DE102008003333A1 - Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie, ausgeführt als stromerzeugende Heizung - Google Patents

Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie, ausgeführt als stromerzeugende Heizung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine, welche als stromerzeugende Heizung ausgeführt ist. Des Weiteren umfasst die Erfindung den konzeptionellen Aufbau einer derartigen Brennkraftmaschine, welche eine Abgasturbine zur Umwandlung des thermischen Abgasstroms in Rotationsenergie nutzt, um diese einem Generator und/oder einer anderen Kraftmaschine zur Verfügung zu stellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine, welche als stromerzeugende Heizung ausgeführt ist.
  • Des weiteren umfasst die Erfindung den konzeptionellen Aufbau einer derartigen Brennkraftmaschine, welche eine Abgasturbine zur Umwandlung des thermischen Abgasstroms in Rotationsenergie nutzt, um diese einem Generator und oder einer anderen Kraftmaschine zur Verfügung zu stellen.
  • Stand der Technik
  • Stromerzeugende Heizungen werden in jüngster Zeit verstärkt für den privaten Bereich, das heißt für die Nutzung in Einfamilienhäusern und Mehrfamilienhäusern entwickelt. Eine stromerzeugende Heizung setzt das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung ein und bildet dabei ein System, mittels dessen elektrischer Strom und Wärme produziert werden kann. Ein so genanntes Mikro-Blockheizkraftwerk weist als Antrieb für die Stromerzeugung einen Verbrennungsmotor, einen Stirlingmotor, einen Dampfkolbenmotor, oder eine andere Brennkraftmaschine auf, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme des Verbrennungsprozesses in der Brennkraftmaschine, wird für die Verbrauchereinheit, dass heißt für ein Einfamilienhaus, oder Mehrfamilienhaus zur Beheizung genutzt. Der produzierte Strom kann von dem Erzeuger selbst genutzt, oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
  • Die Brennkaftmaschinen der so genannten Mikro-BHKWs (Block-Heiz-Kraftwerke) unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Funktion, durch die unterschiedlichen physikalischen Ansätze in der Umwandlung von thermischer Verbrennungsenergie in elektrischen Strom.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Umwandlung von thermischer Verbrennungsenergie in kinetische Energie, erfolgt durch den Einsatz eines Abgasturboladers. Abgasturbolader werden seit Jahren z. B. in Kraftfahrzeugen eingesetzt und gelten als zuverlässig und in Ihrer Funktion ausgereift.
  • In Mikro-Turbinen BHKWs werden modifizierte und weiterentwickelte Abgasturbinen seit einigen Jahren zur Erzeugung von Wärme und Strom in zentralen BHKWs, oder zur Wärmeerzeugung in Objekten mit hohem Wärmebedarf (z. B. Hotels, Schwimmbädern etc.) eingesetzt. Die Dimensionen dieser Anlagen entsprechen jedoch nicht der Größenordnung, in Leistung, Raumbedarf und Investitionsaufwand, die für Heizungsanlagen für Ein- bzw. Mehrfamilienhäusern anzusetzen wäre.
  • Über die Offenlegungsschrift EP0141634 ist eine Apparatur bekannt, die als Brennkraftmaschine eine Brennkammer und einen Abgasturbolader zur Umwandlung des thermischen Abgasstroms in elektrische Energie nutzt.
  • Aus der DE102004003378A1 sind Systeme mehrstufiger Aufladung für Verbrennungsmotoren bekannt. Die EP0178270 offenbart zudem ein System, welches den Betrieb seriell betriebener Turbinen im Abgasstrang von Ottomotoren beschreibt.
  • In der EP0352064 ist die Regelung einer Frischluftzufuhr erwähnt, wobei der Verdichterstrang über ein Drosselorgan regelbar ausgeführt ist und der komprimierte Frischluftstrom einem Ottomotor zugeführt wird.
  • Um die NOx Emission zu reduzieren und den Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen zu steigern, werden Systeme der Abgasrückführung allgemein eingesetzt.
  • Des weiteren ist aus der EP0209820 bekannt, dass die Injektion von Wasser, in oder der Brennkammer nachgeschaltet, die NOx Emissionen von Verbrennungsanlagen reduziert.
