WO2014166536A1 - Verfahren und vorrichtung zur leistungsregelung einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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WO2014166536A1
WO2014166536A1 PCT/EP2013/057563 EP2013057563W WO2014166536A1 WO 2014166536 A1 WO2014166536 A1 WO 2014166536A1 EP 2013057563 W EP2013057563 W EP 2013057563W WO 2014166536 A1 WO2014166536 A1 WO 2014166536A1
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combustion engine
variable
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coolant
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PCT/EP2013/057563
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Roland Meyer-Pittroff
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Silicon Fire Ag
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present application relates to methods and apparatus for power control of an internal combustion engine.
  • the power control of the internal combustion engine takes place without partial load efficiency loss.
  • the power control of the internal combustion engine takes place without partial load efficiency loss.
  • Extra-high voltage cables are used to distribute electrical energy and are an integral part of today's supply infrastructure. They connect power generators (power plants) with consumers. In most networks AC voltage is transmitted. Since all producers in such networks work synchronously, which means that these producers all with the identical
  • Supply reliability also called availability
  • the voltage quality and the stability of the mains frequency.
  • a secure network operation requires the maintenance of the balance between supply and decrease in electrical energy.
  • One measure of this balance is the grid frequency.
  • the predominance of the feed leads to the increase of the frequency above the setpoint, the preponderance of the decrease to the reduction of the frequency.
  • the mains frequency is determined by the automatically acting control interventions of the primary control (seconds reserve) and the
  • Network operators within the interconnected network should be able to provide about 2% of its current electrical feed-in power as primary control power within 30 seconds, although large portions of the
  • Network operators are to procure and pay. The corresponding costs make z. In Germany, for example, about 40% of the network user charges (eg in 2007 about 950 million EUR).
  • the primary control band is in the frequency range of 49.800 to 50.200 Hz. When falling below or exceeding this range automatic shutdowns of consumers or
  • gas Otto engines i. Otto engines that use a fuel gas (eg natural gas, biogas or sewage gas) as fuel.
  • Gasoline engines absorb in the composition of optimal ignition, combustion and exhaust gas regulated fuel-air mixture. The power is - starting from the rated power - i.A. thereby reduced by an increasingly located in the intake passage of the engine throttle
  • Stationary gasoline engines are therefore preferably operated with rated load (with fully open throttle) and are generally poor for operation in the partial load range. Therefore, such motors are also poorly suited for participation in the power frequency control because they would have to be operated on average less than the rated load (e.g., at 90% rated load) to change their throttle position
  • the method comprises the following steps:
  • a vaporizable cooling liquid eg in the form of a
  • a fuel fluid eg, natural gas, biogas or sewage gas
  • a fuel fluid eg, natural gas, biogas or sewage gas
  • a current controlled variable for example the output power and / or the instantaneous power frequency
  • a mixture is provided in all embodiments, which is suitable for combustion in the internal combustion engine.
  • This mixture preferably comprises fractions of the fuel fluid, (intake) air and optionally portions of the cooling fluid.
  • the regulation of the performance of internal combustion engines is carried out according to the invention in all embodiments by changing the dosage of a cooling liquid for the injection cooling of the intake air or the intake mixture as a manipulated variable.
  • the power in the seconds range can be increased by up to approx. 30% compared to operation without injection cooling.
  • the power practically loss can be controlled by changing the dosage of the cooling liquid by about +/- 15% of this average output power. Due to the very low time inertia of this power control, it is ideally suited for participation in the mains frequency primary control.
  • Throttle valve if available. This form of power control is therefore referred to here as throttle-free control. Goal of this
  • Throttle-free control is an efficiency neutral adjustment of performance in response z. On a demand (e.g., if a detected current control falls below a threshold).
  • the invention is basically suitable for all
  • Combined heat and power plants which are usually operated at a constant speed and whose performance is not - as usual - can be influenced by changing the speed.
  • the invention is also suitable for other internal combustion engines, e.g. as a compressor or
  • Generator drives work eg for the drives of pipeline compressors or for power generators on ships, platforms and self-sufficient supply units, etc.).
  • a great advantage of the method of the invention is that the power is regulated, e.g. with charged engines by approx. 30%, over the interpretation / nominal achievement can be increased, without that except the device for
  • the air (intake air) or a fuel-air mixture (intake mixture) suck in gaseous form, compress and after compression of this working medium by combustion of the fuel (here generally called fuel fluid) within the working medium heat.
  • fuel here generally called fuel fluid
  • Such internal combustion engines are gasoline and diesel engines and open gas turbines.
  • the invention is preferably applicable to gasoline and diesel engines.
  • Embodiments use an evaporable cooling liquid comprising, in addition to water, a combustible component (e.g., in the form of an alcohol).
