DE2538245A1 - EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR STIRLING ENGINES - Google Patents
EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM FOR STIRLING ENGINESInfo
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Description
Patentanmeldung
Abgasrückführsystem für Stirling MotorenPatent application
Exhaust gas recirculation system for Stirling engines
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrückführsystem für Stirling Motoren mit einem externen Brenner system und einem internen Arbeitsgas system, wobei das Brenner system aus einem Einströmteil, einer Brennkammer und einem Ausströmteil besteht und wobei dem Einströmteil über ein Gebläse Umgebungsluft zuführbar ist, der über eine den Ausströmteil mit dem Einströmteil verbindenden Abgasrückführleitung eine bestimmte Menge Abgas zufuhr bar ist.The invention relates to an exhaust gas recirculation system for Stirling engines with an external burner system and an internal working gas system, the burner system consisting of an inflow part, a combustion chamber and an outflow part and wherein ambient air can be supplied to the inflow part via a fan, which air is connected to the inflow part via an outflow part connecting exhaust gas recirculation line is a certain amount of exhaust gas supply bar.
Um einen günstigen Treibstoffverbrauch zu erreichen, sind Stirling Motoren neuerer Bauart normalerweise mit Wärmeaustauschern versehen, die leider meist störanfällig und teuer sind. Mit diesen Wärmeaustauschern wird in den Abgasen enthaltene Wärme, die ansonsten verlorengehen würde, der der Brennkammer zugeführten Umgebungsluft zugeführt. Eine bekannte Bauart eines solchen Wärmeaustauschers besteht aus einem drehbar gelagerten Scheibenkörper aus wärme speicherndem Material, dessen eine Hälfte vom heißen Abgas und dessen andere Hälfte von der kalten Umgebungsluft durchströmt wird.In order to achieve a favorable fuel consumption, Stirling engines are Newer designs are usually provided with heat exchangers, which unfortunately are mostly prone to failure and are expensive. With these heat exchangers in the The heat contained in exhaust gases that would otherwise be lost Ambient air supplied to the combustion chamber. A well-known type such a heat exchanger consists of a rotatably mounted Disc body made of heat-storing material, one half of which is from hot exhaust gas and the other half of which is traversed by the cold ambient air.
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Sitz der Gesellschaft: Köln ■ Registergericht Köln, HRB 84 · Vorsitzender des Aufsichtsrates: Hans Schaberger ■ Vorstand: Robert A. Lutz, VorsitzenderCompany headquarters: Cologne ■ Register court Cologne, HRB 84 · Chairman of the supervisory board: Hans Schaberger ■ Management board: Robert A. Lutz, chairman
Horst Bergemann ■ Franz J. Bohr - Waldemar Ebers ■ Wilhelm Inden ■ Alfred Langer Stellvertretend: Hans Wilhelm Gab ■ Paul A. Gucke! - Hans-Joachim Lehmann ■ Peter WeiherHorst Bergemann ■ Franz J. Bohr - Waldemar Ebers ■ Wilhelm Inden ■ Alfred Langer Representative: Hans Wilhelm Gab ■ Paul A. Look! - Hans-Joachim Lehmann ■ Peter Weiher
Die hierbei erforderliche Abdichtung de= '.S-^jas- und des Umgebungsluft-Stromes gegeneinander bereitet imrut-r wieder Schwierigkeiten.The required sealing de = '.S- ^ jas- and the ambient air flow imrut-r creates difficulties against each other again.
