DE102010007772A1

DE102010007772A1 - Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine

Info

Publication number: DE102010007772A1
Application number: DE102010007772A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 86529 Schilling
Original assignee: Dynatronic 86529 GmbH; Dynatronic GmbH
Current assignee: Dynatronic 86529 GmbH; Dynatronic GmbH
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Eine Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine für einen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfasst einen Druckzylinder, einen Kolben, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil. Das Einlassventil ist 'verkehrt' und das Auslassventil 'wie bei Verbrennungsmotoren üblich' aufgebaut.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen (1 bis 10).
Beschreibung eines sogenannten 'Schilling-Motors'
Umfassend einen 'doppeltwirkenden Arbeitszylinder' mit zwei Arbeitsräumen (AR1 und AR2). In jedem AR befindet sich jeweils ein Einlassventil (EV) und ein Auslassventil (AV). Die Motorfunktion ist in folgende Phasen untergliedert: Phase 1: Einlassphase AR1 (Eintritt nach Erreichen der Pufferstrecke mit v = 0)

EV1 = offen, AV1 = geschlossen

EV2 = geschlossen, AV2 = offen

→ Kolben wird in Richtung AR2 beschleunigt Phase 2: Expansionsphase AR1 (Eintritt nach Ende der Einlassstrecke)

EV1 = geschlossen, AV1 = geschlossen

EV2 = geschlossen, AV2 = offen

→ Kolben wird in Richtung AR2 bewegt Phase 3: Kompressionsphase AR2 (Eintritt nach Ende d. Kompressionsstrecke)

EV1 = geschlossen, AV1 = geschlossen

EV2 = geschlossen, AV2 = geschlossen

→ Kolben wird in Richtung AR2 bewegt und abgebremst
Nach Erreichen der Pufferstrecke in AR2 mit v = 0 finden Phasen 4 bis 6 statt, welche identisch mit Phasen 1 bis 3 sind, wobei jedoch die jeweils 'andersseitigen' EV und AV geschaltet werden und die Bewegung in entgegengesetzter Richtung stattfindet.
Folgende Merkmalskombinationen sind von besonderer Bedeutung:

1. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine für einen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfassend einen Druckzylinder, einen Kolben, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil 'verkehrt' und das Auslassventil 'wie bei Verbrennungsmotoren üblich' aufgebaut ist.

Vorteil 1: Geringer Energieverbrauch der Ventilsteuerung
Am Ende der Kompressionsphase öffnen die Einlassventile automatisch, wenn der Kompressionsdruck höher als der Druck im Einlasskanal (Verdampfungsdruck) ist. Es muss beim EV lediglich während der Einlassphase Energie zum Halten der Ventilposition (gegen den Strömungsdruck) aufgewendet werden.
Zum Schließen der EVs (beim Eintritt in die Expansionsphase) muss im Idealfall das Ventil lediglich losgelassen werden, d. h. es schließt mit Hilfe des Strömungsdrucks. Während der Expansionsphase und während aller Phasen des andersseitigen ARs bleibt des Ventil mittels des Flächendrucks aufgrund des geringen Drucks im AR geschlossen, ohne dass dazu Energie zugeführt werden muss.
Das AV ist während aller Phasen des diesseitigen ARs und während der Kompressionsphase des andersseitigen ARs automatisch (energielos) mittels des Flächendrucks geschlossen, da der Druck im AR höher ist als im Auslasskanal (Kondensationsdruck). Es öffnet im Idealfall dann beim Übergang in die Einlassphase des andersseitigen ARs von selbst, wenn die Expansion solange fortgesetzt wird, bis der Druck im AR niedriger wird als im Auslasskanal.
Es muss beim AV lediglich während der Einlassphase und der Expansionsphase des andersseitigen ARs Energie zum Halten der Ventilposition (gegen den Strömungsdruck) aufgewendet werden. Es schließt im Idealfall beim Übergang in die Kompressionsphase des andersseitigen ARs mittels des Strömungsdrucks von selbst.
Vorteil 2: Druckverluste während der Ventilöffnungsphasen systematisch ausgeschlossen
Da die EVs immer dann sofort öffnen, wenn der Druck im AR höher wird als im Einlasskanal und die AVs immer dann sofort öffnen, wenn der Druck im AR niedriger wird als im Auslasskanal, sind Druckverluste, welche beim EV durch das Füllen von 'leerem Raum' und beim AV durch das Ausströmen von energetisch nicht genutzten Überdruck im AR während den Öffnungsphasen der Ventile entstehen könnten, systematisch ausgeschlossen.

2. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionssensor die Kolbenposition kontinuierlich meldet und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgröße einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt. Vorteil: Ideale frequenzunabhängige Messgröße für das Wechseln zwischen den einzelnen Betriebsphasen. Sehr präzise, schnelle und kostengünstige Sensoren verschiedener Technologien (elektromagnetisch, optisch, akustisch, etc.) sind Stand der Technik.
3. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferstrecke mittels einer kontinuierlicher Anpassung der Einlass- und/oder Auslassventilzeiten verändert wird, damit die Taktfrequenz und somit Leistung der Energieumwandlung variabel eingestellt werden kann. Vorteil: Damit ist eine nahezu verlustfreie Regelung der Leistung möglich. Diese Verfahren basiert darauf, dass die bewegte Masse (Kolben, etc.) und die Kompressions-Gasfeder ein Masse-Feder-Glied darstellen und somit die Taktfrequenz beeinflussen. Je länger die Pufferstrecke, desto stärker ist die Federkonstante.
4. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ventiltriebe durch einen Linearmotor (LM) ausgeführt werden. Vorteil: Jedes einzelne Ventil lässt sich dann öffnen oder schließen, wenn es in der jeweiligen Situation am vorteilhaftesten ist. Dies ermöglicht höchstmögliche Wirkungsgarde bei der Umwandlung von Druck- in Bewegungsenergie. Ferner ist dadurch für den Motor keine Anlaufphase oder Abschaltphase erforderlich; anders als bei Ventilen, welche mittels einer Rotationsbewegung gesteuert werden.
5. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mechanische Federn, welche in einer oder in beiden Bewegungsrichtungen das Abbremsen der linearen Bewegung verkürzen bzw. einen Ventilaufschlag abfedern und somit gleichzeitig das Wiederbeschleunigen in die entgegengesetzte Richtung verstärken. Vorteil: höhere Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten und somit höhere Ventiltaktzeiten möglich, da diese durch die Massenträgheit der Magnetmasse begrenzt sind.
6. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Ventiltrieb ein Ventilpositionssensor den Zeitpunkt des automatischen Öffnens des jeweiligen Ventils meldet und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgröße einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt. Vorteil: indirekte, präzise messtechnische Erfassung für das Erreichen einer Druckschwelle im AR. Eine Druckmessung bzw. Temperaturmessung im AR ist bei hohen Taktfrequenzen aufgrund der Trägheit der Sensoren unmöglich → damit Anpassung des Auslassdrucks an den Druck im Kompressionsraum möglich. Möglich ist dieses verfahren auch mit einem Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensor oder einem Ventil-Kraftsensor.
7. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über ein oder mehrere Ventile mittels einer Rotationsbewegung, welche eine Nockenwelle antreibt und die Rotationsbewegung in eine Längsbewegung zum Öffnen bzw. Schließen der Ventile umwandelt, wobei die Nockenwelle den Ventilschaft nur in eine Richtung beschleunigen kann und die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung über eine Führungsfeder realisiert ist. Vorteil: Durch die Rotationsbewegung können sehr hohe Ventilöffnungszeiten und Ventiltaktzeiten realisiert werden, jedoch sind im Verhältnis zum Ventiltakt lediglich starre Einlass- oder Kompressionszeiten möglich. Es ist prinzipiell möglich, mehrere oder alle Ventile über eine Nockenwelle zu steuern, und somit ist nur ein Motor erforderlich. Es kann auch vorteilhaft sein, für jedes Ventil einen eigenen Rotationsmotor mit Nockenwelle vorzusehen, was den Vorteil hat, dass die Synchronisierung zur Linearbewegung Kolbens flexibel für jedes Ventil gestaltet werden kann.
8. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassvolumenregelung der Einlassventile mittels einer zeitlichen Phasenverschiebung des Ventiltaktes der Einlassventile zum Arbeitstakt des Kolbens realisiert ist. Erläuterung: Idealerweise öffnet das Einlassventil am Umkehrpunkt des Kolbens, und der Kompressionsdruck ist zeitgleich genauso hoch wie der Druck im Einlasskanal. Öffnet das EV jedoch zu einem geringfügig anderen Zeitpunkt, hat dies zur Folge, dass dann ein geringer Druckunterschied herrscht, was zu Effizienzverlusten führt. Da jedoch der EV Gasvolumenstrom direkt abhängig ist von der Kolbengeschwindigkeit und diese am Umkehrpunkt des Kolbens aufgrund der Massenträgheit des Kolbens sehr gering ist, führt eine zeitliche Verschiebung der Phasenlage des Ventiltakts zum Arbeitstakt zum Zeitpunkt der EV-Ventilöffnung lediglich zu geringfügigen Abweichungen vom Idealwert. Anders ist dies zum EV-Schließzeitpunkt: Die Kolbengeschwindigkeit ist maximal, d. h. eine geringfügige Verschiebung der Phasenlage des Ventiltakts zum Arbeitstakt führt hier zu relativ hohen Veränderungen des einströmenden Gasvolumens.
9. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen der Auslassventile abhängig von der Phasenlage der Einlassventile so eingestellt wird, dass beim Öffnen der Einlassventile stets der gleiche Druck herrscht wie im Einlasskanal. Vorteil: der zuvor genannte Nachteil kann somit kompensiert werden. Die EVs öffnen jedoch somit, wenn die Kolbengeschwindigkeit ungleich Null ist, was Gasmengenverschiebungen zwischen AR und Einlasskanal (Verdampfer) zur Folge hat und dadurch nur äußerst geringfügige Effizienzverluste nach sich zieht.
10. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompressionsvolumenregelung durch eine Phasenverschiebung mittels einer zeitlichen Phasenverschiebung des Ventiltaktes der Auslassventile zum Arbeitstakt des Kolben realisiert ist. Erläuterung: Das gleiche Prinzip wie bei 9. Idealerweise schließt das AV wenn Kolbengeschwindigkeit = 0, da aber Auslassvolumenstrom zu diesem Zeitpunkt sehr gering ist, führen zeitliche Abweichungen nur zu kleinen Effizienzverlusten. Beim Schließzeitpunkt der AVs (Start der Kompressionsphase) ist die Kolbengeschwindigkeit hoch. Allerdings muss das AV unbedingt vollständig geschlossen sein, bevor das EV (des gleichen ARs) geöffnet wird, d. h. die Phasenverschiebung funktioniert nur in Richtung 'frühzeitiger geschlossen'.
11. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Einlassventil die Einlassvolumenregelung oder bei einem Auslassventil die Kompressionsvolumenregelung mittels eines elektrischen Motors realisiert ist, dessen Winkelgeschwindigkeit während einer Rotationsbewegung veränderbar ist. Erläuterung: Dadurch lassen sich die Öffnungs- und Schließzeiten eines Ventils während einer Rotation einstellen. Wird bspw. die Rotationsbewegung während der Ventil-Öffnungsphase beschleunigt und während der Schließphase abgebremst, dann ist es damit möglich, dass die Ventilfrequenz konstant bleibt, sich aber eine im Verhältnis dazu längere Öffnungszeit einstellt, und somit das Einlassvolumen zu erhöhen. Technisch möglich ist dies bspw. mit einem Schrittmotor oder durch eine gepulste Spannungsversorgung des Motors.
12. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ventiltriebe so ausgeführt sind, dass keine dynamische Dichtung nach außen existiert. Vorteil: ORC-Mediumsverluste minimal
13. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kolben direkt ein Lineargenerator zu Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie gekoppelt ist. Vorteil: Effiziente Stromgenerierung
14. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der im Lineargenerator induzierte Strom und/oder die induzierte Spannung kontinuierlich gemessen werden und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgrößen einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt. Vorteil: Es herrscht stets folgendes Gleichgewicht der Kräfte (unter Vernachlässigung der Reibungskräfte) F_Druck_AR1(t) – F_Druck_AR2(t) = F_Kin(t) + F_ind(t)
Da F_Kin(t) duch die bekannte bewegte Masse ermittelbar aus v(t) und F_ind(t) = f(I_ind(t)) Und F_Druck_ARx(t) = p_ARx(t)·A_Kolben → p_AR1 = f(I(t), wenn AV geöffnet und somit p_AR2 = Kondensationsdruck und umgekehrt.

