DE2432958A1

DE2432958A1 - Hot gaas engine for external combustion of fuel - has fluid circulation channel within air supply pipe which acts as a heat exchanger

Info

Publication number: DE2432958A1
Application number: DE2432958A
Authority: DE
Inventors: Ragnar Karl Olof Groenvall; Lennart Nils Johansson
Original assignee: Foerenade Fabriksverken AB
Current assignee: Foerenade Fabriksverken AB
Priority date: 1974-07-09
Filing date: 1974-07-09
Publication date: 1976-01-29

Abstract

A hot gas engine for external combustion of fuel is constructed such that inside an air inlet supply pipe (4) is situated a flow medium channel (14). The circulating fluid medium in the flow channel (14) acts as a heat exchanger with the heated air to transfer heat to the circulating fluid medium. The channel (14) has an inlet opening (15) for the cold fluid medium, and an outlet opening (16) for the heated fluid medium. The channel (14) pref. surrounds the burner chamber (5) in a concentric position.

Description

H e i ß g a s m o t o r Die Erfindung betrifft einen Heißgasmotor fUx die äußere Verbrennung von Brennstoff, bestehend aus einer Brennkammer mit einer Brennstoff-Einspritzdüse, einem Lufteinlaß-Leitungssystem zum Ansaugen von Vrebrennungsluft von außen zu der Einspritzdüse und einem Gasaualaß-Leitungssystem, das sioh von der Brennkammer durch einen Wärmetauscher innerhalb des Lufteinlaß-Leitungssystems zum Vorwärmen der Verbrennungsluft erstreckt. H e i ß g a s m o t o r The invention relates to a hot gas engine fUx the external combustion of fuel, consisting of a combustion chamber with a Fuel injection nozzle, an air inlet duct system for drawing in combustion air from the outside to the injection nozzle and a Gasaualaß line system, the sioh of the combustion chamber through a heat exchanger within the air inlet duct system extends to preheat the combustion air.

bei einem derartigen Motor, wie beispielsweise einem Stirling-Motor, sind Brennkammern vorgesehen, die bei dem Motor dem Arbeitsströmunsmittel die Wärme von außen zuführen, und Wärmetauscher, um die Frischluft unter Verwendung der Abgase der Brennkammer vorzuwärmen. Die brennkammer hat ein Einlaß-Leitungssyszem für Frischluft9 die in der beschriebenen Weise vorgewärmt ist, wobei das Einlaß-Leitungssystem mit dem Frischluftauslaß des Wärmetauschers über eine Leitung in Verbindung steht.in such an engine, such as a Stirling engine, Combustion chambers are provided which, in the case of the engine, transfer the heat to the working fluid from the outside, and heat exchanger to the fresh air using the exhaust gases preheat the combustion chamber. The combustion chamber has an inlet duct system for fresh air9 which is preheated in the manner described, the inlet pipe system with communicates with the fresh air outlet of the heat exchanger via a line.

