DE2918320A1

DE2918320A1 - Externe verbrennungseinheit, insbesondere fuer stirlingmaschinen

Info

Publication number: DE2918320A1
Application number: DE19792918320
Authority: DE
Inventors: Bernard Edvard Enga
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1978-05-08
Filing date: 1979-05-07
Publication date: 1979-11-15
Also published as: CA1120731A; FR2425551A1; US4285665A; SE7904003L; JPS555487A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Stirling-Motoren und auf verbesserte Betriebsverfahren solcher Motoren, wobei in dem externen zweistufigen Vergasungsbrenner der überwiegende Teil des Kraftstoffes katalytisch oxidiert wird.

Wird ein Stirlingmotor mit einem rhombischen oder ähnlichen Antrieb verbunden, so hat er bekanntlich sehr geringe Vibrationen, was zu einem ruhigen Motorlauf führt. Infolge der Kraftstoffverbrennung in einem externen zweistufigen Vergasungsbrenner sind darüberhinaus die Abgase sauberer als bei normalen Diesel- oder Otto-Motoren.

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Ausgestaltung eines Stirlingmotors, bei dem die externe Verbrennungseinheit so als katalytischer zweistufiger Vergasungsbrenner ausgestaltet ist, daß die Brennkraftmaschine mit geringer Geräuschentwicklung und mit geringen Bestandteilen der Auspuffgase an Schadstoffen und brennbaren Substanzen betrieben werden kann.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung enthält eine externe Verbrennung seinheit eines Stirlingmotors einen zweistufigen Vergasungsbrenner mit einem thermisch stabilen und oxidations-

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resistenten Block, der aus einem katalytisehen Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist und der eine Vielzahl von Strömungskanälen für die katalytische Verbrennung von brennbaren Gasen und eingespritztem kraftstoff aufweist.

Die katalytische Verbrennung in einer externen Verbrennungseinheit gemäß der Erfindung ermöglicht den Einsatz einer solchen Brennkraftmaschine in Bereichen wie dem Untertagebetrieb in Bergwerken oder dem Unterwasserbetrieb, wo eine konventionelle Flammenverbrennung nicht möglich ist oder einschränkenden Bestimmungen unterliegt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die externe Verbrennungseinheit eines Sterlingmotors: (a) ein Gebläse für die Luftzuführung zum zweistufigen Vergasungsbrenner;

Cb) einen Pilotbrenner, dem Kraftstoff mit einer Einspritzvorrichtung zugeführt wird?

(c) zumindest eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung des Rest-Kraftstoffes in den Gasstrom;

(d) einen Abschnitt des katalytischen zweistufigen Vergasungsbrenners mit einem temperaturstabilen, oxydationsresistenten Block, der katalytische Kanäle aufweist, durch die die mit dem gemäß (c) eingespritzten

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Kraftstoff zusammengebrachten Gase geführt werden und dabei mit den Kanalwänden in Berührung kommen, so daß eine katalytische Verbrennung des unverbrannten Kraftstoffes, jedoch nur ein geringer Druckabfall erfolgen;

(e) Leitmittel zum gerichteten Führen des den katalytischen Brenner verlassenden Heißgasstromes über Heizrohre des Stirlingmotors.

Im Bereich (a) liegt die Lufttemperatur zwischen O und 600 C, und deen 1 und 20 at. Im Bereich (b) verbrennt der Pilotbrenner bis zu etwa 5 Gew.% des gesamten Kraftstoffverbrauches bei Vollast. Der vom Pilotbrenner bei Normallast verbrannte Kraftstoff liegt zwischen 0,16 und 66 2/3 Gew.%. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Pilotbrenners gemäß (b) vermag die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffes zu steuern und ist primär so eingestellt, daß sich eine Temperatur in einem bei der Verbrennung gemäß (d) bevorzugten Bereich ergibt. Ein typischerweise im Verbrennungsbereich bevorzugter Temperaturbereich liegt zwischen 200 und 500 C.

Die Kraftstoffrückstände werden gemäß (c) mittels einer oder mehrerer Kraftstoffeinspritzvorrichtungen eingespritzt. Die Zahl der Einspritzvorrichtungen und ihre Ausgestaltung sind von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängig.

