DE102017128184A1

DE102017128184A1 - Verfahren zur Steuerung einer einen Generator antreibenden Brennkraftmaschine und Blockheizkraftwerk

Info

Publication number: DE102017128184A1
Application number: DE102017128184.3A
Authority: DE
Inventors: Danny Schwarz; Johannes Sailer
Original assignee: BDR Thermea Group BV
Current assignee: BDR Thermea Group BV
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: DE102017128184B4

Abstract

Zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) in einem Blockheizkraftwerk werden eine Drehzahl sowie ein Druck und eine Temperatur im Saugrohr (14) erfasst und aus diesen Werten und konstruktiven Daten der Brennkraftmaschine (1) eine Luftmasse ermittelt. Aus einem Kennfeld werden NOx-Emissionen gegenüber den gemessenen Daten ermittelt und das Blockheizkraftwerk wirkungsgradoptimal unter Einhaltung von Emissionsvorgaben betrieben. Das Blockheizkraftwerk ist hierdurch besonders einfach aufgebaut.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer einen Generator antreibenden Brennkraftmaschine in einem Blockheizkraftwerk, wobei eine Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gemessen wird und die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine geregelt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Blockheizkraftwerk mit einer Brennkraftmaschine und mit einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom und mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine.
Ein Verfahren zum Betreiben eines stationären Gasmotors ist beispielsweise aus der DE 10 2015 007 908 A1 bekannt. Der Gasmotor wird mit einem mageren Brenngas-Luft Gemisch betrieben, wobei der Schließzeitpunkt eines Einlassventils veränderbar ist. Ein Abgasstrang des Gasmotors weist ein SCR-Katalysatorelement auf, mittels dem Stickoxide (NOx) des Abgases mit Kohlenwasserstoff als Reduktionsmittel verringert werden. In der Frischluftzufuhr hat der bekannte Gasmotor eine Drosselklappe.
Nachteilig bei dem bekannten Gasmotor ist, dass er sehr aufwändig aufgebaut ist und im Betrieb sehr kostenintensiv ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass es eine zuverlässige Einhaltung von NOx-Grenzwerten ermöglicht und besonders einfach aufgebaut ist. Weiterhin soll ein besonders einfach aufgebautes Blockheizkraftwerk geschaffen werden, welches im Betrieb besonders geringe NOx-Emissionen aufweist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Luftdruck und die Lufttemperatur gemessen werden, dass aus den gemessenen Werten und aus konstruktiven Daten der Brennkraftmaschine eine Ansaugluftmasse ermittelt wird und dass anhand eines Kennfeldes der Ansaugluftmasse und der entstehenden NOx-Emissionen die Regelung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen und in Abhängigkeit des Wirkungsgrades des Blockheizkraftwerkes erfolgt.
Durch diese Gestaltung werden die NOx-Emissionen im Abgas der bekannten Brennkraftmaschine nach Daten im Saugkanal gesteuert, da die Werte der Lufttemperatur und des Luftdrucks wesentlich für die entstehenden NOx-Emissionen sind. Eine aufwändige Reduktion der NOx-Emissionen durch einen Katalysator ist dank der Erfindung nicht erforderlich. Die erforderlichen Kennfelder lassen sich einfach erstellen, da die konstruktiven Daten der Brennkraftmaschine bekannt sind. Als Wirkungsgrad wird meist der elektrische Gesamtwirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes durch eine Erfassung der Leistungsabgabe des Generators und der der Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoffmenge herangezogen. Damit kann die Brennkraftmaschine so gesteuert werden, dass der Wirkungsgrad besonders hoch ist und NOx-Vorgaben eingehalten werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Berechnung der Gasmenge trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn die relative Luftfeuchte gemessen wird.
Der Einsatz eines Luftmassesensors lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vermeiden, wenn aus Luftdruck und Lufttemperatur die Luftdichte berechnet wird. Dies trägt zur Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus zur Durchführung des Verfahrens bei. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt keine Lambdasonde, da die Eingangswerte aus den gemessenen Ansaugdaten und den bekannten konstruktiven Daten der Brennkraftmaschine bekannt sind.