  • a combustible component e.g., in the form of an alcohol
  • According to the invention is preferably an alcoholic
  • Cooling liquid (which in addition to water contains, for example, methanol and / or ethanol) is used, the alcohol of H 2 - and C0 2 -containing synthesis gas was produced efficiently and economically sensible synthetic and regenerative as possible.
  • a cooling liquid is advantageous, which except for alcohol (preferably methanol) contains half to two-thirds of water.
  • the invention deliberately relies on an adaptation / conversion of stationary internal combustion engines, since such machines are already in use today in large numbers.
  • more and more internal combustion engines are added, which in many cases have a connection to the grid.
  • the corresponding investments can thus be used particularly meaningfully and the existing network infrastructure can be frequency-stabilized in an advantageous manner.
  • Coolant is preferably controlled and the individual processes are "linked" with each other in such a way that
  • regenerative electrical energy is used to provide the cooling liquid, as already indicated.
  • a methanol-water mixture is preferably prepared as a storage and transportable cooling liquid. D.h. , It is converted to chemical energy in a non-critical and relatively easy storage and transportable coolant.
  • This alcohol-containing cooling liquid is preferably according to the invention
  • the production of the cooling liquid as a relatively simple storage and transportable mixture can shut down at any time or even
  • the procedural parts of a production plant for the production of the mixture can be relatively simple and fast
  • the decision-making authority lies in the
  • An alcohol-water mixture, which is used according to the invention can, according to the invention advantageously using a
  • a new, energy-technically relevant method and a corresponding device are provided according to the invention in terms of plant technology and economic requirements, together with the demand for careful use of all material, energy and economic resources.
  • Compaction of the working medium preferably realized in multi-stage compression, z. B. in a two-stage compression of the working fluid of an internal combustion engine by a supercharger / compressor and the piston in the cylinder.
  • the injection cooling between individual compression stages which is referred to here as intermediate cooling, in addition to reducing the
  • the invention is concerned with the cooling of a working medium, i. in particular, there are methods and devices for the intake cooling and / or intercooling of an internal combustion engine for the purpose of regulating the power.
  • a working medium i. in particular, there are methods and devices for the intake cooling and / or intercooling of an internal combustion engine for the purpose of regulating the power.
  • it is about the frequency control using a (alcoholic) coolant.
  • the invention is preferably used in a heat-controlled CHP.
  • Such a CHP does not run permanently. It will start automatically when there is a heat demand. It is about, for example
  • the power output of the CHP can be influenced in a regulating manner. So z.
  • the electric power output in the grid-parallel operation of the CHP can be reduced by about 15% or increased by about 15%.
  • Such a CHP will pay off economically especially if the entire electricity and the entire heat are used meaningfully.
  • internal combustion engines can be provided, which allow in a certain range, a continuous reduction and / or increase of the (in the network) output power (for example, -15% to +15%). It is another advantage of such a stepless, preferably efficiency neutral, power control that the corresponding
  • Loss of efficiency can be operated, on the contrary, even with efficiency gain over the operation without injection cooling.
  • the invention can also be used in internal combustion engines that do not depend on the (network) network (called island operation), in such internal combustion engines, the electrical power provided within certain limits to the needs (eg in a network-autonomous building or in a robautarken local alternating voltage network).
  • the invention can also be used in an emergency generator for
  • FIG. 1 shows a schematic view of a plant, which has a
  • Compressor / charger with injection cooling includes;
  • Fig. 2 shows a schematic view of a system comprising a pre-compressor / loader with subsequent injection intercooling.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of the most important components / components of a first embodiment of the invention.
  • Internal combustion engine 64 can cool down both before
  • Heat of evaporation cools the intake air or the fuel-air mixture.
  • this cooling liquid 108 contains combustible constituents (ie when, for example, an alcohol-containing cooling liquid 108 is used), it takes on the subsequent combustion process in the internal combustion engine 64th with the release of additional combustion heat and the corresponding additional mechanical power part.
  • This additional mechanical power may be delivered as an additional electrical power (eg, via a connected generator 50) into an interconnected network 500.
  • Methanol is a particularly advantageous alcohol because it is the simplest alcohol that exists.
  • methanol has so far been produced in most cases from fossil fuels, for example from natural gas. Numerous methods and reactors for producing methanol are known. In the following, corresponding exemplary patent applications and patents are mentioned:
  • a particularly advantageous alcohol-water mixture 108 which is used according to the invention as a cooling liquid, can according to
  • Invention e.g. using an intelligent energy mix (as described, for example, in international patent application WO2010069622A1) from fossil and regenerative energy.
  • cooling liquid 108 is used here for liquid mixtures which can be used directly for the intake and / or intermediate cooling. This is especially about methanol-water or ethanol Water mixtures 108, or containing methanol or ethanol
  • Methanol-ethanol-water mixtures 108 may also be used in all embodiments.
