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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Drucklufterzeugungsvorrichtung bekannt, welche eine Verbrennungsmotoreinheit, und eine Verdichtereinheit aufweist, welche mit der Verbrennungsmotoreinheit wirkschlüssig gekoppelt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Drucklufterzeugungsvorrichtung mit einer Verbrennungsmotoreinheit, und mit einer Verdichtereinheit, welche mit der Verbrennungsmotoreinheit wirkschlüssig gekoppelt ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Drucklufterzeugungsvorrichtung eine Steuereinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand einen Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit in Abhängigkeit von einem momentanen Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit zu variieren.
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Unter einer „Drucklufterzeugungsvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, eines Drucklufterzeugers und vorzugsweise eines Druckluft-Wärme-Kraftwerks verstanden werden. Insbesondere kann die Drucklufterzeugungsvorrichtung auch den gesamten Drucklufterzeuger und vorzugsweise das gesamte Druckluft-Wärme-Kraftwerk umfassen. Insbesondere ist die Drucklufterzeugungsvorrichtung dazu vorgesehen, an ein Druckluftnetz angeschlossen zu werden und/oder dieses mit Druckluft zu versorgen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einer „Verbrennungsmotoreinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, chemische Energie, insbesondere durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, in mechanische Energie umzuwandeln. Insbesondere umfasst die Verbrennungsmotoreinheit zumindest eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor und vorzugsweise einen Gas-Ottomotor. Unter einer „Verdichtereinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist ein Gas und/oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, zu komprimieren. Darunter, dass die Verdichtereinheit mit der Verbrennungsmotoreinheit „wirkschlüssig gekoppelt“ ist, soll insbesondere verstanden werden, dass eine Eingangswelle der Verdichtereinheit zur Übertragung einer Kraft und/oder einer Bewegung mittelbar oder unmittelbar mit einer Ausgangswelle der Verbrennungsmotoreinheit verbunden ist.
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Unter einer „Steuereinheit” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine mechanische und/oder elektronische und/oder elektromechanische Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine Ausgangsgröße unter Berücksichtigung zumindest einer Eingangsgröße zu beeinflussen. Unter einem „Ansaugvolumenstrom“ soll insbesondere ein Luftvolumenstrom verstanden werden, welcher der Verdichtereinheit eingangsseitig zugeführt wird. Unter einem „momentanen Leistungsvermögen“ der Verbrennungsmotoreinheit soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine, insbesondere aufgrund von momentanen Umgebungs- und/oder Betriebsparametern, beispielweise aufgrund von einer Umgebungs- und/oder einer Betriebstemperatur, maximal bereitstellbare, insbesondere mechanische, Ausgangsleistung der Verbrennungsmotoreinheit verstanden werden. Darunter, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, „einen Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit in Abhängigkeit von einem momentanen Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit zu variieren“ soll insbesondere verstanden werden, dass die Steuereinheit den Ansaugvolumenstrom unter Berücksichtigung des momentanen Leistungsvermögens der Verbrennungsmotoreinheit mittelbar oder unmittelbar reduziert oder vergrößert. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den Ansaugvolumenstrom in einem Betriebszustand, in welchem ein Leistungsbedarf der Verdichtereinheit ein momentanes Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit übersteigt, zu reduzieren.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Drucklufterzeugungsvorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die Variation des Ansaugvolumenstroms der Verdichtereinheit ein Leistungsbedarf der Verdichtereinheit vorteilhaft an ein jeweiliges Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit angepasst werden. Insbesondere kann vorteilhaft vermieden werden, dass ein Leistungsbedarf der Verdichtereinheit ein momentanes Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit übersteigt, wodurch eine vorteilhafte Absicherung der Verbrennungsmotoreinheit gegen eine Überlastung und somit ein vorteilhaft zuverlässiger Betrieb der Drucklufterzeugungsvorrichtung erreicht werden kann.