Nach dem Arbeitsprinzip derartiger Heißgasmotoren wird das vollständig eingeschlossene Arbeitsströmungsmittel hin- und herbewegt, und zwar einerseits durch einen Brhitzer, der in Verbindung mit der Brennkammer angeordu net ist, und andererseits durch einen Kühler und einen Regenerator bzw. Wärmespeicher, der zwischen diesen vorgesehen ist. Als Kühlmittel wird gewöhnlich Wasser verwendet0 Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Heißluftmotors zu erzielen, muß die Kühlwassertemperatur ao niedrig wie möglich sein und der Temperaturuntersohied zwischen dem eintretenden und dem austretenden Kühlwasser sollte ebenfalls sehr klein sein. Aufgrund dieser Tatsache kann das Kühlwasser einen Heißluftmotors nicht für Heizzwecke verwendet werden, wie dieses bei üblichen Explosionsmotoren üblich ist, bei denen das Kühlwasser mit einer relativ hohen Temperatur austritt, ohne daß die Kühlwassertemperatur wesentlich gesteigert worden ist, wobei diese Temperaturdifferenz einen erheblichen Verlust des Wirkungsgrades des Notors mit sich bringt0 Die Erwärmung eines Raumes, wie beispielsweise einer bootskabine, einer Limousine, eines Abteils od. dgl., der in Verbindung mit einem Heißluftmotor vorgesehen ist, muß deshalb unter Verwendung eines bestimmten Heizgerätes erfolgen, wie es beispielsweise für geparkte Pahrzeuge bekannt ist, oder es muß eine andere Zusatzheizung verwendet werden.According to the working principle of such hot gas engines, this is complete trapped working fluid moved back and forth, on the one hand by a boiler, which is arranged in connection with the combustion chamber, and on the other hand by a cooler and a regenerator or heat accumulator between them is provided. Water is usually used as the coolant0 around one if possible To achieve high efficiency of the hot air engine, the cooling water temperature must ao be as low as possible and the temperature difference between the entering and the exiting cooling water should also be very small. Based on these In fact, the cooling water of a hot air engine cannot be used for heating purposes be, as is usual with conventional explosion engines, in which the cooling water exits at a relatively high temperature without the cooling water temperature being significantly affected has been increased, with this temperature difference a considerable loss of the efficiency of the notor brings with it0 The warming of a room, such as a boat cabin, a limousine, a compartment or the like. In connection with a hot air engine is provided, must therefore be made using a specific Heater, as it is known, for example, for parked cars, or another additional heater must be used.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Heißluftmotor und macht von dessen Vorteilen Gebrauch und betrifft eine Anordnung bei einem derartigen Notor, die auch eine bessere Verwendung der in der Brennkammer des Motors entwickelten Verbrennungswärme für Heizzwecke gestattet. Durch die erfindungsgemäße Anordnung sollen die Kosten und der Raumbedarf einer Zusatzheizung für den Fahrgastraum od. dgl. entfallen. Außerdem sollen die Betriebskosten für eine derartige Raumheizung gesenkt werden0 Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Betriebsdauex einer derartigen Brenn kammer zu verlängern0 Bei dem eingangs näher erläuterten Heißgasmotor wird dieses erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß innerhalb einer Lufteinlaßleitung ein Strömungsmittelkanal vorgesehen ist, der zur Erwärmung des Strömungsmittels einen Wärmeaustausoh mit der vorgewärmten Verbrennungsluft bewirkt, und daß der Kanal eine Einlaß öffnung für das Strömungsmittel und eine Auslaßöffnung für erwärmtes Strömungsmittel aufweist0 Bei dem erfindungsgemäßen Heißgasmotor wird die Luft durch Abgase in einem Wärmetauscher vorgewärmt, wobei die Wärme der vorgewärmten Luft teilweise für Heiszwecke ausgenutzt wird0 Erfindungsgemäß ist ein zweiter Wärmetauscher zwischen dem Luftvorwärmer und dem Lufteinlaß für die Brennkammer vorgesehen, um einen Wärmeaustausoh zwischen der vorgewärmten Verbrennungsluft und einem gesonderten Strömungsmittel für Heizzwecke zu erzielen.The present invention is based on a hot air engine and makes use of its advantages and concerns an arrangement with such a notor, which also made better use of those developed in the engine's combustion chamber Heat of combustion permitted for heating purposes. By the arrangement according to the invention should reduce the cost and space requirements of additional heating for the Passenger compartment or the like are omitted. In addition, the operating costs for such Space heating can be reduced0 Another object of the invention is to reduce the To extend the service life of such a combustion chamber explained hot gas engine, this is achieved according to the invention in that within an air inlet line, a fluid channel is provided, which for heating the fluid exchanges heat with the preheated combustion air causes, and that the channel has an inlet opening for the fluid and one Has outlet opening for heated fluid in the case of the invention Hot gas engine, the air is preheated by exhaust gases in a heat exchanger, whereby the heat of the preheated air is partially used for hot purposes0 According to the invention is a second heat exchanger between the air preheater and the air inlet for the combustion chamber is provided to allow a heat exchange between the preheated combustion air and a separate fluid for heating purposes.

Der zweite Wärmetauscher umfaßt einen Strömungsmittelkanal, der innerhalb der Leitung und mit dieser eine Wärmeübertragung ermöglichend angeordnet ist, die den Frischluftauslaß des Vorwärmere mit dem Brennkammereinlaß verbindet und im wesentlichen konzentrisch die Brennkammer umschließt.The second heat exchanger includes a fluid channel within the line and with this a heat transfer is arranged enabling the the fresh air outlet of the preheater connects to the combustion chamber inlet and essentially concentrically encloses the combustion chamber.

