DE10339564A1

DE10339564A1 - Blockheizkraftwerk und Verfahren zum Betrieb desselben

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Publication number: DE10339564A1
Application number: DE10339564A
Authority: DE
Inventors: Martin Raes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Bekannte Blockheizkraftwerke weisen typischerweise eine Kraft-Wärme-Koppelung auf. Die Antriebsleistung einer Brennkraftmaschine wird in elektrische Leistung gewandelt. Die Verlustwärme der Brennkraftmaschine wird zur Wärmeerzeugung genutzt. Die bekannten Blockheizkraftwerke weisen keinen optimalen Wirkungsgrad auf. DOLLAR A Es wird ein Blockheizkraftwerk (2) mit Kraft-Wärme-Koppelung vorgeschlagen, das eine Motor-Generator-Einheit (4) als Stromerzeugungsaggregat aufweist, welche eine Brennkraftmaschine (6) und einen von dieser direkt angetriebenen Generator (8) umfasst. In einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine (6) ist wenigstens ein Wärmetauscher (14) angeordnet, der primärseitig mit einem Wärmespeicher gekoppelt ist und der sekundärseitig Wärmeenergie für Heizzwecke o. dgl. und/oder Warmwasser für ein Gebäude, eine Betriebs- bzw. Wirtschaftseinheit o. dgl. zur Verfügung stellt. Die Brennkraftmaschine (6) weist eine Selbstzündung auf und arbeitet nach dem Zweitakt-Verbrennungsverfahren. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Blockheizkraftwerkes (2) beschrieben. DOLLAR A Derartige Blockheizkraftwerke eignen sich zur Energieversorgung kleinerer Wirtschaftseinheiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Koppelung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb des Blockheizkraftwerks gemäß dem Oberbegriff des Verfahrensanspruchs 59.
Blockheizkraftwerke bzw. Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen erzeugen elektrischen Strom, der in einem eigenen Betrieb oder Haushalt verbraucht und/oder in ein öffentliches Netz eingespeist wird. Zusätzlich wird die Verlustwärme des Antriebs für Heizungszwecke zur Verfügung gestellt. Prinzipiell besitzen Blockheizkraftwerke eine Antriebsmaschine, die einen Generator zur Bereitstellung der benötigten elektrischen Energie antreibt. Üblicherweise ist die Antriebsmaschine mit dem Generator zusammengeflanscht, so dass die Generatorwelle direkt von der Kurbelwelle angetrieben wird.
Als Antriebsmaschine kommt typischerweise eine Brennkraftmaschine in Frage, wegen des hohen Wirkungsgrades meist eine Dieselkraftmaschine.
Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo sowohl ein relativ hoher Bedarf an Elektroenergie, als auch ein relativ gleichbleibender Bedarf an Wärmeenergie besteht. Die beim Prozess an der Antriebsmaschine anfallende Abwärme wird bei Blockheizkraftwerken als Nutzwärme an die angeschlossenen Verbraucher geliefert. In den meisten Fällen sind Blockheizkraftwerke so ausgelegt, dass nicht der gesamte Wärmebedarf zu jedem Zeitpunkt durch die Abwärme der Antriebsmaschine abgedeckt werden kann, was typischerweise durch einen Zwischenspeicher ausgeglichen wird. Als solcher Zwischenspeicher kommt insbesondere ein wassergefüllter Speicher in Frage, der eine Wärmedämmung nach außen aufweist und deshalb nur eine minimale Verlustwärme nach außen abgibt.
In der DE 42 03 491 A1 ist eine Energieversorgungseinheit beschrieben, die zur Erzeugung von Wärme und von elektrischer Energie dient. Die Energieversorgungseinheit umfasst einen Generator zur Stromerzeugung, der von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Wärmeenergie wird aus den Abgasen des Motors und aus dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine mittels Wärmetauscher gewonnen und in einem Wärmespeicher bereitgestellt. Mit Hilfe einer Wärmepumpe, die von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wird Restwärme aus den Motorabgasen zurückgewonnen und für die Aufheizung des Wärmespeichers genutzt. Der Wärmespeicher kann gegebenenfalls auch durch die erzeugte elektrische Energie aufgeheizt werden.
Eine Kraft-Wärme gekoppelte Einrichtung zur Energieversorgung ist weiterhin aus der DE 197 40 398 A1 bekannt. Hierbei ist eine Brennkraftmaschine mit einem Generator und einem Wärmespeicher gekoppelt, dem ein Kaltspeicher zugeordnet ist. Beide Speicher sind durch eine Wärmepumpe miteinander verbunden, wobei der Kaltspeicher als Wärmequelle für die Wärmepumpe dient. Anlagenmodule, die Wärmeenergie mit relativ hohem thermischen Niveau erzeugen, sind an den Wärmespeicher und diejenigen Module, die Wärmeenergie mit einem relativ niedrigen thermischen Niveau liefern, an den Kaltspeicher angeschlossen.
Ein gattungsgemäßes Blockheizkraftwerk ist schließlich aus der DE 198 16 415 A1 bekannt, das einen Verbrennungsmotor und eine von diesem angetriebenen Generator umfasst. Als Heizkessel wird ein Brennwertskessel verwendet, in dem die vom Verbrennungsmotor imitierten Abgase und/oder die vom Brenner emittierten Rauchgase über einen Wärmetauscher bis unter ihren Taupunkt abkühlbar sind.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Blockheizkraftwerk zur Verfügung zu stellen, das eine möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist und zudem einen umweltfreundlichen und kostengünstigen Betrieb ermöglicht.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den davon abhängigen Ansprüchen 2 bis 58.
Ein Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Motor-Generator-Einheit als Stromerzeugungsaggregat auf, die eine Brennkraftmaschine und einen von dieser direkt angetriebenen Generator umfasst. Im Abgaskanal der Brennkraftmaschine ist wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen, der primärseitig mit einem Wärmespeicher gekoppelt ist und der sekundärseitig Wärmeenergie für Heizzwecke oder dgl. und/oder Warmwasser für ein Gebäude, eine Betriebs- bzw. Wirtschaftseinheit oder dgl. zur Verfügung stellt. Erfindungsgemäß arbeitet die Brennkraftmaschine nach dem Zweitaktverbrennungsverfahren und weist eine Selbstzündung auf.
Eine derartige selbstzündende Diesel-Zweitaktmaschine weist einen sehr hohen Wirkungsgrad auf und ist zudem relativ einfach aufgebaut, da gegenüber einer Viertaktmaschine die Anzahl der bewegten Teile deutlich reduziert ist.
Die Brennkraftmaschine weist wenigstens eine Zylindereinheit auf, die einen Brennraum, einen Zylinder und einen darin oszillierenden Hubkolben aufweist. Alternativ können auch mehrere Zylindereinheiten vorgesehen sein, je nachdem welche Dimensionierung das Blockheizkraftwerk aufweisen soll. Da eine typische Diesel-Zylindereinheit ein optimales Hubvolumen von ca. 0,4 dm³ aufweist, ist es sinnvoll, bei höheren erforderlichen Leistungen mehrere Zylindereinheiten vorzusehen, die über eine gemeinsame Kurbelwelle oder über miteinander gekoppelte Einzelkurbelwellen abtriebsseitig gekoppelt sind.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass jede Zylindereinheit eine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelte Ladepumpe aufweist. Diese Ladepumpe weist vorzugsweise einen in einer Zylinderlaufbahn oszillierenden Ladekolben auf, der für eine Verdichtung der angesaugten Verbrennungsluft bei jedem Arbeitstakt und damit für einen höheren Wirkungsgrad der Verbrennung im Brennraum der Zylindereinheit sorgt.
