WO2014026778A1 - Kraft-wärme-kopplungs-anlage - Google Patents

Kraft-wärme-kopplungs-anlage Download PDF

Info

Publication number
WO2014026778A1
WO2014026778A1 PCT/EP2013/061489 EP2013061489W WO2014026778A1 WO 2014026778 A1 WO2014026778 A1 WO 2014026778A1 EP 2013061489 W EP2013061489 W EP 2013061489W WO 2014026778 A1 WO2014026778 A1 WO 2014026778A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
power
exhaust gas
heat
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/061489
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Thomsen
Original Assignee
Peter Thomsen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peter Thomsen filed Critical Peter Thomsen
Priority to EP13727861.0A priority Critical patent/EP2885527A1/de
Publication of WO2014026778A1 publication Critical patent/WO2014026778A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D18/00—Small-scale combined heat and power [CHP] generation systems specially adapted for domestic heating, space heating or domestic hot-water supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/02—Engines characterised by means for increasing operating efficiency
    • F02B43/04—Engines characterised by means for increasing operating efficiency for improving efficiency of combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D31/00—Use of speed-sensing governors to control combustion engines, not otherwise provided for
    • F02D31/001—Electric control of rotation speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/005—Controlling exhaust gas recirculation [EGR] according to engine operating conditions
    • F02D41/0052—Feedback control of engine parameters, e.g. for control of air/fuel ratio or intake air amount
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1448—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an exhaust gas pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/023—Valves; Pressure or flow regulators in the fuel supply or return system
    • F02M21/0239—Pressure or flow regulators therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/17—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the intake system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/12—Intake silencers ; Sound modulation, transmission or amplification
    • F02M35/1255—Intake silencers ; Sound modulation, transmission or amplification using resonance
    • F02M35/1266—Intake silencers ; Sound modulation, transmission or amplification using resonance comprising multiple chambers or compartments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F02B63/042—Rotating electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D2041/0017—Controlling intake air by simultaneous control of throttle and exhaust gas recirculation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2101/00—Electric generators of small-scale CHP systems
    • F24D2101/70—Electric generators driven by internal combustion engines [ICE]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2103/00—Thermal aspects of small-scale CHP systems
    • F24D2103/10—Small-scale CHP systems characterised by their heat recovery units
    • F24D2103/13—Small-scale CHP systems characterised by their heat recovery units characterised by their heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/16—Waste heat
    • F24D2200/26—Internal combustion engine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a combined heat and power plant with an internal combustion engine whose power output by means of
  • Intake tract with at least one heat exchanger, which is connected to the internal combustion engine to supply the heat generated by the internal combustion engine of a use, with a through the
  • Internal combustion engine driven electric generator comprising a converter whose input terminal is connected to the electric generator and whose output terminal is connected to local loads and / or a feed interface of a power grid, wherein the
  • Inverter The electrical energy generated by the generator in terms of voltage, frequency and power requirements to those of the local
  • Support grid parameters such as grid frequency, grid voltage and requested active and reactive power.
  • this can not be guaranteed by the known system, because the power to be fed into a connected power grid Active and reactive power is determined by the bed parameters of the known system, not by the requirements of the network.
  • the object of the invention is to provide a combined heat and power plant, which is suitable for island operation and is suitable in network operation for maintaining the network parameters and adjustment of the output power to the needs of consumers or the network and has a high efficiency.
  • the invention solves this problem in that a controllable
  • Exhaust gas recirculation is provided with an exhaust gas control valve on the internal combustion engine, by means of which the engine speed of the internal combustion engine to the need for electrical power or heat demand is adaptable, wherein the throttle body adjusts the adjustment of a suitable engine speed supportive and the internal combustion engine preferably at a substantially constant mean pressure in the range of 5 bar to 8 bar is operated. In the range of the mentioned mean pressure of the internal combustion engine runs with a particularly high efficiency.
  • the throttle member is at least largely open in the region of the highest engine speed and at low engine speeds is always closed so far that associated with the throttling deterioration of the efficiency of the engine does not exceed a predetermined level.
  • the throttling of an internal combustion engine inevitably leads to
  • the general aim is to operate internal combustion engines with the lowest possible throttling.
  • the lower the engine speed the lower the negative effect on the efficiency.
  • some throttling of the present invention except for the highest possible speed, some throttling of the present invention
  • the efficiency of the internal combustion engine deteriorates only slightly so that this remains economically justifiable. It is therefore stored at any speed for the position of the throttle body, a limit that must not be exceeded in the control of the throttle body in the case of a constant power output of the engine. With appropriate specification of these speed-dependent limits, the mean pressure of the engine over the entire usable speed range does not change. A deterioration of the efficiency is limited to negligible values.
  • a further embodiment of the invention provides that for larger changes in the demand for electrical power, the adjustment of a suitable engine speed by a stronger or complete opening or closing the throttle body is supported until the appropriate engine speed is reached. If, for example, a lot more electric power is suddenly requested, then the throttle element is preferably fully opened and brought back into a partially closed position only when approaching or reaching the target rotational speed, which does not or only slightly reduces the efficiency of the internal combustion engine. Conversely, in the case of a decreasing electric power demand, the throttle valve is closed to achieve the fastest possible reduction in engine speed. When approaching or reaching the appropriate engine speed, the throttle body is back in a
  • the combined heat and power plant has a control unit which evaluates data on the operating state of the converter and / or the generator and / or signals from sensors, from which the electrical
  • control unit is designed to control the output from the engine power to the throttle body and the exhaust control valve acting.
  • control unit can be realized with advantage complex control algorithms that a variety of
  • the inverter can be provided with voltage and current sensors, from which voltage, current, frequency and phase shift and thus active power and reactive power of the electrical energy delivered to the consumers or a network can be determined.
  • Appropriate sensors can also be provided at the generator. From the frequency of
  • Generator voltage can also determine the speed of the generator and the internal combustion engine. Through sensors one to the
  • Heat exchanger connected heating circuit in particular
  • Temperature sensors the heat demand of the heating circuit can be determined.
  • the throttle body and the exhaust valve or all other controllable actuators of the system are equipped with appropriate actuators, which are electrically controlled by the control unit.
  • the inventive combined heat and power plant has a gas mixer for producing a
  • a gas control valve is provided, which is controllable by the control unit.
  • the regulation of the gas control valve has, among other factors such as the positions of throttle body and
  • Exhaust gas control valve and the speed of the internal combustion engine influence on the output power and on the other hand in conjunction with the exhaust control valve influence on the exhaust gas temperature.
  • the invention is further improved by the measure that in
  • an intake damper is arranged, which consists of a plurality of chambers and a plurality of connecting the chambers overflow pipes.
  • fuel gas-air mixture on the one hand and flowing from the exhaust gas recirculation exhaust gas is swirled and homogeneously mixed together, so that in a multi-cylinder
  • Exhaust gas recirculation on the other hand is obtained when the exhaust gas recirculation flows into a connecting pipe between the gas mixer and the intake damper or directly into the first chamber of the intake manifold.
  • the invention can be further improved by a lambda probe is arranged in the exhaust gas stream downstream of the internal combustion engine, which is connected to the control unit, wherein the control unit is designed so acting on the gas control valve and / or the exhaust control valve that a predetermined ratio of non-combustible gases to combustible gas is maintained.
  • this lambda control can ensure low NOx values in the exhaust gas.
  • the lambda probe can be used to control the internal combustion engine in lean operation.
  • Temperature sensor preferably for each cylinder of the
  • a separate temperature sensor arranged and connected to the control unit and that the control unit is designed so acting on the gas control valve and / or the exhaust control valve that a predetermined exhaust gas temperature or a
  • Temperature sensors for each cylinder of the internal combustion engine can be a clean engine running with uniform combustion in all
  • the invention also includes a method of operating a combined heat and power plant of the type described above, thereby
  • control unit monitors the power required by the consumers or intended for the grid feed electrical power and required for generating this electrical power speed of
  • the inventive method is in relation to a fast
  • Performance adjustment is optimized by the measure that when a major change in the need for electrical power occurs
  • the method can be further improved by the throttle body is always closed while maintaining the appropriate for the current need for electrical power or the current heat demand engine speed that caused by the throttling deterioration of the efficiency of the engine does not exceed a predetermined level.
  • the mean pressure of the engine is not substantially changed from the minimum to the maximum usable speed and remains in an optimum range for the efficiency of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine runs in lean operation and a required excess air is replaced by the admixture of cooled exhaust gas, preferably in the amount of about 20%.
  • the temperature of the exhaust gases can be limited to a maximum of 520 ° C, whereby the load and erosion of the exhaust valves is reduced.
  • the resulting cooling of the exhaust gases will otherwise only be achieved when operating with lambda> 1.5, by adding 50% excess air.
  • a specified exhaust gas temperature be adjusted by mixing in cooled exhaust gas.
  • the hot exhaust gas coming from the internal combustion engine is in any case passed through a heat exchanger to utilize the waste heat, where it is cooled down.
  • the internal combustion engine can be operated advantageously with an addition of cooled exhaust gas instead of excess air.
  • a further embodiment of the method according to the invention provides that a required change in the engine speed is assisted by a control of the converter, in which the electrical
  • the load on the generator is reduced to increase the engine speed and increased to reduce the engine speed.
  • This regulation by electrical load of the generator is particularly well suited for stabilizing the constant engine speed when the quality of the supplied fuel gas changes in the short term, which has an effect on the output power of the internal combustion engine.
  • Figure 1 a schematic representation of an inventive
  • FIG. 2 a partially sectioned view of an intake damper for the installation according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 which is mechanically coupled to an electric generator 2.
  • the generator is electrically connected to a converter 3, a first connecting line 4 is shown for simplicity in the diagram only as a simple line. But it may vary depending on the design of the generator
