DE102011109843A1 - Combined heat and power system used in e.g. home, has signal processing unit that measures sound signal of microphone such that frequency and phase of acoustic signal are defined based on frequency and phase of alternating current - Google Patents

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Abstract

The combined heat and power plant has a generator (6) for generating an alternating current. A stirling engine (1) is provided to drive the generator. An active noise reduction system is equipped with signal processing unit (8) which is connected with microphones (7) and an anti-noise source (9) provided within a common housing (13). The signal processing unit measures sound signal of microphone such that the frequency and phase of acoustic signal are defined based on the frequency and phase of the alternating current.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Einrichtung zur Schalldämpfung sowie ein Verfahren zur Schalldämpfung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.The invention relates to a combined heat and power plant with a device for soundproofing and a method for soundproofing a combined heat and power plant.

Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, und nutzbarer Wärme für Heizzwecke. Es ist somit die Auskopplung von Nutzwärme insbesondere bei der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen. Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen nutzen die bei der Stromerzeugung zwangsläufig entstehende Abwärme. Dadurch wird die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung weitestgehend vermieden. Zunehmend an Bedeutung gewinnen kleinere Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für die Versorgung einzelner Wohngebiete, bzw. einzelner Mehr- und sogar Einfamilienhäuser, Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung ist der verringerte Brennstoffbedarf. Mit Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen werden Anlagentypen bezeichnet, die für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in kleinen Gewerbebetrieben geeignet sind.Cogeneration is the simultaneous generation of mechanical energy, which is usually converted directly into electricity, and usable heat for heating purposes. It is thus the extraction of useful heat, especially in the generation of electricity from fossil fuels. Combined heat and power plants use the waste heat inevitably generated during power generation. As a result, the delivery of unused waste heat to the environment is largely avoided. Smaller combined heat and power plants are becoming increasingly important for the supply of individual residential areas, or individual multi-family and even single-family homes. The advantage of combined heat and power generation is the reduced fuel demand. Micro-cogeneration plants are types of installations that are suitable for use in single-family homes and apartment buildings as well as in small commercial enterprises.

Zumeist besteht eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage aus einem Otto-, Diesel- oder Stirlingmotor und einem daran gekoppelten Generator. Diese werden nachfolgend als motorische Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bezeichnet. Für motorische Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die im häuslichen Umfeld eingesetzt werden, kommt dem Schallschutz eine besondere Bedeutung zu. Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, dessen Schallleistungspegel von den Hausbewohner als zu laut oder störend empfunden wird, werden keine große Marktdurchdringung in Europa erreichen können, selbst wenn diese gesetzlichen Auflagen und Richtlinien entsprechen, wie z. B. der TA-Lärm in Deutschland. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vorhandene Gasheizungen substituieren, die im direkten Wohnumfeld, beispielsweise im Dachgeschoss installiert sind.In most cases, a combined heat and power plant consists of a gasoline, diesel or Stirling engine and a generator coupled thereto. These are referred to below as motor-driven combined heat and power plants. For motor micro-cogeneration systems, which are used in the home environment, the sound insulation is of particular importance. Micro-cogeneration plants whose sound power levels are perceived by the resident to be too loud or distracting will not be able to achieve large market penetration in Europe, even if they comply with legal requirements and guidelines, such as: As the TA-noise in Germany. This is especially true when the micro-cogeneration plants substitute existing gas heaters that are installed in the immediate living environment, for example in the attic.