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Der oxidatxonsresistente Block gemäß (d) besteht aus einem Metall und zwar aus einem oder mehreren der Metalle der Gruppe Ru, Rh, Pd, Ir und Pt. Es können jedoch auch Basismetalle, Legierungen aus Basismetallen oder Basismetall-LLegierungen verwendet werden, die eine Metallkomponente der Platinmetalle enthalten.

Die Wände des Metallblockes haben vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 2 bis 4 Tausendstelinch. Die bevorzugten Charakteristiken des mit katalytischem Material beschichteten Metallblockes sind erstens ein solches Verhältnis zwischen massivem Material und Strömüngsquerschnitt, daß der Block für die strömenden Gase einen geringen Strömungswiderstand darstellt und zweitens ein hohes Oberflächen · Volumenverhältnis.

Ein typischer Keramikblock mit 200 Zellen je inch hat eine Wanddicke von 0,008 - 0,011 inches, 71% freien Strömungsanteil und einen Druckabfall um 15%. Ein typischer Metallblock gemäß

der Erfindung mit 400 Zellen je inch hat eine Wanddicke von 0,002 inches, 91 - 92% freien Strömungsanteil und 4% Druckabfall oder weniger.

Für die Herstellung eines typischen Metallblockes gemäß der Erfindung geeignete Metalle der Platingruppe sind 10% Rhodium-Platin und dispersionsgehärtete Metalle und Legierungen der

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Platingruppe, wie sie in den GB-Patentanmeldungen 1280815 und 1340076 sowie in den US-Patentanmeldungen 3 689 987, 3 696 502 und 3 709 667 beschrieben sind.

Für die Verwendung geeignete Basismetalle sind solche, die widerstandsfähig gegen harte Oxidationsbedingungen sind. Beispiele für solche Basismetall-Legierungen sind Nickel- und Chromlegierungen mit einem Gesamtanteil an Ni und Cr von mehr als 20 Gew.% und Eisenlegierungen mit zumindest einem der Elemente Chrom (3-40 Gew.%), Aluminium (1-10 Gew.%), Kobalt (0-5 Gew.%), Nickel (0-72 Gew.%) und Kohlenstoff (0-5 Gew.%). Solche Substrate sind in der DE-OS 24 50 664 beschrieben.

Andere Beispiele für Basismetall-Legierungen für harte Einsatzbedingungen sind Eisen-Aluminium-Chrora-Legierungen, die auch Yttrium enthalten können. Die zuletzt genannten Legierungen können enthalten 0,5-12 Gew.% Al, 0,1 - 3,0 Gew.% Y, 0-20 Gew.% Cr und Resteisen. Solche Legierungen sind beschrieben in der US-PS 3 298 826. Ein anderer Bereich von Fe-Cr- Al -Y- Legierungen enthält 0,5-4 Gew.% Al, 0,5 - 3,0 Gew.% Y, 20,0 - 95,0 Gew.% Cr und Resteisen. Solche Legierungen sind in der US-PS 3 027 252 beschrieben.

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Basismetall-Legierungen, die auch Metalle der Platingruppe enthalten, sind für katalytische Metallblöcke für· besonders harte Einsatzbedingungen bzw. Oxidationsbedingungen geeignet. Solche Legierungen sind in der DE-OS 25 30 245 beschrieben und enthalten zumindest 40 Gew.% Ni oder zumindest 40 Gew.% Co. Spur bis 30 Gew.% Cr und Spur bis 15 Gew.% von einem oder mehreren der Metalle Pt, Pd, Rh, Ir, Os und Ru. Die Legierungen können auch zwischen einer Spur und den nachfolgenden Anteilen die folgenden Elemente enthalten:

Gew.%

Co Ti Al

Mo Hf Mn Si

Nb

Ta Zr Fe

Th und seltene

Erden 3

als Metalle oder Oxide

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25	/5
6	,0
7
20	/15
20	,05
2
2
1
2
Ul
0
0
10
3
20

