gemischt in der Brennkammer 3
verbrennt. Diese kann auch durch Flüssigkeit gekühlt sein. Es ist noch dargestellt,
daß in der Abgasleitung zum Brenner ein Kühler 25 angeordnet ist, mit dem einerseits
die Abgase auf die günstigste Reaktionstemperatur mit dem Kraftstoff gebracht oder
andererseits auch die Verbrennungstemperatur zur Herabsetzung der Stickoxydbildung
herabgesetzt werden kann.
-
Es ist nämlich ein weiterer Vorteil der Abgaszugabe zur Verbrennung,
daß die Verbrennungstemperatur gesenkt wird und daher weniger Stickoxyd erzeugt
wird.
-
Ein Warmeentzug aus den Abgasen, die die Verbrennung in 3 ein zweites
Mal passieren, tragt wesentlich zu dieser Wirkung bei Patentansprüche