  • Generator 2 also consist of several electrical wires for the transmission of polyphase alternating current.
  • the first connection line 4 opens into an input terminal 5 of the inverter 3, in which the alternating current generated by the generator 2 rectified and in a known manner by means of power electronics in a single-phase or multiphase alternating current with fixed frequency,
  • the voltage of the removable at the output terminal 6 of the inverter 3 electrical energy is adapted to the needs of energy consumers.
  • the converted alternating current is conducted to local consumers 8 or a feed interface 9, where the generated electrical energy enters a power network 10.
  • the internal combustion engine 1 and the generator 2 may be operated within a usable variable speed engine speed band. This allows an adaptation of the generated electrical energy or the heat generated to the requirements of
  • Generator 2 generated alternating current variable.
  • the electrical voltage at the output of the generator 2 depends on its speed. Since the consumers 8,10 usually require a constant frequency and a constant voltage, the inverter 3 is required.
  • an exhaust gas heat exchanger 1 1 is provided, which is connected via an exhaust pipe 12 to the exhaust of the internal combustion engine 1.
  • the hot exhaust gases enter the exhaust gas heat exchanger 1 1 at the entrance 13 and pass through a looped cooling coil 14, in which the exhaust gases are cooled.
  • the cooling is done by a
  • Heat transfer medium preferably water
  • Cooling coil 14 flows around.
  • the water is heated.
  • the heated water is pumped via a flow line 16 to the heat consumers 17, where it gives off its heat.
  • a heat consumer 17 come in particular radiator or water heater or Hot water heat exchanger in question, which are not shown here in detail.
  • Via a return line 18, the cooled water passes back to the exhaust gas heat exchanger 1 1, where it is heated again. Also in a not shown cooling water circuit of the
  • Internal combustion engine 1 dissipated waste heat can be supplied to a use 17.
  • the exhaust gas exiting the outlet 15 of the exhaust gas heat exchanger 1 1 passes through an exhaust pipe 19 to a
  • the required for the operation of the engine air is removed via an air inlet pipe 22 of the ambient air and passes through an air filter 23 in a gas mixer 24.
  • the gas mixer 24 consists essentially of a venturi 25 with an inlet opening 26 and an outlet opening 27.
  • the gas mixer 24 has as well
  • Gas control valve 28 through which flows fuel gas, which passes from a house connection line 29 via a first gas safety valve 30 and a second gas safety valve 31 to the gas control valve 28.
  • the gas control valve 28 can regulate the strength of the gas flow.
  • the fuel gas flows from the gas control valve 28 to a not shown side opening of the Venturi nozzle in an area where the strongest negative pressure prevails.
  • the fuel gas mixes with the air, so that at the outlet opening 27 of the Venturi 25 exits a fuel-air mixture, which passes through a mixture pipe 32 in an intake damper 33, where it is swirled to mix fuel gas and air as homogeneously as possible ,
  • the mixture passes through a connecting pipe 34 to a throttle body 35, which has a throttle valve 36 for narrowing the flow cross-section.
  • the mixture passes through an intake pipe 37 Internal combustion engine 1, which sucks the mixture so that it enters the combustion chambers of the cylinders of the internal combustion engine 1.
  • Control unit 40 equipped.
  • the control unit 40 receives over
  • Signal lines Signals from devices or sensors with data on the operating state of the system. In particular, it receives information about the generator 2 via a first signal line 41, in particular the frequency of the generated alternating current and thus about the rotational speed of the generator 2 and of the internal combustion engine 1.
  • a first signal line 41 in particular the frequency of the generated alternating current and thus about the rotational speed of the generator 2 and of the internal combustion engine 1.
  • Signal line 42 receives the control unit 40 signals from one
  • Voltage and current sensor 45 which receives data via electrical
  • the control unit 40 receives signals from a lambda probe 46, which transmits the data about the composition of the exhaust gas of the internal combustion engine 1 in the exhaust pipe 12.
  • a temperature sensor 47 is mounted, whose signals via a fourth signal line 44 to the control unit 40 arrive.
  • Heat consumers circuit 16,17,18 a heat meter 49 is housed, the signal passes through the signal line 48 to the control unit to transmit data on the heat consumption.
  • the control unit 40 evaluates the incoming data and generates control signals for controlling and regulating the available actuators of the cogeneration plant.
  • the opening of the gas control valve 28 is controlled via a first control line 50.
  • a second control line 51 controls the exhaust gas control valve 39 and a third control line 52, the throttle body 35.
  • a fourth control line 53 is provided for controlling the inverter.
  • the intake damper 33 is shown in detail. It consists of a first chamber 54 and a second chamber 55, which are separated by a partition 56 from each other. About three different lengths connecting pipes 57, the sucked fuel-air mixture from the first chamber 54 into the second chamber 55 enter, the inlet openings of the connecting pipes 57 are located at different locations within the first chamber 54 and the outlet openings of the connecting pipes 57 in turn Depths of the volume of the second chamber 55 open. In this way, the mixture is particularly well swirled, so mix possibly unevenly distributed combustion gases evenly with the air.
  • the mixture passes from the gas mixer 24 via the mixture pipe 32 in the first chamber 54 of the intake manifold 33.
  • the return pipe 38 of the exhaust gas recirculation does not open into the mixture pipe 32, but directly into the first chamber 54 of the intake manifold 33rd
  • the combined heat and power plant is according to the invention.
  • the control unit 40 constantly checks whether the heat output or electrical power generated by the system meets the requirements. For this purpose, it evaluates the voltage and current sensor 45 and the
  • Heat meter 49 off In island operation, when only the local consumers 8 need to be powered, the controller 40 recognizes a drop in the voltage measured in the sensor 45 that more electrical power is required. Conversely, it recognizes a lower power requirement for an increasing voltage. If the amount of heat generated is higher than the determined by means of heat meter 49 needs of the heat consumer 17, the system can in
  • Island operation are also operated so that not all of the heat generated by the engine 1 used, but for example in the form of hotter exhaust gases via the exhaust pipe 19 into the outlet pipe 21 and thus into the ambient air.
  • a total efficiency of> 80% must be achieved in order to comply with legal regulations. Therefore, the system must not be operated in such a way that heat generated during increased power consumption remains unused.
  • the plant according to the invention is superior to a cogeneration plant with a fixed engine speed, because throttling the power at a fixed speed reduces the
  • the system according to the invention has the advantage that by means of speed modulation, the electrical power can be reduced and adapted to the heat consumption to the system at a total efficiency of ⁇ 80%
  • the system according to the invention therefore does not have to be switched off and continues to supply power to the power grid 10, which on the one hand is positive for the support of the power grid 10 and, on the other hand, a more economical operation overall
  • the internal combustion engine 1 After the control unit 40 has determined the power requirement, the internal combustion engine 1 must be brought to an engine speed corresponding to the desired power.
  • the engine speed is through
  • the control unit 40 can take over the control lines 50-53 influence on the actuators, which in turn can change the engine speed.
  • control unit 40 will control the gas control valve 28 so that the internal combustion engine 1 is under no circumstances operated with excess fuel in order to run as economically as possible.
  • the control unit 40 will control the gas control valve 28 so that the internal combustion engine 1 is under no circumstances operated with excess fuel in order to run as economically as possible.
  • the control unit 40 evaluates the signals of the lambda probe 46. Furthermore, the control unit 40 controls via the second
  • Gas mixer 24 discharged fuel-air mixture as much cooled exhaust gas is mixed that adjusts an exhaust gas temperature, which corresponds to a lean-burn engine with lambda ⁇ 1, 5. In contrast to the air The cooled exhaust gas contains practically no oxygen. Therefore, replacing air with exhaust gas achieves a desirable one
  • control unit 40 can detect, for example, faults in the ignition system, if characterized
  • Exhaust gas temperature of a single cylinder is affected. For example, if a spark plug fails in a 4-cylinder engine, the controller 40 may in many cases alter the mixture so that the remaining three cylinders still deliver the required power. However, these working cylinders have a higher exhaust gas temperature than permissible. This results in a restless engine run and the damage to the valves. By comparing the temperatures of each cylinder Such a failure can be detected early and engine damage can be avoided.
  • control unit 40 can control the speed of the internal combustion engine 1 solely via the exhaust control valve 39 in combination with the gas control valve 28 and keep it constant. Basically, in this way, a change of
  • Engine speed can be adjusted with changed performance requirements.
  • the system is regulated in such a way that the mean pressure of the internal combustion engine 1 is substantially maintained, so that the internal combustion engine 1 is operated with the highest possible efficiency.
  • the adaptation of the engine speed can only be done relatively slowly.
  • To accelerate the setting of a changed engine speed is in the inventive combined heat and power plant the
  • Throttle organ 35 used. For example, when the engine speed is to be reduced rapidly, the throttle 36 is fully or at least partially closed resulting in a rapid reduction in engine speed. If the lower engine speed is reached, the throttle body 35 is fully or partially opened again. Thereafter, the control unit 40 regulates the exhaust gas control valve 39 and the gas control valve 28 so that even with a fully or partially opened throttle member 35, the desired target speed is kept constant. Conversely, if the engine speed is to be increased rapidly, the
  • Throttle valve 36 of the throttle body 35 stronger or fully open, which leads to a rapid increase in engine speed. If the target speed is reached, the throttle valve 36 is partially closed again and the control unit 40 controls the exhaust control valve 39 and the gas control valve 28 so that the engine speed remains constant. By opening or closing the throttle body 35 so can the
  • Engine power to be accelerated to the requested performance Basically, the efficiency of the internal combustion engine 1 is best when it can run unthrottled. A closing of the
  • Throttle valve 36 of the throttle body 35 deteriorates the
  • the throttle valve 36 of the throttle body 35 must be partially closed, otherwise you could not to
  • the engine speed is kept constant, controls the control unit 40 via the third control line 52, the throttle body 35th so that the throttle valve 36 on the current
  • Engine speed stored degree is closed, in which associated with the throttling deterioration of the efficiency of the internal combustion engine 1 does not exceed the predetermined amount of, for example, one percent. In this way, the throttle body 35 is always closed so far that although a throttling of
  • Internal combustion engine 1 has. The engine speed is determined by the
  • Control unit 40 at a predetermined position of the throttle body 35 by regulating exhaust control valve 39 and the gas control valve 28 is kept constant.
  • the setting of a changed engine speed can additionally be supported by controlling the inverter 3. For example, producing 20 kW of electrical power at 2300 revolutions per minute is one of the highest
  • the control unit 40 can control the converter 3 so that, for example, only 19 kW of electrical power is fed into the power grid 10. This ensures that the internal combustion engine 1, even with bad natural gas reaches the engine speed of 2300 revolutions per minute. Although this does not produce the requested 20 kW, it does optimize the power output. Without the appropriate control of the inverter 3, the engine speed would drop below 2300 revolutions per minute and the performance of the internal combustion engine 1 will not be fully utilized. To optimize the cogeneration plant in terms of efficiency, it is proposed that the generator 2 as
  • Permanent magnet generator is configured. Although other designs are possible and possibly even cheaper to obtain, but only the permanent magnet generator achieves an electrical efficiency of 96% or more.