Der Einfluss einer der Brennkraftmaschine veränderten Zufuhr der Luftmasse auf die NOx-Emission lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders zeitnah berücksichtigen, wenn der Luftdruck und die Lufttemperatur in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine gemessen werden. Weiterhin wird hierdurch ein möglicher Fehler durch Verschmutzungen eines Luftfilters besonders gering gehalten.
Ein verschmutzter Luftfilter lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach durch einen Vergleich mit einem Luftdruck im Saugrohr erfassen, wenn der Luftdruck der Umgebung gemessen wird. Ein Vergleich des Luftdrucks der Umgebung mit dem im Saugrohr während des Betriebs des Blockheizkraftwerkes kann zur Diagnose des verschmutzten Luftfilters und/oder einer Belegung des Einlasskanals herangezogen werden. Ein weiterer Vorteil dieser Gestaltung besteht darin, dass die Kennfelder in Abhängigkeit des Luftdrucks und der Temperatur angepasst werden können, um das Blockheizkraftwerk jederzeit nahe am Wirkungsgradoptimum zu betreiben. Die Wetterlage und die Höhenlage des Aufstellungsortes des Blockheizkraftwerkes haben Einfluss auf die Lufttemperatur und den Luftdruck.
Die so genannte Schwerpunktlage, welche meist durch einen AI50 Wert angegeben wird, hat einen großen Einfluss auf die NOx-Emissionen. Der AI50 Wert gibt den Zeitpunkt der Umsetzung von 50% der Zylinderladung bezogen auf ein° Kurbelwellenwinkel. Diese Schwerpunktlage lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach variieren, wenn die Regelung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch eine Verstellung des Zündzeitpunktes erfolgt.
Der indizierte Mitteldruck der Brennkraftmaschine hat einen besonders hohen Einfluss auf die NOx-Emissionen. Der indizierte Mitteldruck lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach regeln, wenn die Regelung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch die Leistungsabgabe des Generators erfolgt. Hierdurch lässt sich zudem die Drehzahl der Brennkraftmaschine steuern. Zur Einhaltung der elektrischen Leistung wird bei variiertem indizierten Mitteldruck die Drehzahl angepasst.
Neben dem Wirkungsgrad und den NOx-Emissionen ist bei Blockheizkraftwerken zudem die geforderte Leistungsabgabe von Bedeutung. Die Regelung der Leistung der Brennkraftmaschine gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders einfach, wenn die Regelung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch die Ansteuerung eines Stellgliedes der Brennstoffzufuhr erfolgt. Weiterhin lässt sich über die alleinige Regelung Brennstoffzufuhr das Verhältnis der angesaugten Frischluftmasse bezogen auf den Brennstoffeinsatz beeinflussen. Hierdurch lassen sich die NOx-Emissionen ebenfalls weitgehend einstellen.
Zur weiteren Verringerung der NOx-Emissionen trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn die Regelung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch die Änderung der Drehzahl erfolgt. Hierdurch wird eine Änderung des indizierten Mitteldrucks bei gleich bleibender Leistungsabgabe erreicht.
Das zweitgenannte Problem nämlich die Schaffung eines besonders einfach aufgebauten Blockheizkraftwerkes, welches im Betrieb besonders geringe NOx-Emissionen aufweist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine ein Sensor zur Erfassung der Temperatur und ein Sensor zur Erfassung des Drucks angeordnet sind und dass die Sensoren mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Blockheizkraftwerkes verbunden sind.
Durch diese Gestaltung werden für die NOx-Emissionen wesentliche Parameter im Saugrohr erfasst. Diese Parameter ermöglichen der Steuereinheit den Betrieb des Blockheizkraftwerkes mit besonders geringen NOx-Emissionen. Vorzugsweise ist zudem ein Sensor zur Erfassung der relativen Luftfeuchte mit der Steuereinheit verbunden. Dank der Erfindung lassen sich der Einsatz eines im Abgastrakt angeordneten Katalysators zur NOx Nachbehandlung und einer Lambdasonde vermeiden. Selbstverständlich kann zur Konvertierung von CO und HC ein Katalysator eingesetzt werden.
Die Regelung der von dem Blockheizkraftwerk abgegebenen Leistung gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders einfach, wenn der Generator als Synchrongenerator ausgebildet ist.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