  • the term mixture 108 is used herein because the product used herein is not one hundred percent alcohol. It is rather a so-called physical mixture of methanol and water, ethanol and water, or methanol, ethanol and water.
  • the following examples refer to methanol-water mixtures 108 but may be applied to the other mixtures 108 mentioned above.
  • the methanol and ethanol preferably originate from different reactors or plants and can then be brought together to form a methanol-ethanol-water mixture 108.
  • heat engine with internal combustion 64 is here for internal combustion engines 64, d. especially used for gasoline engines and diesel engines.
  • internal combustion engines 64 By the internal combustion of fuel 109 (in gaseous form or in liquid form) mechanical work is performed by an internal combustion engine 64.
  • This mechanical work can z. B. via a shaft 51 and a power generator 50 (eg., In the form of a
  • an internal combustion engine 64 can thus generate electrical energy
  • Network 500 brings. [00050]
  • turbomachinery can be used
  • Internal combustion engines serve 64, ie, the invention can be applied to both turbomachinery and internal combustion engines.
  • the intensity of the injection charge air cooling used with the mass flow of the cooling liquid 108 as a control variable for the control of a controlled variable.
  • the actual power of an internal combustion engine 64 or superordinate a network frequency can serve as a controlled variable.
  • the devices 100 of the invention are all controllable with respect to their (mechanical and / or electrical) power output. Devices 100 of the invention are therefore suitable for frequency regulation in a local or
  • the control is a process in the apparatus 100 where the quantity to be controlled (e.g., the actual motor power or actual grid frequency) is continuously measured and at the setpoint (eg, the rated power of an internal combustion engine 64 or the nominal power
  • Mains frequency of 50,000 Hz is compared.
  • the mass flow of the cooling liquid is used as a manipulated variable.
  • Devices of the invention therefore have a feedback between the output side (where the actual value of the controlled variable is determined) and the input side (mixture formation region G of the internal combustion engine 64).
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of the most important building blocks / components of a further embodiment of the invention. This figure shows a plant 100, the pre-compressor / loader 65 with
  • the cooling according to the invention can in all embodiments in a range between a compressor and e.g. one
  • Intake module / intake of the internal combustion engine 64 done.
  • the invention is preferably used to the charge air after a compressor (eg, a turbocharger or compressor) on the input side G of an internal combustion engine 64 to cool.
  • a compressor eg, a turbocharger or compressor
  • FIG. 2 An injection-charge air cooling device 100 is shown. It is on the description of FIG. 1, since the essential aspects have already been explained in connection with FIG. 1. Unlike in Fig. 1, in Fig. 2, the cooling liquid in the region between a compressor 65 and the
  • Internal combustion engine 64 used for cooling the gas flow supplied thereto.
  • the actuator 62 is represented by a triangular symbol
  • one or more of the following actuators 62 may be used on the input side or in the region of the mixture spreading G of the internal combustion engine 64 in order to control the injection quantity of the cooling fluid 108:
  • Variable-section valves in a coolant inflow line 66 (see, e.g., Fig. 1),
  • one or more on and off switchable cooling liquid injection nozzles 67 (see for example Fig. 2).
  • the actuator 62 is represented by a triangular symbol
  • This compressor 65 is optional.
  • An apparatus 100 of the invention comprises at least one
  • Internal combustion engine 64 designed to combust the fuel fluid 109. In addition, it is connectable to a tank 63 for the fuel fluid 109 and to a tank 61 for the evaporable cooling liquid 108.
  • the Line for the fuel fluid 109 is designated by the reference numeral 110 in the figures.
  • Thede effetkeitssuström admirably bears the reference numeral 66.
  • the device 100 includes a special control device 10 and a device for receiving a controlled variable f is .
  • the device for receiving a controlled variable f ist is an active or passive (signal) input (port) of the control device 10.
  • the device 100 comprises means 11 for providing / presetting a manipulated variable SG ,
  • the means 11 may be implemented in the form of software or hardware or a combination of software and hardware.
  • the device 100 further comprises means 62, which are designed for injecting the cooling liquid 108. These means 62 for injecting the cooling liquid 108 are arranged in the input region G of the internal combustion engine 64, as indicated in FIGS. 1 and 2. Either sit the means 62 for injecting z. B.
  • the means 62 for injecting the cooling liquid 108 is an actuator whose throughput of cooling liquid 108 can be regulated via the manipulated variable SG.
  • the control device 10 preferably includes at all
  • Embodiments of a software SW and / or hardware eg, an application-specific programmed, integrated circuit
  • a network frequency eg., The frequency of the interconnected network 500
  • a frequency size f is (also called actual network frequency) is used as a controlled variable.