Neben diesem Problem des günstigen Treibstoffverbrauches besteht jedoch ebenfalls das Problem der Erzielung einer möglichst günstigen Abgasernission. Hierzu ist e^ ι Stirling Motoren notwendig, eine Abgasrückführung vor zu sehen, ■.,.!». eine vollständige Verbrennung von unverbrannten Kohitnwaaser stoff..»α zu erreichen. Die Abgase eines Stirling Motors besitzen jedoch eine höhere Temperatur als die Abgase anderer Motoren, so daß, würde man die Abgasrückführung direkt an der Einlaßseite des Einströmteiles vornehmen, die dem Einströmteil vorgeschalteten Gebläse beschädigt würden. Darüber hinaus würde eine Zuführung der Abgasrückführung an der Einlaßseite des Einströmteiles eine entsprechende Bemessung der Abgasrückführung entsprechend den verschiedenen Betriebszuständen des Motors erschweren.In addition to this problem of low fuel consumption, however, there is also a problem likewise the problem of achieving the lowest possible exhaust emission. For this purpose, e ^ ι Stirling engines are necessary to see an exhaust gas recirculation before ■.,.! ». a complete incineration of unburned Kohitnwaaser substance .. »to achieve α. However, the exhaust gases from a Stirling engine have one higher temperature than the exhaust gases of other engines, so that one would use the Carry out exhaust gas recirculation directly on the inlet side of the inflow part, which would damage the blower upstream of the inflow part. About that In addition, a supply of the exhaust gas recirculation on the inlet side of the Inflow part complicate a corresponding dimensioning of the exhaust gas recirculation according to the different operating states of the engine.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Abgasrückführsystem für Stirling Motoren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine kontrollierte Abgasrückführung in den Einströmteil des Motors möglich ist, ohne daß hierdurch die mechanische Belastbarkeit von Bauteilen des Motors überschritten wird. Darüber hinaus soll die Abgasrückführung an einer Stelle im Einströmteil des Motors erfolgen, an der eine gute Verwirbelung von Umgebungsluft und Abgas erzielt wird, so daß eine günstige Abgasemission erzielt wird.The object of the invention is therefore to provide an exhaust gas recirculation system for Stirling To create engines of the type mentioned, in which a controlled exhaust gas recirculation is possible in the inflow part of the engine without this the mechanical load capacity of components of the engine is exceeded. In addition, the exhaust gas recirculation should be at one point in the inflow section of the engine take place at which a good turbulence of ambient air and exhaust gas is achieved, so that a favorable exhaust gas emission is achieved.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Abgasrückführ system für einen Stirling Motor der eingangs genannten Art die in den Patentansprüchen aufgezeigten Merkmale aufweist.According to the invention, this object is achieved by an exhaust gas recirculation system for a Stirling engine of the type mentioned has the features indicated in the claims.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Abgasrückführleitung stromab des Gebläses für die Umgebungsluft und einmündend in einen eine in die Ein stromleitung gerichtete Düse des Gebläses umfassenden Mantel wird durch dieThe inventive arrangement of the exhaust gas recirculation line downstream of the Blower for the ambient air and opening into one in the one power line Directional nozzle of the fan comprising jacket is through the
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hohe Austrittsgeschwindigkeit der komprimierten, kalten Umgebungsluft eine gute Verwirbelung mit dem entspannten, heißen Abgas erzielt. Eine schädliche Belastung des Gebläses für die Umgebungsluft wird vermieden und weiterhin durch die über das Abgas der Umgebungsluft zugeführte Wärme eine Verringerung der Abmessungen des Wärmeaustauschers ermöglicht.high exit speed of the compressed, cold ambient air good turbulence achieved with the relaxed, hot exhaust gas. A harmful load on the fan for the ambient air is avoided and continues to do so allows a reduction in the dimensions of the heat exchanger due to the heat supplied to the ambient air via the exhaust gas.
Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten schematischen Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention is illustrated by means of one in the accompanying drawing schematic embodiment explained in more detail.
Fig. 1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Stirling Motors mit einem erfindungsgemäßen Abgasrückführsystem.Fig. 1 shows a schematic perspective view of a Stirling engine with an exhaust gas recirculation system according to the invention.
Fig. 2 zeigt eine etwas vergrößerte schematische Ansicht der Anordnung in Fig. 1, wobei das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem hervorgehoben ist.FIG. 2 shows a somewhat enlarged schematic view of the arrangement in FIG Fig. 1, wherein the exhaust gas recirculation system according to the invention is emphasized.
