AT507802B1

AT507802B1 - Verfahren zur leistungsmodulation bei motorischen blockheizkraftwerken

Info

Publication number: AT507802B1
Application number: AT0042209A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Group Austria Gmbh
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-08-15
Also published as: CH700678A2; DE102010010852A1; AT507802A4; DE102010010852B4

Abstract

Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan, vorzugsweise einer Drosselklappe (8), wobei die Dosierung der Leistung hauptsächlich durch Variation der mechanischen Last am Ausgang der Verbrennungskraftmaschine und der Brennstoffzufuhr eingestellt wird, wobei das Drosselorgans bei Maximallast weitestgehend vollständig geöffnet ist und bei Reduktion der Leistung das Drosselorgan nur ein Bruchteil dessen geschlossen wird, wie es bei einer reinen Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre, wobei das Drosselorgan bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel a geschlossen wird, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre.

Description

österreichisches Patentamt AT 507 802 B1 2010-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Leistungsmodulation bei motorischen Blockheizkraftwerken.

[0002] Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors stellt sich eine Drehzahl ein, bei der die Belastung und die Last im Gleichgewicht sind. Als Last wirkt bei einem Blockheizkraftwerk ein elektrischer Generator, als Belastung das Brennstoff-Luft-Gemisch. Die Abwärme eines Blockheizkraftwerk-Verbrennungsmotors, welche auf den Kühlkreislauf übertragen wird, wird zu Heizzwecken genutzt.

[0003] Die Leistung P eines Motors ergibt sich aus dem Produkt des Drehmoments M mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Drehmoment M eines Motors bis zu einer bestimmten Drehzahl n ansteigt und ab einer gewissen Drehzahl wieder sinkt.

[0004] P(n) = M(n) · ω = M(n) · 2 · π · n [0005] Je nach Leistung wird ein bestimmtes Brennstoff-Luft-Gemisch benötigt. Dieses Brennstoff-Luft-Gemisch ist nur in bestimmten Grenzen zündfähig, so dass der Verbrennungsluftstrom stets auf den Brennstoffstrom angepasst werden muss. Dies gilt insbesondere auch hinsichtlich einer hygienischen Verbrennung und der Möglichkeit der Abgasnachbehandlung, weshalb Verbrennungsmotoren häufig stöchiometrisch betrieben werden. Ist keine Abgasnachbehandlung mittels eines Dreiwege-Katalysators notwendig, so wird der Motor meist mager (d.h. mit Luftüberschuss) betrieben.

[0006] Im Folgenden wird jeweils auf ein Drosselorgan und je einem Einlass- und Auslassventil eingegangen. Jedoch sei explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich auch auf Motoren mit mehreren Drosselorganen und/oder mehreren Einlass- und Auslassventilen anzuwenden ist. Als Drosselorgan kommt zumeist eine Drosselklappe zum Einsatz.

[0007] Bei Volllast ist das Drosselorgan zumeist vollständig geöffnet, wodurch die maximale Gemischmenge in den oder die Zylinder strömen kann. Eine Möglichkeit der Leistungsreduzierung besteht darin, das Drosselorgan teilweise zu schließen, wodurch die Luftmenge reduziert wird. Um eine stöchiometrische Verbrennung weiterhin zu gewährleisten, wird auch die Brennstoffmenge reduziert. Es stellt sich eine geringere Drehzahl n mit in der Regel einem geringerem Drehmoment M ein. Dementsprechend ist auch die Leistung P geringer.

[0008] Das Drehmoment des Motors ist vorwiegend von der Füllung der Zylinder, den inneren Reibungsverlusten des Motors, der Stellung des Drosselorgans, sonstigen Strömungswiderständen im Ansaug- und Abgassystem sowie Spülverlusten abhängig. Bei Veränderung der Stellung des Drosselorgans stellen sich eine verändertes Drehmoment und eine andere Drehzahl ein.

[0009] Durch das Schließen des Drosselorgans entstehen Drosselverluste, welche den mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors negativ beeinflussen. Daher ist man insbesondere bei Blockheizkraftwerken bestrebt, die Drosselverluste zu minimieren. Dies kann einerseits dadurch geschehen, dass der Ventiltrieb lastabhängig erfolgt und dabei die Aufgabe der Drosselklappe zumindest teilweise übernimmt. Im Idealfall kann gänzlich auf ein gesondertes Drosselorgan verzichtet wird.

[0010] Aus der EP 835 411 B1 ist ein Verfahren zur Leistungsmodulation einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung bekannt, bei der zur Dosierung der Wärmeleistung bei vollständig geöffneten Drosselorganen die Drehzahl des Generators und des Verbrennungsmotors durch Veränderung der elektrischen Leistungsabgabe an das Netz verändert wird. Auch aus EP 661 432 A2 ist bekannt, dass in bestimmten Betriebszuständen die Drosselklappe vollständig geöffnet bleibt, obwohl nicht die maximale Last gefordert wird.

[0011] Die engste Stelle im Ansaugtrakt ergibt sich durch die vom Einlassventil freigegebene Querschnittsfläche und ist somit auch während des Saugvorgangs nicht konstant. Somit ergibt sich vor allem bei völlig geöffneter Drosselklappe die Eigenschaft, dass das Brennstoff-Luft- 1/5 österreichisches Patentamt AT 507 802 B1 2010-08-15

Gemisch bis unmittelbar vor das Einlassventil mit einem nahezu konstanten Turbulenzgrad strömt und erst unmittelbar im Wirkbereich des Einlassventils der Turbulenzgrad deutlich zunimmt. Dieser Anstieg des Turbulenzgrades hat zur Folge, dass die Verluste unmittelbar am Zylindereintritt vermehrt zunehmen.