Ferner kann mit der Strommessung auch der Umkehrzeitpunkt und die Bewegungsrichtung des Kolbens ermittelt werden.

Claims

Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine für einen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfassend einen Druckzylinder, einen Kolben, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil 'verkehrt' und das Auslassventil 'wie bei Verbrennungsmotoren üblich' aufgebaut ist.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionssensor die Kolbenposition kontinuierlich meldet und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgröße einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferstrecke mittels einer kontinuierlicher Anpassung der Einlass- und/oder Auslassventilzeiten verändert wird, damit die Taktfrequenz und somit Leistung der Energieumwandlung variabel eingestellt werden kann.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ventiltriebe durch einen Linearmotor (LM) ausgeführt werden.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mechanische Federn, welche in einer oder in beiden Bewegungsrichtungen das Abbremsen der linearen Bewegung verkürzen bzw. einen Ventilaufschlag abfedern und somit gleichzeitig das Wiederbeschleunigen in die entgegengesetzte Richtung verstärken.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Ventiltrieb ein Ventilpositionssensor den Zeitpunkt des automatischen Öffnens des jeweiligen Ventils meldet und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgröße einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über ein oder mehrere Ventile mittels einer Rotationsbewegung, welche eine Nockenwelle antreibt und die Rotationsbewegung in eine Längsbewegung zum Öffnen bzw. Schließen der Ventile umwandelt, wobei die Nockenwelle den Ventilschaft nur in eine Richtung beschleunigen kann und die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung über eine Führungsfeder realisiert ist.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassvolumenregelung der Einlassventile mittels einer zeitlichen Phasenverschiebung des Ventiltaktes der Einlassventile zum Arbeitstakt des Kolbens realisiert ist.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen der Auslassventile abhängig von der Phasenlage der Einlassventile so eingestellt wird, dass beim Öffnen der Einlassventile stets der gleiche Druck herrscht wie im Einlasskanal.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompressionsvolumenregelung durch eine Phasenverschiebung mittels einer zeitlichen Phasenverschiebung des Ventiltaktes der Auslassventile zum Arbeitstakt des Kolben realisiert ist.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Einlassventil die Einlassvolumenregelung oder bei einem Auslassventil die Kompressionsvolumenregelung mittels eines elektrischen Motors realisiert ist, dessen Winkelgeschwindigkeit während einer Rotationsbewegung veränderbar ist.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ventiltriebe so ausgeführt sind, dass keine dynamische Dichtung nach außen existiert.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kolben direkt ein Lineargenerator zu Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie gekoppelt ist.
Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der im Lineargenerator induzierte Strom und/oder die induzierte Spannung kontinuierlich gemessen werden und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgrößen einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt.