DE2262545C3 - Heißgasmotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor mit einem Erhitzer, der mindestens eine Reihe in einer Zylinderform um einen Raum für Verbrennungsgase angeordneter und im wesentlichen sich parallel zu der Zylinderachse erstreckender Rohre enthält, wobei der r> Erhitzer ein freies Ende aufweist, auf dem eine Brennervorrichtung ruht, die mit einer Kammer für Luft und Brennstoff versehen ist, wobei die Kammer an der vom Erhitzer abgewandten Seite durch eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung mit einem in die genannte Kammer mündenden Zerstäuber begrenzt wird, wobei die Brennstoffzerstäubungsvorrichtung durch eine Wand eines den Erhitzer und die Brennervorrichtung umgebenden Gehäuses, nach außen geführt ist.

Heißgasmotoren dieser Art sind, wie aus Fig. 1 der v, GB-PS 8 92 962 und aus Fig. 13 des Artikels »Der Philips-Stirlingmotor« (MTZ-Motortechnische Zeitschrift 29, Nr. 7, Juli 1968) hervorgeht, bekannt.

Diese bekannten Heißgasmotoren weisen einige Nachteile auf. y>

Die Erhiizerrohre nehmen beim Einschalten des Motors eine hohe Betriebstemperatur von 700⁰C oder höher an. Dadurch weisen die Erhitzerrohre eine große thermisch; Aisdehnung auf, wodurch die Rohrlänge wesentlich zunimmt. Die Längenzunahme der Erhitzer- y_t rohre, in axialer Richtung also des durch die Rohre gebildeten Zylinders, ist dabei viel größer als die in derselben Richtung auftretende Ausdehnung des den Erhitzer umgebenden Gehäuses und des meistens um den Erhitzer innerhalb des Gehäuses angeordneten _M> Vorerhitzers, in dem Verbrennungsluft durch den Motor verlassende Verbrennungsgase, die vorher den größten Teil ihrer Wärme den Erhitzerrohren abgegeben haben, vorgeheizt wird. Selbstverständlich wird dieser Unterschied in der Ausdehnung im wesentlichen verursacht _h-, durch die Talsache, daß die mittleren Temperaturen, die das Gehäuse und der Vorerhitzer annehmen, wesentlich niedriger sind als die des Erhitzers. Der große Unterschied in der Ausdehnung zwischen dem Erhitzer und dem umgebenden Gehäuse bzw. dem Vorerhitzer ist nun die Quelle vieler Unannehmlichkeiten.

Bei dem aus der GB-PS 8 92 962 bekannten Heißgasmotor, bei dem die auf dem Erhitzer ruhende Brennervorrichtung gegenüber dem umgebenden Gehäuse innerhalb dieses Gehäuses unbeweglich angeordnet ist, führt die unterschiedliche Ausdehnung zu Verformung der Erhitzer rohre und der Wände der Brennervorrichtung. Die Erhitzerrohre können dadurch leicht undicht werden, so daß das im Arbeitsraum des Motors befindliche Arbeitsmedium dann herausströmt und der Motor unbrauchbar wird. Durch die Verformung der Wände der Brennervorrichtung ändert sich diu Richtung der Brenner und es besteht die Gefahr, daß die Flammen auf die Erhitzerrohre gerichtet werden, was unerwünscht ist Auch kann die Einstellung der Brenner und damit die Brennstoffdosierung geändert werden.

Bei dem aus »MTZ-Motortechnische Zeitschrift« bekannten Heißgasmotor kann die auf dem Erhitzer ruhende Brennervorrichtung der Ausdehnung des Erhitzers zwar folgen. Dabei tut sieh jedoch das Problem dar, daß beim Aufwärtsbewegen der Brennervorrichtung der Zerstäuber der fest mit dem Gehäuse verbundenen Brennstoffzerstäubungsvorrichtung tiefer in der Kammer zu liegen kommt, wo in diesem Fall die Verbrennung des Luft/Brennstoffgemisches stattfindet. Die Zerstäuberdüse wird dann unerwünscht hohen Temperaturen ausgesetzt mit der Folge einer Verformung und Verkürzung der Lebensdauer des Zerstäubers.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Heißgasmotoren ist, daß Montage und Demontage der Brennervorrichtung und der Zerstäubungsvorrichtung nur möglich ist, nachdem der Vorerhitzer entfernt worden ist. Dies macht die Montage bzw. Demontage zeitraubend und teuer.

Die Erfindung bezweckt nun, ^inen I ieißgasmotor der beschriebenen Art zu schaffen, wobei die genannten Nachteile auf einfache Art und Weise ausgeschaltet sind.

Der erfindungsgemäße Heißgasmotor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzerstäubungsvorrichtung mit der Brennervorrichtung ein starres Ganzes bildet, das als Baueinheit gegenüber dem Gehäuse darin in axialer Richtung des Erhitzers verschiebbar ist und thermischen Längenänderungen des Erhitzers folgen kann, wobei zwischen dem Gehäuse und der Baueinheit mindestens eine biegsame Abdichtung vorhanden ist.