Der Ladekolben der Ladepumpe ist vorzugsweise über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle gekoppelt und verdichtet auf diese Weise jeweils in des Kurbelgehäuse. Die Kopplung des Ladekolbens der Ladepumpe mit der Kurbelwelle erfolgt in vorteilhafter Weise mittels eines Gabelpleuels und Excenter-Lagerung auf der Kurbelwelle. Diese Excenter-Lagerung des Gabelpleuels ist vorzugsweise jeweils in Kurbelwangen der Kurbelwelle zu beiden Seiten eines Hubzapfens mit darauf gelagerter Pleuelstange des Hubkolbens angeordnet.
Ein optimaler Massenausgleich des oszillierenden Hubkolbens kann durch eine gegenläufige Oszillation des Ladekolbens der Ladepumpe erreicht werden. Hierzu kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn die Massen von Hubkolben und Ladekolben, sowie der entsprechenden Pleuel aufeinander abgestimmt und weitgehend angeglichen sind.
Die Kurbelwelle jeder Zylindereinheit ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wälzgelagert, wobei jeweils zwei äußere Wälzlager außerhalb von Kurbelwangen jeder Zylindereinheit vorgesehen sind. Weiterhin können die Pleuelstangen des Hubkolbens der Zylindereinheit und des Ladekolbens der Ladepumpe jeweils wälzgelagert sein. Eine besonders hohe Lebensdauer kann dadurch erreicht werden, dass die Wälzlager jeweils Wälzköper und/oder Wälzkäfige aus Keramik aufweisen. Solche Keramiklagerteile weisen zudem besonders günstige Notlaufeigenschaften bei einem Abriss oder Ausfall der Schmierung auf. Insgesamt sind Wälzlager relativ robust und weisen im Allgemeinen günstige Notlaufeigenschaften auf.
Alternativ können auch andere Lagerbauformen vorgesehen sein, bspw. ölgeschmierte Gleitlager, Magnet- oder Luftlager.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht eine direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum jeder Zylindereinheit vor. Ein besonders hoher Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffzumessung in dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die dem wenigstens einen Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge variabel ist und von einer Mehrzahl von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängig gemacht sein kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht einen variablen Einspritzzeitpunkt sowie eine variable Einspritzdauer des dem wenigstens einem Brennraum zugeführten Kraftstoffs vor. Insbesondere kann durch eine variable Anpassung der Einspritzparameter eine Anpassung an unterschiedliche Brennstoffe mit unterschiedlichen Zündeigenschaften, unterschiedlichen Brennwerten und variablen Energiedichten erreicht werden.
Als Kraftstoffeinspritzventile kommen druckgesteuerte oder elektro-aktuatorisch vorgesteuerte Kraftstoffeinspritzventile in Frage. Als Vorsteuerungen für solche Ventile eignen sich bspw. Elektromagnete oder Piezo-Aktuatoren. Hierdurch ist eine präzise und zuverlässige Kraftstoffzumessung auch bei variablen äußeren Bedingungen möglich.
Zur Kraftstoffversorgung des wenigstens einen Kraftstoffeinspritzventils kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Kraftstoffhochdruckspeicher vorgesehen sein, der einen Kraftstoffdruck von bis zu 2000 bar oder mehr aufweisen kann. Ein solcher Druckspeicher ermöglicht eine Mehrfacheinspritzung mit besonders kurzen Einspritzimpulsen und damit eine besonders exakte Einspritzung.
Am Kraftstoffhochdruckspeicher ist vorzugsweise ein Überdruckventil vorgesehen, dessen Kraftstoffüberlauf insbesondere zur Schmierung der Kurbelwellenlager verwendet werden kann. Auf diese Weise werden die Kurbelwellenlager mit besonders dünnflüssigem Schmierstoff versorgt, da der Kraftstoff im Kraftstoffhochdruckspeicher auf Grund des hohen Drucks ein Temperaturniveau von über 100 °C aufweist. Bei diesen Temperaturen ist zur Selbstzündung geeigneter Kraftstoff (bspw. Dieselkraftstoff oder Pflanzenöl) besonders dünnflüssig und eignet sich damit hervorragend zur Lagerschmierung.
Zur Druckölversorgung kann gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine mittels auf der Kurbelwelle befindlicher Nocke angetriebene Stempelpumpe vorgesehen sein. Eine derartige Stempelpumpe ist kostengünstig und einfach aufgebaut und dadurch auch relativ robust. Vorzugsweise weist die Pumpe wenigstens zwei Rückschlagventile zu beiden Seiten eines Hubvolumens auf, die für eine definierte Förderung sorgen.
Der Gaswechsel der Brennkraftmaschine kann schlitzgesteuert, ventilgesteuert, drehschiebergesteuert oder membrangesteuert sein. Wird in erster Linie Pflanzenölkraftstoff in der Brennkraftmaschine verbrannt, eignet sich insbesondere eine Konstruktion mit schlitzgesteuertem Gaswechsel, da hierbei Ablagerungen im Brennraum zu keinen Problemen führen können.
Eine weitere Wirkungsgraderhöhung kann durch eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht werden, die vorsieht, dass der Hubkolben über ein Gelenkgetriebe mit einer zusätzlichen Stützlagerung im Gehäuse der Brennkraftmaschine mit der Kurbelwelle gekoppelt ist.
Eine Ausgestaltung dieses Gelenkgetriebes sieht vor, dass der Hubkolben über einen oberen Pleuelabschnitt und einen durch ein gemeinsames Gelenk mit diesem verbundenen unteren Pleuelabschnitt mit dem Hubzapfen der Kurbelwelle verbunden ist, und dass beide Pleuelabschnitte durch einen angelenkten gemeinsamen Schwenkhebel an einer gehäusefest einstellbaren Achse abgestützt sind, wobei der obere Pleuelabschnitt an einem dem Kolben abgewandten Ende eine über das gemeinsame Gelenk hinausgeführte axiale Verlängerung aufweist und dass der Schwenkhebel mit einem den Pleuelabschnitten zugewandten Ende an der Verlängerung gelenkig angreift. Ein solches Gelenkgetriebe ist bspw. in der europäischen Patentschrift Nr. O 292 603 B1 beschrieben.
Diese Gelenkhebelabstützung des Hubkolbens führt zu einer längeren Verweildauer des Kolbens nahe des oberen Totpunkts und einem relativ flachen Verlauf der Kolbenbewegung nach unten nach dem oberen Totpunkt. Die Aufwärtsbewegung des Kolbens von einem unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunkts verläuft dafür in einer steileren Kurve.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Stützachse für den Schwenkhebel exzentrisch einstellbar ausgebildet ist. Die Stützachse kann zur Längsmittelachse des Zylinders radial einstellbar sein. Sie kann auch quer zur Längsmittelachse des Zylinders axial einstellbar sein. Vorzugsweise ist der obere Pleuelabschnitt gabelförmig ausgebildet und trägt eine Lagerscheibe verdrehungsfrei fest. Die Stützachse kann im Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses der Brennkraftmaschine angeordnet sein. Die Einstellbarkeit der Stützachse erhöht allerdings den Bauaufwand, so dass zweckmäßigerweise eine motorspezifische Einstellung mit optimalem Wirkungsgrad ermittelt wird und anschließend ein fester Anlenkpunkt für die Stützachse gewählt wird.
Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades des Blockheizkraftwerks kann durch einen turbinengetriebenen Zusatzgenerator im Abgaskanal erreicht werden. Wird die Turbine zum Antrieb dieses Zusatzgenerators in einem Bereich hinter dem bzw. den Abgaswärmetauschern angeordnet, kann die Turbine gegebenenfalls mit Kunststoffschaufeln ausgestattet sein, da an dieser Stelle das Abgas eine Temperatur von deutlich unter 100 Grad aufweisen kann.
Weiterhin kann im Abgaskanal ein Dampfwärmetauscher zur Dampferzeugung vorgesehen sein, der vorzugsweise vor einem ersten Abgaswärmetauscher angeordnet ist. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen mit Druckdampf aus dem Dampfwärmetauscher betriebenen Dampfmotor mit direkt gekoppeltem zweiten Zusatzgenerator vor, der eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades gestattet.