Abstract

Eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mit einem Verbrennungsmotor (1), dessen Leistungsabgabe mittels Drehzahlvariation regelbar ist und der ein Drosselorgan (35) in seinem Ansaugtrakt (22, 32, 34, 37) aufweist, mit einem Abgaswärmetauscher (11) zur Nutzung der erzeugten Wärme, mit einem elektrischen Generator (2) und einem Umrichter (3) zur Anpassung von Spannung und Frequenz der elektrischen Energie an die Erfordernisse der Verbraucher (8) oder des Stromnetzes (10) wird bezüglich eines optimalen Wirkungsgrades und einer schnellen Anpassung der abgegebenen Leistung an die angeforderte Leistung erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass eine regelbare Abgasrückführung (38) mit einem Abgasregelventil (39) am Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist, dass im Zusammenwirken mit dem Drosselorgan (35) die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors (1) an den Bedarf elektrischer Leistung oder den Wärmebedarf anpassbar ist, wobei durch eine Steuerung sichergestellt wird, dass der Verbrennungsmotor (1) vorzugsweise bei einem im Wesentlichen konstanten Mitteldruck im Bereich von 5 bar bis 8 bar betrieben wird.

Description

Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mit einem Verbrennungsmotor, dessen Leistungsabgabe mittels
Drehzahlvariation regelbar ist und der ein Drosselorgan in seinem
Ansaugtrakt aufweist, mit mindestens einem Wärmetauscher, der mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, um die vom Verbrennungsmotor erzeugte Wärme einer Nutzung zuzuführen, mit einem durch den
Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator, mit einem Umrichter, dessen Eingangsanschluss mit dem elektrischen Generator und dessen Ausgangsanschluss mit lokalen Verbrauchern und/oder einer Einspeiseschnittstelle eines Stromnetzes verbunden ist, wobei der
Umrichter die vom Generator erzeugte elektrische Energie in Bezug auf Spannung, Frequenz und Leistungsbedarf an die von den lokalen
Verbrauchern oder dem Stromnetz benötigten Werte anpasst. Eine derartige Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage ist aus der EP 0 835 41 1 B1 bekannt. Diese bekannte Anlage regelt die variable Motordrehzahl zur Anpassung der erzeugten Wärme bei offener Drosselklappe mittels Belastung des Generators über eine entsprechende Ansteuerung des Umrichters. Eine derartige Regelung ist für den Inselbetrieb mit lokalen Verbrauchern nicht geeignet, denn die aus der Regelung resultierende Wirk- und Blindleistung muss an die Verbraucher abgegeben werden, unabhängig vom Leistungsbedarf. Beim Inselbetrieb wird aber erwartet, dass sich die Leistung der erzeugten Energie an die Verbraucher anpasst. Des Weiteren erfordert eine Energieversorgungsstruktur mit einer Vielzahl von kleinen Energieerzeugern, dass Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen jeglicher Leistung zur Netzerhaltung beitragen, also insbesondere
Netzparameter, wie Netzfrequenz, Netzspannung und angeforderte Wirk- und Blindleistung unterstützen. Dies kann aber die bekannte Anlage nicht garantieren, denn die in ein angeschlossenes Stromnetz einzuspeisende Wirk- und Blindleistung wird durch die Bet ebsparameter der bekannten Anlage bestimmt, nicht von den Anforderungen des Netzes.
Aus der DE 10 2008 039 141 A1 ist eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage bekannt, bei der die abgegebene Leistung eines Verbrennungsmotors mittels einer regelbaren Abgasrückführung vorgenommen wird. Ein Drosselorgan ist nicht vorgesehen. Diese Anlage ist für den
Netzsynchronbetrieb bei konstanter Motordrehzahl bestimmt. Ein
Umrichter ist dabei nicht erforderlich. Diese Anlage kann daher nicht zur Erhaltung der oben genannten Netzparameter beitragen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage anzugeben, die für den Inselbetrieb geeignet ist und im Netzbetrieb zur Erhaltung der Netzparameter und Anpassung der abgegebenen Leistung an die Erfordernisse der Verbraucher oder des Netzes geeignet ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass eine regelbare
Abgasrückführung mit einem Abgasregelventil am Verbrennungsmotor vorgesehen ist, mittels derer die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors an den Bedarf elektrischer Leistung oder den Wärmebedarf anpassbar ist, wobei das Drosselorgan die Einregelung einer passenden Motordrehzahl unterstützend regelbar ist und der Verbrennungsmotor vorzugsweise bei einem im Wesentlichen konstanten Mitteldruck im Bereich von 5 bar bis 8 bar betrieben wird. Im Bereich des genannten Mitteldrucks läuft der Verbrennungsmotor mit besonders hohem Wirkungsgrad. Eine
Reduzierung der vom Verbrennungsmotor bereitgestellten mechanischen Leistung wird überwiegend durch die regelbare Abgasrückführung bewirkt, wobei das Drosselorgan lediglich die Einregelung einer zur gewünschten Leistungsabgabe passenden Motordrehzahl unterstützt. Hierdurch wird die Leistungsanpassung schneller bewirkt, als durch die regelbare Abgasführung allein. Damit wird der Umfang einer zum angeforderten Bedarf elektrischer Leistung oder angeforderten Wärmebedarf
unpassenden Leistung des Verbrennungsmotors minimiert und die
Anpassung des Leistungsangebots an den Leistungsbedarf optimiert. In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Drosselorgan im Bereich der höchsten Motordrehzahl zumindest weitgehend geöffnet ist und bei geringen Motordrehzahlen stets soweit schließbar ist, dass eine mit der Drosselung verbundene Verschlechterung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors ein vorgegebenes Maß nicht übersteigt. Die Drosselung eines Verbrennungsmotors führt zwangsläufig zur
Verschlechterung des Wirkungsgrades. Deshalb wird generell angestrebt, Verbrennungsmotoren mit geringstmöglicher Drosselung zu betreiben. Der negative Effekt auf den Wirkungsgrad ist aber umso geringer, je geringer die Motordrehzahl ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist, außer bei der höchstmöglichen Drehzahl, eine gewisse Drosselung des
Verbrennungsmotors vorgesehen. Die Drosselung bleibt aber, in
Abhängigkeit von der Drehzahl, stets so gering, dass sich der
Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors nur so geringfügig verschlechtert, dass dies unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten vertretbar bleibt. Es ist daher zu jeder Drehzahl für die Stellung des Drosselorgans ein Grenzwert abgespeichert, der bei der Ansteuerung des Drosselorgans im Falle einer konstanten Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors nicht überschritten werden darf. Bei geeigneter Vorgabe von diesen drehzahlabhängigen Grenzwerten ändert sich der Mitteldruck des Verbrennungsmotors über den gesamten nutzbaren Drehzahlbereich nicht. Eine Verschlechterung des Wirkungsgrades wird auf vernachlässigbare Werte begrenzt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei größeren Änderungen des Bedarfs an elektrischer Leistung die Einregelung einer passenden Motordrehzahl durch ein stärkeres oder vollständiges Öffnen oder Schließen des Drosselorgans unterstützbar ist, bis die passende Motordrehzahl erreicht ist. Wird etwa plötzlich sehr viel mehr elektrische Leistung angefordert, so wird das Drosselorgan vorzugsweise vollständig geöffnet und erst bei Annäherung oder Erreichen der Zieldrehzahl wieder in eine teilweise geschlossene Stellung gebracht, die den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors nicht oder nur geringfügig verringert. Umgekehrt wird im Falle eines sich verringernden elektrischen Leistungsbedarfs die Drosselklappe geschlossen, um eine möglichst schnelle Verringerung der Motordrehzahl zu erreichen. Bei Annäherung oder Erreichen der passenden Motordrehzahl wird das Drosselorgan wieder in eine
weitgehend geöffnete Stellung gebracht, bei der der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors nicht wesentlich verringert ist. In beiden Fällen wird das Erreichen der Zieldrehzahl beschleunigt. Die Zieldrehzahl wird dann durch Regelung des Abgasregelventils konstant gehalten, bis eine erneute Leistungsanpassung erforderlich wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kraft- Wärme-Kopplungs-Anlage eine Steuereinheit auf, die Daten über den Betriebszustand des Umrichters und/oder des Generators und/oder Signale von Sensoren auswertet, aus denen der elektrische
Leistungsbedarf und/oder der Wärmebedarf ermittelbar ist, wobei die Steuereinheit zur Regelung der vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung auf das Drosselorgan und das Abgasregelventil einwirkend ausgebildet ist. In einer solchen Steuereinheit lassen sich mit Vorteil komplexe Regelalgorithmen verwirklichen, die eine Vielzahl von
Eingangsparametern berücksichtigen und mehrere Stellelemente der
Anlage regeln können. Insbesondere kann der Umrichter mit Spannungsund Stromsensoren versehen sein, aus denen sich Spannung, Strom, Frequenz und Phasenverschiebung und somit auch Wirkleistung und Blindleistung der an die Verbraucher oder ein Netz abgegebenen elektrischen Energie ermitteln lassen. Entsprechende Sensoren können auch beim Generator vorgesehen sein. Aus der Frequenz der