Gerade bei motorischen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind tiefe Frequenzen durch die Motordrehzahl bedingt, denn z. B. Stirlingmotor betriebene Systeme laufen phasengebunden, so dass vorwiegend tiefe Frequenzen von 50–250 Hz den Schallleistungspegel dominieren. Die hohen Amplituden der vorwiegend tiefen Frequenzen in der Kraft-Wärme-Kopplungstechnologie sind mit bisher üblichen Maßnahmen in der Heizungstechnik nur sehr aufwendig reduzierbar. Denn die Materialstärke der üblicherweise in der Heizungstechnik verwendeten Dämmmatten verhält sich reziprok zu der zu reduzierenden Frequenz, so dass die Materialstärke bei tiefen Frequenzen den möglichen Bauraum oft übersteigt. Auch mit sehr hohem konstruktivem Aufwand sind so oft nur minimale Reduktionen möglich. Darüber hinaus übertragen Gebäudeteile vorwiegend tiefe Frequenzen, so dass besonderes Augenmerk auf die Dämpfung niedriger Frequenzen zu richten ist.Especially with motor power cogeneration systems low frequencies are due to the engine speed, because z. B. Stirling engine operated systems run in phase, so that predominantly low frequencies of 50-250 Hz dominate the sound power level. The high amplitudes of the predominantly low frequencies in the combined heat and power technology can only be reduced in a very complicated manner with hitherto customary measures in heating technology. Because the material thickness of the insulating mats commonly used in heating technology behaves reciprocally to the frequency to be reduced, so that the material thickness at low frequencies often exceeds the possible space. Even with very high constructive effort so often only minimal reductions are possible. In addition, building parts transmit predominantly low frequencies, so that special attention must be paid to the attenuation of low frequencies.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere eine Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in kleben Gewerbebetrieben mit geringen Schallemissionen bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide a combined heat and power plant, in particular a micro-combined heat and power plant for use in single and multi-family houses as well as in gluing commercial enterprises with low noise emissions.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Einrichtung zur Schalldämpfung gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Verfahren zum Schalldämpfen einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a combined heat and power plant with a device for sound damping according to the main claim and a method for silencing a combined heat and power plant according to the independent claim. Advantageous embodiments result from the features of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem System zur aktiven Schalldämpfung ausgestattet. Ein System zur aktiven Schalldämpfung verfügt über mindestens ein Mikrofon, ein Signalverarbeitungsgerät und eine Gegenschallquelle beispielsweise einen Lautsprecher. Das oder die Mikrofone nehmen den Schall, der von der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage imitiert wird, auf. Das Signalverarbeitungsgerät berechnet ein Gegenschallsignal, das von der Gegenschallquelle ausgegeben wird. Der Zeitverlauf des Gegenschalls ist so bemessen, dass sich das Schallsignal der Kraft-Wärme Kopplungsanlage und der Gegenschall aufheben.According to the invention, the combined heat and power plant is equipped with a system for active sound damping. An active silencing system has at least one microphone, a signal processing device and a counter sound source, for example a loudspeaker. The microphone (s) pick up the sound mimicked by the combined heat and power plant. The signal processing device calculates an antinoise signal that is output from the antinoise source. The time course of the counter-noise is dimensioned such that cancel the sound signal of the combined heat and power plant and the counter-sound.

Bevorzugt ist die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage von einem Gehäuse umschlossen, wobei die Gegenschallquelle innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Hier kann besonders effektiv der Schall in unmittelbarer Nähe der Schallquelle aufgehoben werden.Preferably, the combined heat and power plant is enclosed by a housing, wherein the counter-sound source is disposed within the housing. Here, the sound in the immediate vicinity of the sound source can be canceled particularly effectively.

In einer Weiterbildung ist mindestens ein Mikrofon, bevorzugt 2 Mikrofone innerhalb des Gehäuses vorgesehen. Somit können die Schallemissionen der Schallquelle frei von Störgeräuschen erfasst werden.In a development, at least one microphone, preferably two microphones are provided within the housing. Thus, the sound emissions of the sound source can be detected free of noise.

Besonders vorteilhaft ist es, die beiden Mikrofone so anzuordnen, dass sich jeweils möglichst gegenüberliegend der Schallquelle angeordnet sind.It is particularly advantageous to arrange the two microphones in such a way that in each case the sound source is arranged as opposite as possible.