  • Um den Frischluftvolumenstrom im Verdichterstrang zu komprimieren, wird oftmals das Verfahren der „Nasskompression" angewendet. Dieses Verfahren findet weite Verbreitung in allen Bereichen der Turbinentechnik. Es wird hierzu auf die EP1522696 und DE69929359T2 verwiesen.
  • Des weiteren ist allgemein bekannt, dass die Leistung einer Gasturbine durch die Injektion von Wasser, oder Wasserdampf in den Verdichter der Turbine, gesteigert werden kann. In der EP1522696 wird dieses Verfahren erwähnt.
  • Aufgabenstellung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als stromerzeugende Heizung, sowie deren bevorzugte Ausführungsform welche als Brennkraftmaschine eine Brennkammer und einen Abgasturbolader nutzt. Zweck eines solchen Anlagenkonzepts ist die Nutzung des thermischen Abgasstroms über eine Abgasturbine im Abgasstrang, um den kinetischen Energieanteil des Verbrennungsprozesses zu nutzen und über eine Welle und oder über ein Getriebe an einen Generator und oder eine andere Kraftmaschine abzuleiten.
  • Um den Gesamtwirkungsgrad der Anlagen zu steigern, werden Verfahren angewendet, die in abgewandelter Form auch in GUD-Turbinenanlagen (Gas- und Dampfturbinen) zum Einsatz kommen. Aufgrund des erhöhten technischen und somit des erhöhten Serviceaufwands, können diese Verfahren jedoch nur bedingt auf Kleinanlagen übertragen werden. Aus diesem Grund muss ein neuartiges Prozess- und Regelkonzept für Mikro-Turbinen-Anlagen entwickelt werden, welches einen möglichst hohen Wirkungsgrad, bei möglichst geringem technischem Aufwand realisiert und zudem einen möglichst kleinen Raumbedarf der Anlage gewährleistet.
  • Der Vorteil der beschrieben Anlage, gegenüber herkömmlichen Anlagen, die Wasser oder Wasserdampf in Brennkammern einleiten, um eine Leistungssteigerung der Turbine zu bewirken, liegt insbesondere in dem Regelkonzept begründet. Hierbei nutzt die Anlage (2) die Wasserinjektion zur Volumensteigerung des Abgasstroms, und nicht wie allgemein üblich zur NOx Reduzierung. Das Gesamtsystem wird derart ausgeregelt, dass der thermische Verlust im Abgasstrom, bedingt durch die Wasserinjektion, für die kinetische Energiebilanz optimiert wird. Durch dieses Verfahren wird ein Dampferzeuger, der üblicherweise eingesetzt wird, um Wasserdampf für Turbinenanlagen zu erzeugen, überflüssig.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Ansprüche 1 bis 22 gekennzeichnet und gelöst.
  • Anlagenkonzept
  • Physikalisch gesehen, bewirkt das Vorwärmen des Frischluftvolumenstroms und die Erhöhung des Volumenmassenstroms im Verdichterstrang eine Leistungssteigerung der Abgasturbine.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, das die von dem Turbolader im Verdichterstrang 1 angesaugte Luft ein Luftgemisch aus Abgasrückführung 2 und Frischluftzufuhr darstellt. Hierbei übernimmt der Volumenstrom aus der Abgasrückführung die Vorwärmung des Gesamtvolumenstroms im Frischluftstrang des Abgasturboladers. Des weiteren bedingt diese Maßnahme eine Abnahme der NOx Konzentration im Abgasvolumenstrom.
  • Ein Thermoelement 13 misst hierbei die Temperatur im Frischluftstrang.
  • Das Verhältnis von Fischluft und Abluft aus der Abgasrückführung kann erfindungsgemäß über ein Drosselorgan 3 und oder 4 geregelt werden.
  • Um den Frischluftvolumenmassenstrom im Verdichterstrang 21 zu vergrößern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor dem Verdichter 1 und oder im Abgasstrang 2 Wasser und oder Wasserdampf über ein Ventil 18 eingeleitet werden kann.