Generatorspannung lässt sich auch die Drehzahl des Generators und des Verbrennungsmotors bestimmen. Durch Sensoren eines an den
Wärmetauscher angeschlossenen Heizkreislaufs, insbesondere
Temperatursensoren, lässt sich der Wärmebedarf des Heizkreislaufs bestimmen. Das Drosselorgan und das Abgasventil oder alle anderen regelbaren Stellglieder der Anlage sind mit entsprechenden Stellmotoren ausgestattet, die durch die Steuereinheit elektrisch ansteuerbar sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Kraft-Wärme- Kopplungs-Anlage einen Gasmischer zur Herstellung eines dem
Verbrennungsmotor zuzuführenden Brennstoff-Luft-Gemisches aus einem brennbaren Gas und Luft auf, wobei zur Regelung des Anteils von brennbaren Gas im Gemisch ein Gasregelventil vorgesehen ist, welches durch die Steuereinheit regelbar ist. Die Regelung des Gasregelventils hat neben anderen Faktoren wie den Stellungen von Drosselorgan und
Abgasregelventil sowie der Drehzahl des Verbrennungsmotors Einfluss auf die abgegebene Leistung und andererseits in Verbindung mit dem Abgasregelventil Einfluss auf die Abgastemperatur.
Die Erfindung wird noch verbessert durch die Maßnahme, dass in
Gasströmungsrichtung nach dem Gasmischer ein Ansaugdämpfer angeordnet ist, der aus mehreren Kammern und mehreren die Kammern verbindenden Überströmrohren besteht. Im Ansaugdämpfer wird das aus dem Gasmischer kommende Brenngas-Luft-Gemisch einerseits und das aus der Abgasrückführung strömende Abgas verwirbelt und homogen miteinander vermischt, sodass bei einem mehrzylindrigen
Verbrennungsmotor alle Zylinder das gleiche Gemisch erhalten. Damit wird ein sauberer Motorlauf sichergestellt, weil in jedem Zylinder eine gleich starke Verbrennung stattfindet. So wird sichergestellt, dass jeder Kolben oder jedes Auslassventil in gleichem Maße belastet wird und in jedem Zylinder gleiche Temperaturen herrschen. Dies ermöglicht eine feinere Abstimmung von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors wie beispielsweise im Magerbetrieb, wo geringfügig fetteres Gemisch eine höhere Abgastemperatur und geringfügig zu mageres Gemisch eine unvollständige Verbrennung bewirkt.
Eine möglichst gleichmäßige Vermischung des Brennstoff-Luft-Gemisches aus dem Gasmischer einerseits und dem Abgas aus der
Abgasrückführung andererseits erhält man, wenn die Abgasrückführung in ein Verbindungsrohr zwischen dem Gasmischer und dem Ansaugdämpfer oder direkt in die erste Kammer des Ansaugdämpfers mündet.
Die Erfindung kann noch verbessert werden, indem im Abgasstrom nach dem Verbrennungsmotor eine Lambda Sonde angeordnet ist, die mit der Steuereinheit verbunden ist, wobei die Steuereinheit derart auf das Gasregelventil und/oder das Abgasregelventil einwirkend ausgebildet ist, dass ein vorgegebenes Verhältnis von nicht brennbaren Gasen zu brennbarem Gas eingehalten wird. Insbesondere in Verbindung mit einem 3-Wege-Katalysator kann diese Lambda-Regelung niedrige NOx-Werte im Abgas gewährleisten. Im Übrigen kann die Lambda Sonde zur Regelung des Verbrennungsmotors im Magerbetrieb verwendet werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im
Abgasstrom nach dem Verbrennungsmotor mindestens ein
Temperatursensor, vorzugsweise für jeden Zylinder des
Verbrennungsmotors ein gesonderter Temperatursensor, angeordnet und mit der Steuereinheit verbunden ist und dass die Steuereinheit derart auf das Gasregelventil und/oder das Abgasregelventil einwirkend ausgebildet ist, dass eine vorgegebene Abgastemperatur oder ein
Abgastemperaturbereich eingehalten wird. Bei geringer Abgastemperatur verlängert sich die Lebensdauer der Auslassventile des Verbrennungsmotors. Diese Ausführungsform kann daher die Standzeit der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage insgesamt und die erforderlichen Wartungsintervalle vergrößern. Bei der Variante mit gesonderten
Temperatursensoren für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors lässt sich ein sauberer Motorlauf mit gleichmäßiger Verbrennung in allen
Zylindern überprüfen und Störungen in einzelnen Zylindern ermitteln, die bei einer pauschalen Abgastemperaturüberwachung nicht auffallen würden.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betrieb einer Kraft-Wärme- Kopplungs-Anlage der oben beschriebenen Art, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass während eines im Wesentlichen stabilen
Betriebszustandes der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage die Steuereinheit die von den Verbrauchern benötigte oder für die Netzeinspeisung vorgesehene elektrische Leistung überwacht und die zur Erzeugung dieser elektrischen Leistung erforderliche Drehzahl des
Verbrennungsmotors oder des Generators konstant hält, indem sie die Stärke des rückgeführten Abgasstroms über das Abgasregelventil regelt, wobei das Drosselorgan die Einregelung der passenden Motordrehzahl unterstützend geregelt wird. Die gleichzeitige Regelung von Drosselorgan und Abgasregelventil ermöglicht das schnelle Erreichen einer
vorgegebenen Motordrehzahl und Konstanthalten derselben, während der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors möglichst hoch ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Bezug auf eine schnelle
Leistungsanpassung durch die Maßnahme optimiert, dass beim Auftreten einer größeren Änderung des Bedarfs elektrischer Leistung die
Einregelung einer zum neuen Leistungsbedarf passenden Motordrehzahl dadurch beschleunigt wird, dass die Steuereinheit zusätzlich zum
Abgasregelventil kurzfristig auf das Drosselorgan im Sinne der Änderung des Leistungsbedarfs einwirkt, bis die passende Motordrehzahl erreicht ist.
Das Verfahren kann noch verbessert werden, indem das Drosselorgan unter Beibehaltung der für den momentanen Bedarf an elektrischer Leistung oder den momentanen Wärmebedarf passenden Motordrehzahl immer so weit geschlossen wird, dass eine durch die Drosselung bewirkte Verschlechterung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors ein vorgegebenes Maß nicht übersteigt. Auf diese Weise wird der Mitteldruck des Motors von der minimalen bis zur maximalen nutzbaren Drehzahl nicht wesentlich geändert und bleibt in einem für den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors optimalen Bereich.
Zur Verlängerung der Lebensdauer der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage und Verlängerung der Wartungsintervalle wird vorgeschlagen, dass der Verbrennungsmotor im Magerbetrieb läuft und ein dafür erforderlicher Luftüberschuss durch die Zumischung von abgekühltem Abgas ersetzt wird, vorzugsweise in Höhe von ca. 20 %. Durch diese Maßnahme kann die Temperatur der Abgase auf maximal 520°C begrenzt werden, wodurch die Belastung und Erosion der Auslassventile verringert wird. Die so erzielte Abkühlung der Abgase wird sonst nur beim Betrieb mit Lambda > 1 ,5 erreicht werden, indem 50 % Luftüberschuss zugegeben wird. Bei der Zumischung von Abgas statt Luft erhält man einen positiven
Leistungseffekt aus der größeren prozentualen Füllmenge an Frischgas.
In Weiterbildung der letztgenannten Verfahrensmaßnahme wird
empfohlen, dass eine vorgegebene Abgastemperatur durch Zumischung von gekühltem Abgas eingeregelt wird. Das vom Verbrennungsmotor kommende heiße Abgas wird zur Nutzung der Abwärme ohnehin durch einen Wärmetauscher geleitet, wo es abgekühlt wird. Im Magerbetrieb kann daher der Verbrennungsmotor statt mit Luftüberschuss mit Vorteil auch mit einer Zugabe von gekühltem Abgas betrieben werden.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine erforderliche Änderung der Motordrehzahl durch eine Ansteuerung des Umrichters unterstützt wird, bei der die elektrische
Belastung des Generators zur Erhöhung der Motordrehzahl verringert und zur Verringerung der Motordrehzahl erhöht wird. Diese Regelung mittels elektrischer Belastung des Generators eignet sich besonders gut zur Stabilisierung der konstanten Motordrehzahl, wenn sich die Qualität des zugeführten Brenngases kurzfristig ändert, was Auswirkungen auf die abgegebene Leistung des Verbrennungsmotors hat.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage;
Figur 2: eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ansaugdämpfers für die Anlage gemäß Figur 1 .
Im Diagramm von Figur 1 erkennt man einen Verbrennungsmotor 1 , der mechanisch mit einem elektrischen Generator 2 gekoppelt ist. Der Generator ist elektrisch mit einem Umrichter 3 verbunden, eine erste Verbindungsleitung 4 ist der Einfachheit halber im Diagramm nur als einfache Linie dargestellt. Sie kann aber je nach Auslegung des
Generators 2 auch aus mehreren elektrischen Adern für die Übertragung von mehrphasigem Wechselstrom bestehen. Die erste Verbindungsleitung 4 mündet in einen Eingangsanschluss 5 des Umrichters 3, in welchem der vom Generator 2 erzeugte Wechselstrom gleichgerichtet und in bekannter Weise mittels Leistungselektronik in einem einphasigen oder mehrphasigen Wechselstrom mit fest vorgegebener Frequenz,