1 schematisch einen Schaltplan eines Blockheizkraftwerkes,
2 einen Verlauf der NOx-Emissionen über die Temperatur im Saugrohr,
3 einen Verlauf der NOx-Emissionen über den elektrischen Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerks,
4 schematisch eine Steuereinheit des Blockheizkraftwerkes mit Sensoren und Stellgliedern.

1 zeigt schematisch einen Schaltplan eines Blockheizkraftwerkes mit einer Brennkraftmaschine 1 und einem Generator 2. An einer Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 ist ein Rotationskörper 4, beispielsweise eine Schwungscheibe angeordnet. Eine Steuereinheit 5 ist mit einem vor dem Rotationskörper 4 angeordneten Sensor 7, einer Zündspule 8 und dem Generator 2 verbunden. Der Generator 2 ist mit einem Frequenzumrichter 6 verbunden. Die Zündspule 8 versorgt eine Zündkerze 9 der Brennkraftmaschine 1 mit elektrischem Strom. Die Steuereinheit 5 erfasst die elektrische Leistungsabgabe des Generators 2 und die Signale des Sensors 7. Weiterhin steuert die Steuereinheit den Ladestrom für die Zündspule 8 und den Zündzeitpunkt der Zündkerze 9. Auf dem Rotationskörper sind 80 Inkremente 10, 11 angeordnet, von denen 79 um 4,5° beabstandet sind. Eines der Inkremente ist als Bezugsinkrement 11 ausgebildet und von dem einen benachbarten Inkrement 10 um 3° und von dem anderem benachbarten Inkrement 10 um 6° beabstandet. Das Abtasten der Inkremente 10 und des Bezugsinkrementes 11 ermöglicht die Feststellung der Drehrichtung der Kurbelwelle 3, da das Bezugsinkrement 11 für einen verhältnismäßig langen Intervall und einen verhältnismäßig kurzen Intervall im Vergleich zu den Intervallen der regulär angeordneten Inkremente 10 verantwortlich ist. Die Reihenfolge des langen und des kurzen Intervalls ist abhängig von der Drehrichtung der Kurbelwelle 3. Ebenfalls werden mit dem Sensor 7 die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 und ein Bezugswert für eine Einstellung des Zündpunktes erfasst.
Der schematisch dargestellte Frequenzumrichter 6 dient zum Anschluss des Generators 2 an ein nicht dargestelltes externes Stromnetz. Ein schematisch dargestelltes Hydraulikmodul 12 dient zum Anschluss des Blockheizkraftwerkes an einen nicht dargestellten externen Heizkreislauf.
Die Brennkraftmaschine hat ein Abgasrohr 13 zur Abführung des Abgases und ein Saugrohr 14 zur Zuführung eines Brenngas Luft Gemisches. Die Ansaugluft wird über einen Luftfilter 15 angesaugt. Im Saugrohr 14 sind mehrere Sensoren 16 - 18 angeordnet, von denen einer zur Erfassung der Temperatur, einer zur Erfassung des Luftdrucks und einer zur Erfassung der relativen Feuchte ausgebildet ist. Die Sensoren 16 - 18 sind mit der Steuereinheit 5 verbunden. Der Umgebungsdruck kann zyklisch beim Stillstand der Anlage über den Sensor 17 im Saugrohr 14 gemessen werden. Weiterhin ist die Steuereinheit 5 mit zwei weiteren Sensoren 19, 20 verbunden, von denen einer zur Erfassung der Umgebungstemperatur und einer zur Erfassung des Umgebungsdrucks ausgebildet ist. Weiterhin ist die Steuereinheit mit einem Stellglied 21 zur Einstellung der der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Brennstoffmenge verbunden.
2 zeigt in einem Kennfeld einen Verlauf der NOx-Emissionen über die Saugrohrtemperatur für unterschiedliche Saugrohrdrücke. In dem Diagramm sind zudem Lambdawerte eingetragen. Der indizierte Mitteldruck und der AI50 Wert sind konstant. Hierbei ist zu erkennen, dass mit steigender Saugrohrtemperatur oder sinkendem Absolutdruck im Saugrohr die NOx-Emissionen steigen. Eine Einstellung und Anpassung der NOx-Emissionen kann daher durch die Anpassung des indizierten Mitteldrucks oder durch die Schwerpunktlage, des AI50 Wertes, erfolgen. Dies ermöglicht die Erzeugung eines möglichst hohen Wirkungsgrades beim Betrieb des Blockheizkraftwerkes bei Einhaltung von NOx-Grenzwerten.