In vorteilhafter Weise ist die Gegenschallquelle weniger als ein Viertel der Wellenlänge der Frequenz des Motors von der Schallquelle entfernt. Dadurch lassen die Schallemissionen in besonders vorteilhafter Weise kompensieren, ohne dass dabei Interferenzen auftreten können, die beispielsweise an bestimmten Orten zu einer Verdoppelung des Schalldruckpegels durch ungünstige Überlagerung des Schalls der Schallquelle und der Gegenschallquelle führen. Wenn in diesem Zusammenhang von einer Frequenz des Motors die Rede ist, so ist damit die als Frequenz interpretierte Wellendrehzahl bzw. die Frequenz des Kolbenhubs gemeint.Advantageously, the antinoise source is less than a quarter of the wavelength of the frequency of the motor from the source of sound. As a result, the sound emissions can be compensated in a particularly advantageous manner without interferences occurring which, for example, at certain locations lead to a doubling of the noise emission Sound pressure level lead by unfavorable superposition of the sound of the sound source and the counter sound source. If in this context of a frequency of the engine is mentioned, so that is interpreted as frequency shaft speed or the frequency of the piston stroke meant.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage wird als Motor ein Stirlingmotor verwendet. Ein Stirlingmotor hat im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren den Vorteil, dass keine diskontinuierliche Verbrennung stattfindet, die zu Schallemissionen mit hohen Frequenzanteilen führt.In a preferred embodiment of the combined heat and power plant according to the invention, a Stirling engine is used as the engine. A Stirling engine, in contrast to internal combustion engines has the advantage that no discontinuous combustion takes place, which leads to sound emissions with high frequency components.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Motor in der Weise mit dem Generator und dieser mit dem Stromnetz gekoppelt, dass die Frequenz des Motors proportional zur Wechselstromfrequenz ist. Dies hat den Vorteil, dass die Frequenz des Motors eine Konstante ist. Der Generator erzeugt eine Wechselspannung, die direkt, also ohne zwischengeschalteten Frequenzumrichter, in das Netz eingespeist wird.In an advantageous embodiment, the motor is coupled to the generator in such a way and this with the power network that the frequency of the motor is proportional to the AC frequency. This has the advantage that the frequency of the motor is a constant. The generator generates an AC voltage that is fed directly into the grid, ie without an intermediate frequency converter.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird dem Signalverarbeitungsgerät ein Messsignal zugeführt, das sie Phase und Frequenz der Netzspannung und/oder die Phase und Frequenz des Motors der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage repräsentiert. Die von dem Motor emittierten Schallsignale sind direkt abhängig von den Beschleunigungsverläufen der bewegten Teile des Motors. Daher lässt sich aus der Phase und Frequenz (Drehzahl) des Motors direkt auf die zu erwartenden Schallsignale schließen. Im Falle der zur Wechselstromfrequenz synchronen Motorfrequenz kann dafür auch die Phase und Frequenz der Netzspannung verwendet werden.In a particularly advantageous embodiment, the signal processing device, a measurement signal is supplied, which represents the phase and frequency of the mains voltage and / or the phase and frequency of the engine of the cogeneration plant. The sound signals emitted by the engine are directly dependent on the acceleration characteristics of the moving parts of the engine. Therefore, from the phase and frequency (speed) of the motor can be concluded directly on the expected sound signals. In the case of the synchronous to the AC frequency motor frequency can also be used for the phase and frequency of the mains voltage.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Schalldämpfen einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem Generator zur Erzeugung eines Wechselstroms und mit einem Motor zum Antrieb des Generators umfasst mehrere Verfahrensschritte. Zunächst werden die Frequenz und die Phase des Motors oder des Wechselstroms erfasst. Die Motorfrequenz dann über einen geeigneten Drehzahlsensoren erfasst werden. Für die Messung der Phase, die dem Kurbelwellenwinkel oder der Kolbenstellung entspricht, ist ein Lagesensor erforderlich, der die Position der Kurbelwelle oder des. Kolbens erfasst. Hierzu ist beispielsweise eine Lichtschranke, ein induktiver Näherungssensor etc. geeignet. Aus dem zeitlichen Verlauf des Messsignals kann auf die Motorfrequenz geschlossen werden. Da sich die Motorfrequenz zeitlich nur relativ langsam ändert, kann durch Zeitmessung jederzeit ausgehend einem Signal der Lichtschranke oder des induktiven Näherungssensors auf die Phase geschlossen werden. Da der Motor direkt mit dem Generator gekoppelt ist, kann auch sehr einfach durch Messung des Wechselstroms die Phase und Frequenz des Wechselstroms bzw. der Wechselspannung ermittelt werden so einfach auf die Phase und Frequenz des Motors zurückgeschlossen werden. In einem weiteren Schritt wird das Schallsignal mit zumindest einem, bevorzugt mit 2 Mikrofonen gemessen. Ziel der Erfindung ist es, die Schallemissionen, die durch die Kolbenbewegung des Motors hervorgerufen wird, zu dämpfen. Nachdem durch den vorhergehenden Schritt die Frequenz und die Phase des Motors bekannt ist, wird in diesem Schritt die Frequenz und Phase eines Gegenschallsignals festgelegt. In einem weiteren Schritt wird die Amplitude des Gegenschallsignals auf der Basis der Amplitude der mit den Mikrofonen gemessenen Schallemissionen in der Motorfrequenz festgelegt einem letzten Verfahrensschritte wird des Gegenschallsignal an eine Gegenschallquelle, beispielsweise einen Lautsprecher, ausgegeben.An inventive method for silencing a combined heat and power plant with a generator for generating an alternating current and with a motor for driving the generator comprises a plurality of method steps. First, the frequency and phase of the motor or AC are detected. The motor frequency can then be detected via a suitable speed sensor. To measure the phase corresponding to the crankshaft angle or piston position, a position sensor is needed to detect the position of the crankshaft or piston. For this purpose, for example, a light barrier, an inductive proximity sensor, etc. suitable. From the time course of the measuring signal can be closed to the motor frequency. Since the motor frequency changes only relatively slowly over time, timing can be used to conclude the phase at any time based on a signal from the light barrier or the inductive proximity sensor. Since the motor is coupled directly to the generator, it is also very easy to determine the phase and frequency of the alternating current or the alternating voltage by measuring the alternating current so that it is easy to deduce the phase and frequency of the motor. In a further step, the sound signal is measured with at least one, preferably with two microphones. The aim of the invention is to dampen the sound emissions caused by the piston movement of the engine. After the frequency and the phase of the motor are known by the previous step, the frequency and phase of an antinoise signal are determined in this step. In a further step, the amplitude of the antinoise signal is determined on the basis of the amplitude of the sound emissions measured with the microphones in the engine frequency. A last method step outputs the antinoise signal to a counter-sounding source, for example a loudspeaker.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die oben genannten Schritte nicht nur für die Motorfrequenz, sondern auch für die Oberwellen, die den ganzzahligen Vielfachen der Motorfrequenz entsprechen, angewendet.In a preferred development of the method, the above-mentioned steps are applied not only to the motor frequency but also to the harmonics corresponding to the integer multiples of the motor frequency.

