DE102020134462A1 - Generator set and method of operating a generator set - Google Patents

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Abstract

Ein Stromaggregat (10) zur Einspeisung von insbesondere aus einem gasförmigen Brennstoff gewonnener Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz (12) umfasst einen Generator (14) zum Erzeugen von elektrischer Energie, die in das Energieversorgungsnetz (12) einspeisbar ist; eine den Generator (14) antreibende Verbrennungskraftmaschine (16), die eine Vielzahl an Zylindern (18) aufweist, denen ein Brennstoff-Luft-Gemisch, das ein vorgegebenes Luftverhältnis (λ) hat, zum Erzielen einer vorgegebenen Leistung (P) der Verbrennungskraftmaschine (16) zugeführt wird, und ein Mittel (20), das ausgebildet ist, das Luftverhältnis (λ) zum abrupten Reduzieren der Leistung (P) der Verbrennungskraftmaschine (16) zeitweilig in wenigstens einem der Zylinder (18) derart zu verändern, dass eine Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder (18) unterbleibt. Das Mittel (20) umfasst wenigstens eine Druckluftdüse (22) zum unmittelbaren oder mittelbaren Zuführen von Luft oder einem Inertgas in den wenigstens einen Zylinder (18) und wenigstens ein Ventil (24) zum Regeln der Menge an einzuführender Luft oder einzuführendem Inertgas.

Figure DE102020134462A1_0000
A power unit (10) for feeding energy obtained in particular from a gaseous fuel into an electrical power supply network (12) comprises a generator (14) for generating electrical energy which can be fed into the power supply network (12); an internal combustion engine (16) driving the generator (14) and having a plurality of cylinders (18) to which a fuel-air mixture having a predetermined air ratio (λ) is used to achieve a predetermined power (P) of the internal combustion engine ( 16) is supplied, and a means (20) which is designed to temporarily change the air ratio (λ) for abruptly reducing the power (P) of the internal combustion engine (16) in at least one of the cylinders (18) in such a way that ignition of the fuel-air mixture in the cylinder (18) is omitted. The means (20) comprises at least one compressed air nozzle (22) for supplying air or an inert gas directly or indirectly into the at least one cylinder (18) and at least one valve (24) for regulating the amount of air or inert gas to be introduced.
Figure DE102020134462A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromaggregat zur Einspeisung von insbesondere aus einem gasförmigen Brennstoff gewonnener Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Stromaggregats.The invention relates to a power unit for feeding energy obtained in particular from a gaseous fuel into an electrical power supply network and a method for operating such a power unit.

Zur Einspeisung von Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz ist es bekannt, eine Verbrennungskraftmaschine zu betreiben, die einen Generator antreibt. Durch die Verbrennungskraftmaschine wird die chemische Energie eines Brennstoffes, insbesondere eines Gases, wie beispielsweise Biogas, Holzgas, Grubengas, Erdgas oder Propan, in kinetische Energie umgewandelt, mit welcher der Generator angetrieben wird. Der Generator wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie um, welche in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird.In order to feed energy into an electrical energy supply network, it is known to operate an internal combustion engine that drives a generator. The internal combustion engine converts the chemical energy of a fuel, in particular a gas, such as biogas, wood gas, mine gas, natural gas or propane, into kinetic energy, with which the generator is driven. The generator converts the kinetic energy into electrical energy, which is fed into the power grid.

Um Energie in ein Energieversorgungsnetz einspeisen zu dürfen, müssen vorgegebene Anschlussrichtlinien eingehalten werden. Nur wenn die technischen Anforderungen der Richtlinien nachgewiesen werden, erfolgt eine Zertifizierung, die zum Einspeisen von Energie in das Energieversorgungsnetz berechtigt. Seit der BDEW Mittelspannungsrichtlinie von 2008 und der VDE AR-N 4120 (TAB Hochspannung) und mit Inkrafttreten der VDE AR-N 4110 (TAB Mittelspannung) ist eine dynamische Netzstützung in den technischen Anschlussrichtlinien verankert.In order to be allowed to feed energy into an energy supply network, specified connection guidelines must be observed. Only if the technical requirements of the guidelines are proven, a certification that authorizes the feeding of energy into the energy supply network. Since the BDEW medium voltage guideline of 2008 and the VDE AR-N 4120 (TAB high voltage) and with the entry into force of the VDE AR-N 4110 (TAB medium voltage), dynamic grid support has been anchored in the technical connection guidelines.

Unter dynamischer Netzstützung versteht der Fachmann ein Verhalten der Erzeugungseinheit, das bei Fehlern im Energieversorgungsnetz nachgewiesen werden muss. Als ein Netzfehler, vom Fachmann auch als Fault-Ride-Through-Fall (FRT) bezeichnet, versteht dieser eine wesentliche Abweichung der Netzspannung im Netzanschlusspunkt von der Nennspannung des Netzanschlusspunktes. Je nach Art des Netzfehlers wird dann von einem Low Voltage Ride-Through (LVRT), beziehungsweise Under Voltage Ride-Through (UVRT), oder High Voltage Ride Through (HVRT), beziehungsweise Over Voltage Ride-Through (OVRT), gesprochen. Dabei können Spannungseinbrüche von bis zu 1500 ms und Spannungsausfälle von bis zu 150 ms auftreten.The expert understands dynamic grid support as a behavior of the generating unit that must be proven in the event of faults in the energy supply grid. A grid error, also referred to as a fault ride-through case (FRT) by experts, is a significant deviation of the grid voltage at the grid connection point from the nominal voltage of the grid connection point. Depending on the type of grid fault, a low-voltage ride-through (LVRT) or under-voltage ride-through (UVRT) or high-voltage ride-through (HVRT) or over-voltage ride-through (OVRT) is then spoken of. Voltage dips of up to 1500 ms and power failures of up to 150 ms can occur.