[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verluste am Zylindereintritt zu vermindern.

[0013] Erfindungsgemäß wird dies gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Drosselorgan bei Maximallast weitestgehend vollständig geöffnet ist und bei Reduktion der Leistung das Drosselorgan nur ein Bruchteil dessen geschlossen wird, wie es bei einer reinen Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre. Hierdurch wird erreicht, dass die Drosselverluste an der Drosselklappe deutlich geringer als bei reiner Leistungsdrosselung mittels Drosselorganen ist, zugleich jedoch im Vergleich zu völlig geöffnetem Drosselorgan bei Leistungsminderung bereits an der Drosselklappe der Turbulenzgrad erhöht wird, so dass dieser am Einlassventil weniger ansteigt, die Drosselverluste an dem Einlassventil vermindert werden und eine bessere Zylinderfüllung ermöglicht wird.

[0014] Zugleich wird durch die Erhöhung des Turbulenzgrades am Drosselorgan eine bessere Durchmischung des Brennstoff-Luft-Gemischs vor dem Zylinder erreicht, wodurch geringere Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas erreicht werden. Wird das Drosselorgan bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel α geschlossen, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre, so sind die Drosselverluste an dem Drosselorgan vernachlässigbar gering.

[0015] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche. So ist der Effekt besonders positiv, wenn das Drosselorgan nahe dem Einlassventil angeordnet ist.

[0016] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen: [0017] Figur 1 eine Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit Einlass- und Auslasskanal und [0018] Figur 2 den Einlasskanal detailliert.

[0019] Figur 1 zeigt einen Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors mit Kolben 2 und Zylinderkopf 3. In den Zylinderkopf 3 münden der Einlass- 4 und Auslasskanal 5, die jeweils über ein Einlassventil 6 und ein Auslassventil 7 den Einlass- 4 und Auslasskanal 5 zum Zylinder 1 abdichten. öffnet das Einlassventil 6, so gibt es je nach Ventilhub eine bestimmte Eintrittsfläche 9 frei. Im Einlasskanal 4 ist im Abstand d vom Mittelpunkt des Ventiltellers 10 im Ruhezustand eine Drosselklappe 8 angeordnet. Der Querschnitt des Eintrittskanals 4 an der Stelle der Drehachse 11 der Drosselklappe 8 hat eine Fläche A.

[0020] Während des Betriebs wird die Drosselklappe 8 vorwiegend zur Turbulenzbildung eingesetzt. Bei Volllast ist die Drosselklappe 8 vorzugsweise vollständig geöffnet; d.h. sie erstreckt sich parallel zum Einlasskanal 4. Soll die Leistung reduziert werden, so muss die Drehzahl vermindert werden, damit sich gemäß der Gleichung Ρ = Μ·ω = Μ·2·π·η auch die Leistung vermindert. Mit der Drehzahlverminderung nimmt die angesaugte Luftmenge kontinuierlich ab. Die Brennstoffmenge wird proportional zur Luftmenge reduziert, so dass weiterhin eine stöchiometrische Verbrennung gewährleistet ist. Hierzu dient eine nicht dargestellte Lambdasonde im Abgasweg. Da bei der Leistungsminderung ein geringerer Brennstoff-Luft-Gemisch-Strom strömt, reduziert sich der Turbulenzgrad vor der Drosselklappe 8. Wird nun die Drosselklappe 8 leicht geschlossen, so erhöht sich der Turbulenzgrad im Einlasskanal 4 vor dem Einlassventil 6. Öffnet das Einlassventil 6, so entstehen in der Eintrittsfläche 9 Drosselverluste am Einlassventil 6. Da der Turbulenzgrad bei leicht angestellter Drosselklappe 8 jedoch am Einlassventil weniger ansteigt als in dem Fall, in dem die Drosselklappe völlig geöffnet ist, sind die Drosselverluste am Einlassventil 6 bei leicht angestellter Drosselklappe 8 geringer.

[0021] Entscheidend ist, dass die Drosselklappe 8 nicht zu weit zugefahren wird, da ansonsten die Drosselverluste an der Drosselklappe 8 übermäßig zunehmen. Daher sollte die Drosselklappe 8 bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel α geschlossen wird, welcher maximal 2/5

Claims

österreichisches Patentamt AT 507 802 B1 2010-08-15 einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselklappe üblich wäre. Ferner sollte der Abstand d im Einlasskanal 4 vom Drehachse 11 der Drosselklappe 8 bis zum Mittelpunkt des Ventiltellers 10 des Einlassventils 6 im Ruhezustand (Ventil geschlossen) sich im Bereich /4 < d < 4,5-/4 bewegen, damit sich der Turbulenzgrad zwischen Drosselklappe 8 und Einlassventil 6 nicht wieder reduziert. [0022] Soll die Leistung wieder erhöht werden, so wird die Brennstoffzufuhr erhöht und die Drosselklappe wieder weiter geöffnet. Patentansprüche 1. Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan, vorzugsweise einer Drosselklappe (8), wobei die Dosierung der Leistung hauptsächlich durch Variation der mechanischen Last am Ausgang der Verbrennungskraftmaschine und der Brennstoffzufuhr eingestellt wird, wobei das Drosselorgan bei Maximallast weitestgehend vollständig geöffnet ist und bei Reduktion der Leistung das Drosselorgan nur ein Bruchteil dessen geschlossen wird, wie es bei einer reinen Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel a geschlossen wird, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre.
2. Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan nahe dem Zylinder (1) angeordnet ist.
3. Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Drehpunkts 11 des Drosselorgans zum Mittelpunkt des Ventiltellers (10) des Einlassventils (6) im Ruhezustand sich im Bereich 4Ä < d £ 4,5-/4 bewegt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 3/5