Vorzugsweise ist der Strömungsmittelkanal im Bereich solcher Abschnitte der Brennkammer vorgesehen, die in besonderem Maße der Verbrennungswärme ausgesetzt sind, so daß ein Wärmeaustausch auch zwischen der Strömungsmittelleitung und der Brennkammerwand sichergestellt ist, was gleichzeitig zu einer Erhöhung der Betriebsdauer der Brennkammer führt.The fluid channel is preferably in the region of such sections the combustion chamber is provided, which is particularly exposed to the heat of combustion are, so that a heat exchange between the fluid line and the combustion chamber wall is ensured, which at the same time increases the operating time the combustion chamber leads.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zu erwärmende Strömungsmittel in einen Abschnitt der Brennkammer geleitet, der im Bereich der Einspritzdüse liegt, wobei das Strömungsmittel so geführt ist, daß das kälteste Strömungsmittel von den heißesten Abgasen erwärmt wird. Auf diese Weise wird die Betriebsfähigkeit dieser besonders beanspruchten Abschnitte der Brennkammer erheblich erhöht.In a preferred embodiment of the invention that is to be heated Fluid directed into a section of the combustion chamber in the area of the Injection nozzle lies, wherein the fluid is guided so that the coldest Fluid is heated by the hottest exhaust gases. In this way, the The operability of these particularly stressed sections of the combustion chamber is considerable elevated.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erwindung wiedergegeben, das anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird. Dabei ist in der Zeichnung schematisch ein Längsschnitt durch den Erhitzerabschnitt eines Heißgasmotors dargestellt, bei dem ein Teil der Wärme der vorgewärniten Frischluft für Heizzwecke verwendet werden kann.In the drawing, an embodiment of the invention is shown, which is explained in more detail with reference to the following description. It is in the Drawing schematically a longitudinal section through the heater section of a hot gas engine shown, in which part of the heat of the preheated fresh air for heating purposes can be used.

Der Erhitzerabschnitt des Motors ist mit einem Wärmetauscher 1 versehen, der als ein Vorwärmer für Verbrennungsluft arbeitet und einen Einlaß 2 und einen Auslaß 3 für Frischluft aufweist. Der Auslaß 3 öffnet sich in einen Raum bzw. eine Leitung 4 hinein, die eine Brennkammer 5 umschließt. Die Brennkammer 5 ist mit ringförmig angeordneten Einlaß Öffnungen 7 für den Eintritt von vorgewärmter Jirisohluft versehen, wobei die Öffnungen 7 eine Einspritzdüse 8 für flüssigen Brennstoff umschließen. Innerhalb der Brennkammer 5 sind ringartig entlang ihrer Umfangswand 6 Erhitserrohre 9 angeordnet, durch die das Strömungsmittel des Motors - wie beispielsweise Helium, Wasserstoff oder ein anderes Gas - innerhalb eines geschlossenen Systems fließt. Die Erhitzerrohre 9 werden teilweise durch Strahlung und teilweise durch Konvektion erwärmt, wenn die Verbrennungsgase durch und an den Rohren 9 vorbei in einen Raum 10 strömen, der die Rohre 9 außen wn sohließtt wobei der Raum 10 mit dem Einlaß 11 des Wärmetausohers 1 für die Verbrennungsgase in Verbindung steht, die den Warmetausoher 1 Uber den Auslaß 12 verlassen0 Die Erhitzerrohre 9 sind an einen Wärmespeicher bzw. Regenerator 17 und den oberen Teil eines Zylinders 18 angeschlossen, die Teile des Heißgasmotors bildend In dem Raum bzw. der Leitung 4, die die Brennkammer 5 umschließt, ist ein zweiter Kanal 14 angeordnet, der unmittelbar lm Bereich der Brennkammer 5 vorgesehen ist0 Der Kanal t4 ist außen von vorgewärmter Frischluft bzw.The heater section of the engine is provided with a heat exchanger 1, which works as a preheater for combustion air and an inlet 2 and a Has outlet 3 for fresh air. The outlet 3 opens into a room or a Line 4 in, which encloses a combustion chamber 5. The combustion chamber 5 is ring-shaped arranged inlet openings 7 provided for the entry of preheated Jiriso air, wherein the openings 7 enclose an injection nozzle 8 for liquid fuel. Inside the combustion chamber 5, heating tubes 6 are ring-like along their circumferential wall 9 arranged through which the fluid of the engine - such as helium, Hydrogen or another gas - within a closed system flows. The heater tubes 9 are partly by radiation and partly by convection heated when the combustion gases through and past the tubes 9 into a room 10 flow, which sohließtt the tubes 9 outside wn wherein the space 10 with the inlet 11 of the heat exchanger 1 for the combustion gases is in connection, which the warmth alsoher 1 Leave via outlet 12 0 The heater tubes 9 are connected to a heat accumulator or regenerator 17 and the upper part of a cylinder 18 connected to the parts of the hot gas engine forming In the space or the line 4, which the combustion chamber 5 encloses, a second channel 14 is arranged, which is immediately in the area of the Combustion chamber 5 is provided 0 The channel t4 is outside of preheated fresh air respectively.