vorzugsweise 50 Hz oder nach Bedarf 60 Hz umgerichtet wird. Auch die Spannung der am Ausgangsanschluss 6 des Umrichters 3 entnehmbaren elektrischen Energie wird an die Erfordernisse der Energieverbraucher angepasst. Über eine zweite Verbindungsleitung 7 wird der umgerichtete Wechselstrom zu lokalen Verbrauchern 8 oder eine Einspeiseschnittstelle 9 geleitet, wo die erzeugte elektrische Energie in ein Stromnetz 10 gelangt. Der Verbrennungsmotor 1 und der Generator 2 können innerhalb eines nutzbaren Drehzahlbandes mit variabler Motordrehzahl betrieben werden. Damit lässt sich eine Anpassung der erzeugten elektrischen Energie oder der erzeugten Wärme an die Erfordernisse der
Verbraucher 8,10 anpassen, denn die vom Verbrennungsmotor abgegebene mechanische Leistung steigt und fällt mit der Motordrehzahl. Bei variabler Motordrehzahl ist aber auch die Frequenz des vom
Generator 2 erzeugten Wechselstroms variabel. Auch die elektrische Spannung am Ausgang des Generators 2 hängt von seiner Drehzahl ab. Da die Verbraucher 8,10 in der Regel eine konstante Frequenz und eine konstante Spannung benötigen, ist der Umrichter 3 erforderlich.
Da es sich hier um eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage handelt, wird die vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Abwärme genutzt. Hierfür ist ein Abgaswärmetauscher 1 1 vorgesehen, der über ein Auspuffrohr 12 mit dem Auspuff des Verbrennungsmotors 1 verbunden ist. Die heißen Abgase treten am Eingang 13 in den Abgaswärmetauscher 1 1 ein und durchlaufen eine in Schleifen verlaufende Kühlschlange 14, in der die Abgase abgekühlt werden. Die Abkühlung erfolgt durch ein
Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Wasser, welches die
Kühlschlange 14 umströmt. Dabei wird das Wasser erhitzt. Das erhitzte Wasser wird über eine Vorlaufleitung 16 zu den Wärmeverbrauchern 17 gepumpt, wo es seine Wärme abgibt. Als Wärmeverbraucher 17 kommen insbesondere Heizungskörper oder Warmwasserboiler beziehungsweise Warmwasserwärmetauscher in Frage, die jedoch hier im Einzelnen nicht dargestellt sind. Über eine Rücklaufleitung 18 gelangt das abgekühlte Wasser zurück zum Abgaswärmetauscher 1 1 , wo es erneut erhitzt wird. Auch die in einem nicht dargestellten Kühlwasserkreislauf des
Verbrennungsmotors 1 abgeführte Abwärme kann einer Nutzung 17 zugeführt werden.
Das aus dem Ausgang 15 des Abgaswärmetauschers 1 1 austretende abgekühlte Abgas gelangt über ein Abgasrohr 19 zu einem
Schalldämpfer 20 und von diesem über ein Ausgangsrohr 21 in die Atmosphäre.
Die für den Betrieb des Verbrennungsmotors erforderliche Luft wird über ein Lufteintrittsrohr 22 der Umgebungsluft entnommen und gelangt über einen Luftfilter 23 in einen Gasmischer 24. Der Gasmischer 24 besteht im Wesentlichen aus einer Venturidüse 25 mit einer Eintrittsöffnung 26 und einer Austrittsöffnung 27. Der Gasmischer 24 weist außerdem ein
Gasregelventil 28 auf, durch welches Brenngas strömt, welches aus einer Hausanschlussleitung 29 über ein erstes Gassicherheitsventil 30 und ein zweites Gassicherheitsventil 31 zum Gasregelventil 28 gelangt. Das Gasregelventil 28 kann die Stärke des Gasflusses regeln. Das Brenngas strömt aus dem Gasregelventil 28 zu einer nicht dargestellten seitlichen Öffnung der Venturidüse in einem Bereich, wo der stärkste Unterdruck herrscht. Dort mischt sich das Brenngas mit der Luft, sodass an der Austrittsöffnung 27 der Venturidüse 25 ein Brennstoff-Luft-Gemisch austritt, welches über ein Gemischrohr 32 in einen Ansaugdämpfer 33 gelangt, wo es verwirbelt wird, um Brenngas und Luft möglichst homogen miteinander zu vermischen. Vom Ansaugdämpfer 33 gelangt das Gemisch über ein Verbindungsrohr 34 zu einem Drosselorgan 35, welches eine Drosselklappe 36 zur Verengung des Durchflussquerschnitts aufweist. Vom Drosselorgan 35 gelangt das Gemisch über ein Ansaugrohr 37 zum Verbrennungsmotor 1 , welcher das Gemisch ansaugt, sodass es in die Brennkammern der Zylinder des Verbrennungsmotors 1 gelangt.
Vom Abgasrohr 19 zweigt ein Rückführrohr 38 ab, welches gekühltes Abgas über ein Abgasregelventil 39 zum Gemischrohr 32 führt, wo das gekühlte Abgas dem Brennstoff-Luft-Gemisch zugemischt wird. Je nach Stellung des Abgasregelventils 39 kann daher ein mehr oder weniger großer Strom von gekühltem Abgas in das Gemisch gelangen, welches vom Verbrennungsmotor 1 angesaugt wird. Je mehr Abgas zugemischt wird, desto weniger brennbares Gemisch kann der Verbrennungsmotor 1 ansaugen, sodass die vom Verbrennungsmotor 1 abgegebene Leistung umso geringer wird, je mehr Abgas über das Abgasregelventil 39 zugegeben wird.
Zur Steuerung und Regelung aller Anlagenkomponenten ist die
erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mit einer
Steuereinheit 40 ausgerüstet. Die Steuereinheit 40 erhält über
Signalleitungen Signale von Geräten oder Sensoren mit Daten über den Bertriebszustand der Anlage. Insbesondere erhält sie über eine erste Signalleitung 41 Informationen über den Generator 2, insbesondere die Frequenz des erzeugten Wechselstroms und damit über die Drehzahl des Generators 2 und des Verbrennungsmotors 1 . Über eine zweite
Signalleitung 42 erhält die Steuereinheit 40 Signale vom einem
Spannungs- und Stromsensor 45, welcher Daten über elektrische
Parameter am Ausgangsanschluss 6 des Umrichters 3, insbesondere über Frequenz, Strom und Spannung der zu den lokalen Verbrauchern 8 oder in das Stromnetz 10 fließenden elektrischen Energie enthalten. Über eine dritte Signalleitung 43 erhält die Steuereinheit 40 Signale einer Lambda Sonde 46, die die Daten über die Zusammensetzung des Abgases des Verbrennungsmotors 1 im Auspuffrohr 12 übermittelt. Am Auspuffrohr 12 ist auch ein Temperatursensor 47 angebracht, dessen Signale über eine vierte Signalleitung 44 zur Steuereinheit 40 gelangen. Im
Wärmeverbraucherkreis 16,17,18 ist ein Wärmemengenmesser 49 untergebracht, dessen Signal über die Signalleitung 48 zur Steuereinheit gelangt, um Daten über den Wärmeverbrauch zu übermitteln. Die Steuereinheit 40 wertet die eingehenden Daten aus und generiert Steuersignale zur Steuerung und Regelung der verfügbaren Stellorgane der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage. Insbesondere wird über eine erste Steuerleitung 50 die Öffnung des Gasregelventils 28 gesteuert. Eine zweite Steuerleitung 51 steuert das Abgasregelventil 39 und eine dritte Steuerleitung 52 das Drosselorgan 35. Eine vierte Steuerleitung 53 ist zur Steuerung des Umrichters vorgesehen.
In Figur 2 ist der Ansaugdämpfer 33 im Detail dargestellt. Er besteht aus einer ersten Kammer 54 und einer zweiten Kammer 55, die durch eine Trennwand 56 voneinander getrennt sind. Über drei verschieden lange Verbindungsrohre 57 kann das angesaugte Brennstoff-Luft-Gemisch von der ersten Kammer 54 in die zweite Kammer 55 eintreten, wobei die Eintrittsöffnungen der Verbindungsrohre 57 an verschiedenen Orten innerhalb der ersten Kammer 54 liegen und die Austrittsöffnungen der Verbindungsrohre 57 wiederum in verschiedenen Tiefen des Volumens der zweiten Kammer 55 münden. Auf diese Weise wird das Gemisch besonders gut verwirbelt, sodass sich eventuell ungleichmäßig verteilte Brenngase gleichmäßig mit der Luft vermischen. Das Gemisch gelangt vom Gasmischer 24 über das Gemischrohr 32 in die erste Kammer 54 des Ansaugdämpfers 33. Anders als in Figur 1 mündet das Rückführrohr 38 der Abgasrückführung nicht in das Gemischrohr 32, sondern direkt in die erste Kammer 54 des Ansaugdämpfers 33.
Nach dem Übertritt des Brennstoff-Luft-Gemisches und des zugemischten Abgases in die zweite Kammer 55 und nach vollständiger Homogenisierung aller genannten Anteile gelangen diese über eine Austrittsöffnung 58 aus dem Ansaugdämpfer 33 in das
Verbindungsrohr 34 zum Drosselorgan 35.
Die Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage wird erfindungsgemäß
folgendermaßen betrieben:
Die Steuereinheit 40 überprüft ständig, ob die von der Anlage erzeugte Wärmeleistung oder elektrische Leistung den Anforderungen genügt. Hierfür wertet sie den Spannungs- und Stromsensor 45 und den
Wärmemengenmesser 49 aus. Im Inselbetrieb, wenn nur die lokalen Verbraucher 8 versorgt werden müssen, erkennt die Steuereinheit 40 an einem Abfall der im Sensor 45 gemessenen Spannung, dass mehr elektrische Leistung erforderlich ist. Umgekehrt erkennt sie einen geringeren Leistungsbedarf an einer ansteigenden Spannung. Sofern die erzeugte Wärmemenge höher ist, als der mittels Wärmemengenmesser 49 ermittelte Bedarf der Wärmeverbraucher 17, kann die Anlage im
Inselbetrieb auch so betrieben werden, dass nicht die gesamte vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Wärme genutzt, sondern beispielsweise in Form heißerer Abgase über das Abgasrohr 19 in das Ausgangsrohr 21 und somit in die Umgebungsluft gelangt. Wird die Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage aber wärmegeführt betrieben, muss zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften ein Gesamtnutzungsgrad von >80% erreicht werden. Daher darf die Anlage nicht so betrieben werden, dass bei erhöhtem Strombedarf anfallende Wärme ungenutzt bleibt. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Anlage einer Kraft-Wärme- Kopplungs-Anlage mit fester Motordrehzahl überlegen, denn bei einer Drosselung der Leistung bei fester Drehzahl reduziert sich die