Während eines derartigen Netzfehlers des Energieversorgungsnetzes, fällt die an dem Generator anliegende Last ab. Die Verbrennungskraftmaschine generiert jedoch in gleichbleibender Höhe kinetischer Energie, die dem Generator zugeführt wird. Indem das Widerstandsmoment an der den Generator antreibenden Welle abfällt, erhöht sich die Drehzahl der Welle entsprechend. Eine derartige Drehzahlerhöhung kann zu schwerwiegenden Beschädigungen des Stromaggregats führen.During such a network failure of the power supply network, the load applied to the generator drops. However, the internal combustion engine generates kinetic energy at a constant level, which is fed to the generator. As the resistance torque on the shaft driving the generator drops, the speed of the shaft increases accordingly. Such an increase in speed can cause serious damage to the generator set.

Es ist daher erstrebenswert, die Verbrennungskraftmaschine derart zu regeln, sodass beispielsweise ein LVRT-Fall ohne eine signifikante Drehzahlerhöhung der Welle durchfahren werden kann. Hierzu ist es bekannt, die Leistung der Verbrennungskraftmaschine während des LVRT-Falls zu reduzieren. Allerdings ist es regelmäßig in der Entwicklung eine Herausforderung, einerseits unmittelbar die Leistung der Verbrennungskraftmaschine möglichst analog mit dem Lastabfall zu reduzieren und andererseits die Leistung der Verbrennungskraftmaschine in den normalen Arbeitszustand möglichst analog mit der Lastwiederkehr hochzufahren.It is therefore desirable to regulate the internal combustion engine in such a way that, for example, an LVRT case can be run through without a significant increase in the speed of the shaft. To this end, it is known to reduce the power of the internal combustion engine during the LVRT case. However, it is regularly a challenge in development to reduce the power of the internal combustion engine as directly as possible in line with the load drop on the one hand and to ramp up the power of the internal combustion engine in the normal working state as closely as possible to the return of the load on the other.

Verschiedene Verfahren zum Unterbinden einer Zündung im Sinne eines Entflammens des Brennstoff-Luft-Gemischs beziehungsweise zum Erzielen einer nur unvollständigen Verbrennung in mindestens einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Stromaggregats, sind aus dem Stand der Technik bekannt.Various methods for preventing ignition in the sense of igniting the fuel-air mixture or for achieving only incomplete combustion in at least one cylinder of an internal combustion engine, in particular a power generator, are known from the prior art.

Hierzu ist in der EP 1 022 450 A1 eine Verbrennungskraftmaschine offenbart, die zum Erzeugen von elektrischer Energie einen Generator antreibt. Die Leistung der Verbrennungskraftmaschine wird im Falle eines Absinkens der anliegenden Last gedrosselt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Zufuhr von Brennstoff in mindestens eine Brennkammer eines Zylinders zurückgehalten wird. Die Brennkammer des Zylinders wird allerdings über einen Turbolader befüllt, wodurch eine Zündung in der Brennkammer unterbunden werden soll.For this is in the EP 1 022 450 A1 discloses an internal combustion engine driving a generator to produce electrical energy. The power of the internal combustion engine is throttled if the applied load drops. This is achieved in particular by holding back the supply of fuel to at least one combustion chamber of a cylinder. However, the combustion chamber of the cylinder is filled via a turbocharger, which is intended to prevent ignition in the combustion chamber.

EP 2 526 279 A1 offenbart eine stationäre Kraftanlage, die sich dadurch auszeichnet, dass zur Reduzierung der Leistung die Treibstoffzufuhr zu wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine mindestens teilweise gestoppt wird. Dabei wird der gasförmige Treibstoff über ein Gasdosierventil dosiert. So kann bei einer kompletten Drosselung des Gasdosierventils die Zündung unterbunden werden. EP 2 526 279 A1 discloses a stationary power plant which is characterized in that the fuel supply to at least one combustion chamber of the internal combustion engine is at least partially stopped in order to reduce the power. The gaseous fuel is metered via a gas metering valve. In this way, ignition can be prevented if the gas metering valve is completely throttled.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromaggregat und ein Verfahren zur Einspeisung von Energie in ein Energieversorgungsnetz vorzuschlagen, welche die Leistung der Verbrennungskraftmaschine umgehend zum Durfahren eines Netzfehlers reduzieren.The invention is based on the object of proposing a power unit and a method for feeding energy into an energy supply network, which immediately reduce the power of the internal combustion engine to drive through a network error.

Diese Aufgabe wird durch ein Stromaggregat gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10 sowie 12 bis 14.This object is achieved by a generator according to claim 1 and a method according to claim 11. Preferred embodiments of the invention are the subject of claims 2 to 10 and 12 to 14.

Das erfindungsgemäße Stromaggregat umfasst einen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie, die in das Energieversorgungsnetz einspeisbar ist und eine den Generator antreibende Verbrennungskraftmaschine, die eine Vielzahl an Zylindern aufweist. Den Zylindern wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem vorgegebenen Luftverhältnis zum Erzielen einer vorgegebenen Leistung der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Als gasförmiger Brennstoff zum Antreiben der Verbrennungskraftmaschine eignet sich beispielsweise Biogas, ein brennbares Gas, das durch Vergärung von Biomasse entsteht, wie Pflanzenöl oder Biogas.The power unit according to the invention comprises a generator for generating electrical energy that can be fed into the power supply network and an internal combustion engine that drives the generator and has a large number of cylinders. A fuel-air mixture with a predetermined air ratio is supplied to the cylinders in order to achieve a predetermined output of the internal combustion engine. A suitable gaseous fuel for driving the internal combustion engine is, for example, biogas, a combustible gas that is produced by fermenting biomass, such as vegetable oil or biogas.