Der dem Brennraum zugeführte Kraftstoff kann wahlweise eine Vorwärmung aufweisen, was insbesondere bei der Verwendung von Pflanzenöl als Kraftstoffen notwendig sein kann, da diese Pflanzenöle eine sehr hohe Zündtemperatur von teilweise über 200 °C aufweisen. Eine solche Vorwärmung kann ggf. allein schon durch die Verdichtung im erwähnten Kraftstoffhochdruckspeicher erreicht werden.
Die gesamte Auslegung der Brennkraftmaschine des Blockheizkraftwerks sieht eine Eignung für pflanzenbasierte und/oder für mineralölbasierte Kraftstoffe vor. Vorzugs weise ist die Brennkraftmaschine zum Betrieb mit kaltgepressten pflanzlichen Ölen geeignet. Auch eine Verwendung von verflüssigten pflanzlichen Fetten als Kraftstoff ist möglich und sinnvoll. Die Brennkraftmaschine stellt somit einen sog. Vielstoffmotor dar.
Auf diese Weise ist ein umweltfreundlicher Betrieb des Blockheizkraftwerks mit dezentraler Kraftstoffversorgung möglich. Somit eignet sich das Blockheizkraftwerk insbesondere für einen Inselbetrieb ohne Verbindung zu einem öffentlichen Stromnetz, bspw. in abgelegenen Gegenden.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht einen ersten Abgaswärmetauscher im Abgaskanal zur Erwärmung der im Wärmespeicher befindlichen Flüssigkeit vor. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht weiterhin einen dem ersten Abgaswärmetauschern nachgeschalteten zweiten Abgaswärmetauscher zur weiteren Erwärmung der im Wärmespeicher befindlichen Flüssigkeit vor.
Beide Wärmetauscher führen insgesamt zu einer Reduzierung der Abgastemperatur auf Werte von deutlich unter 100 °C, woraus ein deutlich erhöhter Gesamtwirkungsgrad des Blockheizkraftwerks resultiert.
Eine weitere Ausgestaltung sieht einen mit dem Wärmespeicher gekoppelten Kühlkreislauf der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, sowie einen mit dem Wärmespeicher gekoppelten Kühlkreislauf des flüssigkeitsgekühlten Generators vor. Damit kann ein hoher Anteil der Verlustwärme der Motor-Generator-Einheit ausgenutzt werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung ist gekennzeichnet durch eine Förderpumpe zur Versorgung der Kühlkreiskäufe der Brennkraftmaschine und/oder des Generators mit erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmespeicher in einer Startphase. Ein Start der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise nach Erreichen einer Mindesttemperatur im Wärmespeicher und/oder nach Überschreiten einer vorgegebenen Vorwärmzeit ausgelöst.
Die Motor-Generator-Einheit sowie die Abgaswärmetauscher sind vorzugsweise in eine Wärme dämmende und/oder Schall dämpfende Kapselung eingehüllt und geben dadurch nur eine sehr geringe Verlustwärme nach außen ab. Der Generator ist vorzugsweise auch als Starter betreibbar, was durch die direkte Kopplung der Kurbelwelle mit der Generatorwelle erleichtert wird.
Ein dem Generator nachgeschalteter Gleichrichter zum Laden eines Puffer-Akkumulators kann beim Starten durch einen zwischen Puffer-Akkumulator und als Starter betriebenen Generator geschalteten Wechselrichter ersetzt sein. Ein Zwischenkreis zwischen Motor-Generator und Akkumulator sorgt jeweils für eine geeignete Wandlung in die gewünschte Richtung.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum möglichst effizienten Betrieb eines Blockheizkraftwerks gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen anzugeben.
Dieses weitere Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des Verfahrensanspruchs 59 erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den davon abhängigen Ansprüchen 60 bis 66.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Blockheizkraftwerks gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

– Spülen des Flüssigkeitsmantels der Brennkraftmaschine und/oder des Flüssigkeitsmantels des Generators mit erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmespeicher durch Starten der Kühlmittelförderpumpe vor dem Start der Brennkraftmaschine,
– Starten der Brennkraftmaschine nach Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur der Kühlflüssigkeit und/oder nach Überschreiten einer vorgegebenen Vorlaufzeit,
– Betrieb der Brennkraftmaschine bis zum Erreichen einer vorgegebenen Höchsttemperatur im Wärmespeicher,
– Abstellen der Brennkraftmaschine unter Weiterbetrieb der Kühlmittelförderpumpe bis zum Erreichen einer Kühlflüssigkeitstemperatur in der Brennkraftmaschine, die einer oberen Speichertemperatur entspricht.

Bei einem Inselbetrieb des Blockheizkraftwerks sollte ein ausreichend dimensionierter Speicherakkumulator zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen sein.
Bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestspannung des Speicherakkumulators und/oder bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindesttemperatur im Wärmespeicher wird die Brennkraftmaschine vorzugsweise gestartet.
Ein Abstellen des Motors erfolgt bei einer vorgegebenen Maximalspannung im Speicherakkumulator und/oder bei Erreichen einer vorgegebenen Soll-Temperatur im Wärmespeicher.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht einen Notstrombetrieb des Blockheizkraftwerks vor, bei dem die Brennkraftmaschine beim Auftreten eines Netzausfalles und bei Anforderung der Akkumulatoren gestartet wird. Die Brennkraftmaschine wird vorzugsweise nur dann abgestellt, wenn im Speicherakkumulator eine vorgegebene Maximalspannung erreicht ist. Alternativ kann auch die Brennkraftmaschine während eines Netzausfalls im Dauerbetrieb laufen. Hierbei ist für eine ausreichende Wärmeabnahme des Blockheizkraftwerkes zu sorgen, damit nicht bspw. die Brennkraftmaschine überhitzt.
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Dabei zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerks mit Kraft-Wärme-Koppelung,
2 ein Prinzipbild des Blockheizkraftwerks in detaillierterer Darstellung,
3 einen ersten Abgaswärmetauscher in schematischer Darstellung,
4 und 5 jeweils Schnittdarstellungen des ersten Wärmetauschers gemäß 3,
6 und 7 zwei Ansichten eines zweiten Wärmetauschers,
8 eine Schnittdarstellung des zweiten Wärmetauschers gemäß 6,
9 eine weitere Ansicht des zweiten Wärmetauschers,
10 eine weitere Schnittdarstellung des zweiten Wärmetauschers,
11 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Ladepumpe,
12 eine perspektivische Schemadarstellung der mit Ladepumpe und Hubkolben verbundenen Kurbelwelle der Brennkraftmaschine,
13 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Gelenkgetriebes zwischen Hubkolben und Kurbelwelle,
14 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine und
15 ein Prinzipschaltbild einer Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerks 2 mit einer Motor-Generator-Einheit 4, die eine Brennkraftmaschine 6 und einen abtriebsseitig mit der Brennkraftmaschine 6 gekoppelten Generator 8 zur Erzeugung von Wechselspannung mit einer oder mehreren Phasen umfasst. Der Generator 8 liefert seine Wechselspannung an einen Zwischenkreis 10, der wiederum mit einem Pufferakkumulator 12 sowie einem öffentlichen Stromnetz 20 verbunden ist. Dieser Zwischenkreis umfasst einen Wechselrichter, der die vom Generator 8 bzw. vom Zwischenkreis gelieferten Spannungen bzw. Ströme und Frequenzen in netzkonforme Größen zur Einspeisung umwandelt. Ist kein öffentliches Netz vorhanden bzw. soll hiermit keine Verbindung hergestellt werden, kann die Netzfrequenz über einen quartzgesteuerten Oszillator nachgebildet und über eine geeignete elektronische Schaltung eine netzähnliche Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt werden. Die Ausgangsströme richten sich nach den angeschlossenen Verbrauchern und dürfen die maximale Leistung der Leistungselektronik nicht überschreiten. Diese Konstellation entspricht einem sog. Netzersatz- bzw. einem sog. Inselbetrieb.
In einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine 6 ist ein Abgaswärmetauscher 14 zur Wärmegewinnung vorgesehen. Wie anhand der folgenden Figuren verdeutlicht ist, wird der Abgaswärmetauscher 14 vorzugsweise aus mehreren Wärmetauschern gebildet, die in Serie hintereinander geschaltet sind.
Die Brennkraftmaschine 6 wird mit flüssigem Kraftstoff aus einem Tank 16 versorgt, der von einer Kraftstoffpumpe 18 gefördert wird.
2 zeigt das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk 2 in detaillierterer Darstellung. Als Brennkraftmaschine 6 kommt vorzugsweise eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einer oder mehreren Zylindereinheiten in Frage, die gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Zwei-Takt-Brennkraftmaschine mit Selbstzündung (Dieselmotor) ist. Ein solcher Zwei-Takt-Diesel-Motor ist sehr einfach aufgebaut und weist eine hohe Leistungsdichte auf.
Die Brennkraftmaschine 6 ist abtriebsseitig mit dem Generator 8 gekoppelt, der vorzugsweise ein Startergenerator ist. Dieser liefert im Betrieb der Brennkraftmaschine elektrischen Strom und arbeitet zum Starten der Brennkraftmaschine als elektrische Maschine, die über eine geeignete Leistungselektronik vom Akku 12 gespeist wird. Der Zwischenkreis 10 arbeitet als Gleichrichter zum Laden des Akkumulators 12 bzw. als Spannungsumsetzer zur Speisung eines öffentlichen Stromnetzes 20. Im Betrieb des Startergenerators 8 als elektrische Maschine zum Starten der Brennkraftmaschine arbeitet der Zwischenkreis 10 als Wechselrichter zur Erzeugung von Wechselstrom aus der Gleichspannung des Akkumulators 12.
Im Abgaskanal 62 der Brennkraftmaschine 6 ist ein erster Wärmetauscher 141 sowie ein dem ersten Wärmetauscher 141 nachgeschalteter zweiter Wärmetauscher 142 angeordnet. Dem zweiten Wärmetauscher 142 ist eine optionale Abgasturbine 22 nachgeschaltet, die ggf. auch entfallen kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liefert die Abgasturbine 22 eine Antriebskraft zum Betrieb eines Zusatzgenerators 24, der eine Wechselspannung liefert und vorzugsweise ebenfalls mit dem Zwischenkreis 10 gekoppelt ist. Die Abgasturbine mit dem damit gekoppelten Zusatzgenerator 24 dient zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Blockheizkraftwerks 2.
Gegebenenfalls kann der Abgasturbine ein Schalldämpfer 26 nachgeschaltet sein. Das Abgas 28 nach dem Schalldämpfer 26 wird vorzugsweise ins Freie geleitet. Die Schallemissionen aus dem Auspuff sind nach Durchlaufen der beiden Wärmetauscher 141, 142 sowie der Turbine 22 und ggf. des Schalldämpfers 26 sehr gering und gleichmäßig. Eine störende Pulsation der austretenden Schallwellen ist nahezu eliminiert.
Im Abgaskanal 62 der Brennkraftmaschine 6 kann weiterhin eine Abgasreinigungsanlage vorgesehen sein, bspw. in Form eines Katalysators und/oder eines Partikelfilters o. dgl. Diese optionale Abgasreinigungsanlage befindet sich vorzugsweise an der Stelle des Abgastraktes mit den höchsten Temperaturen, also vor den Abgaswärmetauschern 14 bzw. 141, 142.
Vorzugsweise ist das Blockheizkraftwerk 2 mit einer Wärme dämmenden und/oder einer Schall dämpfenden Kapselung versehen, so dass nahezu die gesamte Abwärme der Aggregate für Heizzwecke genutzt werden kann. Die Schalldämmung ermöglicht einen Betrieb innerhalb eines Hauses, bspw. in einem Kellerraum.
Die Kraft-Wärme-Kopplung des erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerks 2 wird durch zusätzliche Nutzung der Motorabwärme erreicht. Ein größerer Teil der Abwärme besteht in den heißen Abgasen, die die Brennkraftmaschine mit einer Temperatur von ungefähr 300 bis 800 °C verlassen und die nach Durchlaufen der beiden Wärmetauscher auf Temperaturen zwischen 50 und 80 °C abgekühlt sind. Ein weiterer Anteil der Verlustwärme des Motors und Generators wird mittels Motor-Kühlmantel 61 und Generator-Kühlmantel 81 zur weiteren Wärmegewinnung genutzt.
Eine Umwälzpumpe 34 ist über einen Kühlmittel-Zulauf 341 mit dem Generator-Kühlmantel 81 verbunden und sorgt für eine Umwälzung des Kühlwassers zwischen Generator 8, Brennkraftmaschine 6, zweitem Wärmetauscher 142, erstem Wärmetauscher 141 und Wärmespeicher 30. Das Kühlwasser strömt von Generator-Kühlmantel 81 über eine Verbindungsleitung 342 zum Motorkühlmantel 61, von dort über eine Verbindungsleitung 343 zum zweiten Wärmetauscher 142 und über eine weitere Verbindungsleitung 344 zum ersten Wärmetauscher 141. Von dort führt eine weitere Verbindungsleitung 345 zu einem Zulauf 305 des Wärmespeichers 30.
Der Wärmespeicher 30 ist als Flüssigkeitsspeicher in Gestalt eines Wasserspeichers ausgebildet und ist vorzugsweise zusätzlich gegen Wärmeverluste nach außen isoliert. Im Wärmespeicher 30 kann erwärmtes Kühlmedium über eine längere Zeit auf gleichbleibender Temperatur gehalten werden. Ein Ablauf 306 befindet sich in einem unteren Bereich des Wärmespeichers 30 und führt über eine Verbindungsleitung zum Pumpenzulauf 346, der wieder in der Umwälzpumpe mündet und von dort wiederum im Kreis gepumpt wird. Der Zulauf 305 zum Wärmespeicher 30 befindet sich in einem oberen Bereich, so dass eine Schichtung des Wassers im Wärmespeicher 30 mit von oben nach unten abnehmender Temperatur erreicht werden kann.
Im Wärmespeicher 30 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel wenigstens ein Brauchwasser-Wärmetauscher 303 sowie ein Heizungs-Wärmetauscher 304 angeordnet, über die dem Wärmespeicher 30 zugeführtes kaltes Wasser erwärmt werden kann. Alternativ kann der Wärmetauscher für die Bereitstellung von Warmwasser auch außerhalb des Wärmespeichers 30 angeordnet sein. Diese sog. Frischwasserstation kann über eine Verbindungsleitung mit dem Wärmespeicher 30 verbunden sein. Zusätzlich kann im Wärmespeicher 30 ein sogenanntes Heizschwert vorgesehen sein, das für eine Erwär mung des Kühlmediums bei Ausfall der Brennkraftmaschine 6 oder bei einem erhöhten Wärmebedarf durch große Mengen entnommenen Brauchwassers sorgen kann. Weiterhin kann in einem unteren Bereich des Wärmespeichers 30 ein zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen sein, über den eine von einer Kollektoranlage gelieferte Wärmemenge zusätzlich in den Wärmespeicher eingebracht werden kann. Grundsätzlich ist die Wärmeabnahme aus dem Speicher 30 sowohl für eine Warmwasserbereitung als auch für eine Heizung gedacht, wobei eine genaue Bestimmung bzw. Verteilung dem Kunden überlassen ist.