  • the invention can be used particularly advantageously in the environment of a CHP. It should be noted in the European legal area that many of the CHPs are operated specifically according to specifications (in Germany, for example, according to the EEG) for the use of renewable energy. EEG stands for Renewable Energy Law. At such BH KW may only Used fuels that are approved. The same applies analogously to the coolant 108th That is, in such CHP must be regeneratively produced
  • Coolant 108 are used, which has previously received a corresponding approval.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung einer Verbrennungskraftmaschine (64) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen einer verdampfbaren Kühlflüssigkeit (108), - Bereitstellen eines Brennstofffluids (109) zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (64), - Einbringen des Brennstofffluids (109) und von Ansaug-Luft in die Verbrennungskraftmaschine (64), - Verbrennen des Brennstofffluids zusammen mit der Ansaug-Luft in der Verbrennungskraftmaschine (64), - Umwandeln mindestens eines Teils der Wärmeenergie, die beim Verbrennen des Brennstofffluids (109) entsteht, in mechanische Ausgangsleistung, - Ermitteln einer aktuellen Regelgrösse, - Regeln der Ausgangsleistung als Reaktion auf die ermittelte aktuelle Regelgrösse durch ein Einsetzen der Kühlflüssigkeit (108) in einem Eingangsbereich (G) der Verbrennungskraftmaschine (64), wobei durch das Einsetzen der Kühlflüssigkeit (108) in dem Eingangsbereich (G) Ansaug-Luft oder ein Ansaug-Gemisch der Verbrennungskraftmaschine (64) gekühlt wird und damit die Ausgangsleistung geregelt werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Leistungsregelung
einer Verbrennungskraftmaschine
[0001] Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungsregelung einer Verbrennungskraftmaschine. Vorzugsweise erfolgt die Leistungsregelung der Verbrennungskraftmaschine ohne Teillast- Wirkungsgradverlust. Z.B. geht es um die Leistungs- oder Frequenzregelung in einem Stromversorgungssystem.
[0002] Verbundnetze, wie das europaweite Stromnetz aus Hoch- und
Höchstspannungs-Leitungen, dienen zur Verteilung elektrischer Energie und sind ein wesentlicher Bestandteil der heutigen Versorgungsinfrastruktur. Sie verbinden Stromerzeuger (Kraftwerke) mit Verbrauchern. In den meisten Netzen wird Wechselspannung übertragen. Da alle Erzeuger in solchen Netzen synchron arbeiten, was bedeutet, dass diese Erzeuger alle mit der identischen
Netzfrequenz und Phasenlage arbeiten, können diese Erzeuger über sogenannte Umspannwerke direkt an das Netz angeschlossen werden . Die Vorgaben für die Netzfrequenz in diesen Netzen sind besonders streng. Die nominale Netzfrequenz im europäischen Verbundnetz beträgt z.B. 50,000 Hz (max. zulässige Regel- Abweichung im europäischen UCTE-Netz +/-200 mHz). UCTE steht für Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity. [0003] Wichtige Aspekte der Verbundnetze sind die
Versorgungszuverlässigkeit (auch Verfügbarkeit genannt), die Spannungsqualität und die Stabilität der Netzfrequenz. [0004] Ein sicherer Netzbetrieb setzt die Wahrung des Gleichgewichtes zwischen Einspeisung und Abnahme der elektrischen Energie voraus. Ein Maß für dieses Gleichgewicht ist die Netzfrequenz. Das Überwiegen der Einspeisung führt zur Steigerung der Frequenz über den Sollwert, das Überwiegen der Abnahme zur Verringerung der Frequenz. Die Netzfrequenz wird durch die automatisch wirkenden Regeleingriffe der Primärregelung (Sekundenreserve) und der
Sekundärregelung (Substitution der Primärregelung nach über 30 s andauernder Abweichung vom Sollwert) und durch die vom Netzbetreiber abzurufende
Zusatzleistung (Minutenreserve) stabilisiert. Die Primärregelung wird bisher weitgehend von schnell reagierenden Dampf-, Gas- und Wasserturbinen übernommen. An der Vorhaltung der im gesamten UCTE-Synchrongebiet benötigten Primärregelleistung beteiligen sich die deutschen
Übertragungsnetzbetreiber gemäß den Anforderungen der UCTE. Jeder
Netzbetreiber innerhalb des Verbundnetzes soll innerhalb von 30 Sekunden ca. 2 % seiner momentanen elektrischen Einspeiseleistung als Primärregelleistung zur Verfügung stellen können, wobei allerdings große Anteile der
Erzeugungskapazität wie Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen sich daran bisher nicht beteiligen. 2012 war das Jahresmittel der Bruttostromerzeugung in
Deutschland 70500 MW; 2 % Primärregelleistung davon sind 1410 MW. Im gesamten UCTE-Netz ist die vorgehaltene Primärregelleistung ca. 3000 MW. Aufrechterhaltung der Soll-Netzfrequenz und Beschaffen und Vorhalten von positiver und negativer Regelenergie sind Netzdienstleistungen, die vom
Netzbetreiber zu beschaffen und zu bezahlen sind . Die entsprechenden Kosten machen z. B. in Deutschland ca. 40 % der Netznutzungsentgelte aus (z. B. 2007 ca. 950 Mio. EUR).