Des Weiteren ist ein Mittel umfasst, das ausgebildet ist, das Luftverhältnis zum abrupten Reduzieren der Leistung der Verbrennungskraftmaschine zeitweilig in wenigstens einem der Zylinder derart zu verändern, dass eine Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder unterbleibt. Das Mittel umfasst wenigstens eine Druckluftdüse zum unmittelbaren oder mittelbaren Zuführen von Luft oder einem Inertgas in den wenigstens einen Zylinder und wenigstens ein Ventil zum Regeln der Menge an einzuführender Luft oder einzuführendem Inertgas.Furthermore, a means is included which is designed to temporarily change the air ratio for abruptly reducing the power of the internal combustion engine in at least one of the cylinders in such a way that the fuel-air mixture in the cylinder is not ignited. The means comprises at least one compressed air nozzle for supplying air or an inert gas directly or indirectly into the at least one cylinder and at least one valve for regulating the amount of air or inert gas to be introduced.

Das Unterbinden der Zündung, beziehungsweise das Erzielen der unvollständigen Verbrennung, wird durch ein aktives Injizieren von Luft oder einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff, erreicht. Auf diese Weise kann das Verbrennungsluftverhältnis des im Zylinder befindlichen Brennstoff-Luft-Gemischs so weit in den mageren Bereich verschoben werden, sodass das Brennstoff-Luft-Gemisch entweder nicht mehr zündfähig ist oder nur eine unvollständige Verbrennung entsteht, die mit einer signifikant, umgehend reduzierten Leistung einhergeht.Ignition is suppressed, or incomplete combustion is achieved, by actively injecting air or an inert gas, for example nitrogen. In this way, the combustion air ratio of the fuel-air mixture in the cylinder can be shifted so far into the lean range that the fuel-air mixture is either no longer ignitable or only incomplete combustion occurs, with a significantly, immediately reduced performance.

Ferner kann aufgrund der injizierten Luft oder Inertgas ein Überdruck in dem Zylinder und dem angrenzenden Zufuhrmittel des Brennstoff-Luft-Gemischs, insbesondere einem Ansaugtrakt, erzeugt werden. Ein Zurückfluten in den Zylinder des im Zufuhrmittel befindlichen Brennstoff-Luft-Gemischs wird somit unterbunden. Das Zurückfluten ist in Zusammenhang mit dem Resonanzeffekt bekannt, welcher üblicherweise zu einer besseren Zylinderfüllung führen kann, wofür die Rohrlänge des Ansaugtrakts entsprechend gewählt wird.Furthermore, due to the injected air or inert gas, an overpressure can be generated in the cylinder and the adjoining means for supplying the fuel-air mixture, in particular an intake tract. Flowing back into the cylinder of the fuel-air mixture located in the supply means is thus prevented. Backflow is known in connection with the resonance effect, which can usually lead to better cylinder filling, for which the pipe length of the intake tract is chosen accordingly.

Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine für die Verbrennungskraftmaschine besonders schonende Reduzierung der Leistung während des kurzen Zeitraums eines Netzfehlers. Denn dem Zylinder steht weiterhin eine ausreichende Menge an injizierter Luft zur Verfügung, sodass sich kein Unterdruck während des Ansaugtakts bildet. Außerdem steht die injizierte Luft als Abgas in vorteilhafter Weise nachfolgenden Komponenten zur Verfügung, wie beispielsweise einer Turbine eines Turboladers, die durch die injizierte Luft weiterhin angetrieben wird.In addition, the device according to the invention enables a reduction in output during the short period of a network fault that is particularly gentle on the internal combustion engine. A sufficient quantity of injected air is still available to the cylinder so that no negative pressure forms during the intake stroke. In addition, the injected air is advantageously available as exhaust gas to downstream components, such as a turbine of a turbocharger, which continues to be driven by the injected air.

Die Verbrennungskraftmaschine weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung sechs Zylinder auf. Ferner kann die Verbrennungskraftmaschine eine als Schiffsmotor ausgelegte Verbrennungskraftmaschine sein. Die derart ausgelegt Verbrennungskraftmaschine zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Nutzungsdauer aus.In an advantageous embodiment, the internal combustion engine has six cylinders. Furthermore, the internal combustion engine can be an internal combustion engine designed as a ship's engine. The internal combustion engine designed in this way is characterized in particular by a long service life.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Generatoren ein Synchron-Reluktanzgenerator. Ein derartiger Generator kann deutlich einfacher mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt werden. Es ist auch denkbar, einen Synchrongenerator als Generator zu verwenden. Die Anforderungen zur dynamischen Netzstützung ist weniger aufwändig als bei Asynchrongeneratoren. Allerdings müssen Synchrongeneratoren üblicherweise zum Einspeisen von Energie in ein Energieversorgungsnetz erst mit dem Energieversorgungsnetz synchronisiert werden. Ebenfalls können diese sich unter bestimmten Umständen desynchronisieren. Dies ist beispielsweise bei dem Durchfahren eines Netzfehlers der Fall. Die erzeugte Energie ist mit dem Energieversorgungsnetz synchronisiert, wenn insbesondere die Phasenlage des Generators mit der Phasenlage des elektrischen Energieversorgungsnetzes identisch ist.In an advantageous embodiment, the generator is a synchronous reluctance generator. Such a generator can be coupled to the power supply network much more easily. It is also conceivable to use a synchronous generator as a generator. The requirements for dynamic grid support are less complex than with asynchronous generators. However, in order to feed energy into an energy supply network, synchronous generators usually first have to be synchronized with the energy supply network. They can also desynchronize under certain circumstances. This is the case, for example, when driving through a network error. The energy generated is synchronized with the power supply network if, in particular, the phase position of the generator is identical to the phase position of the electrical power supply network.