Verbrennungsgasen umgeben, und im Inneren des Kanals 14 fließt ein Strömungsmittel, das für Heizzwecke geeignet ist. Dieser Kanal 14 hat einen Einlaß 15 und einen Auslaß 16 und ist Abschnitten der brennkamiiier 5 zugeordnet, die einer besonders hohen Wärmebelastung ausgesetzt sind, wie beispielsweise der Abschnitt 13 im Bereich der Einspritzdüse 8.Combustion gases surround, and inside the channel 14 flows in Fluid suitable for heating purposes. This channel 14 has an inlet 15 and an outlet 16 and is assigned to sections of the combustion chamber 5, the one are exposed to particularly high thermal loads, such as the section 13 in the area of the injection nozzle 8.

Es ist bekannt, für Heizzwecke einen Teil der Frischluft zu verwenden, die zur Verbrennung benutzt wird und durch Verbrennungsabgase vorgewärmt ist, indem der entsprechende Anteil der Frischluft unmittelbar vor der Erennkammer abgezweigt und dem zu erwärmenden Raum sugeführt wird. Hierbei ergibt sich Jedoch der Nachteil, daß die den Wärmetauscher durchströmende Frischluft um den Betrag erhöht werden muß, der für Heizzwecke abzuziehen ist, Dieses hat einen nachteiligen Einfluß auf den gesamten Verbrennungsablauf, der im Hinblick auf den Wärmebedarf und damit die Schwankungen der Verbrennungsluftmenge su steuern ist. Das Brennstoff/Luft-Verhältniss ist jedoch für den Wirkungsgrad der Verbrennung von be sonderer Bedeutung. Da das Brennstoff/Luft-Verhältnis jeweils am den Wärmebedarf angepaßt werden muß, erfordert eine derartige Anordnung einen erheblichen steuerungstechnischen Aufwand.It is known to use part of the fresh air for heating purposes, which is used for combustion and is preheated by combustion exhaust gases by the corresponding portion of the fresh air is branched off immediately in front of the separation chamber and is fed to the room to be heated. However, this has the disadvantage that the fresh air flowing through the heat exchanger is increased by the amount must be deducted for heating purposes, this has an adverse effect on the entire combustion process, with regard to the heat demand and thus the Control fluctuations in the amount of combustion air. The fuel / air ratio is however, it is of particular importance for the efficiency of the combustion. As the fuel / air ratio must be adapted to the heat demand, requires such an arrangement a considerable control effort.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß jedoch der Vorteil erreicht, daß der Verbrennungsablauf weitgehend unabhängig vom Wärmebedarf steuerbar ist, da das Abziehen der Wärme durch einen speziellen Wärmetauscher erfolgt, der zwischen dem Luftvorwärmer und der Brennkammer angeordnet ist, Hierbei ist die Verbrennungsluftmenge konstant, während sich die Lufttemperatur ändert Das optimale 3rennstoff/Luft-Verhältnis ist deshalb stets unabhangig davon erreicht, wieviel Wärme der vorgewärmten Luft entnommen wird0 Dieses ist sehr vorteilhaft, da der für die Raumbeheizung erforderliche Wärmebedarf den Wirkungsgrad des Heißgasmotors nicht beeinträchtigt.In contrast, the invention achieves the advantage that the combustion process can be controlled largely independently of the heat demand, since the The heat is drawn off through a special heat exchanger that is placed between the Air preheater and the combustion chamber is arranged, here is the amount of combustion air constant as the air temperature changes The optimal fuel / air ratio is therefore always achieved regardless of how much heat is reached in the preheated air 0 This is very advantageous as the one required for room heating Heat requirement does not affect the efficiency of the hot gas engine.