[0005] Im europäischen UCTE-Verbundnetz liegt das Primärregelband im Frequenzbereich von 49,800 bis 50,200 Hz. Bei Unter- oder Überschreiten dieses Bereiches erfolgen automatische Abschaltungen von Verbrauchern oder
Erzeugern. [0006] Zur Zeit speisen nahezu alle regenerativen elektrischen Energieerzeuger in das öffentliche Wechselspannungs-Verbundnetz ein, dessen Frequenz, wie bereits erwähnt, nur innerhalb sehr enger Grenzen schwanken darf. Die Notwendigkeit, für die fluktuierend arbeitenden und bisher praktisch nicht regelbaren Windkraft- und Photovoltaikanlagen immer die ausreichenden Reserve- und Frequenzregelkapazitäten vorhalten zu müssen, führt zur entsprechenden Verteuerung der Stromversorgung mit diesen Anlagen.
Außerdem verdrängen diese praktisch nicht regelbaren Anlagen in stark steigendem Maße regelbare Turbinenkraftwerke aus dem Netz, so dass ein Defizit an regelbarer Kraftwerksleistung droht. Neue, zusätzliche
Frequenzregelkapazitäten werden benötigt.
[0007] Der zahlenmäßig größte Teil der in Mitteleuropa in Betrieb
befindlichen stationären Verbrennungskraftmaschinen sind Gas-Otto-Motoren, d.h. Otto-Motoren, die ein Brenngas (z. B. Erd-, Bio- oder Klärgas) als Kraftstoff nutzen. Otto-Motoren saugen ein in der Zusammensetzung auf optimales Zünd-, Verbrennungs- und Abgasverhalten geregeltes Kraftstoff-Luft-Gemisch an . Die Leistung wird - ausgehend von der Nennleistung - i.A. dadurch verringert, indem eine im Ansaugkanal des Motors befindliche Drosselklappe zunehmend
geschlossen wird. Durch den dadurch verursachten Strömungswiderstand
(Drosselverlust genannt) werden der Volumen- und Massenstrom des
Ansauggemisches und dadurch die Leistung entsprechend verringert. Ein großer Nachteil von Otto-Motoren ist, dass durch den Drosselverlust der spezifische Kraftstoffverbrauch erhöht wird . Bei Otto-Motoren sinkt der Teillastwirkungsgrad mit Verringerung der Leistung deshalb stark ab.
[0008] Stationäre Otto-Motoren werden deshalb bevorzugt mit Nennlast (bei voll geöffneter Drosselklappe) betrieben und eignen sich grundsätzlich schlecht für den Betrieb im Teillastbereich. Daher sind solche Motoren auch bisher schlecht für die Teilnahme an der Netzfrequenz-Regelung geeignet, da sie dafür im zeitlichen Mittel unterhalb der Nennlast (z.B. bei 90 % Nennlast) betrieben werden müssten, um durch Veränderung der Drosselklappenstellung ihre
Leistung z.B. im Bereich von 80 bis 100 % der Nennleistung verändern zu können. Damit sind wesentliche Wirkungsgrad-Einbußen und entsprechende Erhöhungen des spezifischen Kraftstoffverbrauches verbunden. [0009] Es stellt sich nun die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die es ermöglichen, Verbrennungskraftmaschinen, z. B. für die (Netz-)Frequenzregelung in einem Wechselspannungssystem einsetzen zu können. Es stellt sich in diesem Zusammenhang auch die Aufgabe,
Verbrennungskraftmaschinen mit möglichst geringen Wirkungsgradverlusten in ihrer Leistung regeln zu können.