abgegebene elektrische Leistung stärker als die Wärmeleistung. Es bleibt daher in einem solchen Fall nichts anderes übrig, als eine Anlage mit Festdrehzahl abzuschalten. Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Anlage den Vorteil, dass mittels Drehzahlmodulation die elektrische Leistung reduziert und an den Wärmeverbrauch angepasst werden kann, um die Anlage bei einem Gesamtnutzungsgrad von <80%
weiterzubetreiben. Die erfindungsgemäße Anlage muss daher nicht abgeschaltet werden und liefert weiterhin Strom in das Stromnetz 10, was einerseits positiv für die Unterstützung des Stromnetzes 10 ist und andererseits insgesamt einen wirtschaftlicheren Betrieb der
erfindungsgemäßen Anlage erlaubt, denn der ins Stromnetz 10
eingespeiste Strom wird besonders hoch vergütet.
Nachdem die Steuereinheit 40 den Leistungsbedarf ermittelt hat, muss der Verbrennungsmotor 1 auf eine der gewünschten Leistung entsprechende Motordrehzahl gebracht werden. Die Motordrehzahl wird durch
Überwachung der Frequenz des vom elektrischen Generator 2 erzeugten elektrischen Stromes über die Signalleitung 41 überwacht. Bei
unverändertem Leistungsbedarf ist die Motordrehzahl konstant zu halten. Die Steuereinheit 40 kann über die Steuerleitungen 50-53 Einfluss auf die Stellorgane nehmen, die wiederum die Motordrehzahl verändern können.
So wird die Steuereinheit 40 das Gasregelventil 28 so ansteuern, dass der Verbrennungsmotor 1 keinesfalls mit Brennstoffüberschuss betrieben wird, um möglichst wirtschaftlich zu laufen. Vorzugsweise wird der
Verbrennungsmotor 1 als Lambda 1 Motor betrieben, bei dem Brennstoff und Luft genau im stöchiometrischen Verhältnis (Lambda = 1 ) gemischt wird. Hierfür wertet die Steuereinheit 40 die Signale der Lambda Sonde 46 aus. Des Weiteren steuert die Steuereinheit 40 über die zweite
Steuerleitung 51 das Abgasregelventil 39 so, dass dem aus dem
Gasmischer 24 entströmendem Brennstoff-Luft-Gemisch so viel gekühltes Abgas zugemischt wird, dass sich eine Abgastemperatur einstellt, die einem Magermotor mit Lambda ~ 1 ,5 entspricht. Im Gegensatz zur Luft enthält das gekühlte Abgas praktisch keinen Sauerstoff mehr. Ersetzt man daher Luft durch Abgas, erreicht man eine wünschenswerte
Abgastemperatur von <520°C bereits mit einem Abgasanteil von 20% am angesaugten Gemisch, während derselbe Effekt mit Luft erst bei einem Luftüberschuss von 50% erreicht würde. Im Gemisch ist daher ein größerer Prozentsatz an Frischgas enthalten. Aufgrund der geringeren Verbrennungstemperatur ist die NOx Bildung reduziert, was auch beim Magerbetrieb mit Luftüberschuss der Fall ist. Allerdings wird bei der Zumischung von Abgas der NOx Anteil stärker reduziert, weil weniger Sauerstoff für die NOx Bildung vorhanden ist. Dies ist besonders wichtig für den Betrieb der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mit Biogas oder Klärgas, da mit diesen Brennstoffen der Einsatz eines Katalysators nicht möglich ist und die Lambda Sonden eine sehr geringe Lebensdauer haben. Die Einhaltung einer niedrigen Abgastemperatur wird durch Messung derselben mittels des Temperatursensors 47 von der Steuereinheit 40 überwacht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn statt eines einzelnen Temperatursensors 47, der pauschal die gemischte Temperatur der aus allen Zylindern des Verbrennungsmotors stammenden Abgase misst, für jeden Zylinder ein separater Temperatursensor vorhanden ist. Damit kann die Abgastemperatur jedes einzelnen Zylinders separat gemessen und ausgewertet werden. Auf diese Weise kann die Steuereinheit 40 zum Beispiel Fehler an der Zündanlage erkennen, wenn dadurch die
Abgastemperatur eines einzelnen Zylinders beeinflusst wird. Fällt beispielsweise bei einem 4-Zylinder-Motor eine Zündkerze aus, so kann die Steuereinheit 40 in vielen Fällen das Gemisch so verändern, dass die verbleibenden drei Zylinder noch die geforderte Leistung abgeben. Diese arbeitenden Zylinder haben dann aber eine höhere Abgastemperatur als zulässig. Daraus folgt ein unruhiger Motorlauf und die Schädigung der Ventile. Durch einen Vergleich der Temperaturen der einzelnen Zylinder kann ein derartiger Ausfall früh erkannt und eine Motorschädigung vermieden werden.
Im Betrieb mit konstanter Leistungsanforderung kann die Steuereinheit 40 die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 allein über das Abgasregelventil 39 in Kombination mit dem Gasregelventil 28 regeln und konstant halten. Grundsätzlich kann auf diese Weise auch eine Veränderung der
Motordrehzahl bei geänderten Leistungsanforderungen eingeregelt werden. Dabei regelt sich die Anlage so aus, dass der Mitteldruck des Verbrennungsmotors 1 im Wesentlichen erhalten bleibt, sodass der Verbrennungsmotor 1 mit möglichst hohem Wirkungsgrad betrieben wird. Die Anpassung der Motordrehzahl kann dabei allerdings nur relativ langsam erfolgen. Andererseits ist es erstrebenswert, die Zeit zu minimieren, während der Verbrennungsmotor 1 mit nicht passender Motordrehzahl läuft. Zur Beschleunigung der Einstellung einer geänderten Motordrehzahl wird bei der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage das
Drosselorgan 35 verwendet. Wenn beispielsweise die Motordrehzahl schnell reduziert werden soll, wird die Drosselklappe 36 ganz oder zumindest teilweise geschlossen, was zu einer schnellen Verminderung der Motordrehzahl führt. Ist die geringere Motordrehzahl erreicht, wird das Drosselorgan 35 wieder ganz oder teilweise geöffnet. Danach regelt die Steuereinheit 40 das Abgasregelventil 39 und das Gasregelventil 28 so aus, dass auch mit ganz oder teilweise geöffnetem Drosselorgan 35 die gewünschte Zieldrehzahl konstant gehalten wird. Im umgekehrten Fall, wenn die Motordrehzahl schnell erhöht werden soll, wird die
Drosselklappe 36 des Drosselorgans 35 stärker oder maximal ganz geöffnet, was zu einem schnellen Ansteigen der Motordrehzahl führt. Ist die Zieldrehzahl erreicht, wird die Drosselklappe 36 wieder teilweise geschlossen und die Steuereinheit 40 regelt das Abgasregelventil 39 und das Gasregelventil 28 so aus, dass die Motordrehzahl konstant bleibt. Durch Öffnen oder Schließen des Drosselorgans 35 kann also die
Einregelung einer passenden Motordrehzahl zur Anpassung der
Motorleistung an die abgeforderte Leistung beschleunigt werden. Grundsätzlich ist der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 1 am besten, wenn er ungedrosselt laufen kann. Ein Schließen der
Drosselklappe 36 des Drosselorgans 35 verschlechtert den
Motorwirkungsgrad. Allerdings ist der Effekt bei niedrigen Drehzahlen geringer, als bei hohen Drehzahlen. Zu jeder Drehzahl gibt es einen Öffnungsgrad des Drosselorgans 35, bei dem eine Verschlechterung des Wirkungsgrades unterhalb eines wirtschaftlich relevanten Umfangs bleibt. Um die oben genannte Unterstützung der Änderung der Motordrehzahl durch das Drosselorgan 35 auch bei der Anpassung an höhere
Drehzahlen zu erhalten, muss die Drosselklappe 36 des Drosselorgans 35 teilweise geschlossen sein, ansonsten könnte man sie nicht zur
Unterstützung des Beschleunigungsvorgangs öffnen. Ganz offen kann das Drosselorgan 35 nur bei der höchsten nutzbaren Drehzahl des
Verbrennungsmotors 1 sein. Je geringer die Motordrehzahl ist, desto weiter kann die Drosselklappe 36 geschlossen werden, ohne dass die Verringerung des Wirkungsgrades eine wahrnehmbare wirtschaftliche Auswirkung hätte.
Man kann daher eine Grenze für die Verringerung des Wirkungsgrades festlegen, beispielsweise eine Verringerung des Wirkungsgrades um ein Prozent tolerieren. Dann lässt sich zu jeder Drehzahl einer
Drosselklappenstellung bestimmen, bei der der Wirkungsgrad um maximal ein Prozent verschlechtert wird. Die entsprechenden Werte sind in der Steuereinheit 40 abgespeichert. Wenn im Falle einer konstanten
Leistungsanforderung die Motordrehzahl konstant gehalten wird, steuert die Steuereinheit 40 über die dritte Steuerleitung 52 das Drosselorgan 35 so an, dass die Drosselklappe 36 auf den für die momentane
Motordrehzahl abgespeicherten Grad geschlossen wird, bei dem eine mit der Drosselung verbundene Verschlechterung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors 1 das vorgegebene Maß von beispielsweise ein Prozent nicht übersteigt. Auf diese Weise ist das Drosselorgan 35 immer so weit geschlossen, dass zwar eine Drosselung des
Verbrennungsmotors 1 bewirkt wird, die jedoch keine wirtschaftlich wesentliche Auswirkung auf den Wirkungsgrad des
Verbrennungsmotors 1 hat. Die Motordrehzahl wird von der
Steuereinheit 40 bei vorgegebener Stellung des Drosselorgans 35 durch Regelung Abgasregelventil 39 und das Gasregelventil 28 konstant gehalten.
Die Einstellung einer geänderten Motordrehzahl kann zusätzlich noch durch Ansteuerung des Umrichters 3 unterstützt werden. Werden beispielsweise 20 kW elektrischer Leistung bei 2300 Umdrehungen pro Minute erzeugt und handelt es sich dabei um eine der höchsten