  • Um ein optimales Luft-Brennstoffgemisch in der Brennkammer 7 zu erhalten, ist erfindungsgemäß ein Drosselorgan 5 vorgesehen. Über ein Ventil 6 kann der entstehende Staudruck, der sich negativ auf die Verdichterleistung und somit auf die Wellenleistung auswirkt, abgebaut werden.
  • Der Abgasstrom, der sich beim Verbrennen des Brennstoffs in der Brennkammer bildet, wird auf die Turbine 9 des Abgasturboladers geleitet. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, das der Volumenmassenstrom durch Einleiten von Wasser und oder Wasserdampf in die Brennkammer 7 und oder in eine angeschlossene Expansionskammer 8 gesteigert werden kann, welches wiederum die Wellenleistung der Abgasturbine und somit die des angeschlossenen Generators steigert.
  • Da die Einleitung von Wasser und oder Wasserdampf eine Abkühlung des Abgasstroms bedingt, und daher den Wirkungsgrad des Gesamtsystems ab einem gewissen Wasser- bzw. Wasserdampf- Volumenstroms reduziert, kann die Einleitung nicht beliebig gesteigert werden. Je nach gewünschter Betriebsart, kann erfindungsgemäß daher die Einleitung von Wasser und oder Wasserdampf in das System geregelt werden.
  • Im Fall, dass das System im Betriebspunkt der maximalen Stormerzeugung betrieben werden soll, kann die Zufuhr von Wasser- und oder Wasserdampf über das Ventil 19 gesteigert werden. Über eine Drehzahlmesseinrichtung 17 und über die elektrische Leistung des Generators 12, kann das maximale Drehmoment bestimmt werden.
  • Soll dagegen das System im optimalen Gesamtwirkungsgrad, oder Heizbetrieb betrieben werden, kann die Wasser- und oder Wasserdampfzufuhr über das Ventil 19 reduziert werden.
  • Um eine weitere Steigerung der Turbinenleistung zu ermöglichen, muss das Abgasvolumen hinter der Abgasturbine 9 und oder in der angeschossenen Abgaskammer 10 reduziert bzw. komprimiert werden. Die Volumenreduktion des Abgases hat zur Folge, dass der Differenzdruck zwischen Brennkammer bzw. Expansionskammer und dem Auslass der Turbinen im Abgasstrang vergrößert wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Volumenreduktion des Abgasmassenstroms durch die Einleitung von Wasser, über das Ventil 20, in die Abgaskammer 10 und oder direkt hinter dem Turbinenabgasstrang 9 vorgenommen.
  • Regelkonzept
  • In Verbindung mit dem beschriebenen Anlagenkonzept kann erfindungsgemäß vorzugsweise folgendes Regelkonzept angewendet werden.
  • Für die Regelstrecke 1 ist der Wirkungsgrad des Systems dann maximal, wenn, die Regeldifferenz e1 minimal ist. In diesem Fall ist dann die Temperatur im Frischluftstrang maximal. Das Thermoelement 13 misst hierbei die Temperatur im Frischluftstrang und bildet die Rückführgröße r1. Die Regeleinheit 16 (3) erfasst die Regeldifferenz e1, gebildet aus der Führungsgröße w1 und der Rückführgröße r1. Die Stellgröße y1 wird den Stellgliedern 3 und 4 zugeführt.
  • Da erfindungsgemäß ein Teil des Volumenstroms im Frischluftstrang aus der Abgasrückführung stammt und in dem Gesamtfrischluftvolumenstrom daher die CO2 Konzentration steigt, kann die Temperatur des Gesamtfrischluftvolumenstroms nicht beliebig gesteigert werden, da ansonsten eine optimale Verbrennung des Brennstoffs nicht gegeben ist.
  • Die CO2-Sättigung im Frischluftstrang verhält sich proportional zur Temperatursteigerung des Frischluftvolumenstroms und kann erfindungsgemäß durch die Drosselorgane 3 und 4 geregelt werden. Der absolute Frischluftvolumenstrom, der der Verbrennung in der Brennkammer 7 zur Verfügung gestellt wird, wird dagegen über das Drosselorgan 5 geregelt.