In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Phase zwischen der Motorfrequenz und des Anteils des Gegenschallsignal bei der Motorfrequenz ein fest vorgegebener Wert. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass Kolben und Membran eines als Gegenschallquelle verwendeten Lautsprechers sich jeweils entgegengesetzt bewegen. Entsprechende Feinabstimmungen können bei der Herstellung der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage vorgenommen und fest eingestellt werden.In a variant of the method according to the invention, the phase between the motor frequency and the proportion of the antinoise signal at the motor frequency a fixed predetermined value. This can be achieved, for example, that the piston and diaphragm of a loudspeaker used as a counter-sound source move in opposite directions. Appropriate fine-tuning can be made in the production of cogeneration plant and fixed.

In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Phase zwischen der Motorfrequenz und des Anteils des Gegenschallsignal bei der Motorfrequenz während des Betriebes adaptiv angepasst. Hierzu können beispielsweise während eines stationären Betriebes minimale Änderung der Phase vorgenommen werden, bis ein Minimum der von den Mikrofonen gemessenen Schallamplitude festgestellt wird.In another variant of the method according to the invention, the phase between the motor frequency and the portion of the antinoise signal at the motor frequency during operation is adaptively adjusted. For this purpose, for example, during a steady state operation minimum change of the phase can be made until a minimum of the sound amplitude measured by the microphones is detected.

Die beiden zuvor beschriebenen Verfahrensschritte werden erfindungsgemäß auch auf die jeweiligen Frequenzanteile der Oberwellen angewendet, die einem ganzzahligen Vielfachen der Motorfrequenz entsprechen. Dabei ist zu beachten, dass die Phase zwischen 2 Signalen unterschiedlicher Frequenz mehrdeutig ist. Bezieht man die Phase auf die jeweilige Oberwelle, erhält man mehrere Phasenwinkel, die sich jeweils um den Summanden n·2π voneinander abweichen, womit die Phase letztendlich wieder eindeutig ist.The two method steps described above are also applied according to the invention to the respective frequency components of the harmonics, which correspond to an integer multiple of the motor frequency. It should be noted that the phase between two signals of different frequencies is ambiguous. If one relates the phase to the respective harmonic, one obtains several phase angles, which in each case deviate from one another by the summand n * 2π, with the result that the phase is ultimately unambiguous again.

Die Erfindung wird nun anhand der Figur detailliert erläutert. The invention will now be explained in detail with reference to FIG.

Es stellen dar:They show:

1: eine erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage 1 : a combined heat and power plant according to the invention

2: Die Schallemission des Motors einer gattungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Frequenzbereich 2 : The sound emission of the engine of a generic combined heat and power plant in the frequency domain

3: Das die Motorfrequenz repräsentierende Signal und das Gegenschallsignal im Zeitbereich 3 : The signal representing the motor frequency and the antinoise signal in the time domain

4: Das die Motorfrequenz repräsentierende Signal und die drei niederfrequentesten Frequenzkomponenten des Gegenschallsignals im Zeitbereich 4 : The signal representing the motor frequency and the three lowest frequent frequency components of the antinoise signal in the time domain

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage. Von einem Motor 1 wird mit Hilfe eines Generators 6 die in einem Brennstoff über die Wärmezufuhr 4 zugeführte Energie in elektrische Energie umgewandelt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Stirlingmotor mit frei schwingendem Verdrängerkolben 2 und Arbeitskolben 3 dargestellt. Mit dem entstehenden Temperaturunterschied einer externen Wärmezufuhr 1 und einer Wärmeabfuhr am Wärmetauscher 11 (Wärmeauskopplung), wird der freischwingende Stirlingmotor angetrieben. Dabei befinden sich der Verdrängerkolben 2 und der Arbeitskolben 3 in einem Zylinder und bewegen sich jeweils um 90° phasenverschoben. Ein Lineargenerator 5, bestehend aus einer Spule, nutzt die Induktion des magnetischen Arbeitskolbens und kann so elektrische Energie bereitstellen. Wird die Motorfrequenz mit ca 3000 l/min betrieben, entspricht die bereitgestellte Frequenz bereits der Netzfrequenz von 50 Hz und muss so nicht mittels eines Umrichters angepasst werden. Mit dem Arbeitskolben verbundene Federn nehmen die Beschleunigung des Kolbens auf und katapultieren diesen wieder in der Vertikalen in Richtung Verdrängerkolben. 1 schematically shows a combined heat and power plant according to the invention. From an engine 1 is using a generator 6 in a fuel via the heat 4 supplied energy is converted into electrical energy. In the in 1 illustrated embodiment is a Stirling engine with freely oscillating displacer 2 and working pistons 3 shown. With the resulting temperature difference of an external heat supply 1 and a heat dissipation at the heat exchanger 11 (Heat extraction), the free-running Stirling engine is driven. Here are the displacer 2 and the working piston 3 in a cylinder and each move 90 ° out of phase. A linear generator 5 consisting of a coil, uses the induction of the magnetic working piston and can thus provide electrical energy. If the motor frequency is operated at approx. 3000 l / min, the provided frequency already corresponds to the mains frequency of 50 Hz and thus does not have to be adapted by means of an inverter. Springs connected to the working piston absorb the acceleration of the piston and catapult it again in the vertical direction in the direction of displacement piston.