Diese Schwierigkeiten können sich bei einem Synchron-Reluktanzgenerator nicht ergeben. Dieser synchronisiert sich selbst und kann aufgrund der Erregung durch das Netz nicht desynchronisieren.These difficulties cannot arise with a synchronous reluctance generator. This synchronizes itself and cannot desynchronize due to the excitation from the network.

Unter Energieversorgungsnetz ist ein Netzwerk zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie zu einem oder mehreren Verbraucher zu verstehen. Ein derartiges Netz kann Freileitungen und Erdkabeln sowie die dazugehörigen Einrichtungen wie Schalt- und Umspannwerke umfassen. Das Energieversorgungsnetz kann auch elektrisch verbundene Stromnetze umfassen, die auch als Verbundnetz bezeichnet werden. Ferner ist es auch denkbar, dass das Energieversorgungsnetz in Form eines sogenannten Inselbetriebs betrieben wird, welches beispielsweise durch ein mit Biomasse betriebenes Heizkraftwerk oder Blockheizkraftwerk mit Strom versorgt wird.An energy supply network is a network for the transmission and distribution of electrical energy to one or more consumers. Such a network can include overhead lines and underground cables as well as the associated facilities such as switchgear and substations. The energy supply grid can also include electrically connected power grids, which are also referred to as an interconnected grid. Furthermore, it is also conceivable that the energy supply network is operated in the form of a so-called isolated operation, which is supplied with electricity, for example, by a combined heat and power plant or combined heat and power plant operated with biomass.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Druckluftdüse zum unmittelbaren Zuführen von Luft oder Inertgas in den Zylinder an dem Zylinder angeordnet. Die Druckluftdüse kann beispielsweise im Zylinderkopf neben einer Zufuhröffnung für das Brennstoff-Luft-Gemisch angeordnet sein. Es ergibt sich somit ein kurzer Übertragungsweg und es wird gezielt ein Überdruck in dem jeweiligen Zylinder erzeugt. Dabei kann in besonders effektiver und kurzer Zeit eine Zündung unterbunden werden.In an advantageous embodiment, the compressed air nozzle is arranged on the cylinder for the direct supply of air or inert gas into the cylinder. The compressed air nozzle can be arranged, for example, in the cylinder head next to a supply opening for the fuel/air mixture. This results in a short transmission path and it will specifically generates an overpressure in the respective cylinder. Ignition can be suppressed in a particularly effective and short time.

Ferner weist das Stromaggregat einen Ansaugtrakt auf, der ausgebildet ist, das Brennstoff-Luft-Gemisch dem Zylinder zuzuführen, wobei in einer alternativen Ausgestaltung des Stromaggregats die Druckluftdüse zum mittelbaren Zuführen von Luft oder Inertgas in den Zylinder an dem Ansaugtrakt angeordnet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung hiervon befindet sich die Druckluftdüse in einem Bereich des Ansaugtrakts, der sich in der Nähe des Zylinders befindet. Aufgrund der niedrigeren vorherrschenden Drücke im Vergleich zu den Drücken während eines Arbeitstaktes und den geringeren Temperaturen im Ansaugtrakt kann eine günstigere und einfachere Anbringung der Druckluftdüse verwirklicht werden.Furthermore, the power unit has an intake tract, which is designed to supply the fuel-air mixture to the cylinder, wherein in an alternative embodiment of the power unit, the compressed air nozzle for indirectly supplying air or inert gas into the cylinder is arranged on the intake tract. In an advantageous embodiment of this, the compressed air nozzle is located in an area of the intake tract that is located in the vicinity of the cylinder. Due to the lower prevailing pressures compared to the pressures during a work cycle and the lower temperatures in the intake tract, a cheaper and simpler attachment of the compressed air nozzle can be realized.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ventil als Magnetventil ausgestaltet. Ein derartiges Ventil zeichnet sich durch die besonders schnellen Reaktionszeiten aus, sodass die Zeit zwischen dem erkannten Netzfehler und dem Öffnen des Ventils der Druckluftdüse gering ist. Derartige Magnetventile können ein direktgesteuertes, vorgesteuertes, zwangsgesteuertes und/oder druckgesteuertes Ventil umfassen.In a further advantageous embodiment, the valve is designed as a solenoid valve. Such a valve is characterized by the particularly fast reaction times, so that the time between the detected network error and the opening of the valve of the compressed air nozzle is short. Such solenoid valves can include a directly controlled, pilot-controlled, positively controlled and/or pressure-controlled valve.

In bekannter Weise kann die Verbrennungskraftmaschine mehrere Zylinder aufweisen. In einer Vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Zylinder jeweils ein Ventil zugeordnet. Indem jedem Zylinder ein Ventil zugeordnet ist, kann jedem Zylinder einzeln Luft oder Inertgas zugeführt werden.In a known manner, the internal combustion engine can have multiple cylinders. In an advantageous embodiment, each cylinder is assigned a valve. By assigning a valve to each cylinder, air or inert gas can be supplied to each cylinder individually.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Ventile einzeln ansteuerbar. Entsprechend kann eine Zündung in jedem Zylinder unabhängig voneinander unterbunden werden, sodass sich die Leistung der Verbrennungskraftmaschine stufenweise reduzieren lässt.In an advantageous development, the valves can be controlled individually. Accordingly, ignition in each cylinder can be suppressed independently of one another, so that the power of the internal combustion engine can be reduced in stages.