Ein in Fig. 1 gezeigter Stirling Motor besteht im wesentlichen aus vier Systemem: einem externen Brennersystem A, einem internen Arbeitsgassystem B, einem mechanischen Antriebssystem C und einem Abgasrückführsystem D, das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet. _A Stirling engine shown in Fig. 1 consists essentially of four Systems: an external burner system A, an internal working gas system B, a mechanical drive system C and an exhaust gas recirculation system D, which forms the subject of the present invention. _
Das externe Brenner system A weist ein Gebläse 10 auf, das über einen geeigneten
Hilfsantrieb 11 von der mechanischen Antriebseinheit C angetrieben wird.
Das Gebläse 10 komprimiert die kalte Umgebungsluft und drückt einen Luftstrom
12 durch eine'Einströmleitung 13 in die Brennkammer 14. Die Brennkammer
14 weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf und enthält einen Brennereinsatz 14 a, dem über eine Leitung 16 Treibstoff zugeführt wird, der
über eine Treibstoffpumpe 50 von einem Treibstoffbehälter 17 angesaugt wird.
Eine mit einem Fühler in der Brennkammer 14 verbundene Steuereinrichtung
51 sorgt hierbei in Verbindung mit einem Steuerventil 52 für die Umgebung sluft
für eine entsprechende Einhaltung des erwünschten T reib stoff-Luft-Verhältnisses.
US-704 / 19. August 197 5 - - - 4 -The external burner system A has a fan 10 which is driven by the mechanical drive unit C via a suitable auxiliary drive 11. The fan 10 compresses the cold ambient air and pushes an air stream 12 through an inflow line 13 into the combustion chamber 14. The combustion chamber 14 preferably has a cylindrical shape and contains a burner insert 14 a, to which fuel is supplied via a line 16, which is supplied via a Fuel pump 50 is sucked from a fuel tank 17. A control device 51 connected to a sensor in the combustion chamber 14, in conjunction with a control valve 52 for the surrounding air, ensures that the desired fuel-air ratio is maintained accordingly.
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Die in der Brennkammer 14 erzeugten Verbrennungsgase erhitzen einen Teil des internen Arbeitsgassystems B, der im wesentlichen von Erhitzer rohr en 22 gebildet ist. Die Verbrennungsgase verlassen die Brennkammer 14 über einen drehbaren, scheibenförmigen Wärmeaustauscher 18 aus wärme speicherndem Material und gelangen hierauf in eine Ausströmleitung 19 und 20.The combustion gases generated in the combustion chamber 14 heat a part of the internal working gas system B, which essentially consists of heater tubes 22 is formed. The combustion gases leave the combustion chamber 14 via a rotatable, disc-shaped heat exchanger 18 of heat-storing Material and then arrive in an outflow line 19 and 20.
Die Funktion des Brenner systems A1 des Arbeitsgas systems B und des mechanischen Antriebesystems C eines Stirling Motors sind allgemein bekannt, so daß hier auf eine eingehende Erläuterung der Funktionsweise verzichtet werden kann.The function of the burner system A 1 of the working gas system B and the mechanical drive system C of a Stirling engine are well known, so that a detailed explanation of the operation can be dispensed with here.