Der oszillierende Arbeitskolben 3 wirkt also in der Weise mit dem Stator 5 zusammen, dass diese einen Generator 6 bilden. Dieser Generator erzeugt einen Wechselstrom, der über einen Stromanschluss 14 herausgeführt wird. Die Abwärme des Motors 1 wird über einen Wärmetauscher 11 an einen Heizkreis 12 abgegeben und als Nutzwärme abgeführt, um einen Heizkreis oder einen Wärmespeicher zu erwärmen. Hierin liegt der Vorteil einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, die Strom erzeugt und die dabei anfallende Abwärme für Heizzwecke nutzt.The oscillating working piston 3 So it works in the way with the stator 5 together that this is a generator 6 form. This generator generates an alternating current via a power connection 14 is led out. The waste heat of the engine 1 is via a heat exchanger 11 to a heating circuit 12 discharged and discharged as useful heat to heat a heating circuit or a heat storage. This is the advantage of a combined heat and power plant, which generates electricity and uses the resulting waste heat for heating purposes.

Erfindungsgemäß sind auch andere Bauformen von Motoren 1 eingeschlossen, beispielsweise ein mit einer Kurbelwelle verbundener Stirlingmotor oder ein Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, beispielsweise ein Otto- oder Dieselmotor Auch wenn der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Stirlingmotor aufgrund der äußeren Verbrennung im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung deutlich leiser ist, wird aufgrund der bewegten Massen und der Gaskräfte dennoch Schall emittiert, der insbesondere bei Aufstellung der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in einem Wohngebäude störend ist. Hierzu weist die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ein Signalverarbeitungsgerät 8 auf, dass mit zwei Mikrofonen 7 und einer Gegenschallquelle 9 verbunden ist. Der Motor 1, die Mikrofone 7 sowie die Gegenschallquelle 9 sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 13 vorgesehen. Darüber hinaus wird dem Signalverarbeitungsgerät 8 ein die Motorfrequenz repräsentierende Signal 10 zugeführt. Dies kann, wie hier dargestellt, das Spannungssignal des Stromanschlusses 14 sein. Ebenso kann dies erfindungsgemäß ein Geschwindigkeitssensor oder ein Wegsensor sein, der die Geschwindigkeit oder die Position des Kolbens 2 oder 3 oder im Falle einer anderen Ausführungsform des Motors 1 mit Kurbelwelle Drehzahlsensor oder ein mit der Kurbelwelle verbundener Wegsensor sein.According to the invention are also other types of engines 1 Also, when the Stirling engine shown in this embodiment is significantly quieter due to the external combustion unlike an internal combustion engine, due to the moving one, for example, a Stirling engine connected to a crankshaft or an internal combustion engine such as a gasoline or diesel engine Nevertheless, masses and the gas forces emitted sound, which is particularly disturbing when installing the combined heat and power plant in a residential building. For this purpose, the combined heat and power plant according to the invention comprises a signal processing device 8th on that with two microphones 7 and a counter-sound source 9 connected is. The motor 1 , the microphones 7 as well as the counter sound source 9 are within a common housing 13 intended. In addition, the signal processing device 8th a signal representing the motor frequency 10 fed. This can, as shown here, the voltage signal of the power supply 14 be. Likewise, according to the invention, this may be a speed sensor or a displacement sensor which determines the speed or the position of the piston 2 or 3 or in the case of another embodiment of the engine 1 be with crankshaft speed sensor or connected to the crankshaft position sensor.

Im Signalverarbeitungsgerät 8, dass auf der Basis eines Mikroprozessors oder Signalprozessors aufgebaut sein kann, wird auf der Basis der Messwerte der Mikrofone und des die Motorfrequenz reprasentierenden Signals ein Gegenschallsignal berechnet, das in der Weise an die Gegenschallquelle 9 ausgegeben wird, dass ein sekundäres Schallfeld erzeugt wird, welches das primäre Schallfeld des Motors 1 durch Überlagerung reduziert. Dazu ist der Abstand zwischen Gegenschallquelle 9 und Motor 1 so gewählt, dass dieser kleiner als ein Viertel der Schallwellenlänge in den relevanten Frequenzbereichen ist.In the signal processing device 8th that can be constructed on the basis of a microprocessor or signal processor, an antinoise signal is calculated on the basis of the measured values of the microphones and the signal representing the motor frequency, which is in this way to the antinoise source 9 is output that a secondary sound field is generated, which is the primary sound field of the engine 1 reduced by overlay. In addition the distance between Gegenschallquelle is 9 and engine 1 chosen so that it is less than a quarter of the sound wavelength in the relevant frequency ranges.