Im Blockheizkraftwerk 2 sind vorzugsweise drei Temperatursensoren vorgesehen. Ein erster Temperatursensor 63 erfasst die Temperatur im Motorkühlmantel 61. Ein zweiter Temperatursensor 301 erfasst die Temperatur in einem oberen Bereich des Wärmespeichers 30. Ein dritter Temperatursensor 302 erfasst die Temperatur in einem unteren Bereich des Wärmespeichers 30. Die Temperatursensoren 63, 301, 302 liefern ihre Werte an eine Steuereinheit 32, die für eine Drehzahlregelung der Umwälzpumpe 34 sowie für eine Steuerung des Startens und Abstellens des Blockheizkraftwerks 2 sorgen kann. Ggf. können die Sensoren 301 und 302 entfallen und von einer externen Steuereinheit ersetzt werden. In diesem Fall wird die Brennkraftmaschine über einen Freigabekontakt gesteuert.
Zur Überwachung einer Abgastemperatur kann ein weiterer Temperatursensor im Abgaskanal angeordnet sein, der bspw. einen Brennwertbetrieb ermöglichen kann. In diesem Fall darf die Abgastemperatur am Auslass nicht höher als bei ca. 60 bis 70 °C liegen, so dass auch Abgasleitungen aus Kunststoff verwendet werden können.
Beim Starten der Brennkraftmaschine 6 wird vorzugsweise die Umwälzpumpe 34 eingeschaltet, bevor die Brennkraftmaschine 6 gestartet wird. Erst wenn der erste Temperatursensor 63 eine vorgegebene Temperatur des im Motorkühlmantel 61 befindlichen Kühlwassers meldet, wird die Brennkraftmaschine 6 über den Startergenerator 8 gestartet. Auf diese Weise kann ein Kaltstart der Brennkraftmaschine 6 vermieden werden, da zumindest das Kühlwasser auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Die Brennkraftmaschine 6 erreicht dadurch wesentlich schneller ihre Betriebstemperatur. Wird die vorgegebene Temperatur nicht erreicht, erfolgt vorzugsweise ein Start nach Ablauf einer voreingestellten Zeit, die beispielsweise 5 Minuten betragen kann. Eine solche vorgegebene Temperatur kann bspw. bei ca. 60 bis 70 °C liegen. Nach dem Abstellen des Blockheizkraftwerks 2 durch Stopp der Brennkraftmaschine 6 läuft vorzugsweise die Umwälzpumpe 34 weiter, bis die Temperatur im unteren Bereich des Wärmespeichers 30 einen bestimmten Wert unterschreitet.
Weiterhin kann im Abgastrakt der Brennkraftmaschine 6 ein Dampfgenerator vorgesehen sein, der Dampf zum Betrieb eines Dampfmotors liefert. Dieser kann ggf. einen weiteren Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung antreiben.
Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Ansichten und Schnittdarstellungen des ersten Wärmetauschers 141, der zur Erwärmung des Kühlmediums mittels der von der Brennkraftmaschine gelieferten Abgastemperaturen dient. Der erste Wärmetauscher 141 ist als zylindrischer Behälter ausgeführt, der eine obere Kammer 1415 sowie untere Kammer 1416 und dazwischen angeordnete Rohrbündel aufweist. In der oberen Kammer 1415 ist ein Abgaseinlass 1411, in der unteren Kammer 1416 ist ein Abgasauslass 1412 vorgesehen. Die obere Kammer 1415 ist mit der unteren Kammer 1416 über eine Vielzahl von Abgasrohren 1418 verbunden und gegen einen Wassertank 1419 um die Abgasrohre 1418 abgedichtet. An der tiefsten Stelle der unteren Kammer 1416 ist ein zentraler Kondensatablass 143 erkennbar, der normalerweise geschlossen ist und nur bei Bedarf geöffnet werden kann.
4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der 3 und verdeutlicht den Aufbau des ersten Wärmetauschers 141. Der Wassertank 1419 wird gespeist von einem Wasserzulauf 1413 in einem unteren Bereich und von einem Wasserablauf 1414 in einem oberen Bereich der zylindrischen Mantelfläche des ersten Wärmetauschers 141.
5 verdeutlicht einen Querschnitt entlang der Linie V-V der 3 und zeigt die Anordnung der Abgasrohre 1418, die isoliert voneinander stehen und von Kühlmedium (vorzugsweise Wasser) umspült werden.
Die 6 bis 10 zeigen verschiedene Ansichten und Schnitte des zweiten Wärmetauschers 142, der dem ersten Wärmetauscher 141 abgasseitig nachgeschaltet ist. Ein Abgaseinlass 1422 ist vorzugsweise auf kurze Distanz mit dem Abgasauslass 1412 des ersten Wärmetauschers 141 verbunden. Ein Abgasauslass 1421 des zweiten Wärmetauschers 142 kann entweder mit einer Abgasturbine (vgl. 2), einem Schalldämpfer oder einem Auspuffauslass verbunden sein. Wie die Schnittdarstellung der 8 (Schnittlinie VIII-VIII der 6) verdeutlicht, ist innerhalb eines Behälters 1427 eine Kühlschlange in Gestalt von Rohrabschnitten 1425 angeordnet, die jeweils an ihren Enden mit Rohrkrümmern 1426 versehen sind. Auf diese Weise wird zwischen Abgaseinlass 1422 und Abgasauslass 1421 eine Schlange bzw. mehrere parallele Schlangen mit einer Rohrlänge von mehreren Metern gebildet. Ein Wasserzulauf 1423 ist in einem unteren Bereich des Behälters 1427 angeordnet. Ein Wasserablauf 1424 ist in einem oberen Bereich des Behälters 1427 angeordnet.
Der Wasserzulauf 1423 ist vorzugsweise über kurze Distanz mit dem Wasserablauf der Brennkraftmaschine 6 verbunden (Verbindungsleitung 343, vgl. 2). Der Wasserablauf 1424 des zweiten Wärmetauschers 142 ist vorzugsweise über kurze Distanz mit dem Wasserzulauf 1413 des ersten Wärmetauschers 141 verbunden (Verbindungsleitung 344, vgl. 2). Dessen Wasserablauf 1414 führt vorzugsweise auf direktem Weg zum Zulauf 305 des Wärmespeichers 30 (Verbindungsleitung 345, vgl. 2).
Die Schnittdarstellung der 10 (Schnittlinie X-X der 6) verdeutlicht nochmals die Anordnung der Rohrabschnitte und Rohrkrümmer zu einer Rohrschlange oder mehreren parallel geschalteten Rohrschlangen.
11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Einzylinder-Diesel-Brennkraftmaschine, die eine direkt mit der Kurbelwelle 68 gekoppelte Ladepumpe 69 aufweist. 12 zeigt diesen Zusammenhang in einer schematischen Perspektivdarstellung. Die Ladepumpe 69 weist einen Ladekolben 691 auf, der über einen Gabelpleuel 692 und eine Excenterlagerung 686 auf der Kurbelwelle 68 gelagert ist. Wie anhand der 11 und 12 deutlich wird, weist der Ladekolben 691 einen Versatz zum Hubkolben 64 von 180° auf und sorgt auf diese Weise bei geeigneter Dimensionierung der bewegten Bauteile für einen idealen Massenausgleich einer Einzylinder-Brennkraftmaschine.
Die Zweitakt-Brennkraftmaschine 6 kann beispielsweise schlitzgesteuert sein, wie anhand der in einer Zylinderwand angeordneten Ein- und Auslasskanäle (Frischgaseinlass 671 und Abgasauslass 672) verdeutlicht wird. Eine solche Schlitzsteuerung ermöglicht einen einfachen Aufbau und ist gegenüber einer Ventil-, einer Membran- oder Drehschiebersteuerung der Frischgaszufuhr weniger empfindlich gegenüber Ablagerungen und Verkrustungen, die aus der Verwendung pflanzlicher Öle als Kraftstoff resultieren können. Im Zylinderkopf 674 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 673 angeordnet, das eine direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum bewirkt.