Ein anderer Vorteil besteht darin, daß der Heizkreislauf mit einem beliebig wählbaren Strömungsmittel, wie beispielsweise frischer Luft oder Wasser, betrieben werden kann und nicht an das Abgas gebunden ist0 Hierbei bildet der Strömungsmittelkanal 14 zusammen mit einem Heizkörper oder einem Wasser/Luft-Wärmetauscher einen Teil eines Kreislaufes. Der trömungsmittelkanal 14 kann auch mit Umluft aus dem zu beheizenden Raum beaufsohlagt werden, der zweckmäßigerweise Frischluft zugemischt wird. Die in dem Strömungsmittelkanal 14 erwärmte Luft kann vor dem Eintritt in den zu beheizenden Raum mit kalter Luft gemischt werden. Die gewünschte Temperatur ist durch Regelventile in den heißen und kalten Luftleitungen einstellbar, Da der Kanal 14 im unmittelbaren Bereich der Brennkamf mer 5 angeordnet ist und sich damit in Abschnitten der Brennkammer befindet, die einer besonderen Wärmebelastung ausgesetzt sind, wird eine Verlängerung der Betriebadauer der Brennkammer 5 erreicht.Another advantage is that the heating circuit with a freely selectable fluid, such as fresh air or water, can be operated and is not bound to the exhaust gas 14 together with a radiator or a water / air heat exchanger a part of a cycle. The fluid channel 14 can also be heated with circulating air from the Space are charged, which is expediently mixed with fresh air. the In the fluid channel 14 heated air can be heated before entering the Room can be mixed with cold air. The desired temperature is through control valves adjustable in the hot and cold air ducts, Because the channel 14 is arranged in the immediate area of the combustion chamber 5 and is thus in Sections of the combustion chamber are located, which are exposed to a particular heat load are, an extension of the operating time of the combustion chamber 5 is achieved.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche weitere Ausführungsformen möglich. So brauchen die Leitung 4 und der Kanal 14 nicht die Porm und die Anordnung aufzuweisen, wie sie in der Zeichnung dargestellt sind, obgleich auf diese Weise ein optimaler Wirkungsgrad erreichbar ist. Der Kanal 14 kann in dem die Brennkammer 5 umschließenden Raum 4 beispielsweise auoh an einer Stelle vorgesehen sein, die nioht in unmittelbarem Kontakt mit der Brennkammer 5 steht.Numerous other embodiments are within the scope of the invention possible. So the line 4 and the channel 14 do not need the Porm and the arrangement as shown in the drawing, albeit in this way an optimal efficiency can be achieved. The channel 14 can in which the combustion chamber 5 enclosing space 4 can also be provided, for example, at a point which is not in direct contact with the combustion chamber 5.

Außerdem kann der Erhitzer des Heißgasmotors oberhalb des Zylinders angeordnet werden0 AnsprücheIn addition, the heater of the hot gas engine can be located above the cylinder be arranged0 claims

Claims

A n p r e c h e 1. Hot gas engine for the external combustion of Fuel consisting of a combustion chamber with a fuel injection nozzle, an air inlet line system for drawing in combustion air from outside eu the Injection nozzle and a gas outlet pipe system, which extends from the Brennknmmer a heat exchanger within the air inlet duct system for preheating the combustion air extends, characterized in that an air inlet duct (4) is inside Fluid channel (14) is provided for heating the fluid causes a heat exchange with the preheated combustion air, and that the Channel (14), an inlet opening (15) for the fluid and an outlet opening (16) for heated fluid comprises 2. hot gas engine according to claim 1, characterized characterized in that the flow medium channel (14) is essentially concentric encloses the combustion chamber (5).

30 hot gas engine according to claim 2, characterized in that the fluid channel (14) is arranged essentially in sections of the combustion chamber (5), which are particularly are exposed to the heat of combustion, such as in the area of the injection nozzle (8) lying sections of the combustion chamber 4. hot gas engine according to claim 3, characterized characterized in that the inlet opening (15) is arranged so that it is the fluid leads directly to the sections (13) of the combustion chamber (5), which is an increased exposed to heat.

5. hot gas engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the fluid used for heating purposes is air and the heated fluid if necessary, cold air is admixed. L e r s e i t e