Vorteilhaft umfasst das Mittel einen Druckluftbehälter, der geeignet ist, ein Reservoir an Druckluft zum unvermittelten Einblasen vorzuhalten. Der Druckluftbehälter kann ein Volumen zwischen 10 I und 100 I mit einem Druck von bis zu rund 20 bar umfassen. Der Druckluftbehälter kann insbesondere in einer idealen Form eine kugelige Form aufweisen, wodurch die Behälterwand nach allen Seiten hin gleichmäßig belastet ist. Der Druckluftbehälter kann aber auch eine andere Form aufweisen, wie beispielsweise eine Zylinderform. Aufgrund der Zylinderform kann der Druckluftbehälter leichter und platzsparender gelagert werden. Der Druckluftbehälter kann ferner aus einem weichen Material, wie bei einem Ballon oder einem Blasebalg, oder einem festen Material, wie beispielsweise Metall oder Kunststoff, bestehen. Ferner weist der Druckluftbehälter in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einen Druckbegrenzer auf. Der Druckbegrenzer ist insbesondere ausgestaltet den Druck in dem Druckluftbehälter zu messen oder in der Ausgestaltung eines Überdruckventils Überdruck abzulassen.Advantageously, the means includes a compressed air tank that is suitable for keeping a reservoir of compressed air available for immediate blowing. The compressed air tank can have a volume between 10 l and 100 l with a pressure of up to around 20 bar. The compressed air tank can have a spherical shape, particularly in an ideal form, as a result of which the tank wall is evenly loaded on all sides. However, the compressed air tank can also have a different shape, such as a cylindrical shape. Due to the cylindrical shape, the compressed air tank can be stored more easily and in a space-saving manner. The compressed air tank can also be made of a soft material, such as a balloon or bellows, or a rigid material, such as metal or plastic. Furthermore, in a further advantageous embodiment, the compressed air tank has a pressure limiter. The pressure limiter is designed in particular to measure the pressure in the compressed air tank or, in the design of a pressure relief valve, to release excess pressure.

Vorteilhaft ist der Druckluftbehälter mit der Druckluftdüse fluidleitend verbunden. Insofern die Verbrennungskraftmaschine mehrere Zylinder aufweist, kann auch eine Vielzahl an Druckluftdüsen vorhanden sein, die mit einem Druckluftbehälter verbunden sind. Vorteilhaft können auch mehrere Druckluftdüsen einem Zylinder zugeordnet sein. Folglich wird nur ein Druckluftbehälter oder zumindest weniger Druckluftbehälter benötigt. In einer weiteren Vorteilhaften Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass zwei oder mehr Druckluftdüsen mit je einem Druckluftbehälter verbunden sind. Folglich könnten Druckluftbehälter mit einem geringeren Volumen verbaut werden. Vorzugsweise sind die Druckluftdüsen der Zylinder mit dem Druckluftbehälter verbunden, welche ein längeres Zeitintervall zwischen den einzelnen Zündungen aufweisen. Somit kann zum Beispiel während des Betriebs des Verbrennungsmotors ein ausgeglichener Füllstand im Druckluftbehälter während des Betriebs gewährleistet werden.The compressed air tank is advantageously connected to the compressed air nozzle in a fluid-conducting manner. Insofar as the internal combustion engine has a plurality of cylinders, there can also be a large number of compressed air nozzles which are connected to a compressed air tank. Advantageously, several compressed air nozzles can also be assigned to one cylinder. Consequently, only one compressed air tank or at least fewer compressed air tanks is required. In a further advantageous embodiment, it is also conceivable that two or more compressed air nozzles are each connected to a compressed air tank. As a result, compressed air tanks with a smaller volume could be installed. The compressed air nozzles of the cylinders which have a longer time interval between the individual ignitions are preferably connected to the compressed air tank. Thus, for example, during operation of the internal combustion engine, a balanced fill level in the compressed air tank can be ensured during operation.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Druckluftbehälter ein Volumen, das konstant ist. Ein konstantes Volumen ergibt sich insbesondere bei Druckluftbehälter, die aus einem festen Material hergestellt sind, wie beispielsweise Metall.In an advantageous embodiment, the compressed air tank has a volume that is constant. A constant volume results in particular with compressed air tanks which are made of a solid material such as metal.

Vorteilhaft ist der Druckluftbehälter mit einem Kompressor fluidleitend verbunden, der ausgestaltet ist, die Druckluftbehälter mit Luft oder Inertgas zu befüllen. Folglich ist eine mehrmalige Verwendung möglich. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kompressor mit dem Druckluftbegrenzer verbunden, der den Kompressor abschaltet, wenn eine eingestellte Druckobergrenze erreicht ist. Erreicht der Druck durch die Entnahme von Luft eine Untergrenze, befüllt der Kompressor wieder den Druckluftbehälter.The compressed air tank is advantageously connected in a fluid-conducting manner to a compressor which is designed to fill the compressed air tank with air or inert gas. Consequently, multiple use is possible. In a further advantageous embodiment, the compressor is connected to the compressed air limiter, which switches off the compressor when a set upper pressure limit is reached. If the pressure reaches a lower limit due to the extraction of air, the compressor fills the compressed air tank again.

Die genannten Ausführungen und Vorteile finden ebenso für das beanspruchte Verfahren Anwendung.The statements and advantages mentioned also apply to the claimed method.

Im Folgenden werden anhand den beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stromaggregats näher erläutert. Darin zeigen:

  • 1 ein Stromaggregat zur Einspeisung von Energie in ein Energieversorgungsnetz und
  • 2 eine alternative Ausgestaltung des Stromaggregats gemäß 1.
Exemplary embodiments of the power unit according to the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show in it:
  • 1 a generator for feeding energy into an energy supply network and
  • 2 an alternative embodiment of the generator set according to 1 .

1 zeigt ein Stromaggregat 10 zur Einspeisung von Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz 12. Das Stromaggregat umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 16 und einen Generator 14. Der Generator 14 wird über eine Welle von der Verbrennungskraftmaschine 16 angetrieben. 1 shows a power unit 10 for feeding energy into an electrical power supply network 12. The power unit includes an internal combustion engine 16 and a generator 14. The generator 14 is driven by the internal combustion engine 16 via a shaft.