Leistungen, die die Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage bietet, kann es Probleme geben, wenn diese 20 kW tatsächlich angefordert werden und das als Brenngas dienende Erdgas einen schlechteren Heizwert als üblich hat, bei dem die erforderlichen 2300 Umdrehungen pro Minute nicht erreicht werden, weil der Motor diese Leistung mit dem schlechten Erdgas nicht erzeugen kann. In diesem Fall kann die Steuereinheit 40 den Umrichter 3 so ansteuern, dass beispielsweise nur 19 kW elektrischer Leistung ins Stromnetz 10 eingespeist werden. Damit wird erreicht, dass der Verbrennungsmotor 1 auch mit schlechtem Erdgas die Motordrehzahl von 2300 Umdrehungen pro Minute erreicht. Damit werden zwar nicht die angeforderten 20 kW erzeugt, aber die abgegebene Leistung optimiert. Ohne die entsprechende Ansteuerung des Umrichters 3 würde die Motordrehzahl unter 2300 Umdrehungen pro Minute absinken und die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors 1 nicht voll genutzt werden. Zur Optimierung der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage in Bezug auf den Wirkungsgrad wird vorgeschlagen, dass der Generator 2 als
Permanentmagnet-Generator ausgestaltet ist. Zwar sind auch andere Bauarten möglich und gegebenenfalls sogar kostengünstiger zu beschaffen, aber nur der Permanentmagnet-Generator erzielt einen elektrischen Wirkungsgrad von 96 % oder mehr.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Verbrennungsmotor
2 Generator
3 Umrichter
4 erste Verbindungsleitung
5 Eingangsanschluss
6 Ausgangsanschluss
7 zweite Verbindungsleitung
8 lokale Verbraucher
9 Einspeiseschnittstelle / Netzeinspeisung
10 Stromnetz
1 1 Abgaswärmetauscher
12 Auspuffrohr / Abgasstrom
13 Eingang
14 Kühlschlange
15 Ausgang
16 Vorlaufleitung
17 Wärmeverbraucher / Wärmenutzung
18 Rücklaufleitung
19 Abgasrohr
20 Schalldämpfer
21 Ausgangsrohr
22 Lufteintrittsrohr
23 Luftfilter
24 Gasmischer
25 Venturidüse
26 Eintrittsöffnung
27 Austrittsöffnung
28 Gasregelventil 29 Hausanschlussleitung
30 erstes Gassicherheitsventil
31 zweites Gassicherheitsventil
32 Gemischrohr
33 Ansaugdämpfer
34 Verbindungsrohr
35 Drosselorgan
36 Drosselklappe
37 Ansaugrohr
38 Rückführrohr / Abgasrückführung
39 Abgasregelventil
40 Steuereinheit
41 erste Signalleitung
42 zweite Signalleitung
43 dritte Signalleitung
44 vierte Signalleitung
45 Spannungs-/Stromsensor
46 Lambda Sonde
47 Temperatursensor
48 fünfte Signalleitung
49 Wärmemengenmesser
50 erste Steuerleitung
51 zweite Steuerleitung
52 dritte Steuerleitung
53 vierte Steuerleitung
54 erste Kammer
55 zweite Kammer
56 Trennwand
57 Überström röhre
58 Austrittsöffnung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage mit einem Verbrennungsmotor (1 ), dessen Leistungsabgabe mittels Drehzahlvariation regelbar ist und der ein Drosselorgan (35) in seinem Ansaugtrakt (22, 32, 34, 37) aufweist, mit mindestens einem Abgaswärmetauscher (1 1 ), der mit dem Verbrennungsmotor (1 ) verbunden ist, um die vom
Verbrennungsmotor (1 ) erzeugte Wärme einer Wärmenutzung (17) zuzuführen, mit einem durch den Verbrennungsmotor (1 )
angetriebenen elektrischen Generator (2), mit einem Umrichter (3), dessen Eingangsanschluss (5) mit dem Generator (2) und dessen Ausgangsanschluss (6) mit lokalen Verbrauchern (8) und/oder mit einer Einspeiseschnittstelle (9) eines Stromnetzes (10) verbunden ist, wobei der Umrichter (3) die vom Generator (2) erzeugte elektrische Energie in Bezug auf Spannung, Frequenz und Leistungsbedarf an die von den lokalen Verbrauchern (8) oder dem Stromnetz (10) benötigten Werte anpasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine regelbare Abgasrückführung (38) mit einem Abgasregelventil (39), am Verbrennungsmotor (1 ) vorgesehen ist, dass im
Zusammenwirken mit dem Drosselorgan (35) die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors (1 ) an den Bedarf elektrischer Leistung oder den Wärmebedarf anpassbar ist, wobei durch eine Steuerung sichergestellt wird, dass der Verbrennungsmotor (1 ) vorzugsweise bei einem im Wesentlichen konstanten Mitteldruck im Bereich von 5 bar bis 8 bar betrieben wird.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (35) im Bereich der höchsten Motordrehzahl zumindest weitgehend geöffnet ist und bei geringeren Motordrehzahlen stets soweit schließbar ist, dass eine mit der Drosselung verbundene Verschlechterung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors (1 ) ein vorgegebenes Maß nicht übersteigt.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei größeren Änderungen des Bedarfs an elektrischer Leistung die Einregelung einer passenden Motordrehzahl durch ein stärkeres oder vollständiges Öffnen oder Schließen des Drosselorgans (35) unterstützbar ist, bis die passende Motordrehzahl erreicht ist.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine
Steuereinheit (40) aufweist, die Daten über den Betriebszustand des Umrichters (3) und/oder des Generators (2) und/oder Signale von Sensoren (45, 46, 47, 49) auswertet, aus denen der elektrische Leistungsbedarf und/oder der Wärmebedarf ermittelbar ist, und dass die Steuereinheit (40) zur Regelung der vom Verbrennungsmotor (1 ) abgegebenen Leistung auf das Drosselorgan (35) und das
Abgasregelventil (39) einwirkend ausgebildet ist.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen
Gasmischer (24) zur Herstellung eines dem Verbrennungsmotor (1 ) zuzuführenden Brennstoff-Luft-Gemisches aus einem brennbaren Gas und Luft aufweist und dass zur Regelung des Anteils von brennbarem Gas im Gemisch ein Gasregelventil (28) vorgesehen ist, welches durch die Steuereinheit (40) regelbar ist. 6. Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass in Gasströmungsrichtung nach dem
Gasmischer (24) ein Ansaugdämpfer (33) angeordnet ist, der aus mehreren Kammern (54, 55) und mehreren die Kammern (54, 55) verbindenden Überström röhren (57) besteht.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (38) in ein
Gemischrohr (32) zwischen dem Gasmischer (24) und dem
Ansaugdämpfer (33) oder direkt in die erste Kammer (54) des
Ansaugdämpfers (33) mündet.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom nach dem Verbrennungsmotor (1 ) eine Lambda Sonde (46) angeordnet ist, die mit der Steuereinheit (40) verbunden ist und dass die
Steuereinheit derart auf das Gasregelventil (28) und/oder das
Abgasregelventil (39) einwirkend ausgebildet ist, dass ein
vorgegebenes Verhältnis von nicht brennbaren Gasen zu
brennbarem Gas eingehalten wird.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom (12) nach dem Verbrennungsmotor (1 ) mindestens ein Temperatursensor (47), vorzugsweise für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors (1 ) ein gesonderter Temperatursensor, angeordnet und mit der
Steuereinheit (40) verbunden ist und dass die Steuereinheit 4(0) derart auf das Abgasregelventil (39) und/oder das Gasregelventil (28) einwirkend ausgebildet ist, dass eine vorgegebene Abgastemperatur oder ein Abgastemperaturbereich eingehalten wird.
Verfahren zum Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines im Wesentlichen stabilen Betriebszustandes der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage die Steuereinheit (40) die von den Verbrauchern (8) benötigte oder für die Netzeinspeisung (9) vorgesehene elektrische Leistung überwacht und die zur Erzeugung dieser elektrischen Leistung erforderliche Drehzahl des
Verbrennungsmotors (1 ) oder des Generators (2) konstant hält, indem sie die Stärke des rückgeführten Abgasstromes über das Abgasregelventil (39) regelt, wobei das Drosselorgan (35) die
Einregelung der passenden Motordrehzahl unterstützend geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten einer größeren Änderung des Bedarfs elektrischer Leistung die Einregelung einer zum neuen Leistungsbedarf passenden
Motordrehzahl dadurch beschleunigt wird, dass die Steuereinheit (40) zusätzlich zum Abgasregelventil (39) kurzfristig auch das
Drosselorgan (35) im Sinne der Änderung des Leistungsbedarfs regelt, bis die passende Motordrehzahl erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (35) unter Beibehaltung der für den
momentanen Bedarf an elektrischer Leistung oder den momentanen Wärmebedarf passenden Motordrehzahl immer soweit geschlossen wird, dass eine durch die Drosselung bewirkte Verschlechterung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors (1 ) ein vorgegebenes Maß nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1 ) quasi im
Magerbetrieb läuft und ein dafür erforderlicher Luftüberschuss durch eine Zumischung von Abgas ersetzt wird, vorzugsweise eine
Zumischung in Höhe von 20 %.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Abgastemperatur durch Zumischung von gekühltem Abgas eingeregelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass eine erforderliche Änderung der
Motordrehzahl durch eine Ansteuerung des Umrichters (3) unterstützt wird, bei der die elektrische Belastung des Generators (2) zur Erhöhung der Motordrehzahl verringert und zur Verringerung der Motordrehzahl erhöht wird.
PCT/EP2013/061489 2012-08-15 2013-06-04 Kraft-wärme-kopplungs-anlage WO2014026778A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13727861.0A EP2885527A1 (de) 2012-08-15 2013-06-04 Kraft-wärme-kopplungs-anlage