  • Um eine optimale Verbrennung des Brennstoffs zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß eine Abgassonde 14 in den Abgasvolumenstrom eingebracht. Für die Regelstrecke 2 ist der Wirkungsgrad der Anlage dann optimal, wenn die O2 Konzentration minimal (d. h. Lambda = 1 – 1,1) und die Temperatur im Abgasstrang maximal ist.
  • Die Abgassonde misst die O2 Konzentration im Abgasstrang und oder in der Abgaskammer. Hierbei bildet das Signal der Abgassonde 14 und das Signal des Thermoelements 15 die Rückführgröße r2 die mit einer Führungsgröße w2 verrechnet wird und von der Regeleinheit 16 als Regeldifferenz e2 erfasst wird.
  • Wie bereits im Anlagenkonzept
    beschrieben, wird erfindungsgemäß der Volumenmassenstrom im Abgasstrang durch die Injektion von Wasser und oder Wasserdampf gesteigert.
  • Beim Übergang vom flüssigem in den gasförmigen Aggregatzustand entstehen aus 1 ml Wasser, 1,244 Liter Wasserdampf.
  • Der durch die Volumenexpansion des injekzierten Wassers gesteigerte Volumenmassenstrom, wird über die Turbine im Abgasstrang entspannt. Die dabei abfallende Leistung wird von der Turbine in Rotationsenergie umgewandelt.
  • Da Wasser während des Übergangs vom flüssigem in den gasförmigen Aggregatzustand Wärmeenergie aufnimmt, kann die Wasserinjektion nicht beliebig gesteigert werden, ohne den Gesamtwirkungsgrad negativ zu beeinflussen. Um ein optimales Verhältnis von verbleibender Wärmeenergie und gesteigertem Volumenmassenstrom im Abgasstrang zu erhalten, müssen verschiedene Parameter ausgewertet und in einer Regeleinheit 16 verrechnet werden.
  • Für die Regelstrecke 3 gilt folglich, dass im Punkt maximaler Wellenleistung des Abgasturboladers das System ausgeregelt ist.
  • Um dies zu erreichen, werden je nach vorgegebener Brennstoffmenge, die im Anlagenkonzept beschriebenen Wasserinjektionsbereiche so angesteuert, dass bei optimaler Wasserinjektion ein maximales Drehmoment der Abgasturbine bewirkt wird. Die Drehzahlmesseinrichtung 17 misst hierbei die Drehzahl der Abgasturbinenwelle und bildet zusammen mit der elektrischen Leistung am Generator 12 die Rückführgröße r3. Die Regeleinheit 16 erfasst die Regeldifferenz e3, gebildet aus der Führungsgröße w3 und der Rückführgröße r3. Die resultierende Stellgröße y3 wird den Stellgliedern Ventil 18, 19 und 20 von der Regeleinheit 16 zugeführt.
  • Die Regeleinrichtung 16 hat neben der Ausregelung der führenden Regelstrecke 3 (Wasserinjektion), der Regelstrecke 1 (Frischluftvorwärmung) und der Regelstrecke 2 (Minimierung O2 Konzentration) ebenfalls dafür zu sorgen, dass sich die verschiedenen Regelstrecken nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Die Einflussnahme erfolgt hierbei in der Bildung der Störgröße z, welche in alle drei Regelkreisen Einfluss nimmt Die Störgröße z wird aus verschiedenen Parametern der Regelstrecken 1 bis 3 gebildet und sollte im Ausgeregeltem Zustand der Anlage minimal sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0141634 [0007]
    • - DE 102004003378 A1 [0008]
    • - EP 0178270 [0008]
    • - EP 0352064 [0009]
    • - EP 0209820 [0011]
    • - EP 1522696 [0012, 0013]
    • - DE 69929359 T2 [0012]

Claims (22)

  1. Brennkraftmaschine mit Verbrennungskammer ausgeführt als stromerzeugende Heizung, die ihre Frischluftzufuhr als Gemisch aus Frischluft und Abgas aus einer Abgasrückführung erfährt, wobei eine Turbine im Abgasstrang zur Umwandlung des thermischen Abgasstroms dient, um einen Generator, einen Kompressor und/oder eine andere Kraftmaschine zu betreiben, wobei ein nach geschalteter Wärmetauschers die Energie der Verbrennungsabgase zur Beheizung eines Gebäudes nutzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abgasturbine mit einem Verdichter im Frischluftstrang und eine Abgasturbine im Abgasstrang angeordnet sind, wobei dem Abgas der Verbrennungskammer Wasser in Tröpfchenform, vorzugsweise über eine Düse, zuführbar ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftzufuhr über ein Drosselorgan (3) und oder Abgas über ein Drosselorgan (4) in den Frischluftstrang (21) regelbar und oder nicht regelbar ausgeführt ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verdichter (1) im Frischluftstrom und/oder im Abgasstrang (2) Wasser und/oder Wasserdampf eingeleitet wird.