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.Ist das Substrat entweder allein oder überwiegend aus einem • Metall der Platingruppe hergestellt, so kann das Substrat eine gewobene Drahtgaze, oder ein Sieb oder eine gewellte, geriffelte oder gekrumpfte Folie bzw. ein solches Blatt sein. Diese Arten von Blöcken aus einem Basismetall sind ebenfalls in der DE-OS 24 50 664 beschrieben, und sie können bei einem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung finden. Solche Blöcke aus Basismetall können mit einer ersten Schicht mit Sauerstoff und mit einer zweiten Schicht aus katalytischem Material beschichtet sein. Die Sauerstoff enthaltende Schicht besteht im allgemeinen aus einem Oxid aus folgender Gruppe: Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafnium, Thorium, Beryllium, Magnesium, Calziumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, Chrom, Bor, Scandiumoxid, Yttriumoxid und Oxiden der Lanthaniden. Alternativ hierzu kann der Sauerstoff in der ersten Schicht als ein Sauerstoff enthaltendes Anion aus folgender Gruppe sein: Chromat, Phosphat, Silicat und Nitrat. Die zweite, katalytische Schicht kann beispielsweise ein Metall aus folgender Gruppe enthalten Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au, Ag, eine Legierung mit zumindest einem der Metalle und Legierungen mit zumindest einem dieser Metalle und einem Basismetall. Die erste und zweite Schicht können auf den Block beispielsweise so aufgetragen werden, wie es in der DE-OS 24 50 664 beschrieben ist.

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Alternative katalytische Blöcke für die Anwendung gemäß (f) sind Strukturen, wie sie in der GB-Patentanmeldung 51 219/76 vom 8. Dezember 1976 beschrieben sind.

In der GB-Patentanmeldung 51 219/76 ist ein Katalysator mit einem metallischen Substrat beschrieben, wobei auf dem Substrat eine Beschichtung aus einer oder mehreren intermetallischen Verbindungen nach der allgemeinen Formel A B aufgetragen ist, worin A eines der Elemente Ru, Rh, Pd, Ir und Pt ist und B aus der Gruppe Al, Sc, Y den Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, V, Nb und Ta ausgewählt ist und χ und y ganze Zahlen von 1 und mehr sind..

In der GB-Patentanmeldung 51 219/76 ist die Beschichtung aus einer intermetallischen Verbindung vorzugsweise ein dünner Film mit einer Dicke zwischen 2 und 15 Mikron.

Viele Verbindungen vom Typ A B sind miteinander mischbar

χ y

und Strukturen, bei denen auf den metallischen Substraten eine Beschichtung aufgetragen ist, die mehr als eine Verbindung vom Typ A B enthält, liegen im Bereich der vor- - x y

liegenden Erfindung. .

Ist die intermetallische Verbindung als Schicht mit einer Dicke von nicht mehr als 15 Mikron auf einem metallischen

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Substrat aufgetragen, so liegt keine exzessive Sprödigkeit vor und das beschichtete Substrat kann ohne besondere Vorkehrungen gehandhabt werden.

Zur Herstellung der Beschichtung als dünner Film aus einer intermetallischen Verbindung auf der Oberfläche eines Metallblockes können mehrere Verfahren angewendet werden. Es kann beispielsweise Aluminium auf der Oberfläche einer Gaze aus Rhodium-Platin im Aluminiumpackverfahren (pack-aluminising process) aufgetragen werden. Bei diesem Verfahren werden die Gazen in einen gegen Hitze widerstandsfähigen, mit einer entsprechenden chemischen Stoffzusammensetzung gepackten Behälter gepackt, wobei dann das Aluminium über die Dampfphase auf der Gazeoberfläche niedergeschlagen wird. Bei der Aluminisierungstemperatur, insbesondere 800 900 C, findet eine Reaktion zwischen Platin und Aluminium statt, um die gewünschte intermetallische Verbindung zu ergeben.

Alternativ kann ein chemischer Dampfniederschlag von ZrCl. zur Bildung einer Schicht aus Pt₃Zr durchgeführt werden oder der Niederschlag kann mittels Elektrolyse erzielt werden, entweder aus einer wässrigen oder schmelzflüssigen Salzelektrolyse, um die gewünschte Verbindung zu ergeben.

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Bei jedem der anwendbaren Verfahren ist wesentlich,- daß eine gut haftende, intermetallische Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Drahtmaterial des Gazepaketes oder der entsprechenden anderen Struktur erzielt wird.