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Drucklufterzeugungsvorrichtung eine Drosseleinheit aufweist, welche in einem Ansaugweg der Verdichtereinheit angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, von der Steuereinheit zur Variation des Ansaugvolumenstroms angesteuert zu werden. Unter einem „Ansaugweg“ soll insbesondere eine Fluidleitung, insbesondere eine Rohr- und/oder Schlauchleitung“ verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, der Verdichtereinheit ein zu verdichtendes gasförmiges Medium, insbesondere Luft, zuzuleiten. Unter einer „Drosseleinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, den Ansaugweg zu erweitern und/oder zu verengen und/oder zumindest im Wesentlichen vollständig zu verschließen. Insbesondere weist die Drosseleinheit zumindest ein Drosselelement auf dessen Position und/oder Ausrichtung und/oder Formgebung insbesondere in Abhängigkeit von einer Steuergröße der Steuereinheit insbesondere aktiv veränderbar ist. Hierdurch kann vorteilhaft einfach eine Variation des Ansaugvolumenstroms ermöglicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Betriebszustand ein Kaltstartvorgang der Verbrennungsmotoreinheit ist. Unter einem „Kaltstartvorgang“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Betriebsaufnahme der Verbrennungsmotoreinheit verstanden werden, ohne dass vorher Kühlwasser und/oder Öl vorgewärmt wurden und/oder ohne dass vorher in einem Schmierölkreis Druck aufgebaut wurde. Insbesondere weist die Verbrennungsmotoreinheit während des Kaltstartvorgangs gegenüber einem maximalen Leistungsvermögen ein verringertes momentanes Leistungsvermögen auf. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, während des Kaltstartvorgangs den Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit zu reduzieren. Insbesondere wird die Drosseleinheit während des Kaltstartvorgangs durch die Steuervorrichtung derart angesteuert, dass die Drosseleinheit den Ansaugweg verengt und/oder vorzugsweise zumindest im Wesentlichen vollständig verschließt. Hierdurch kann ein vorteilhaft leichter Start und/oder ein vorteilhaft schonender Warmlauf der Verbrennungsmotoreinheit erreicht werden.
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Vorzugweise ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, den Ansaugvolumenstrom bei Erreichen einer festgelegten Betriebstemperatur der Verbrennungsmotoreinheit und/oder nach Ablauf einer festgelegten Anlaufzeit zu vergrößern. Die Steuereinheit weist insbesondere zumindest einen Temperatursensor, welcher dazu vorgesehen ist eine Betriebstemperatur der Verbrennungsmotoreinheit zu erfassen, und/oder zumindest eine Zeitnahmeeinheit, welche dazu vorgesehen ist eine Anlaufzeit zu messen, auf. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen den Ansaugvolumenstrom bei Erreichen einer Betriebstemperatur der Verbrennungsmotoreinheit von zumindest 50°C, vorzugsweise von zumindest 55° und besonders bevorzugt von zumindest 60° und/oder nach Ablauf einer Anlaufzeit von höchstens 15 Minuten, vorzugsweise von höchstens 10 Minuten und besonders bevorzugt von höchstens 5 Minuten zu vergrößern. Insbesondere wird die Drosseleinheit bei Erreichen der festgelegten Betriebstemperatur und/oder nach Ablauf der festgelegten Anlaufzeit durch die Steuervorrichtung derart angesteuert, dass die Drosseleinheit den Ansaugweg erweitert und/oder vorzugsweise zumindest im Wesentlichen vollständig freigibt. Hierdurch können unnötig lange Warmlaufphasen der Verbrennungsmotoreinheit vorteilhaft vermieden werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zumindest einen Leistungsauslastungskennwert der Verbrennungsmotoreinheit zu erfassen. Unter einem „Leistungsauslastungskennwert“ soll insbesondere ein Kennwert verstanden werden, welcher zumindest eine Information über eine Leistungsauslastung der Verbrennungsmotoreinheit beinhaltet. Hierdurch kann vorteilhaft eine Leistungsauslastung der Verbrennungsmotoreinheit erfasst und/oder überwacht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den Leistungsauslastungskennwert anhand einer Stellung einer Drosselklappe der Verbrennungsmotoreinheit zu ermitteln. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, anhand einer Stellung der Drosselklappe auf eine Leistungsauslastung der Verbrennungsmotoreinheit zu schließen. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Ermittlung eines Leistungsauslastungskennwerts erfolgen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit in Abhängigkeit von dem Leistungsauslastungskennwert zu variieren. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, den Ansaugvolumenstrom bei Überschreiten eines ersten Grenzwerts durch den Leistungsauslastungskennwert den Ansaugvolumenstrom zu reduzieren. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, den Ansaugvolumenstrom bei einem Unterschreiten eines zweiten Grenzwerts durch den Leistungsauslastungskennwert zu vergrößern. Hierdurch kann ein vorteilhafter Betrieb der Verbrennungsmotoreinheit bei einem vorteilhaft hohen Wirkungsgrad erfolgen.