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung über ein Drosselorgan (5) den Frischluftvolumenstrom in die Brennkammer regelt.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (6) im Frischluftstrang einen Staudruck ableitet.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (7) mit Brennstoff und Frischluft versorgt wird, wobei der entstehende Abgasstrom aus der Brennkammer in eine Expansionskammer (8) und/oder direkt auf eine Abgasturbine (9) geleitet wird.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das die Brennstoffzufuhr in die Brennkammer (7) über ein Ventil (22) regelbar und oder nicht regelbar ausgeführt ist.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, das die Geometrie und das Volumen der Brennkammer variierbar ausgeführt ist.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser und/oder Wasserdampf in eine Expansionskammer (8) und/oder in die Brennkammer (7) eingeleitet wird, wobei der resultierende Abgasstrom über mindestens eine Abgasturbine (9) abgeleitet wird.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom über mehrere Abgasturbinen parallel und oder seriell ableitbar ist.
  11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichter und Abgasturbine auf einer und oder auf nicht miteinander verbundenen Achsen ausführbar sind.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Lastfall zusätzliche Brennkammern dem Abgasstrang und oder der Abgasturbinen zufuhrseitig zuschaltbar sind.
  13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskammer (10) als Wärmetauscher ausgeführt ist und oder der Abgasstrom über einen Wärmetauscher (11) abgekühlt wird, wobei der Wärmetauscher die übertragene Wärmeenergie weiteren Systemen der Wärmerückgewinnung und oder der Wärmenutzung zur Verfügung stellt, wobei die Frischluftvorwärmung und oder eine Vorwärmung des zu injektierenden Wassers über einen Wärmetauscher in der Abgaskammer und oder im Turbinenabgasstrang erfolgt.
  14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung (2) über den Turbinenabgasstrang (9) und oder die Abgaskammer (10) in den Frischluftstrang (21) regelbar ausgeführt ist.
  15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftvolumenstrom über ein Drosselorgan (3) und oder der Abgasvolumenstrom, der Abgasrückführung (2), über ein Drosselorgan (4) in den Frischluftstrang (21) geregelt und oder ungeregelt ausgeführt ist.
  16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführung (2) und oder in die Abgaskammer (10) Wasser und oder Wasserdampf eingeleitet werden kann.
  17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenenergie der Abgasturbine für Generatoren und oder andere Kraftmaschinen (12) genutzt werden kann, wobei ein Generator und oder eine andere Kraftmaschine über die Welle der Abgasturbine direkt und oder über ein Getriebe betrieben wird.
  18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (13) die Temperatur des Frischluftvolumenstroms misst und einer Regeleinrichtung (16) zur Verfügung stellt.
  19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (15) die Temperatur des Abgasvolumenstroms misst und einer Regeleinrichtung (16) zur Verfügung stellt.
  20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgassonde (14) die Abgaszusammensetzung, insbesondere der O2 Konzentration des Abgasvolumenstroms, misst und einer Regeleinrichtung (16) zur Verfügung stellt.
  21. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, 8 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (16) die Injektion von Wasser und oder Wasserdampf in der beschriebenen Vorrichtung Steuert.
  22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (16) das Gesamtsystem derart ausgeregelt, dass der thermische Verlust im Abgasstrom, bedingt durch die Wasserinjektion nach Anspruch 21, für die kinetischen Energiebilanz optimiert wird.
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