[00010] Gemäss Erfindung geht es um ein Verfahren zur weitgehend Verlust freien Leistungsregelung (d .h. Wirkungsgrad neutrale Regelung) einer
Verbrennungskraftmaschine. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte :
- Bereitstellen einer verdampfbaren Kühlflüssigkeit (z. B. in Form eines
Methanol- Wasser-Gemischs),
- Bereitstellen eines Brennstofffluids (z. B. Erd-, Bio- oder Klärgas) als Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine,
- Einbringen des Brennstofffluids in den Bereich der Gemischbildung(hier
Gemischbildungsbereich genannt) mit der Verbrennungsluft der
Verbrennungskraftmaschine,
- Umsetzen/Verbrennen des Brennstofffluids mit der (Ansaug-)Luft in einem Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine,
- Umwandeln mindestens eines Teils der Wärmeenergie, die beim Verbrennen des Brennstofffluids entsteht, in mechanische Ausgangsleistung,
- Ermitteln einer aktuellen Regelgrösse (z.B. der Ausgangsleistung und/oder der momentanen Netzfrequenz),
- Regeln der Ausgangsleistung als Reaktion auf die ermittelte aktuelle
Regelgrösse durch ein Einbringen der Kühlflüssigkeit in den
Gemischbildungsbereich und/oder den Ansaugbereich der
Verbrennungskraftmaschine als Stellgröße, wobei durch das Einbringen der Kühlflüssigkeit die Ansaug-Luft oder das Ansaug-Gemisch der
Verbrennungskraftmaschine gekühlt wird und damit die Ausgangsleistung (nach oben oder nach unten) geregelt (vorzugsweise erhöht) werden kann.
[00011] In dem Gemischbildungsbereich wird bei allen Ausführungsformen ein Gemisch bereit gestellt, das zur Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine geeignet ist. Dieses Gemisch umfasst vorzugsweise Anteile des Brennstofffluids, (Ansaug-)Luft und ggfs Anteile der Kühlflüssigkeit. [00012] Die Regelung der Leistung von Verbrennungskraftmaschinen erfolgt gemäss Erfindung bei allen Ausführungsformen durch eine Veränderung der Dosierung einer Kühlflüssigkeit für die Einspritzkühlung der Ansaug-Luft oder des Ansaug-Gemisches als Stellgröße. Durch die entsprechende Einspritzkühlung kann die Leistung im Sekundenbereich um bis zu ca. 30 % erhöht werden im Vergleich zum Betrieb ohne Einspritzkühlung . Wird die
Verbrennungskraftmaschine im zeitlichen Mittel mit mittlerem
Einspritzmassenstrom betrieben, so kann die Leistung praktisch Verlust frei durch Veränderung der Dosierung der Kühlflüssigkeit um ca. +/- 15 % dieser mittleren Ausgangsleistung geregelt werden. Wegen der sehr geringen zeitlichen Trägheit dieser Leistungsregelung eignet sie sich hervorragend zur Teilnahme an der Netzfrequenz-Primärregelung .
[00013] Die Regelung der Leistung von Verbrennungskraftmaschinen erfolgt gemäss Erfindung vorzugsweise ohne das Verändern der Stellung einer
Drosselklappe, falls vorhanden. Diese Form der Leistungsregelung wird hier daher auch als drosselklappenfreie Regelung bezeichnet. Ziel dieser
drosselklappenfreien Regelung ist eine Wirkungsgrad neutrale Anpassung der Leistung als Reaktion z. B. auf einen Bedarf (z.B. wenn eine ermittelte aktuelle Regelgrösse unter einen Grenzwert sinkt).
[00014] Durch die Einspritzkühlung der Ansaug-Luft oder des Ansaug- Gemisches wird vor deren Eintritt in den Verbrennungsraum deren Temperatur verringert und infolge dessen deren Dichte erhöht, so dass im Ansaugtakt des Verbrennungsmotors mehr Masse in den Arbeits- oder Verbrennungsraum des Motors befördert werden kann, infolge dessen mehr Brennstoff unter mehr Wärmeentwicklung verbrannt werden kann und dadurch die mechanische Arbeit pro Hub steigt bzw. bei konstanter Drehzahl das Drehmoment und die Leistung des Motors steigen.
[00015] Die Erfindung eignet sich grundsätzlich für alle
Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere für aufgeladene
Verbrennungsmotoren, bei denen durch die Druckerhöhung des Ansaugmediums durch einen Lader des aufgeladenen Verbrennungsmotors ein Temperaturanstieg des Mediums erfolgt. Ganz besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren für stationäre Verbrennungskraftmaschinen, z.B. von
Blockheizkraftwerken (BHKW), die meist mit konstanter Drehzahl betrieben werden und deren Leistung nicht - wie sonst üblich - durch Veränderung der Drehzahl beeinflusst werden kann. Die Erfindung eignet sich aber auch für andere Verbrennungskraftmaschinen, die z.B. als Verdichter- oder
Generatorantriebe arbeiten (z. B. für die Antriebe von Pipelineverdichtern oder für Stromerzeuger auf Schiffen, Plattformen und autarken Versorgungseinheiten usw.).
