DE2318157C3 - Vorrichtung zur Umwandlung kalorischer Energie in mechanische Energie mit Abgasrückführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung kalorischer Energie in mechanische Energie mit Abgasrückführung, welche Vorrichtung mit mindestens einer Verbrennungskammer mit mindestens einer daran angeschlossenen Brcnnstoffzuführungslcilung, mindestens einer Vcrbrcnnungslufizuführungslcitung. in der eine erste Drossel aufgenommen ist. und mindestens einer Abgasabführungslcilung versehen ist. wobei eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist. die einerseits mit der Abgasabführungslcitung verbunden und andererseits an den zwischen Verbrennungskammer und Drossel liegenden Teil der Vcrbrcnnungsluftzuführungsleitung angeschlossen ist. wobei in die Abgasrückführungslcitung eine zweite Drossel aufgenommen ist.

Vorrichtungen dieser Art sind bekannt und werden z.B. durch Heißgaskolbcnmotorcn. llcißgaslurbincn. Verbrennungsmotoren gebildet. Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird ein Teil der Abgase, die die Vorrichtung verlassen, abgezweigt und nach dei Mischung mit Verbrennungsluft der Verbrennungskammer zurückgeführt. Die zurückgeführten Abgase sorgen wegen ihrer Wärmekapazität dafür, daß die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer nicht zu hoch ansteigt. Auf diese Weise wird erzielt, daß Stickstoffoxide nur in geringem Ausmaß gebildet werden. Die Bildung gesundheitsschädlicher Stickstoffoxide steigt nämlich stark mit der Temperatur an. bei der die Verbrennung von Liift-Brennstoffgcmisch stattfindet.

Derartige Vorrichtungen bieten deshalb den Vorteil, daß die Luftverunreinigung auf ein Minimum beschränkt wird.

Bei einer gemäß Fig. 5 der US-PS 34 56 438 bekannten Vorrichtung der vorliegenden Art sind die erste und die zweite Drossel variabel, und sie bestehen aus regelbaren Absperrventilen, mit denen die nach der Ansaugseite des Verbrennungsluftventilators fließenden Verbrennungsluft- und Abgasmengen geregelt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, wobei auf konstruktiv einfache Weise, ohne Anwendung von Regel- und Steuervorrichtungen, automatisch erzielt wird, daß in jedem Betriebszustand der Vorrichtung, jeweils entsprechend einer bestimmten angesaugten Verbrennungsluftmenge, das Verhältnis zwischen der Menge angesaugter Luft und der Menge wieder in Umlauf gebrachten Abgases immer derart ist, daß die ins Freie abgeführten Abgase arm an Stickstoffoxiden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat die erfindungsgemäße Vorrichtung das Kennzeichen, daß die erste Drossel

M eine fest eingestellte laminare Drossel und die zweite Drossel eine fest eingestellte Turbulenzdrossel ist, wobei die ersie und zweite Drossel so angeordnet sind, daß der Druck an ihren Eingangsseiten nahezu dem Atmosphärendruck (Umgebungsdruck) entspricht.

2"> Auf diese Weise ist erreicht, daß der in jedem Betriebszustand der Vorrichtung durch die erste Drossel hindurchgehende Verbrenrungsluftstrom wenigstens nahezu türekt proportional dem über die erste Drossel herrschenden Druckunterschied ist und daß der

w in jedem Betriebszustand der Vorrichtung durch die zweite Drossel hindurchgehende Abgasstrom wenigstens nahezu proportional der Wurzel aus dem über die zweite Drossel herrschenden Druckunterschied ist.
Wenn nun die Vorrichtung eine größere Menge

·"> Verbrennungsluft erfordert, so sinkt der Druck an der Ausgangsseite der Drosseln zur Stelle des Anschlusses der Abgasrückfiihrungsleilung an die Vcrbrennungsluftzuführungsleitung ab, während die Drücke an den Eingngsseitcn der beiden FJrosseln nahezu konstant

•Ό bleiben und nahezu gleich dem ..!mosphärischen Druck sind.

Der Massenstrom von Verbrennungsluft durch die erste Drossel steigt dabei nahezu direkt proportional dem Druckunterschied über die Drossel an. während der

>' Masscnsirom von Abgas durch die /weite Drossel nahezu proportional der Wurzel aus dem Druckunterschied über diese Drossel ansteigt.