13 verdeutlicht in einer schematischen Darstellung eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist der Hubkolben 64 über ein Stützgetriebe mit der Kurbelwelle 68 verbunden. Anstatt einer starren Pleuelstange 66 ist eine gelenkig geteilte Pleuelstange mit einem oberen Pleuelabschnitt 71 und einem unteren Pleuelabschnitt 72 vorgesehen, der über ein Pleuellager 683 mit einem Hubzapfen 688 der Kur belwelle verbunden ist. Ein Schwenkhebel 73 stützt sich mit einer Seite an einer gehäusefesten Achse 74 ab und ist mit einem anderen Ende in einer Excenterlagerung 75 zwischen oberem und unterem Pleuelabschnitt 71, 72 gelagert. Dieses auch als sog. Knickpleuelantrieb bekannte Gelenkgetriebe ist beispielsweise in EP 0 292 603 B1 , in DE 92 05 247 U1 , in DE 100 03 467 A1 oder in DE 200 13 771 U1 beschrieben und dient zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine. Diese Wirkungsgradsteigerung wird dadurch erreicht, dass durch die gelenkige Lagerung und Abstützung des Hubkolbens eine längere Verweildauer des Hubkolbens nahe des oberen Totpunktes erreicht wird. Der Hubkolben bleibt länger im oberen Totpunkt und beschreibt eine flachere Bewegungskurve nach unten, bevor er den unteren Totpunkt erreicht. Auf diese Weise wird eine sauberere und vollständiger Verbrennung im Brennraum erreicht. Auch wird dadurch die Verwendung von pflanzlichen Ölen als Kraftstoff begünstigt.
14 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Kraftstoffversorgung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 6 des Blockheizkraftwerks 2. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine 6 mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung versorgt, bei dem das Kraftstoffeinspritzventil 673 über hochverdichteten Kraftstoff aus einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 36 versorgt wird. Der Kraftstoff-Hochdruckspeicher 36 wird von der als Hochdruckpumpe ausgebildeten Kraftstoffpumpe 18 mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 16 versorgt. Das Kraftstoffeinspritzventil 673 weist vorzugsweise einen elektrisch angesteuerten Aktor auf, beispielsweise ein elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigtes Vorsteuerventil. Auf diese Weise ist eine sehr exakte Kraftstoffzumessung mit mehreren Einspritzimpulsen und einem definierten Druckanstieg sowie einer definierten Einspritzdauer erreichbar.
Ein Drucksensor 361 am Kraftstoffhochdruckspeicher 36 ist optional und kann seine Daten zur Steuereinheit 32 liefern, die auch für die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 673 zuständig ist. Weiterhin ist ein Überdruckventil 362 am Kraftstoffhochdruckspeicher 36 vorgesehen, das bei Überschreiten eines maximal zulässigen Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher 36 für eine definierte Abströmung des Kraftstoffs sorgt und vorzugsweise mit einer Druckschmierung 38 zur zuverlässigen Schmierung der Kurbelwellenlager verbunden ist. Der im Kraftstoffhochdruckspeicher 36 befindliche Kraftstoff ist durch die extreme Verdichtung auf einen Druck von mindestens 300 bar oder mehr auf eine Temperatur von deutlich über 80 °C aufgeheizt und ist bei diesen Temperaturen besonders dünnflüssig. Daher eignet er sich hervorragend zur Schmierung der Kurbelwellenlager oder anderer bewegter Teile der Brennkraftmaschine.
15 zeigt ein schematisches Schaltbild der Kraftstoffpumpe 18, die im Wesentlichen aus zwei Rückschlagventilen 182, 183 sowie einem Druckzylinder 181 besteht. Eine Kolbenstange des Druckzylinders 181 wird von einem Nocken 689 auf der Kurbelwelle 68 angetrieben und fördert jeweils ein Kraftstoffvolumen, das sich zwischen erstem Rückschlagventil 182 und zweitem Rückschlagventil 183 befindet, mit hohem Druck in den Kraftstoffhochdruckspeicher 36. Vorzugsweise ist zwischen Tank 16 und erstem Rückschlagventil 182 eine Vorförderpumpe vorgesehen, die für eine Füllung des Volumens zwischen erstem und zweitem Rückschlagventil 183, 183 sorgt. Diese Vorförderpumpe kann bei kurzer Entfernung zum Tank ggf. entfallen. Das Überdruckventil 362 am Kraftstoffhochdruckspeicher 36 ist mit der Druckschmierung 38 verbunden und sorgt für eine Schmierung von bewegten Teilen der Brennkraftmaschine, vorzugsweise der Kurbelwellenlager.
Zusätzlich zu der in 2 gezeigten Konfiguration können weitere Bauteile vorgesehen sein, die zu einer weiteren Wirkungsgraderhöhung des erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerks 2 beitragen. So kann es beispielsweise sinnvoll sein, zwischen Abgaskanal 62 der Brennkraftmaschine 6 und erstem Wärmetauscher 141 einen Dampferzeuger oder dergleichen vorzusehen, mit dem ein Dampfmotor betrieben wird. Dieser Dampfmotor ist vorzugsweise mit einem weiteren Generator verbunden und dient zur weiteren Erzeugung von elektrischer Energie.
Zusätzlich zur beschriebenen Ausgestaltung des Blockheizkraftwerks in Kraft-Wärme-Kopplung zur Versorgung eines Haushalts oder einer Betriebseinheit mit elektrischer Energie und mit Wärmeenergie kann das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk 2 auch in einem sogenannten Inselbetrieb zur autarken Versorgung einer Betriebseinheit, eines Haushalts oder beispielsweise eines abgelegenen Hofes mit elektrischer Energie und mit Wärmeenergie dienen. Hierzu sind beim Betrieb des Blockheizkraftwerks andere Prioritäten zu wählen. So hat beispielsweise die Versorgung der Betriebseinheit mit elektrischer Energie Vorrang vor geringem Energieverbrauch, so dass beim Abfallen der Akkumulatorspannung unter einem bestimmten Wert für ein Starten der Brennkraftmaschine zu sorgen ist. Wird ein bestimmter Spannungswert des Akkumulators dagegen überschritten, so wird üblicherweise die Brennkraftmaschine wieder abgestellt. Die Wärmeversorgung im Wärmespeicher ist gleichrangig mit der Versorgung mit elektrischer Energie, so dass das Unterschreiten der Akkuspannung oder der Speichertemperatur das Einschaltkriterium darstellt.
Das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk eignet sich wahlweise auch als Notstromaggregat. Hierbei sind einige Kriterien zu erfüllen, insbesondere eine Einrichtung, die einen Spannungseinbruch beim Ausfall eines öffentlichen Stromnetzes weitgehend verhindert. Mittels der Auswertung der Signale eines entsprechend empfindlichen Spannungssensors kann mit geringer Zeitverzögerung der Pufferakkumulator 12 zugeschaltet werden, dessen Gleichspannung über den Zwischenkreis auf Wechselspannung transformiert wird. Die Brennkraftmaschine 6 kann mittels des Starter-Generators 8 in sehr kurzer Zeit gestartet werden. Wahlweise kann der Pufferakkumulator 12 so groß ausgelegt sein, dass ein Vorwärmen der Brennkraftmaschine durch Betrieb der Umwälzpumpe 34 vor dem Starten ermöglicht ist. Ist der Pufferakkumulator 12 nicht ausreichend dimensioniert, so kann die Brennkraftmaschine 6 im Notstrombetrieb ausnahmsweise „kalt" gestartet werden. Der Starter-Generator 8 begünstigt in diesem Fall eine sehr kurze Startzeit.