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012214538.9A DE102012214538A1 (de) 2012-08-15 2012-08-15 Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage
DE102012214538.9 2012-08-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014026778A1 true WO2014026778A1 (de) 2014-02-20

Family

ID=48579051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/061489 WO2014026778A1 (de) 2012-08-15 2013-06-04 Kraft-wärme-kopplungs-anlage

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2885527A1 (de)
DE (1) DE102012214538A1 (de)
WO (1) WO2014026778A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11739716B2 (en) 2021-09-01 2023-08-29 American CNG, LLC Supplemental fuel system for compression-ignition engine
CN116771496A (zh) * 2023-08-24 2023-09-19 常州大道机械有限公司 一种基于实时功率差值进行pid调节的发电机组

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018138007A1 (en) 2017-01-27 2018-08-02 Liebherr-Components Colmar Sas V-type 4-stroke internal combustion engine with 20 cylinders
CN112861448A (zh) * 2021-02-10 2021-05-28 清华大学 一种电-气耦合系统区间线性能流模型的求解方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0835411B1 (de) 1995-06-30 1999-09-29 Ecopower Energy Solutions AG Verfahren zur dosierung der wärmeleistung in wärme-kraft-koppelungsvorrichtungen und vorrichtung dazu
DE102008039141A1 (de) 2007-08-27 2009-03-19 Vaillant Gmbh Verfahren zur Leistungsregelung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
AT507802A4 (de) * 2009-03-17 2010-08-15 Vaillant Group Austria Gmbh Verfahren zur leistungsmodulation bei motorischen blockheizkraftwerken

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6880535B2 (en) * 2003-03-04 2005-04-19 Chapeau, Inc. Carburetion for natural gas fueled internal combustion engine using recycled exhaust gas
JP5330841B2 (ja) * 2009-01-27 2013-10-30 三菱重工業株式会社 Ｅｇｒ制御装置
JP5542032B2 (ja) * 2010-11-16 2014-07-09 大阪瓦斯株式会社 コージェネレーション装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0835411B1 (de) 1995-06-30 1999-09-29 Ecopower Energy Solutions AG Verfahren zur dosierung der wärmeleistung in wärme-kraft-koppelungsvorrichtungen und vorrichtung dazu
DE102008039141A1 (de) 2007-08-27 2009-03-19 Vaillant Gmbh Verfahren zur Leistungsregelung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
AT507802A4 (de) * 2009-03-17 2010-08-15 Vaillant Group Austria Gmbh Verfahren zur leistungsmodulation bei motorischen blockheizkraftwerken

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2885527A1

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11739716B2 (en) 2021-09-01 2023-08-29 American CNG, LLC Supplemental fuel system for compression-ignition engine
US11767811B2 (en) 2021-09-01 2023-09-26 American CNG, LLC Supplemental fuel system for compression-ignition engine
US20230304450A1 (en) * 2021-09-01 2023-09-28 American CNG, LLC Supplemental fuel system for compression-ignition engine
US11808221B2 (en) * 2021-09-01 2023-11-07 American CNG, LLC Supplemental fuel system for compression-ignition engine
US11835016B2 (en) 2021-09-01 2023-12-05 American CNG, LLC Supplemental fuel system for compression-ignition engine
CN116771496A (zh) * 2023-08-24 2023-09-19 常州大道机械有限公司 一种基于实时功率差值进行pid调节的发电机组
CN116771496B (zh) * 2023-08-24 2023-10-24 常州大道机械有限公司 一种基于实时功率差值进行pid调节的发电机组

Also Published As

Publication number Publication date
EP2885527A1 (de) 2015-06-24
DE102012214538A1 (de) 2014-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AT511001B1 (de) Verfahren zum betreiben einer über wenigstens zwei zylinder verfügenden brennkraftmaschine
DE102017131256B4 (de) Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor und Anomaliediagnosesystem für eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor
AT516134B1 (de) Brennkraftmaschine mit einer Regeleinrichtung
WO2014026778A1 (de) Kraft-wärme-kopplungs-anlage
DE102008007784A1 (de) Parallel-sequentielles Turboladen für verbesserte Abgastemperatursteuerung
EP2676018A1 (de) Antriebsstrang mit aufgeladenem verbrennungsmotor und turbocompoundsystem
AT515499B1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
EP0885352A1 (de) Otto-motor mit druckwellenlader
AT512890B1 (de) Brennkraftmaschine
DE102004032589A1 (de) Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung und Verfahren zu deren Betrieb
EP2441941A2 (de) Verbrennungsmotor sowie Nach/Umrüstsatz für einen solchen Verbrennungsmotor
DE102005012306A1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine hierzu
DE102009027639A1 (de) Abgasanlage mit Abgasrückführung
DE102006054463A1 (de) Verfahren zum Betrieb einer bivalenten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine
DE102020122974A1 (de) Systeme und verfahren zum erhöhen der motornennleistung unter global stöchiometrischem betrieb
EP0899436B1 (de) Verbrennungsmaschine mit Druckwellenmaschine
EP0091139B2 (de) Abgasturbolader an aufgeladenem Dieselmotor
EP2646678A2 (de) Verfahren und steuereinrichtung zum betrieb eines otto-gasmotors
DE60307676T2 (de) Katalytisches wärmedämmsystem für mehrbrennstoffmotor
DE19754353C2 (de) Gasmotor
DE820600C (de) Dampfkraftanlage, deren Kessel seine Verbrennungsluft aus einer Luftturbine erhaelt
EP1417405B1 (de) Verfahren zur regelung eines verbrennungsmotors mit abgasrückführung sowie einrichtung zur durchführung des verfahrens
EP2031235B1 (de) Verfahren zur Leistungsregelung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
DE102012013249A1 (de) Selbstzündende Brennkraftmaschine mit Einlassluft-Temperaturregelung und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
DE102018216860B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13727861

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013727861

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013727861

Country of ref document: EP