Dies bedeutet, daß bei niedrigeren Belastungen der Vorrichtung, wenn verhältnismäßig kleine Verbrcn-

V) nungslufimengcn zugeführt werden, verhältnismäßig große Abgasmengen wieder in Umlauf gebracht werden, während bei höheren Belastungen, wenn verhältnismäßig große Verbrennungsluftmengcn der Vorrichtung zugeführt werden, verhältnismäßig kleine

■>■> Abgasmengen wieder in Umlauf gebracht werden.

Von besonderem Vorteil bei Heißgas- und Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge ist es. daß bei niedrigeren Belastungen verhältnismäßig viel Abgas zurückgeführt wird. Diese Motoren werden im Stadt-

f><> verkehr im allgemeinen niedrig belastet, und eben dort is! die Luftverunreinigung auf ein Minimum zu beschränken.

Eine verhältnismäßig große Rückführung von Abgasen unter diesen Umständen sorgt dafür, daß nicht nur

f>5 wenig Stickstoffoxide, sondern auch wenige Kohlenmonoxid gebildet wird. Außerdem wird verhindert, daß in den Auspuffgasen unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Ruß vorkommen. Letzteres ist der Fall, weil die

Abgase für eine gute Mischung von Luft und Brennstoff sorgen, was eine gute Verbrennung ergibt. Daß bei höheren Belastungen eine verhältnismäßig kleine Abgasrückfuhr stattfindet, bietet beim Heißgasmotor und bei der HeiBgasturbine den Vorteil, daß der Verbrennungsluftventilator, der gleichfalls Abgas ansaugt, eine verhältnismäßig geringe Leistung und geringe Abmessungen haben kann, während beim Verbrennungsmotor die maximal zu liefernde Leistung nur wenig durch die Rückführung herabgesetzt wird,

Da die laminare und die turbulente Drossel keine beweglichen Teile haben und sie feste Elemente der Vorrichtung bilden, ist eine in konstruktiver Hinsicht einfache Vorrichtung erzielt worden. Bei entsprechend gewählten Widerstandewerten für die beiden Drosseln wird im ganzen Betriebsbereich der Vorrichtung genügend Abgas rückgeführt, damit die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer niedrig genug bleibt, um die Bildung von Stickstoffoxiden vernachlässigbar klein zu halten. JU

Bei einer günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die laminare Drossel durch ein System feiner Kanäle gebildet.

Eine weitere günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet. daß die Turbulenzdrossel durch eine Blende gebildet wird. Eine Blende ist einfach herstellbar und in der Abgasrückführungsleitung leicht montierbar.

An Hand der schemalischcn und nicht maßstabgerechten Zeichnung wird dl·' Erfindung erörtert. Es zeigt jo

Fig. 1 einen Heißgasmotor mit Abgasrückführung über die Vcrbrennungsluftzuführungsleitung, wobei in die Verbrennungsluftzuführungslcitung eine laminare Drossel und in die Abgasriickführungsleitung eine Turbulenzdrossel aufgenommen ist. r>

Fig. 2 den Druckunterschied über die beiden Drosseln in Abhängigkeit von den Masscnströmen der Verbrennungsluft und des riickgcführlen Abgases,

F i g. 3 einen Teil eines Vcrbrennungsliifrzuführungs-/ Abgasrückführungssystems, bei dem die laminare 4< > Drossel -us einem feinen Kanalsysicni besteht und die Turbulenzdrosscl eine Blende ist, während eine von einem temperaturempfindlichen Element betätigte Klappe in der Abgasrückführungsleitung vorhanden ist.