Als Brennkraftmaschine kommt für ein derartiges Kleinkraftwerk ein Einzylindermotor mit einem typischen Hubvolumen von ca. 400 dm³ in Frage. Eine solche Einheit kann eine Generatorleistung von ca. 10 kW und eine Wärmeenergie in gleicher Größenordnung (ebenfalls ca. 10 kW) liefern. Soll eine größere Betriebseinheit mit Energie versorgt werden, kann das Hubvolumen und damit die Leistung der Brennkraftmaschine entsprechend größer ausgelegt sein. In diesem Fall sind auch größere und leistungsfähigere Abgaswärmetauscher sowie ein größerer Wärmespeicher notwendig. Ein größeres Hubvolumen wird sinnvollerweise auf mehrere Zylindereinheiten aufgeteilt, so dass wahlweise ein Zweizylinder-Motor oder ein solcher mit mehreren Zylindern zum Einsatz kommen kann. Die Drehachsen der Kurbelwellen dieser Zylindereinheiten fluchten vorzugsweise axial miteinander und sind miteinander gekoppelt.
Die Eignung des erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerks für einen Betrieb mit flüssigen Kraftstoffen aller Art ermöglicht insbesondere eine dezentrale Versorgung mit kaltgepressten pflanzlichen Ölen, bspw. Rapsöl, Sonnenblumenöl, Olivenöl o. dgl. Es kann vorzugsweise derjenige Kraftstoff verwendet werden, der in unmittelbarer Umgebung am besten und/oder zu günstigsten Konditionen verfügbar ist. Die elektronisch gesteuerte Kraftstoffzufuhr ermöglicht die individuelle Anpassung der Einspritzparameter an den Energieinhalt und an das Brennverhalten der jeweils verwendeten Kraftstoffsorte.

2: Blockheizkraftwerk
4: Motor-Generator-Einheit
6: Brennkraftmaschine
61: Motor-Kühlmantel
62: Abgaskanal
63: erster Temperatursensor
64: Hubkolben
65: Kolbenbolzen
66: Pleuelstange
67: Zylinder
671: Frischgaseinlass
672: Abgasauslass
673: Kraftstoffeinspritzventil
674: Zylinderkopf
68: Kurbelwelle
681: Kurbelwange
682: Kurbelwellenlager
683: Pleuellager (Hubkolben)
684: Pleuellager (Ladekolben)
685: Excenterscheibe
686: Excenterlager
687: Kurbelzapfen
688: Hubzapfen
689: Nocken
69: Ladepumpe
691: Ladekolben
692: Gabelpleuel
70: Gehäuse/Kurbelgehäuse (Brennkraftmaschine)
71: oberer Pleuelabschnitt
711: Verlängerung
712: Gabel (Verlängerung)
72: unterer Pleuelabschnitt
73: Schwenkhebel
74: Achse (Schwenkhebel)
75: Excenterlagerung
8: Generator/Starter-Generator
81: Generator-Kühlmantel
10: Zwischenkreis
12: Akkumulator
14: Abgaswärmetauscher
141: erster Wärmetauscher
1411: Abgaseinlass
1412: Abgasauslass
1413: Wasserzulauf
1414: Wasserablauf
1415: obere Kammer
1416: untere Kammer
1417: Mantel
1418: Abgasrohr
1419: Wassertank
142: zweiter Wärmetauscher
1421: Abgasauslass
1422: Abgaseinlass
1423: Wasserzulauf
1424: Wasserablauf
1425: Rohrabschnitt
1426: Rohrkrümmer
1427: Behälter
1428: Deckel
1429: Boden
143: Kondensatablass
16: Kraftstofftank
18: Kraftstoffpumpe
181: Druckzylinder
182: erstes Rückschlagventil
183: zweites Rückschlagventil
20: öffentliches Stromnetz
22: Abgasturbine
24: Zusatzgenerator
26: Schalldämpfer
28: Abgas
30: Wärmespeicher
301: zweiter Temperatursensor
302: dritter Temperatursensor
303: Brauchwasser-Wärmetauscher
304: Heizungs-Wärmetauscher
305: Zulauf
306: Ablauf
32: Steuereinheit
34: Umwälzpumpe
341: Kühlmittelzulauf
342: Verbindungsleitung
343: Verbindungsleitung
344: Verbindungsleitung
345: Verbindungsleitung
346: Pumpenzulauf
36: Kraftstoffhochdruckspeicher
361: Drucksensor
362: Überdruckventil
38: Druckschmierung

Claims

Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Koppelung, mit einer Motor-Generator-Einheit als Stromerzeugungsaggregat, welche eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine und einen von dieser direkt angetriebenen Generator umfasst, und mit wenigstens einem in einem Abgaskanal (62) der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaswärmetauscher (14), der primärseitig mit einem Wärmespeicher (30) gekoppelt ist, und der sekundärseitig Wärmeenergie für Heizzwecke o. dgl. und/oder Warmwasser für ein Gebäude, eine Betriebs- bzw. Wirtschaftseinheit o. dgl. zur Verfügung stellt, gekennzeichnet durch eine Brennkraftmaschine (6) mit Selbstzündung, die nach dem Zweitakt-Verbrennungsverfahren arbeitet.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (6) wenigstens eine Zylindereinheit, umfassend einen Brennraum, einen Zylinder (67) und einen darin oszillierenden Hubkolben (64) aufweist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zylindereinheit eine mit einer Kurbelwelle (68) der Brennkraftmaschine (6) gekoppelte Ladepumpe (69) aufweist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladepumpe (69) einen in einer Zylinderlaufbahn oszillierenden Ladekolben (691) aufweist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle (68) gekoppelten Ladekolben (691).
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch einen in das Kurbelgehäuse (70) der entsprechenden Zylindereinheit verdichtenden Ladekolben (691) der Ladepumpe (69).
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch einen über einen Gabelpleuel (692) und Excenterlagerung (686) mit der Kurbelwelle (68) gekoppelten Ladekolben (691) der Ladepumpe (69).
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Excenterlagerung (686) des Gabelpleuels (692) jeweils in Kurbelwangen (681) der Kurbelwelle (68) angeordnet ist.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwangen (681) mit den Excenterlagerungen (686) jeweils beidseitig eines Hubzapfens (688) mit darauf gelagerter Pleuelstange (66) des Hubkolbens (64) angeordnet sind.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch eine gegenläufige Oszillation des Hubkolbens (64) der Zylindereinheit und des Ladekolbens (691) der Ladepumpe (69).
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellen (68) von zwei oder mehr Zylindereinheiten jeweils eine axiale Verbindung zur Koppelung der Rotationsbewegungen aufweisen.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (68) jeder Zylindereinheit jeweils zwei äußere Wälzlager außerhalb von Kurbelwangen (681) aufweist.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (66) des Hubkolbens (64) der Zylindereinheit und der Gabelpleuel (692) des Ladekolbens (691) der Ladepumpe (69) jeweils wälzgelagert sind.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager Wälzkörper und/oder Wälzkäfige aus Keramik aufweisen.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum jeder Zylindereinheit.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffzumessung in den wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine (6).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine dem wenigstens einen Brennraum zugeführte variable Kraftstoffmenge.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch einen variablen Einspritzzeitpunkt des dem wenigstens einen Brennraum zugeführten Kraftstoffs.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch eine variable Einspritzdauer des dem wenigstens einen Brennraum zugeführten Kraftstoffs.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brennraum der Brennkraftmaschine (6) ein druckgesteuertes Kraftstoffeinspritzventil (673) aufweist.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brennraum der Brennkraftmaschine (6) ein elektroaktuatorisch vorgesteuertes Kraftstoffeinspritzventil (673) aufweist.