Damit können die Schallemissionen des Motors 1 bereits innerhalb des Gehäuses 13 wirkungsvoll reduziert werden. Dadurch können die passiven Schalldämmmaßnahmen am Gehäuse 13, die insbesondere für niedrige Frequenzen sehr aufwändig sind, einfacher ausgeführt werden und im Idealfall entfallen. Dies ermöglicht Kosteneinsparungen und einen geringeren Bauraum der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.This allows the noise emissions of the engine 1 already inside the case 13 be effectively reduced. This allows the passive sound insulation measures on the housing 13 , which are very expensive especially for low frequencies, are easier to run and ideally omitted. This allows cost savings and a smaller space of the combined heat and power plant.

Da die Kinemathek des Motors 1 damit der Zusammenhang zwischen der Kolbenbewegung der Kolben 2 und 3 und der charakteristischen Schallemissionen bekannt ist, kann mithilfe der Erfassung eines die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 10 sehr einfach und ohne Empfindlichkeit auf externe Störungen die Frequenzen und Phasen des Gegenschallsignals ermittelt werden. Die Frequenzen ergeben sich aus der Motorfrequenz sowie aus den Oberwellen der Motorfrequenz, Mithilfe des von den Mikrofonen 7 aufgenommenen Signals kann die Amplitude des Gegenschallsignals ermittelt werden sowie gegebenenfalls die Phasen angepasst werden.As the cinematheque of the engine 1 so that the relationship between the piston movement of the piston 2 and 3 and the characteristic sound emissions can be detected by detecting a signal representing the engine frequency 10 very easy and without sensitivity to external disturbances the frequencies and phases of the antinoise signal are determined. The frequencies result from the motor frequency as well as from the harmonics of the motor frequency, with the help of the microphones 7 recorded signal, the amplitude of the antinoise signal can be determined and optionally the phases are adjusted.

2 stellt die Schallemission des Motors einer gattungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Frequenzbereich dar. Zur Erzeugung eines Wechselstroms ein Stromanschluss 14 von 50 Hz wird der 1 dargestellte Stirlingmotor 1 ebenfalls mit 50 Hz betrieben. Daraus ergeben sich Schallemissionen im Bereich von 50 Hz sowie im Bereich der Oberwellen bei 100, 150, 200, 250, usw. Hz. Daher erzeugt das Signalverarbeitungsgerät 8 ein Gegenschallsignal mit 50 Hz sowie mit ganzzahligen vielfachen von 50 Hz. Dieses Beispiel betrifft den in 1 gestellt dargestellten Stirlingmotor. Bei anderen Ausführungsformen des Motors 1, beispielsweise mit einer Kurbelwelle und mit einem mit der Kurbelwelle verbundenen Generator, sind abhängig von der Polzahl des Generators und gegebenenfalls dem Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Generatorwelle andere Frequenzen zu berücksichtigen. 2 represents the sound emission of the engine of a generic combined heat and power plant in the frequency range. To generate an alternating current, a power connection 14 of 50 Hz will be the 1 illustrated Stirling engine 1 also operated at 50 Hz. This results in noise emissions in the range of 50 Hz and in the range of harmonics at 100, 150, 200, 250, etc. Hz. Therefore, the signal processing device produces 8th an antinoise signal at 50 Hz and at integer multiples of 50 Hz. This example relates to the in 1 presented Stirling engine. In other embodiments of the engine 1 , For example, with a crankshaft and with a generator connected to the crankshaft, other frequencies are to be considered depending on the number of poles of the generator and optionally the transmission ratio between the crankshaft and generator shaft.

3 zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf 20 des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 10 aus 1. Ebenfalls ist das Gegenschallsignal 21, das vom Signalverarbeitungsgerät 8 in 1 berechnet wird, dargestellt. Dieses Gegenschallsignal 21 weist die gleiche Grundfrequenz von 50 Hz auf wie der Signal Verlauf 20. Zusätzlich sind Oberwellen zu erkennen. Diese Oberwellen werden bis zu 300 Hz berechnet und ausgegeben. Die Begrenzung auf die Oberwellen bis 300 Hz einerseits mit Rücksicht auf die mit zunehmender Frequenz immer niedriger werden der Amplitude der Oberwellen, andererseits auf die mit höherer Frequenz immer höherer benötigter Rechenleistung des Signalverarbeitungsgeräts 8 aus 1 gewählt. 3 shows an example of the time course 20 of the signal representing the motor frequency 10 out 1 , Also, the antinoise signal 21 that from the signal processing device 8th in 1 is calculated. This antinoise signal 21 has the same fundamental frequency of 50 Hz as the signal waveform 20 , In addition, harmonics can be seen. These harmonics are calculated and output up to 300 Hz. The limitation to the harmonics up to 300 Hz on the one hand with respect to the increasing frequency with increasing the amplitude of the harmonics, on the other hand to the ever higher with higher frequency required computing power of the signal processing device 8th out 1 selected.