In Fig. 1 ist mit der Bezugs/iffcr I ein 1 leißgasmotor ■»"> angegeben, d. h. ein Motor, bei dem ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Arbeitsraum während des Betriebs einen thermodynamischcn Kreislauf durchläuft. Diesem Arbeitsmedium wird von außen her durch einen äußeren Verbrennungsprozeß aus einer Brenner- so einrichtung 2 herrührende Wärme zugeführt. Die Brennercinrichtung 2 enthält eine Verbrennungskammer 3. in die sich ein? Brcnnsioff/.uführungsleitung 4, eine Verbrcnnungsluftzuführungslcilung 5 und eine Abführungsleitung für Abgase 6 anschließen. In die ss Verbrennungslüftzuführungsleitung und die Abgasabführungsleitung 6 ist ein Wärmeaustauscher 7 aufgenommen, der als Vorerhitzer bezeichnet wird und in dem Verbrennungsluft auf dem Wege zur Verbrennungskammer 3 durch ins Freie abgeführte Abgase M) vorgewärmt wird. Die Zufuhr von Verbrennungsluft, im gewünschten Verhältnis zur zugeführten Brennstoff· menge, erfolgt mit Hilfe eines Ventilators 8. In der Verbrennungsluftzuführungsleitung 5 ist an der Ansaugseite des Ventilators 8 eine laminare Drossel 9 vorhanden. Zwischen der Abgasabführungsleitung 6 und der Verbrennungsluftzuführungsleitung 5 ist eine Abgasrückführungs'eitung 10 vorhanden, die sich an den zwischen Ventilator 8 und laminarer Drossel 9 befindlichen Teil der Verbrennungsluftzuführungslnitung anschließt. Weiter ist an diesen Leitungsteil ein Manometer 11 angeschlossen, dessen freies Ende mit dem Freien in offener Verbindung steht. In der Abgasrückführungsleitung 10 befindet sich eine Turbulenzdrossel 12.

Die laminare Drossel 9 ist derart gewählt, daß, ungeachtet des Ansaugdrucks des Ventilators 8, die Strömung von Verbrennungsluft durch diese Drossel immer laminar ist. Der von der laminaren Drossel 9 durchgelassene Massenstrom der Luft ist dann stets nahezu direkt proportional dem Druckunterschied über dieser Drossel, welcher Druckunterschied vom Manometer 11 angegeben wird.

Die Turbulenzdrossel 12 ist so gewählt, daß, ungeachtet des Ansaugdrucks des Ventilators 8, die Strömung des Abgases durch diese Drossel stets turbulent ist. Der vom Ventilator 8 aus der Abgasabführungsleitung 6 über die Abgasrückführungsleitung 10 angesaugte Massestrom des Abgases ist dann stets nahezu proportional der Wurzel . .'.s dem Druckunterschied über dieser Drossel, weichet· Druckunterschied gleichfalls der vom Manometer 11 wiedergegebene Druckunterschied ist, denn an den Eingangsseiten beider Drosseln herrscht nahezu der Umgebungsdruck.

D'·-· Zusammenhang zwischen den Massenströmen von Verbrennungsluft bzw. rückgeführtem Abgas und dem vom Manometer registrierten und über beide Drosseln herrschenden Druckunterschied ist jetzt wie in F i g. 2 dargestellt. Vertikal ist der Di uckunterschied AP, horizontal der Massenstrom m abgetragen. Mit ώ\ ist die graphische Darstellung für den Verbrennungsluftmassenstrom, mit ihi die graphische Darstellung für den rückgeführten Massenstrom des Abgases angedeutet.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß bei sich vergrößerndem AP, also wenn der Motor mehr Verbrennungsluft erfordert,das Verhältnis milriiy abnimmt.

Mit anderen Worten: bei niedrigeren Belastungen des Motors, wenn verhältnismäßig wenig Verbrennungsluft angesaugt wird, wird gleichzeitig verhältnismäßig viel Abgas angesaugt, während bei höheren Motorbelastungen, wenn verhältnismäßig viel Verbrennungsluft erfordert wird, der Verbrennungsluft verhältnismäßig wenig Abgas zugeführt wird.

In Städten werden Kraftfahrzeugmotoren und dgl. meistens gering belastet. Daß dabei im vorliegenden Fall verhältnismäßig viel Abgas rückgeführt wird, ist eine gute Garantie für saubere Auspuffgase. Sowohl die Stickstoff- als auch die Kohlenmonoxidbildung ist dann gering, während wegen der durch die Abgase verursachten besseren Mischung von Luft und Brennstoff die sich ergebende gute Verbrennung verhindert, daß unvcrbrannte Kohlenwasserstoffe und Ruß in den / iispuffgasen vorhanden sind.