Blockheizkraftwerk nach einem der Anspruch 1 bis 19, gekennzeichnet durch einen Kraftstoffhochdruckspeicher (36) zur Versorgung des wenigstens einen Kraftstoffeinspritzventils (673).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch ein Überdruckventil (362) am Krafthochdruckspeicher (36).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine Verbindungsleitung vom Überdruckventil (362) zum Kurbelgehäuse (70) zur Rückführung von zuviel gefördertem Kraftstoff.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Verbindungsleitung zur Druckölversorgung bzw. Druckschmierung (38) der Kurbelwellenlager.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine mit einer mittels auf der Kurbelwelle (68) befindlichen Nocken (689) angetriebenen Stempelpumpe (18) zur Druckölversorgung.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen schlitzgesteuerten Gaswechsel der Brennkraftmaschine (6).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ventilgesteuerten Gaswechsel der Brennkraftmaschine (6).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen membrangesteuerten Gaswechsel der Brennkraftmaschine (6).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen drehschiebergesteuerten Gaswechsel der Brennkraftmaschine (6).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (64) über ein Gelenkgetriebe mit einer zusätzlichen Stützlagerung im Gehäuse (70) der Brennkraftmaschine (6) mit der Kurbelwelle (68) gekoppelt ist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (64) über einen oberen Pleuelabschnitt (71) und einen durch ein gemeinsames Gelenk mit diesem verbundenen unteren Pleuelabschnitt (72) mit dem Hubzapfen (688) der Kurbelwelle (68) verbunden ist, und dass beide Pleuelabschnitte (71, 72) durch einen angelenkten gemeinsamen Schwenkhebel (73) an einer gehäusefest einstellbaren Achse (74) abgestützt sind, wobei der obere Pleuelabschnitt (71) an einem dem Hubkolben (64) abgewandten Ende eine über das gemeinsame Gelenk hinaus geführte axiale Verlängerung aufweist und dass der Schwenkhebel (73) mit einem den Pleuelabschnitten zugewandten Ende an der Verlängerung gelenkig angreift.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützachse (74) für den Schwenkhebel (73) exzentrisch einstellbar ausgebildet ist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützachse (74) zur Längsmittelachse des Zylinders (67) radial einstellbar ist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützachse (74) quer zur Längsmittelachse des Zylinders (67) axial einstellbar ist.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dass der obere Pleuelabschnitt (71) gabelförmig ausgebildet ist und eine Lagerscheibe verdrehungsfrei fest trägt, die der untere Pleuelabschnitt (72) zentrisch und der Schwenkhebel (73) exzentrisch mit den der Kurbelwelle (68) bzw. der Stützachse (74) abgewandten Enden angelenkt sind.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützachse (74) im Gehäuse (70) oder außerhalb des Gehäuses (70) der Brennkraftmaschine (6) angeordnet ist.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen turbinengetriebenen ersten Zusatzgenerator (24) im Abgasstrom der Brennkraftmaschine (6).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 38, gekennzeichnet durch einen turbinengetriebenen ersten Zusatzgenerator (24) im Abgasstrom hinter dem ersten oder dem zweiten Abgaswärmetauscher (141, 142).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 38 oder 39, gekennzeichnet durch eine Abgasturbine (22) mit Kunststoffschaufeln.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Dampfwärmetauscher zur Dampferzeugung im Abgaskanal.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 41, gekennzeichnet durch einen Dampfwärmetauscher zur Dampferzeugung vor dem ersten Abgaswärmetauscher (141).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 41 oder 42, gekennzeichnet durch einen mit Druckdampf aus dem Dampfwärmetauscher betriebenen Dampfmotor mit direkt gekoppelten zweitem Zusatzgenerator.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorwärmung des dem wenigstens einen Brennraum zugeführten Kraftstoffs.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eignung der Brennkraftmaschine (6) für pflanzenbasierte und/oder für mineralölbasierte Kraftstoffe.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eignung der Brennkraftmaschine (6) für kaltgepresste pflanzliche Öle als Kraftstoff.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Abgaswärmetauscher (141) im Abgaskanal (62) zur Erwärmung der im Wärmespeicher (30) befindlichen Flüssigkeit.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 47, gekennzeichnet durch einen dem ersten Abgaswärmetauscher (141) abgasseitig nachgeschalteten zweiten Abgaswärmetauscher (142) zur weiteren Erwärmung der im Wärmespeicher (30) befindlichen Flüssigkeit.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Wärmespeicher (30) gekoppelten Kühlkreislauf der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine (6).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Wärmespeicher (30) gekoppelten Kühlkreislauf des flüssigkeitsgekühlten Generators (8).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 49 oder 50, gekennzeichnet durch eine Förder- bzw. Umwälzpumpe (34) zur Versorgung der Kühlkreisläufe der Brennkraftmaschine (6) und/oder des Generators (8) mit erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmespeicher (30) in einer Startphase.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 49 bis 51, gekennzeichnet durch einen Start der Brennkraftmaschine (6) nach Erreichen einer Mindesttemperatur im Wärmespeicher (30) und/oder nach Überschreiten einer vorgegebenen Vorwärmzeit.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Start der Brennkraftmaschine (30) bei Unterschreitung einer vorgegebenen Mindesttemperatur im Wärmespeicher (30).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine wärmedämmende Kapselung der Motor-Generator-Einheit (4) und/oder der Abgaswärmetauscher (141, 142).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine direkte Koppelung der Kurbelwelle (68) mit der Generatorwelle.
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen als Starter betreibbaren Generator (8).
Blockheizkraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Generator (8) nachgeschalteten Gleichrichter bzw. Zwischenkreis (10) zum Laden eines Pufferakkumulators (12).
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 56 oder 57, gekennzeichnet durch einen zwischen Pufferakkumulator (12) und als Starter betriebenem Generator (8) geschalteten Wechselrichter (10).
Verfahren zum Betrieb eines Blockheizkraftwerks (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 58, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Spülen des Kühlflüssigkeitsmantels (61) der Brennkraftmaschine (6) und/oder des Kühlflüssigkeitsmantels (81) des Generators (8) mit erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmespeicher (30) vor dem Start durch Starten der Kühlmittelförderpumpe (34) vor dem Start der Brennkraftmaschine (6), – Starten der Brennkraftmaschine (6) nach Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur der Kühlflüssigkeit und/oder nach Überschreiten einer vorgegebenen Vorlaufzeit, – Betrieb der Brennkraftmaschine (6) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Höchsttemperatur im Wärmespeicher (30), – Abstellen der Brennkraftmaschine (6) unter Weiterbetrieb der Kühlmittelförderpumpe (34) bis zum Erreichen einer Kühlflüssigkeitstemperatur in der Brennkraftmaschine (6), die einer oberen Speichertemperatur entspricht.
Verfahren nach Anspruch 59, gekennzeichnet durch eine Zufuhr von vorgewärmtem Kraftstoff zum Start und/oder während des Betriebs der Brennkraftmaschine (6).
Verfahren nach Anspruch 59 oder 60, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Inselbetrieb des Blockheizkraftwerks (2) ein ausreichend dimensionierter Speicherakkumulator (12) zur Speicherung von elektrischer Energie vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 61, gekennzeichnet durch einen Startbefehl der Brennkraftmaschine (6) bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestspannung des Speicherakkumulators (12) und/oder bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindesttemperatur im Wärmespeicher (30).
Verfahren nach Anspruch 61 oder 62, gekennzeichnet durch ein Abstellen der Brennkraftmaschine (6) bei Erreichen einer vorgegebenen Maximalspannung im Speicherakkumulator (12) und/oder bei Erreichen einer vorgegebenen Solltemperatur im Wärmespeicher (30) und/oder nach einer vorgegebenen Zeitdauer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 63, gekennzeichnet durch einen Notstrombetrieb des Blockheizkraftwerks (2), bei dem die Brennkraftmaschine (6) innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Auftreten eines Netzausfalls gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 64, gekennzeichnet durch ein Abstellen der Brennkraftmaschine (6) nur bei Erreichen einer vorgegebenen Maximalspannung im Speicherakkumulator (12).
Verfahren nach Anspruch 64, gekennzeichnet durch einen Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine (6) während eines Ausfalls des öffentlichen Stromnetzes (20).