Die beschriebene Verbrennungskraftmaschine 16 weist sechs Zylinder 18 auf, wobei in 1 nur ein Zylinder 18 dargestellt ist. Der Zylinder 18 umfasst einen Zylinderkopf, welcher einen Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine 16 nach oben abschließt. Die Bezeichnung „oben“ ist hierbei aus Sicht des oszillierenden Kolbens 18b zu verstehen.The internal combustion engine 16 described has six cylinders 18, with 1 only one cylinder 18 is shown. The cylinder 18 includes a cylinder head, which closes off a combustion chamber of the internal combustion engine 16 at the top. The term "top" is to be understood here from the point of view of the oscillating piston 18b.

Durch den Zylinderkopf 18a führt ein Ansaugtrakt 19, der eine Drosselklappe aufweisen kann, und ein Abgastrakt. Der Ansaugtrakt 19 ist zum Verbrennungsraum durch ein Einlassventil begrenzt. Der Abgastrakt ist zum Verbrennungsraum hin durch ein Auslassventil begrenzt.An intake tract 19, which can have a throttle valve, and an exhaust tract lead through the cylinder head 18a. The intake tract 19 is limited to the combustion chamber by an intake valve. The exhaust tract is limited towards the combustion chamber by an exhaust valve.

Der Zylinderkopf 18a weist zusätzlich eine Druckluftdüse 22 mit einem Ventil 24 auf. Die Druckluftdüse 22 ist geeignet, Druckluft in den Verbrennungsraum des Zylinders 18 einzuführen. Das Ventil 24 ist geeignet, den Einlass der Druckluft zu regeln. Die Druckluftdüse 22 ist mit einem Druckluftbehälter 26 verbunden. Der Druckluftbehälter 26 dient dazu, ein Reservoir an Druckluft zur Verfügung zu stellen. Der Druckluftbehälter 26 ist wiederum mit einem Kompressor 28 verbunden. Der Kompressor 28 dient dazu, den Druckluftbehälter 26 mit Luft oder Inertgas derart zu befüllen, sodass der Druckluftbehälter 26 mit einer ausreichenden Menge an Luft mit einem Druck über 1 bar gefüllt ist.The cylinder head 18a also has a compressed air nozzle 22 with a valve 24. The compressed air nozzle 22 is suitable for introducing compressed air into the combustion chamber of the cylinder 18 . The valve 24 is suitable for regulating the inlet of the compressed air. The compressed air nozzle 22 is connected to a compressed air tank 26 . The compressed air tank 26 serves to provide a reservoir of compressed air. The compressed air tank 26 is in turn connected to a compressor 28 . The compressor 28 serves to fill the compressed air tank 26 with air or inert gas in such a way that the compressed air tank 26 is filled with a sufficient amount of air at a pressure of more than 1 bar.

Während eines normalen Betriebs des Stromaggregats 10 wird zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 16 in den Verbrennungsraum des Zylinders 18 über den Ansaugtrakt 19 ein Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Abhängig von der Zugeführten Menge des Brennstoff-Luft-Gemischs, die beispielsweise über eine Drosselklappe geregelt werden kann, wird die erzeugte Leistung P der Verbrennungskraftmaschine 16 bestimmt. Die Leistung P beeinflusst direkt die Drehzahl der Welle, die den Generator 14 zur Erzeugung von Strom antreibt.During normal operation of the generator 10, a fuel-air mixture is fed into the combustion chamber of the cylinder 18 via the intake tract 19 to operate the internal combustion engine 16. The power P generated by the internal combustion engine 16 is determined as a function of the supplied quantity of the fuel-air mixture, which can be regulated, for example, via a throttle valve. The power P directly affects the speed of the shaft that drives the generator 14 to produce electricity.

Der in 1 dargestellte Generator 14 ist ein Synchron-Reluktanzgenerator. Solange der Generator 14 ein mit dem Energieversorgungsnetz 12 synchronisierten Strom in das Energieversorgungsnetz 12 einspeist, liegt eine Last an dem Generator 14 an. Die Last erzeugt ein Widerstandsdrehmoment, das wiederum auf die Welle übertragen wird. Die Verbrennungskraftmaschine 16 muss demnach eine ausreichende Leistung P erzeugen, damit die Welle mit einer bestimmten Drehzahl rotiert.the inside 1 Generator 14 shown is a synchronous reluctance generator. As long as the generator 14 is feeding a current into the power supply network 12 that is synchronized with the power supply network 12 , there is a load on the generator 14 . The load creates a drag torque, which in turn is transferred to the shaft. The internal combustion engine 16 must therefore generate sufficient power P for the shaft to rotate at a specific speed.

Der Generator 14 gilt als mit dem elektrischen Energieversorgungsnetz 12 synchronisiert, wenn eine Spannung UG, eine Phasenlage φG, eine Phasenfolge und ein Frequenz fG des Generators 14 identisch mit einer Spannung UN, einer Phasenlage φN, einer Phasenfolge und einer Frequenz fN des elektrischen Energieversorgungsnetzes 12 sind.The generator 14 is considered to be synchronized with the electrical power supply network 12 if a voltage U G , a phase position φ G , a phase sequence and a frequency f G of the generator 14 are identical to a voltage U N , a phase position φ N , a phase sequence and a frequency f N of the electrical power supply network 12 are.

Sobald ein Netzfehler im Energieversorgungsnetz 12 vorliegt, fällt die Last ab. Folglich fällt auch das Widerstandsmoment ab und die Drehzahl der Welle erhöht sich insofern die Leistung P nicht reduziert wird.As soon as there is a grid fault in the energy supply grid 12, the load drops. Consequently, the resistance torque also falls and the speed of the shaft increases insofar as the power P is not reduced.