[00016] Ein großer Vorteil des Verfahrens der Erfindung ist, dass die Leistung geregelt, z.B. bei aufgeladenen Motoren um bis ca. 30 %, über die Auslegungs- /Nennleistung erhöht werden kann, ohne dass ausser der Vorrichtung zur
(Einspritz-)Kühlung irgendwelche baulichen Änderungen an der
Verbrennungskraftmaschine notwendig sind .
[00017] Eine entsprechende Nachrüstung ist ohne Probleme auch bei vorhandenen Verbrennungskraftmaschinen möglich. Außerdem kann sich der spezifische Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschinen durch den Einsatz der Erfindung um 5-15 % vermindern. Dieser Vorteil gilt grundsätzlich für alle Motoranwendungen.
[00018] Insbesondere geht es hier bei allen Ausführungsformen um
Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung, das heißt, es geht um
Verbrennungskraftmaschinen, die Luft (Ansaug-Luft) oder ein Kraftstoff-Luft- Gemisch (Ansaug-Gemisch) gasförmig ansaugen, verdichten und nach der Verdichtung diesem Arbeitsmedium durch Verbrennung des Kraftstoffes (hier allgemein Brennstofffluid genannt) innerhalb des Arbeitsmediums Wärme zuführen. Solche Verbrennungskraftmaschinen sind Otto- und Diesel-Motoren und offene Gasturbinen. Die Erfindung lässt sich vorzugsweise auf Otto- und Diesel-Motoren anwenden.
[00019] In Deutschland waren Ende 2012 allein Biogas-BHKW mit Gas-Otto- Motoren mit einer elektrischen Gesamtleistung von 3185 MW installiert. Wenn von dieser Leistung nur 15 % erfindungsgemäß für die Primärregelung des Verbundnetzes aktiviert werden könnten, wäre dies ein Beitrag von 34 % zur im Jahresmittel in Deutschland benötigten Primärregelleistung. In Europa betrug 2012 die installierte elektrische BHKW-Leistung ca. 45000 MW, wofür Erd-, Bio- und Klärgas die wichtigsten Brennstoffe waren. [00020] Bei Otto- und Diesel-Motoren kommt vorzugsweise bei allen
Ausführungsformen eine verdampfbaren Kühlflüssigkeit zum Einsatz, die neben Wasser einen brennbaren Bestandteil umfasst (z.B. in Form eines Alkohols).
Diese Form der verdampfbaren Kühlflüssigkeit wird hier als alkoholhaltige
Kühlflüssigkeit bezeichnet.
[00021] Gemäss Erfindung wird vorzugsweise eine alkoholhaltige
Kühlflüssigkeit (die neben Wasser z. B. Methanol und/oder Ethanol enthält) eingesetzt, deren Alkohol aus H2- und C02-haltigem Synthesegas effizient und wirtschaftlich sinnvoll auf synthetischem und möglichst regenerativem Wege erzeugt wurde.
[00022] Bei einem Teil der Ausführungsformen geht es um das Kühlen der Ansaugluft eines Diesel-Motors. Ein Mischbetrieb eines solchen Diesel-Motors, bei dem einerseits Dieselkraftstoff und andererseits als Kühlflüssigkeit reiner Alkohol (der sich beim Verbrennen benzinähnlich verhält) eingesetzt wird, kann die Lebensdauer des Diesel-Motors negativ beeinträchtigen. Daher ist gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung in diesen Fällen der Einsatz einer Kühlflüssigkeit vorteilhaft, die außer Alkohol (vorzugsweise Methanol) zur Hälfte bis zu zwei Dritteln Wasser enthält.
[00023] Die Erfindung setzt bewusst auf eine Anpassung/Umnutzung stationärer Verbrennungskraftmaschinen, da sich solche Maschinen bereits heute in grosser Anzahl im Einsatz befinden. Ausserdem kommen permanent weitere Verbrennungskraftmaschinen hinzu, die in vielen Fällen eine Verbindung mit dem Verbundnetz haben. Die entsprechenden Investitionen können somit besonders sinnvoll genutzt und die vorhandene Netzinfrastruktur kann in vorteilhafter Art und Weise frequenzstabilisiert werden.
[00024] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung der
Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise so gesteuert und die einzelnen Prozesse werden so miteinander„verknüpft", dass
- der Gesamtertrag und die Qualität der Kühlflüssigkeit ideal für den
Einsatzzweck ist,
- und/oder die C02-(Gesamt-)Emission möglichst minimal wird .
[00025] Vorzugsweise wird regenerative elektrische Energie zum Bereitstellen der Kühlflüssigkeit eingesetzt, wie bereits angedeutet.