Ein anderes Verfahren besteht darin, die die intermetallische Verbindung ergebenden Metalle als entsprechende Lösung in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel zu lösen. Die Komponenten werden dann durch Hinzufügen eines Reduktionsmittels veranlaßt, sich auf dem metallischen Substrat oder der Gaze niederzuschlagen. Das metallische Substrat wird in die Lösung eingegeben, während der Niederschlag erfolgt, um mit einer einheitlichen, mikrokristallinen Schicht aus der intermetallischen Verbindung beschichtet zu werden.

Der Katalysator ist vorzugsweise ein Metall aus der Gruppe Ru, Rd, Pd, Ir, Pt und Legierungen dieser Metalle untereinander oder mit einem oder mehreren Basismetallen derart, daß wenigstens 10 Gew.% dieses Katalysators PGM ist. Abhängig vom gewählten Block und Katalysator kann eine Zwischenschicht aufgeschlämmt werden, die einen Oberflächenbereich aus feuerfestem .Metalloxyd enthält.

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Figurenbeschreibung

Ein Stirlingmotor ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Er weist die fünf folgenden Hauptkomponenten auf: den Arbeitskolben 1, einen Stellkolben 2, einen Vorwärmer (den zweistufigen katalytischen Vergasungsbrenner), der im linken Teil der Zeichnung dargestellt ist, einen Regenerator 5 und einen Kühler 10. Der Stellkolben 2 ist mit einer Kolbenstange 7 versehen, die durch den Arbeitskolben 1 hindurchgeführt ist, zwischen dem und dem Stellfcolben 2 ein Kaltraum 8 besteht. Abweichend von konventionellen Brennkraftmaschinen mit interner Verbrennung erfolgt beim vorliegenden Motor die Wärmezufuhr extern, hierzu ist der katalytische zweistufige Vergasungsbrenner vorgesehen, und das Arbeitsmedium ist vollständig in die Maschine eingeschlossen. Die Arbeitsweise des externen Brenners ist folgende: Ein Gebläse 20 oder eine entsprechende Vorrichtung, z.B. ein Kompressor, fördert Luft in den Lufteinlaß, der mit einem Pilotbrenner erhitzt wird. Die Kraftstoffzufuhr zum Pilotbrenner ist auf eine optimale Temperatur der Luft bezüglich des von dem Block 26 getragenen Katalysators eingestellt. Der Restkraftstoff wird in den heißen Luftstrom vor dem Block 26 eingegeben. Daraufhin erfolgt die katalytische Verbrennung des Kraftstoffes. Die durch Pfeile angedeuteten heißen Verbrennungs-

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gase werden zum Erwärmen der Heizrohre 4 des Sterlingmotors verwendet. -

Das Kraftstoffsystem und die Luftzufuhr werden durch an sich bekannte Mittel angetrieben, wie sie am besten zu der Umgebung passen, in. der die Maschine betrieben werden soll. Soll die Erfindung beispielsweise im Bergbau eingesetzt werden, so können elektrische Antriebsmotoren zur Anwendung kommen, die flammsicher sind.

Ein Test unter Verwendung eines Stirlingmotors mit einem katalytischen Brenner gemäß der Erfindung ergab eine Steigerung der abgegebenen Leistung um 7% mit folgenden Emissionswerten der Abgase:

Kohlenwasserstoffe etwa 10 ppm Kohlenmonoxid 5 ppm

= Null ■

Der katalytische Brennerblock, wie er verwendet wurde, hatte einen Katalysatordurchmesser von 2 inches und eine Länge von 3 inches und war aus einer Fe-Cr-Al-Y-Legierung hergestellt worden. Er trug eine Aufschlämmung aus Aluminium mit Barium und war mit Platin beschichtet, wobei die Beladung 150g je Kubikfuß betrug.

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Die Eingangstemperatur des Katalysators betrug 210 C, die Auslaßtemperatur 870° C. Als Kraftstoff wurde Propan verwendet, und der Stirlingmotor hatte eine Leistung von 2/3 BHP,

Es kann angenommen werden, daß die 7% Leistungssteigerung gegenüber der gleichen Maschine aber bei Verwendung eines konventionellen Brenners auf die gleichmäßige Beheizung der Heizrohre 4 auf im wesentlichen die gleiche Maximaltemperatur zurückzuführen ist, das ist die Temperatur der vom Brenner kommenden Verbrennungsgase.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem Stirlingmotor beschrieben ist, ist der der Erfindung zugrundeliegende Grundgedanke auch bei anderen Brennkraftmaschinen mit hin- und hergehenden oder drehenden Kolben anwendbar, d.h. bei Drehmaschinen, deren Kolben mit hohen Drehzahlen umlaufen und bei Drehmaschinen mit zwei miteinander zusammenwirkenden Drehkolben.