3 zeigt ein Kennfeld mit einem Verlauf der NOx-Emissionen über den elektrischen Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes.
4 zeigt zur Verdeutlichung die Verschaltung der Steuereinheit aus 1 mit den Sensoren 7, 16 - 20. Neben der bereits dargestellten Verbindung mit dem Stellglied 21 zur Einstellung der Beimischung des Brennstoffs ist die Steuereinheit mit einem Stellglied 22 zur Verstellung des Zündzeitpunktes und einem Stellglied 23 zur Einstellung der Sollleistung. Hierbei wird ebenfalls die Drehzahl der Brennkraftmaschine eingestellt. Weiterhin hat die Steuereinheit 5 eine Schnittstelle 24 zu einer nicht dargestellten Blockheizkraftwerksteuerung, über die die Leistungsanforderung an die Steuereinheit 5 übermittelt wird.
Mithilfe der konstruktiven Daten der Brennkraftmaschine 1 und der in Kennfeldern nach den 2 und 3 ermittelten physikalischen Zusammenhänge wird ein Emissionsmodell erstellt, welches sich auf die Erfassung des absoluten Luftdrucks und der Temperatur im Saugrohr stützt. Dieses Modell ermöglicht die Brennkraftmaschine des Blockheizkraftwerkes unter Einhaltung von Emissionsvorgaben immer wirkungsgradoptimal zu betreiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015007908 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer einen Generator (2) antreibenden Brennkraftmaschine (1) in einem Blockheizkraftwerk, wobei eine Drehzahl einer Kurbelwelle (3) der Brennkraftmaschine (2) gemessen wird und die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine (1) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck und die Lufttemperatur gemessen werden, dass aus den gemessenen Werten und aus konstruktiven Daten der Brennkraftmaschine (1) eine Ansaugluftmasse ermittelt wird und dass anhand eines Kennfeldes der Ansaugluftmasse und der entstehenden NOx-Emissionen die Regelung der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen und in Abhängigkeit des Wirkungsgrades des Blockheizkraftwerkes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Luftfeuchte gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus Luftdruck und Lufttemperatur die Luftdichte berechnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck und die Lufttemperatur in einem Saugrohr (14) der Brennkraftmaschine (1) gemessen werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck der Umgebung gemessen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch eine Verstellung des Zündzeitpunktes erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch die Leistungsabgabe des Generators (2) erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch die Ansteuerung eines Stellgliedes (21) der Brennstoffzufuhr erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit der Werte der NOx-Emissionen durch die Änderung der Drehzahl erfolgt.
Blockheizkraftwerk mit einer Brennkraftmaschine (1) und mit einem von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Generator (2) zur Erzeugung von elektrischem Strom und mit einer Steuereinheit (5) zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Saugrohr (14) der Brennkraftmaschine (1) ein Sensor (16) zur Erfassung der Temperatur und ein Sensor (17) zur Erfassung des Drucks angeordnet sind und dass die Sensoren (16, 17) mit einer Steuereinheit (5) zur Ansteuerung des Blockheizkraftwerkes verbunden sind.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) als Synchrongenerator ausgebildet ist.