Beim Ausdehnen und Schrumpfen der Erhitzerrohre bewegt sich die darauf ruhende Baueinheit aus der Brennervorrichtung und der Brennstoffzerstäubungsvorrichtung frei mit dem Erhitzer mit, und zwar gegenüber dem umgebenden Gehäuse und dem Vorerhitzer, die eine geringere absolute thermische Ausdehnung bzw. Schrumpfung aufweisen. Es treten folglich keine Materialspannungen zwischen einerseits dem Erhitzer mit der Baueinheit aus der Brennervorrichtung und der Brennstoffzerstäubungsvorrichtung und andererseits dem Gehäuse, gegebenenfalls mit dem Vorerhitzer, auf. Der Zerstäuber bleibt nun gegenüber der Brennervorrichtung immer in derselben Lage. Die Baueinheit aus der Brennervorrichtung und der Brennstoffzerstäubungsvorrichtung läßt sich leicht in das Gehäuse schieben oder aus demselben entfernen, ohne daß eine Entfernung des Vorerhitzers dieser Handlung vorhergehen muß.

Die biegsame Abdichtung kann durch ihre Eigenschaften der relativen Bewegung der Baueinheit und des Gehäuses leicht folgen und sorgt durch die abdichtende Wirkung zugleich dafür, daß der Überdruck, unter dem die Verbrennungsluft dem Motor zugeführt wird, nicht ■; verlorengeht Durch den Überdruck werden die Strömungswiderstände, denen die Verbrennungsgase auf ihrem Weg zur Abfuhr begegnen, überwunden. Die Verbrennungsgase strömen dann ohne weitere Hilfsmittel in die Atmosphäre. ι ο

An Hand der Zeichnung, wobei als Beispiel in F i g. 1 und 2 zwei Ausführungsformen des Erhitzersystems eines Heißgasmotors auf schematische und nicht maßgerechte Weise dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert. li

In F i g. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder angegeben, in dem ein Kolben 2 und ein Verdränger 3 mit einem Phasenunterschied untereinander bewegen können. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind mittels einer Kolbenstange 4 bzw. einer Verdrängerstange 5 >o mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem Verdränger 3 befindet sich ein Kompressionsraum 6, der über einen Kühler 7, einen Regenerator 8 und einen Erhitzer 9 mit einem Expansionsraum 10 oberhalb des Verdrängers verbun- ₂i den ist. Der Erhitzer 9 ist durch eine Reihe von Rohren, die in einem Kreis um einen Raum 11 für die Verbrennungsgase angeordnet sind, gebildet. Der Erhitzer 9 besteht aus einer Anzahl erster Rohre 12, die sich einerseits an den Regenerator 8 anschließen und J₁₁ andererseits in einen Ringkanal 13 münden, und aus einer Anzahl wechselweise zwischen den ersten Rohren 12 angeordneter zweiter Rohre 14, die den Ringkanal 13 mit dem Expansionsraum 10 verbinden. Der Deutlichkeit halber sind nur zwei Sätze erster und zweiter Rohre ^ dargestellt. Der Erhitzer 9 trägt über eine auf dem Ringkanal 13 ruhende zentral durchbohrte Platte 16 eine Brennervorrichtung 17 mit einer Verbrennungskammer 18, deren obere Seite durch eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung 19 begrenzt wird. Die Brennstoffzerstäubungsvorrichtung 19 weist einen Zerstäuber 20 auf, der in die Verbrennungskammer 18 mündet. An den Zerstäuber 20 schließen sich eine Brennstoffzufuhr 21 und eine Zufuhr für Zerstäubungsluft 22 an. Die Verbrennungskammer 18 weist Zuführungsöffnungen 23 für Luft auf.

Die Brennervorrichtung 17 und die Brennstoffzerstäubungsvorrichtung 19 bilden zusammen ein starres Ganzes, eine Baueinheit 24.

Der Heißgasmotor ist weiter mit einem Gehäuse 25 _w versehen, das einen Erhitzer 9 sowie zum größten Teil die Baueinhei*. 24 umgibt. Das Gehäuse 25 enthält eine Zufuhr 26 für Verbrennungsluft und eine Abfuhr 27 für Verbrennungsgase.

Innerhalb des Gehäuses 25 befindet sich ein um den „ Erhitzer 9 angeordneter Wärmeaustauscher 28, der Vorerhitzer, in dem Verbrennungsgase auf ihrem Weg zur Abluft 27 der durch die Zufuhr 26 eintretenden Verbrennungsluft Wärme abgeben können.

Von der Zufuhr 26 geht die Verbrennungsluft _w) zunächst durch einen ringförmigen Kanal 29 nach oben, danach durch die Kanäle 30 nach unten und dann wieder über einen ringförmigen Kanal 31 nach oben, wonach die Verbrennungsluft durch öffnungen 23 in die Brennervorrichtung 17 eintritt. _h5

In den Kanälen 30 nimmt die Verbrennungsluft durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit in Rauchgaskanälen 32 aufsteigenden Verbrennungsgasen Wärme aus diesen Gasei, auf. Die Verbrennungsgase, die in der Verbrennungskammer 18 gebildet werden, haben über den Raum 11 und nach dem Durchgang der Erhitzerrohre 12 und 14 unter Abgabe von Wärme an dieselben den Eingang 33 der Rauchgaskanäle 32 erreicht

Die Rauchgaskanäle 32 münden an ihrer Oberseite in eine gemeinsame ringförmige Sammelkammer 34, an die sich die Abfuhr 27 anschließt.