Da bei höheren Belastungen verhältnismäßig wenig Abgas rückgefUhrt wird, bleibt der vom Ventilator zu fördernde Gesamtgasström innerhalb annehmbarer Grenzen. Das bedeutet, daß ein Ventilator von verhältnismäßig geringer Leistung und mit verhältnismäßig geringen Abmessungen angewandt werden kann.

Das System ist weiter ganz einfach, da feste Drosseln angewandt werden, die im Betrieb keiner Änderung bedürfen.

F i g. 3 zeigt eine praktische Ausführungsmöglichkeil des kombinierten Verbrennungsluftzuführungs-ZAbgasrückführungssystems. Für dem System aus F i g. 1 entsprechende Einzelteile sind die gleichen Bezugszif-

fern verwendet. Die laminare Drossel 9 ist hier als ein System feiner Kanäle ausgebildet, während die Turbulenzdrossel 12 durch eine Blende gebildet wird. Das System besitzt daher eine ganz einfache Konstruktion. Selbstverständlich sind dabei allerhand andere konstruktive Lösungen möglich. So kann z. B. die Abgasrückführungsleitung 10 selbst so ausgebildet sein. daB sie selbst die Turbulenzdrossel bildet.

Das dargestellte System ist nicht nur für Heißgasmotoren geeignet, sondern eignet sich auch für Anwendung bei Turbinen mit oder ohne geschlossenen Kreislauf (Heißgasturbinen), bei Verbrennungsmotoren (Otto- und Dieselmotoren) und dgl.

Fig. 3 zeigt weiter ein im Abgasabführungskanal 6 aufgestelltes tcmpcraturcmpfindliches Kleinem 14. (Ins über ein Steuergerät 15 eine Klappe 16 in der Abgasrückführungsleitung 10 betätigen kann. Wenn die Vorrichtung, von der das dargestellte System ein Teil ist, außer Betrieb ist, ist die Klappe 16 geschlossen und Leitung 10 deswegen blockiert, Üeim Starten eier Vorrichtung, wenn die Abgase noch verhältnismäßig kalt sind, bleibt die Klappe geschlossen, bis die Abgastemperatur einen bestimmten Mindestwert erreicht. In diesem Moment sorgt das Element 14 dafür, daß die Klappe 16 sich öffnet und für den weiteren

', Betrieb auch geöffnet bleibt. Auf diese Weise erreicht man, daß beim Anlaufen der Vorrichtung kein verhältnismäßig kaltes Abgas rückgeführt wird. Eine unvollständige Verbrennung von Luft-Brcnnstoffgc misch in der Verbrennungskammer der Vorrichtung

in durch zu große Abgaskiihlung ist dann nicht möglich.

Wird die Vorrichtung ausgeschaltet, so schließt sich die Klappe 16 wieder, wenn die Temperatur in dei Abgasabfiihrungsleitung6den Mindest wert erreicht.
Das temperalurempfindliche Element 14 kann /. B

Ii ein Thermoelement sein, das ein elektrisches Signal ar Steuergerät 15 legt, das die als elektromagnetisch» Klappe ausgebildete Klappe 16 betätigt. Auch ist es /. I) möglich, als tempcraturompfindliches Element eit Bimetall /u verwenden, das die Klappe 16 au

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umwandlung kalorischer Energie in mechanische Energie mit Abgasrückführung, welche Vorrichtung mit mindestens einer Verbrennungskammer mit mindestens einer daran angeschlossenen Brennstoffzuführungsleitung, mindestens einer Verbrennungsluftzuführungsleitung, in der eine erste Drossel aufgenommen ist, und mindestens einer Abgasabführungsleitung versehen ist, wobei eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist, die einerseits mit der Abgasabführungsleitung verbunden und andererseits an den zwischen Verbrennungskammer und Drossel liegenden Teil der Verbrennungsluftzuführungsleitung angeschlossen ist, wobei in die Abgasrückführungsleitung eine zweite Drossel aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drossel eine fest eingestellte laminare Drossel (9) und die zweite Drossd eine fest eingestellte Turbulenzdrossel (12) ist, wobei die erste und zweite Drossel so angeordnet sind, daß der Druck an ihren Eingangsscitcn nahezu dem Atmosphärendruck (Umgebungsdruck) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laminare Drossel durch ein System feiner Kanäle(9)gebildet ist (F i g. 3).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulcnzdrosscl durch eine Blende (12) gebildet ist (F i g. 3).