Sobald ein Netzfehler erfasst wurde, wird demnach das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung der Leistung P der Verbrennungskraftmaschine 16 angewendet.Accordingly, as soon as a network error has been detected, the method according to the invention for reducing the power P of the internal combustion engine 16 is applied.

Hierzu gibt das Ventil 24 die Druckluftdüse 24 kurz vor und während des Ansaugtakts frei, sodass Luft oder Inertgas in den Verbrennungsraum des Zylinders 18 strömt. Dabei entsteht ein Überdruck in dem Verbrennungsraum des Zylinders 18. Folglich gelangt kein oder nicht ausreichend zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch in den Verbrennungsraum des Zylinders 18 und eine Zündung in den folgenden Takten wird unterbunden. Der Zylinder 18 erzeugt in Folge davon keine nennenswerte Leistung P, die auf die Welle übertragen werden kann und ermöglicht jedoch weiterhin ein rotieren der Welle, insbesondere der Nockenwelle, da der Kolben sich weiterhin auf und ab bewegen kann.For this purpose, the valve 24 releases the compressed air nozzle 24 shortly before and during the intake stroke, so that air or inert gas flows into the combustion chamber of the cylinder 18 . This creates an overpressure in the combustion chamber of the cylinder 18. As a result, no or insufficiently ignitable fuel-air mixture reaches the combustion chamber of the cylinder 18 and ignition in the following strokes is prevented. As a result, the cylinder 18 does not generate any significant power P that can be transmitted to the shaft and still allows the shaft, in particular the camshaft, to rotate because the piston can continue to move up and down.

2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Stromaggregats 10 gemäß 1. Gleiche oder funktionsgleiche Bauteile können die gleichen Bezugszeichen aufweisen. 2 10 shows an alternative embodiment of the generator set 10 according to FIG 1 . Identical or functionally identical components can have the same reference symbols.

Das Stromaggregat 10 gemäß 2 zeigt ein Stromaggregat 10 vergleichbar zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, welche jedoch eine alternative Anordnung der Druckluftdüse 22 aufweist. Die Druckluftdüse 22 ist hierbei an dem Ansaugtrakt 19 angeordnet und ist ausgebildet, in diesem Bereich Luft oder Inertgas kurz vor und während dem Ansaugtakt einzublasen. Durch das Einblasen von Luft oder Inertgas entsteht ausgehend von der Druckluftdüse 22 ein Überdruck in dem Bereich des Ansaugtrakts 19. Der erzeugte Überdruck mittels Luft oder Inertgas unterbindet die Zufuhr eines Brennstoff-Luft-Gemischs in den Zylinder 18. Folglich wird ebenfalls, wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, die Leistung P unmittelbar reduziert.The generator set 10 according to 2 shows a generator 10 comparable to the embodiment according to FIG 1 , which, however, has an alternative arrangement of the compressed air nozzle 22 . The compressed air nozzle 22 is arranged on the intake tract 19 and is designed to blow air or inert gas into this area shortly before and during the intake stroke. By blowing in air or inert gas, starting from the compressed air nozzle 22, an overpressure is created in the area of the intake tract 19. The overpressure generated by means of air or inert gas prevents the supply of a fuel-air mixture into the cylinder 18. Consequently, as in the previously described embodiment, the power P immediately reduced.

Das erfindungsgemäße Stromaggregat 10 zeichnet sich durch die besonders schnelle und effektive Reduzierung der Leistung P der Verbrennungskraftmaschine 16 während eines Netzfehlers aus. Ferner kann die Leistung der Verbrennungskraftmaschine 16 ebenso schnell und effektiv wieder hochgefahren werden. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders schonend für die Verbrennungskraftmaschine 16 und ermöglicht eine besonders lange Nutzungsdauer.The power unit 10 according to the invention is characterized by the particularly rapid and effective reduction of the power P of the internal combustion engine 16 during a network failure out. Furthermore, the power of the internal combustion engine 16 can be ramped up again just as quickly and effectively. In addition, the method according to the invention is particularly easy on the internal combustion engine 16 and enables a particularly long service life.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Stromaggregatgenerator
1212
Energieversorgungsnetzpower grid
1414
Generatorgenerator
1616
Verbrennungskraftmaschineinternal combustion engine
1818
Zylindercylinder
18a18a
Zylinderkopfcylinder head
1919
Ansaugtraktintake tract
2020
MittelMiddle
2222
Druckluftdüsecompressed air nozzle
2424
VentilValve
2626
Druckluftbehältercompressed air tank
2828
Kompressor compressor
λλ
Luftverhältnisair ratio
PP
Leistungperfomance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 1022450 A1 [0008]EP 1022450 A1 [0008]
  • EP 2526279 A1 [0009]EP 2526279 A1 [0009]

Claims (14)