Die Baueinheit 24 ist gegenüber dem Gehäuse 25 in vertikaler Richtung beweglich. Als biegsame Abdichtung ist zwischen dem Gehäuse 25 und der Baueinheit 24 ein Balgen 35 vorhanden, der an der Stelle 36 am Gehäuse und an der Stelle 37 an der Baueinheit 24 befestigt ist

Der Balgen 35 befindet sich hier innerhalb des Gehäuses 25. Wenn nun der Motor eingeschaltet wird und die Erhitzerrohre 12 und 14 eine hohe Temperatur bekommen, nimmt die Länge der Rohre durch die thermische Dehnung wesentlich zu. Die thermische Dehnung des Gehäuses 25 und des Vorerhrtzers 28 ist wegen des niedrigeren Temperaturpegels viel geringer. In vertikaler Richtung findet also eine relative Verschiebung nach oben des Erhitzers 9 gegenüber dem Gehäuse 25 und dem Vorerhitzer 28 statt. Die Baueinheit 24 wird dabei durch den Erhitzer 9 nach oben geschoben. Da sich diese Baueinheit gegenüber dem Gehäuse 25 frei bewegen kann, bleibt das ganze Erhitzungssystem frei von Materialspannungen, die zu vielen Materialverformungen und zu Undichtigkeit der Erhitzerrohre führen könnten. Dadurch, daß sich die Brennstoffzersiäubungsvorrichtung 19 mit der Brennervorrichtung 17 mitbewegt, ändert sich die Lage des Zerstäubers 20 gegenüber der Verbrennungskammer 18 nicht. Es besteht dann keine Gefahr, daß der Zerstäuber überhitzt wird und frühzeitig ersetzt werden muß.

Die Baueinheit 24 kann einfach von der Platte 16 gehoben und dem Gehäuse 25 entnommen werden, nachdem der Balgen 35 an der Stelle 36 gelöst worden ist, ohne daß der Vorerhitzer 28 zunächst demontiert werden muß. Eine Montage der Baueinheit 24 erfolgt selbstverständlich ebenfalls sehr leicht.

Der Balgen 35 folgt nicht nur der relativen Bewegung der Baueinheit 24 und des Gehäuses 25, sondern sorgt auch dafür, daß über den ringförmigen Kanal 31 zugeführte Verbrennungsluft nicht in die Umgebung entweichen kann.

In F i g. 2 ist nur der obere Teil eines Heißgasmotors dargestellt. Für den Motor nach F i g. 1 entsprechende Einzelteile sind dieselben Bezugszeichen verwendet worden.

Der ringförmige Kanal 3i ist hier vom Vorerhitzer 28 durch ei.ien Mantel 40 aus wärmeisolierendem Material getrennt.

Der Balgen 35 befindet sich im betreffenden Fall nicht innerhalb, sondern außerhalb des Gehäuses 25. Im übrigen entspricht die Wirkungsweise derjenigen, die für den Heißgasmotor nach F i g. 1 beschrieben wurde, so daß auf eine Beschreibung der Wirkungsweise verziehtet werden kann.

Obschon in den F i g. 1 und 2 Balgen als biegsame Abdichtung dargestellt sind, sind selbstverständlich andere Ausbildungen möglich, wie beispielsweise Membranabdichtunger

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Heißgasmotor mit einem Erhitzer, der mindestens eine Reihe in einer Zylinderform um einen Raum für ·> Verbrennungsgase angeordneter und im wesentlichen sich parallel zu der Zylinderachse erstreckender Rohre enthält, wobei der Erhitzer ein freies Ende aufweist, auf dem eine Brennervorrichtung ruht, die mit einer Kammer für Luft und Brennstoff versehen ι ο ist, wobei die Kammer an der vom Erhitzer abgewandten Seite durch eine Brennstoffzerstäubungsvorrichtung mit einem in die genannte Kammer mündenden Zerstäuber begrenzt wird, wobei die Brennstoffzerstäubungsvorrichtung durch ι ·> eine Wand eines den Erhitzer und die Brennervorrichtung umgebenden Gehäuses nach außen geführt is·., dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzerstäubungsvorrichtung (19) mit der Brennervorricntung (17) ein starres Ganzes bildet, >o das als Baueinheit (24) gegenüber dem Gehäuse (25) in axialer Richtung des Erhitzers (9) verschiebbar ist und thermischen Längenänderungen des Erhitzers (9) folgen kann, wobei zwischen dem Gehäuse (25) und der Baueinheit (24) mindestens eine biegsame _>> Abdichtung (35) vorhanden ist