Im Nachfolgenden wird nunmehr die Funktionsweise des die Erfindung bildenden Abgasrückführsystems D erläutert. Das Abgasrückführsystem besteht im wesentlichen aus einer Abgaerückführleitung 25, die die Aus stromleitung 19-20 mit der Einströmleitung 13 verbindet. Gemäß der Erfindung mündet hierbei die Abgasrückführleitung 25 stromab des Gebläses 10 für die Umgebungsluft in die Einströmleitung 13 ein, wobei die Einströmleitung 13 an dieser Stelle mit einem Mantel 30 versehen ist, der eine mit der Auslaßöffnung 27 des Gebläses 10 verbundene Düse 46 nach Art einer Injektorpumpe umfaßt. Zwischen der Auslaßöffnung 46 a der Düse 46 und dem Mantel 30 der Einströmleitung 13 wird ein Ringspalt 28 gebildet, über den durch den durch den komprimierten Luftstrahl 29 verursachten Unterdruck das über eine öffnung 30 a in den Mantel 30 eingeführte Abgas angesaugt und mit der Umgebungsluft verwirbelt wird. Die Abgasrückführung erfolgt somit an einer Stelle, an der die hohe Temperatur des Abgases keine schädliche Einwirkung auf Bauteile des Gebläses 10 ausüben kann.In the following, the functioning of the forming the invention is now Exhaust gas recirculation system D explained. The exhaust gas recirculation system consists of essentially from a discharge return line 25, the power line from 19-20 connects to the inflow line 13. According to the invention, the exhaust gas recirculation line 25 opens downstream of the fan 10 for the ambient air into the inflow line 13, the inflow line 13 at this point is provided with a jacket 30, one of which is connected to the outlet opening 27 of the fan 10 connected nozzle 46 comprises in the manner of an injector pump. Between the outlet opening 46 a of the nozzle 46 and the jacket 30 of the inflow line 13, an annular gap 28 is formed, via the negative pressure caused by the compressed air jet 29 through an opening 30 a in the jacket 30 introduced exhaust gas is sucked in and swirled with the ambient air. The exhaust gas recirculation thus takes place at a point at which the high temperature of the exhaust gas has no harmful effect on components of the fan 10 can exercise.
Die Temperatur des Abgases in der Abgasrückführleitung 25 liegt bei einer Strömung von etwa 1200 kg/h bei einer Drehzahl von 4000 U/min bei etwa 340°C.The temperature of the exhaust gas in the exhaust gas recirculation line 25 is one Flow of about 1200 kg / h at a speed of 4000 rpm at about 340 ° C.
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Bei Teillast und einer Strömung von etwa 7f> .g/h bei 1131 U/min (entspricht etwa 50 km/h) beträgt die Temperatu· lU^C. Im Leerlauf, bei einer Strömung von 59 kg/h bei einer Drehzahl von 600 U/min beträgt die Temperatur an dieser Stelle etwa 170 C. Daraus ergibt sich, daß die Temperatur des Abgases in der Abgasrückführleitung 25 in allen Betriebsbereichen so hoch ist, daß sie auf Bauteile ein· 3 Gebläses, insbesondere wenn dieses aus Gründen der Ge wichtseir Kirung aus Kunststoffen besteht, einen schädlichen Einfluß ausübe;.·"! würde.At part load and a flow of about 7f> .g / h at 1131 rpm (corresponds to about 50 km / h) the temperature is lU ^ C. At idle, with a current of 59 kg / h at a speed of 600 rpm, the temperature is on this point about 170 C. It follows that the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas recirculation line 25 is so high in all operating ranges that it on components a 3 blower, especially if this for reasons of Ge weight is made of plastics, exert a harmful influence;. · "! would.
Durch das erfindungsgemäße Abgasrückführimgssystem wird weiterhin der Vorteil erreicht, daß durch die durch die Wirkung der Injektor pumpe innige Verwirbelung der Umgebungsluft und der Abgase eine beträchtliche Vorwärmung der Umgebungsluft erreicht wird, so daß die erwünschte Vorwärmung der der Brennkammer zugeführten Umgebungsluft mit einem Wärmeaustauscher von geringerer Masse erreicht werden kann. Es wurde gefunden, daß die Masse des Wärmeaustauschers um ein Fünftel bis zu einem Sechstel verringert werden konnte, ohne daß sich hierdurch der Wirkungsgrad verschlechtert hätte.The exhaust gas recirculation system according to the invention continues to be the Advantage achieved that a considerable preheating by the action of the injector pump intimate swirling of the ambient air and the exhaust gases the ambient air is achieved, so that the desired preheating of the Ambient air supplied to the combustion chamber with a heat exchanger from lower mass can be achieved. It has been found that the mass of the heat exchanger is reduced by one fifth to one sixth could be without the efficiency would have deteriorated as a result.
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