4 zeigt ebenfalls den in 3 gezeigten zeitlichen Verlauf 20 des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals sowie im Detail die Grundfrequenz 22 sowie die ersten beiden Oberwellen 25, 28 des Gegenschallsignals 21 aus 3. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die dritte bis fünfte Oberwelle nicht dargestellt. Die Grundfrequenz des Gegenschallsignal 22 weist eine Amplitude 23 sowie gegenüber dem Verlauf des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 20 eine Phase 24 auf. Die Phasen und Amplitude der ersten und der zweiten Oberwellen 25 sowie 28 sind mit den Bezugszeichen 26 und 27 sowie 29 und 30 bezeichnet. Die jeweiligen Phasen 24, 27, 30 sowie die Phasen der hier nicht dargestellten Oberwellen werden entweder aufgrund der Kinematik Motors 1 aus 1 fest vorgegeben oder anhand des Signals des Mikrofons 7 aus 1 adaptiv angepasst. Die Phasen werden dann relativ zum Verlauf des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 20 festgelegt. Die jeweiligen Amplitude 23, 26, 29 sowie die Amplituden der hier nicht dargestellten Oberwellen werden anhand des Signals des Mikrofons 7 aus 1 berechnet. Aus den einzelnen Frequenzanteilen wird dann der Verlauf des Gegenschallsignals 21 aus 3 zusammengesetzt und an die Gegenschallquelle 9 aus 1 ausgegeben. 4 also shows the in 3 shown time course 20 the signal representing the motor frequency and in detail the fundamental frequency 22 as well as the first two harmonics 25 . 28 the antinoise signal 21 out 3 , For clarity, the third to fifth harmonic was not shown. The fundamental frequency of the antinoise signal 22 has an amplitude 23 and with respect to the course of the signal representing the motor frequency 20 a phase 24 on. The phases and amplitude of the first and second harmonics 25 such as 28 are with the reference numerals 26 and 27 such as 29 and 30 designated. The respective phases 24 . 27 . 30 as well as the phases of the harmonics not shown here are either due to the kinematics engine 1 out 1 fixed or based on the signal of the microphone 7 out 1 adapted adaptively. The phases then become relative to the course of the signal representing the motor frequency 20 established. The respective amplitude 23 . 26 . 29 as well as the amplitudes of the harmonics not shown here are based on the signal of the microphone 7 out 1 calculated. From the individual frequency components then the course of the antinoise signal 21 out 3 assembled and to the counter-sound source 9 out 1 output.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Motorengine
22
Verdrängerkolbendisplacer
33
Arbeitskolbenworking piston
44
Wärmezufuhrheat
55
Statorstator
66
Generatorgenerator
77
Mikrofonmicrophone
88th
SignalverarbeitungsgerätSignal processing device
99
GegenschallquelleAgainst sound source
1010
Die Motorfrequenz repräsentierendes SignalThe motor frequency representative signal
1111
Wärmetauscherheat exchangers
1212
Heizkreisheating circuit
1313
Gehäusecasing
1414
Stromanschlusspower connection
1818
Frequenzspektrumfrequency spectrum
2020
Verlauf des die Motorfrequenz repräsentierenden SignalsCourse of the signal representing the motor frequency
2121
GegenschallsignalAnti-noise signal
2222
Grundfrequenz des GegenschallsignalsFundamental frequency of the antinoise signal
2323
Amplitude der Grundfrequenz des GegenschallsignalsAmplitude of the fundamental frequency of the antinoise signal
2424
Phase der Grundfrequenz des GegenschallsignalsPhase of the fundamental frequency of the antinoise signal
2525
Erste Oberwelle des GegenschallsignalsFirst harmonic of the antinoise signal
2626
Amplitude der ersten Oberwelle des GegenschallsignalsAmplitude of the first harmonic of the antinoise signal
2727
Phase der ersten Oberwelle des GegenschallsignalsPhase of the first harmonic of the antinoise signal
2828
Zweite Oberwelle des GegenschallsignalsSecond harmonic of the antinoise signal
2929
Amplitude der zweiten Oberwelle des GegenschallsignalsAmplitude of the second harmonic of the antinoise signal
3030
Phase der zweiten Oberwelle des GegenschallsignalsPhase of the second harmonic of the antinoise signal

Claims (15)

Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem Generator zur Erzeugung eines Wechselstroms und mit einem Motor zum Antrieb des Generators, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem System zur aktiven Schalldämpfung ausgestattet ist, wobei das System zur aktiven Schalldämpfung mindestens ein Mikrofon, ein Signalverarbeitungsgerät und eine Gegenschallquelle aufweist.Combined heat and power plant with a generator for generating an alternating current and with a motor for driving the generator, characterized in that the cogeneration plant is equipped with a system for active sound attenuation, wherein the system for active silencing at least one microphone, a signal processing device and a counter-sound source. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage von einem Gehäuse umschlossen ist und dass die Gegenschallquelle innerhalb des Gehäuses vorgesehen ist.Cogeneration plant according to claim 1, characterized in that the cogeneration plant enclosed by a housing is and that the counter-sound source is provided within the housing. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mikrofon, bevorzugt zwei Mikrofone innerhalb des Gehäuses vorgesehen ist.Cogeneration plant according to claim 2, characterized in that at least one microphone, preferably two microphones is provided within the housing. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Mikrofone so angeordnet sind, dass sich zwei Verbindungslinien, die durch das erste Mikrofon und das Zentrum der Schallquelle und sowie durch das zweite Mikrofon und das Zentrum der Schallquelle definiert werden, in einem Winkel größer 90°, bevorzugt in einem Winkel größer 135° schneiden.Cogeneration plant according to claim 3, characterized in that the two microphones are arranged so that two connecting lines defined by the first microphone and the center of the sound source and by the second microphone and the center of the sound source, in an angle greater than 90 °, preferably at an angle greater than 135 °. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Schallquelle und Gegenschallquelle weniger als ¼ der Wellenlänge beträgt, die der Frequenz des Motors entspricht.Cogeneration plant according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the sound source and counter-sound source is less than ¼ of the wavelength corresponding to the frequency of the motor. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Stirlingmotor ist.Cogeneration plant according to one of the preceding claims, characterized in that the engine is a Stirling engine. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motordrehzahl proportional zur Wechselstromfrequenz ist.Cogeneration plant according to one of the preceding claims, characterized in that the engine speed is proportional to the AC frequency. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Signalverarbeitungsgerät ein Messsignal zugeführt wird, das die Phase und Frequenz der Netzspannung und/oder Phase und Frequenz des Motors der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage repräsentiert.Cogeneration plant according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing device, a measurement signal is supplied, which represents the phase and frequency of the mains voltage and / or phase and frequency of the engine of the cogeneration plant. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Signalverarbeitungsgerät ein Messsignal zugeführt wird, das die Phase und Frequenz der Netzspannung und/oder Phase und Drehzahl des Motors der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage repräsentiert.Cogeneration plant according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing device, a measurement signal is supplied, which represents the phase and frequency of the mains voltage and / or phase and speed of the motor of the cogeneration plant. Verfahren zum aktiven Schalldämpfen einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem Generator zur Erzeugung eines Wechselstroms und mit einem Motor zum Antrieb des Generators, gekennzeichnet durch die Schritte – Erfassen der Frequenz und der Phase des Motors oder des Wechselstroms – Messen eines Schallsignals mit Hilfe von zumindest einem Mikrofon – Festlegen der Frequenz und Phase eines Gegenschallsignals anhand der der Frequenz und Phase des Motors oder anhand der die Frequenz und Phase des Motors repräsentierende Frequenz und Phase des Wechselstroms, – Festlegen der Amplituden des Gegenschallsignals anhand der Amplituden der entsprechenden Frequenz des Schallsignals – Ausgeben des Gegenschallsignals an eine GegenschallquelleA method for actively silencing a combined heat and power plant with a generator for generating an alternating current and with a motor for driving the generator, characterized by the steps - Detecting the frequency and phase of the motor or the alternating current - Measuring a sound signal by means of at least one microphone Determining the frequency and phase of an antinoise signal based on the frequency and phase of the motor or on the frequency and phase of the alternating current representing the frequency and phase of the motor, - Determining the amplitudes of the antinoise signal based on the amplitudes of the corresponding frequency of the sound signal - Outputting the antinoise signal to a counter-sound source Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Festlegen der Frequenz, Phase und Amplitude des Gegenschallsignals neben der Frequenz des Motors auch die ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz, bevorzugt bis zum Sechsfachen, berücksichtigt und dem Gegenschallsignal hinzugefügt werden.A method according to claim 10, characterized in that when setting the frequency, phase and amplitude of the antinoise signal in addition to the frequency of the motor, the integer multiples of this frequency, preferably up to six times, taken into account and added to the antinoise signal. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase zwischen Motorfrequenz und dem Frequenzanteil des Gegenschalls, der der Motorfrequenz entspricht, ein fest vorgegebener Wert ist.A method according to claim 10 or 11, characterized in that the phase between the motor frequency and the frequency component of the antinoise, which corresponds to the motor frequency, a fixed predetermined value. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase zwischen Motorfrequenz und dem Frequenzanteil des Gegenschalls, der der Motorfrequenz entspricht, in einem weiteren Verfahrensschritt adaptiv angepasst wird.A method according to claim 10 or 11, characterized in that the phase between the motor frequency and the frequency component of the antinoise, which corresponds to the motor frequency, is adaptively adjusted in a further method step. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Phase zwischen dem der Motorfrequenz entsprechenden Frequenzanteil des Gegenschalls und zumindest einem seiner Vielfachen ein fest vorgegebener Wert ist.Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the smallest phase between the frequency corresponding to the motor frequency frequency of the counter-noise and at least one of its multiples is a fixed predetermined value. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Phase zwischen dem der Motorfrequenz entsprechenden Frequenzanteil des Gegenschalls und zumindest einem seiner Vielfachen in einem weiteren Verfahrensschritt adaptiv angepasst wird.Method according to one of claims 10 to 13, characterized in that the smallest phase is adapted adaptively between the frequency component of the counter sound corresponding to the motor frequency and at least one of its multiples in a further method step.
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