Zusammenfassend kann das Wesentliche der Erfindung nochmals wie folgt erläutert werden.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Stirlingmotor und auf ein Verfahren, mit dem ein besseres Betriebsverhalten eine

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solchen Motors erhalten werden kann, wobei eine katalytische Oxidation eines größeren Teiles des Kraftstoffes in einem externen Brenner stattfindet.

Eine externe Verbrennungseinheit eines Sterlingmotors weist einen externen Brenner auf, der mit einem thermisch stabilen und oxidationsresistenten· Block versehen ist. Der Block besteht aus einem katalytischen Material oder ist zumindest mit einem solchen Material beschichtet und weist eine Vielzahl von Strömungskanälen für die katalytische Verbrennung brennbarer Gase und eingespritztem Kraftstoff auf.

Die Anwendung eines katalytischen Brenners gemäß der Erfindung ermöglicht es, einen damit ausgerüsteten Sterlingmotor oder eine andere Brennkraftmaschine im Bergbau unter Tag oder in ünterwasseranlagen einzusetzen, wo eine konventionelle Flammenverbrennung nicht möglich oder einschränkenden Bestimmungen -unterworfen ist.

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Claims

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Anmelder: JOHNSON, MATTHEY & CO., LIMITED,

43 Hatton Garden, London, ECIN 8EE, England

Titel: Externe Verbrennungseinheit, insbesondere für Stirlingmaschinen

Patentansprüche

f 1.J Externe Verbrennungseinheit, insbesondere für Sterlingmaschinen mit einem katalytischen Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner einen thermisch stabilen und oxidationsresistenten Block aufweist, der aus einem katalytischen Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist und der eine Vielzahl von Strömungskanälen für die katalytische Verbrennung von trennbaren Gasen und eingespritztem Kraftstoff aufweist.
2. Verbrennungseinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
2.1 ein Gebläse für die Luftzufuhr zum Brenner;
2.2 einen Pilotbrenner, dem Kraftstoff mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung zugeführt wird;
2.3 zumindest eine Einspritzvorrichtung zum Einbringen des Restkraftstoffes in den Gasstrom;
2.4 eine katalytische Verbrennungseinheit mit einem
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ORIGINAL INSPECTED

temperaturstabilen, oxydationsresistenten Block, der katalytische Kanäle zur Führung des mit dem gemäß 2.3 eingespritzten Kraftstoff zusammengebrachten Gasstromes unter katalytischer Wandberührung aufweist, so daß eine katalytische Verbrennung des noch unverbrannten Kraftstoffes erfolgt, der Druckabfall jedoch gering ist und 2.5 eine Leitvorrichtung zur Führung des die katalytische Verbrennungseinheit verlassenden heißen Gasstromes über Heizrohre, insbesondere des Stirlingmotors.

3. Verbrennungseinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus Metall besteht und aus einem oder mehreren der Metalle der Gruppe Ru, Rh, Pd, Ir und Pt hergestellt ist.

4. Verbrennungseinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus einem Basismetall, einer Basismetall-Legierung oder aus einer Basismetall-Legierung mit einem Metall der Platingruppe hergestellt ist.

5. Verbrennungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus einer 10% Rhodium-Platin-Legierung hergestellt ist.

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6. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basismetall-Legierung eine Nickel-Chrom-Legierung mit einem Gesamt-Nickel- und Chromgehalt von mehr als 20 Gew.% ist. -

7. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basismetall-Legierung zumindest eines der Elemente Chrom (3-40 Gew.%), Aluminium (1-10 Gew.%), Kobalt (0-5 Gew.%), Nickel (0-72 Gew.%) und Kohlenstoff (0-0,5 Gew.%) sowie Resteisen aufweist.

8. Brenner gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Block aus einer Legierung mit 0,5-12 Gew.% Al, 0,1-3,0 Gew.% Y, 0-20 Gew.% Cr und Resteisen hergestellt ist.

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