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Zudem wird ein Verfahren mit einer Drucklufterzeugungsvorrichtung vorgeschlagen, welche eine Verbrennungsmotoreinheit und eine Verdichtereinheit umfasst, welche mit der Verbrennungsmotoreinheit wirkschlüssig gekoppelt ist, wobei in zumindest einem Betriebszustand ein Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit in Abhängigkeit von einem momentanen Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit variiert wird. Durch die Variation des Ansaugvolumenstroms der Verdichtereinheit kann ein Leistungsbedarf der Verdichtereinheit vorteilhaft an ein jeweiliges Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit angepasst werden. Insbesondere kann vorteilhaft vermieden werden, dass ein Leistungsbedarf der Verdichtereinheit ein momentanes Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit übersteigt, wodurch eine vorteilhafte Absicherung der Verbrennungsmotoreinheit gegen eine Überlastung und somit ein vorteilhaft zuverlässiger Betrieb der Drucklufterzeugungsvorrichtung erreicht werden kann.
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Ferner wird ein Druckluft-Wärme-Kraftwerk mit zumindest einer Drucklufterzeugungsvorrichtung vorgeschlagen. Unter einem Druckluft-Wärme-Kraftwerk soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche zu einer Erzeugung von Druckluft und Wärme vorgesehen ist. Insbesondere weist das Druckluft-Wärme-Kraftwerk eine Wärmetauschereinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, Abwärme zumindest teilweise als Nutzwärme in ein Heizwassernetz zu übertragen. Die Wärmetauschereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, Wärme aus einem Motorkühlwasser und/oder einem Abgas der Verbrennungsmotoreinheit und/oder eine Verdichtungswärme der Verdichtereinheit in ein Heizwassernetz zu übertragen. Hierdurch kann ein vorteilhafter Betrieb des Druckluft-Wärme-Kraftwerks mit einem vorteilhaft hohen Wirkungsgrad erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Drucklufterzeugungsvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Drucklufterzeugungsvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Druckluft-Wärme-Kraftwerks mit einer Drucklufterzeugungsvorrichtung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckluft-Wärme-Kraftwerk 24. Das Druckluft-Wärme-Kraftwerk 24 ist zu einer Erzeugung von Wärme und Druckluft vorgesehen. Das Druckluft-Wärme-Kraftwerk 24 weist eine Drucklufterzeugungsvorrichtung 10 auf. Die Drucklufterzeugungsvorrichtung 10 umfasst eine Verbrennungsmotoreinheit 12 und eine Verdichtereinheit 14. Die Verdichtereinheit 14 ist beispielsweise mittels einer Welle 26 wirkschlüssig mit der Verbrennungsmotoreinheit 12 gekoppelt. Die Verbrennungsmotoreinheit 12 umfasst einen Verbrennungsmotor 28, welcher beispielsweise als ein Gas-Ottomotor ausgebildet sein kann. Dem Verbrennungsmotor 28 wird ein Gemisch aus einem Kraftstoff 30 und Verbrennungsluft 32 zugeführt. Der Verbrennungsmotor 28 ist dazu vorgesehen, die chemische Energie des Kraftstoffs 30 in mechanische Energie und Wärme umzuwandeln. Die Wärme wird zu einem Großteil mittels eines Motorkühlwasserwärmetauschers 34 und eines Abgaswärmetauschers 36 als Nutzwärme in ein Heizwassernetz 38 übertragen. Die Verdichtereinheit 14 ist dazu vorgesehen, Druckluft 40 zu erzeugen und über einen Ölabscheider 42 und einen Druckluftkühler 44 in ein nicht näher dargestelltes Druckluftnetz einzuspeisen. Die bei der Erzeugung der Druckluft 40 entstehende Verdichtungswärme wird mittels eines Wärmetauschers 46 zu einem Großteil als Nutzwärme an das Heizwassernetz 38 übertragen.
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Die Verbrennungsmotoreinheit 12 und die Verdichtereinheit 14 sind bezüglich eines Leistungsvermögens und eines Leistungsbedarfs derart aufeinander abgestimmt, dass in einem Normalbetrieb der Leistungsbedarf der Verdichtereinheit 14 von der Verbrennungsmotoreinheit 12 bereitgestellt werden kann. Übersteigt der Leistungsbedarf der Verdichtereinheit 14 das Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit 12, so führt dies zu einem Systemausfall.