Stromaggregat (10) zur Einspeisung von insbesondere aus einem gasförmigen Brennstoff gewonnener Energie in ein elektrisches Energieversorgungsnetz (12), umfassend: einen Generator (14) zum Erzeugen von elektrischer Energie, die in das Energieversorgungsnetz (12) einspeisbar ist; eine den Generator (14) antreibende Verbrennungskraftmaschine (16), die eine Vielzahl an Zylindern (18) aufweist, denen ein Brennstoff-Luft-Gemisch, das ein vorgegebenes Luftverhältnis (λ) hat, zum Erzielen einer vorgegebenen Leistung (P) der Verbrennungskraftmaschine (16) zugeführt wird, und ein Mittel (20), das ausgebildet ist, das Luftverhältnis (λ) zum abrupten Reduzieren der Leistung (P) der Verbrennungskraftmaschine (16) zeitweilig in wenigstens einem der Zylinder (18) derart zu verändern, dass eine Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder (18) unterbleibt; dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (20) umfasst: wenigstens eine Druckluftdüse (22) zum unmittelbaren oder mittelbaren Zuführen von Luft oder einem Inertgas in den wenigstens einen Zylinder (18) und wenigstens ein Ventil (24) zum Regeln der Menge an einzuführender Luft oder einzuführendem Inertgas.Power unit (10) for feeding energy obtained in particular from a gaseous fuel into an electrical power supply network (12), comprising: a generator (14) for generating electrical energy which can be fed into the power supply network (12); an internal combustion engine (16) driving the generator (14) and having a plurality of cylinders (18) to which a fuel-air mixture having a predetermined air ratio (λ) is used to achieve a predetermined power (P) of the internal combustion engine ( 16) is supplied, and a means (20) which is designed to temporarily change the air ratio (λ) for abruptly reducing the power (P) of the internal combustion engine (16) in at least one of the cylinders (18) in such a way that ignition the fuel-air mixture in the cylinder (18) is omitted; characterized in that the means (20) comprises: at least one compressed air nozzle (22) for supplying air or an inert gas directly or indirectly into the at least one cylinder (18) and at least one valve (24) for regulating the amount of air to be introduced or inert gas to be introduced. Stromaggregat (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftdüse (22) zum unmittelbaren Zuführen von Luft oder Inertgas in den Zylinder (18) an dem Zylinder (18) angeordnet ist.Generator (10) after claim 1 characterized in that the compressed air nozzle (22) for supplying air or inert gas directly into the cylinder (18) is arranged on the cylinder (18). Stromaggregat (10) nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen Ansaugtrakt, der ausgebildet ist, das Brennstoff-Luft-Gemisch dem Zylinder zuzuführen, wobei die Druckluftdüse (22) zum mittelbaren Zuführen von Luft oder Inertgas in den Zylinder (18) an dem Ansaugtrakt angeordnet ist.Generator (10) after claim 1 characterized by an intake tract which is designed to feed the fuel-air mixture to the cylinder, the compressed air nozzle (22) for indirectly feeding air or inert gas into the cylinder (18) being arranged on the intake tract. Stromaggregat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (24) als Magnetventil ausgestaltet ist.Generator (10) according to one of Claims 1 until 3 characterized in that the valve (24) is designed as a solenoid valve. Stromaggregat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass jedem Zylinder (18) jeweils ein Ventil (24) zugeordnet ist.Generator (10) according to one of Claims 1 until 4 characterized in that each cylinder (18) is assigned a respective valve (24). Stromaggregat (10) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (24) einzeln ansteuerbar sind.Generator (10) after claim 5 characterized in that the valves (24) can be controlled individually. Stromaggregat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (20) einen Druckluftbehälter (26) umfasst, der geeignet ist, ein Reservoir an Druckluft zum unvermittelten Einblasen vorzuhalten.Generator (10) according to one of Claims 1 until 6 characterized in that the means (20) comprises a compressed air tank (26) suitable for maintaining a reservoir of compressed air for immediate injection. Stromaggregat (10) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftbehälter (26) mit der Druckluftdüse (22) fluidleitend verbunden ist.Generator (10) after claim 7 characterized in that the compressed air tank (26) is fluidly connected to the compressed air nozzle (22). Stromaggregat (10) nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftbehälter (26) ein Volumen hat, das konstant ist.Generator (10) after claim 7 or 8th characterized in that the compressed air tank (26) has a volume that is constant. Stromaggregat (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftbehälter (26) mit einem Kompressor (28) fluidleitend verbunden ist, der ausgestaltet ist, den Druckluftbehälter (26) mit Luft oder Inertgas zu befüllen.Generator (10) according to one of Claims 7 until 9 characterized in that the compressed air tank (26) is fluidly connected to a compressor (28) which is designed to fill the compressed air tank (26) with air or inert gas. Verfahren zum Betreiben eines Stromaggregats (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Zuführen des Brennstoff-Luft-Gemischs in den Zylinder (18) zum Erzielen einer vorgegebenen Leistung (P) der Verbrennungskraftmaschine (16); b) Antreiben des Generators (14) mittels der Leistung (P) zum Erzeugen von elektrischer Energie, die in das Energieversorgungsnetz (12) eingespeist wird; c) Einblasen von Luft oder einem Inertgas mittels der Druckluftdüse (22) zum Unterbinden der Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs in den wenigstens einen Zylinder (18), so dass die Leistung (P) der Verbrennungskraftmaschine (16) bei einem LVRT-Fall abrupt reduziert wird.Method for operating a generator (10) according to one of Claims 1 until 10 , characterized by the following method steps: a) supplying the fuel-air mixture into the cylinder (18) to achieve a predetermined power (P) of the internal combustion engine (16); b) driving the generator (14) by means of the power (P) to generate electrical energy, which is fed into the power grid (12); c) blowing in air or an inert gas by means of the compressed air nozzle (22) to prevent the ignition of the fuel-air mixture in the at least one cylinder (18), so that the power (P) of the internal combustion engine (16) in an LVRT case is abruptly reduced. Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftbehälter (26) durch den Kompressor (28) mit Luft oder dem Inertgas befüllt wird, bevor das Ventil (24) zum Einblasen der Luft oder des Inertgases öffnet.procedure after claim 11 characterized in that the compressed air tank (26) is filled with air or the inert gas by the compressor (28) before the valve (24) for blowing in the air or the inert gas opens. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass mittels der eingeblasenen Luft oder Inertgas ein Überdruck im Ansaugtrakt (19) und/oder im Zylinder (18) vor der Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs erzeugt wird.procedure after claim 11 or 12 characterized in that by means of the air or inert gas blown in, an overpressure is generated in the intake tract (19) and/or in the cylinder (18) before the fuel-air mixture is supplied. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass alle Zylinder (18) individuell geregelt werden.Procedure according to one of Claims 11 until 13 characterized in that all cylinders (18) are controlled individually.
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