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Um zu verhindern, dass der Leistungsbedarf der Verdichtereinheit 14 das Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit 12 übersteigt, weist die Drucklufterzeugungsvorrichtung 10 eine Steuereinheit 16 auf. Die Steuereinheit 16 ist dazu vorgesehen, einen Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit 14 in Abhängigkeit von einem momentanen Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit 12 zu variieren. Des Weiteren weist die Drucklufterzeugungsvorrichtung 10 eine Drosseleinheit 18 auf. Die Drosseleinheit 18 ist in einem Ansaugweg 20 der Verdichtereinheit 14 angeordnet. Die Drosseleinheit 18 ist dazu vorgesehen, von der Steuereinheit 16 zur Variierung des Ansaugvolumenstroms angesteuert zu werden. Insbesondere weist die Drosseleinheit 18 zumindest ein hier nicht näher dargestelltes Drosselelement auf. Das Drosselelement ist vorzugsweise als eine Klappe ausgebildet. Insbesondere ist eine Position des Drosselelements mittels einer Ansteuerung durch die Steuereinheit 16 aktiv veränderbar, wodurch ein Durchmesser des Ansaugwegs 20 verringerbar und/oder vergrößerbar ist. Alternativ kann eine Drosseleinheit auch eine Mehrzahl von insbesondere entlang einer Strömungsrichtung eines Ansaugvolumenstroms hintereinander angeordneten Drosselelementen umfassen.
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Insbesondere während eines Kaltstartvorgangs weist die Verbrennungsmotoreinheit 12 ein gegenüber einem maximales Leistungsvermögen ein verringertes momentanes Leistungsvermögen auf. Während eines Kaltstartvorgangs ist die Steuereinheit 16 dazu vorgesehen, den einen Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit 14 zu reduzieren. Durch die somit reduzierte Ansaugluftmenge der Verdichtereinheit 14 ergibt sich ein reduzierter Leistungsbedarf der Verdichtereinheit 14, so dass die Verdichtereinheit 14 auch mit einem während des Kaltstartvorgangs verringerten Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit 12 betrieben werden kann. Zur Vermeidung unnötig langer Warmlaufphasen ist die Steuereinheit 16 dazu vorgesehen, den Ansaugvolumenstrom bei Erreichen einer festgelegten Betriebstemperatur, beispielsweise einer Betriebstemperatur von 60°C, der Verbrennungsmotoreinheit 12 und/oder nach Ablauf einer festgelegten Anlaufzeit, beispielsweise nach einer Anlaufzeit von maximal 10 Minuten, zu vergrößern.
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Neben einem Kaltstartvorgang können auch andere Umstände, wie beispielsweise eine sehr hohe Umgebungstemperatur und/oder Verschleiß an der Verbrennungsmotoreinheit 12, zu einem verringerten Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit 12 führen. Um dem verringerten Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit 12 entgegen zu wirken, ist die Steuereinheit 16 dazu vorgesehen, den einen Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit 14 bei Auftreten einer Leistungseinbuße zu reduzieren. Durch die somit reduzierte Ansaugluftmenge der Verdichtereinheit 14 ergibt sich ein reduzierter Leistungsbedarf der Verdichtereinheit 14, so dass auch bei einer Leistungseinbuße der Verbrennungsmotoreinheit 12 ein Betrieb aufrecht erhalten werden kann. Zur Erkennung einer Abnahme eines Leistungsvermögens der Verbrennungsmotoreinheit 12 ist die Steuereinheit 16 dazu vorgesehen, einen Leistungsauslastungskennwert der Verbrennungsmotoreinheit 12 zu erfassen. Die Steuereinheit 16 ist dazu vorgesehen, den Leistungsauslastungskennwert anhand einer Stellung einer Drosselklappe 22 der Verbrennungsmotoreinheit 12 zu ermitteln. Um einen Leistungsbedarf der Verdichtereinheit 14 jeweils an ein momentanes Leistungsvermögen der Verbrennungsmotoreinheit 12 anzupassen, ist, die Steuereinheit 16 dazu vorgesehen, den Ansaugvolumenstrom der Verdichtereinheit 14 in Abhängigkeit von dem Leistungsauslastungskennwert zu variieren. Insbesondere ist die Steuereinheit 16 dazu vorgesehen, den Ansaugvolumenstrom bei Überschreiten ersten einstellbaren Position durch die Drosselklappe 22 zu reduzieren. Geht die Position der Drosselklappe 22 auf einen zweiten, ebenfalls einstellbaren Wert zurück, ist die Steuereinheit 16 dazu vorgesehen, den Ansaugvolumenstrom wieder zu vergrößern.