[00026] Mit einer entsprechenden Produktionsanlage wird vorzugsweise ein Methanol-Wasser-Gemisch als Speicher- und transportierbare Kühlflüssigkeit hergestellt. D.h . , es wird Energie auf chemischem Wege in eine unkritische und relativ einfach Speicher- und transportierbare Kühlflüssigkeit überführt. Diese alkoholhaltige Kühlflüssigkeit wird gemäss Erfindung vorzugsweise zur
Leistungsregelung einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, um so z. B. eine Netzfrequenzstabilisierung zu ermöglichen .
[00027] Die Produktion der Kühlflüssigkeit als relativ einfach Speicher- und transportierbares Gemisch kann jederzeit heruntergefahren oder gar
unterbrochen werden . Die verfahrenstechnischen Teile einer Produktionsanlage zur Herstellung des Gemischs können relativ einfach und schnell
heruntergefahren oder abgeschaltet werden oder in Abhängigkeit von der Netzfrequenz betrieben werden . Hier liegt die Entscheidungshoheit im
Verantwortungsbereich des Betreibers der Anlage. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, auch die Anlage zur Produktion der Kühlflüssigkeit an der
Stabilisierung und/oder der Frequenzregelung des elektrischen Verbundnetzes zu beteiligen . Bei bevorzugten Ausführungsformen kann also nicht nur durch das Abkühlen der Ansaug-Luft bzw. des Ansaug-Gemisches einer
Verbrennungskraftmaschine sondern auch durch die Produktionsanlage(n) eine Netzfrequenzstabilisierung erzielt werden .
[00028] Ein Alkohol-Wasser-Gemisch, das gemäss Erfindung zum Einsatz kommt, kann gemäss Erfindung vorteilhafterweise unter Einsatz eines
intelligenten Energiemixes (wie z. B. in der internationalen Patentanmeldung WO2010069622A1 beschrieben) aus fossiler und regenerativer Energie erzeugt werden . [00029] Unter Beachtung entsprechender energietechnischer,
anlagentechnischer und wirtschaftlicher Vorgaben, zusammen mit der Forderung nach schonender Nutzung aller stofflichen, energetischen und ökonomischen Ressourcen, werden gemäß Erfindung ein neues, energietechnisch relevantes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereitgestellt.
[00030] Es ist auch ein Vorteil der Erfindung, dass eine Kühlung des
Arbeitsmediums vor dem Einbringen in den Verbrennungsraum zur Erhöhung von spezifischer Leistung und Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine führt.
[00031] Apparativ/konstruktiv wird die Einspritz-Kühlung während der
Verdichtung des Arbeitsmediums vorzugsweise bei mehrstufiger Verdichtung realisiert, z. B. bei einer zweistufigen Verdichtung des Arbeitsmediums einer Verbrennungskraftmaschine durch einen Lader/Kompressor und den Kolben im Zylinder. Die Einspritz-Kühlung zwischen einzelnen Verdichtungsstufen, die hier als Zwischenkühlung bezeichnet wird, kann neben der Verringerung der
Druckverluste im Ansaugtrakt (im Vergleich zur Wärmetauscher- Zwischenkühlung) und der Verdichtungsarbeit ebenfalls zu den oben erwähnten Vorteilen führen, die aus der Erhöhung der Dichte des Arbeitsmediums in den nachfolgenden Stufen und der Temperaturerniedrigung des Verbrennungsbeginns zusammenhängen. Daraus ergeben sich Leistungs- und Wirkungsgrad- Erhöhungen und eine NOx-Emissionsverminderung.
[00032] Es geht bei der Erfindung also um die Kühlung eines Arbeitsmediums, d.h. es geht im Speziellen um Verfahren und Vorrichtungen zur Ansaugkühlung und/oder Zwischenkühlung einer Verbrennungskraftmaschine zum Zweck der Regelung der Leistung. Insbesondere geht es um die Frequenzregelung unter Einsatz einer (alkoholhaltigen) Kühlflüssigkeit. [00033] Die Erfindung wird vorzugsweise in einem wärmegeführten BHKW eingesetzt. Ein solches BHKW läuft nicht permanent. Es wird automatisch gestartet, wenn ein Wärmebedarf vorliegt. Es geht dabei zum Beispiel um
Wärme, die zum Heizen oder für die Warmwasserversorgung benötigt wird.
Wenn nun die Netzfrequenz im Verbundsystem nach oben geht, so kann das BHKW nicht einfach abgeschaltet werden, da es Wärme bereit stellt, die benötigt wird . Durch den Einsatz der erfindungsgemässen Frequenzstabilisierung kann aber regelnd auf die Leistungsabgabe des BHKW Einfluss genommen werden. So kann z. B. die im netzparallelen Betrieb des BHKW ins Verbundnetz abgegebene elektrische Leistung um ca. 15 % reduziert oder um ca. 15 % erhöht werden. Ein solches BHKW rechnet sich wirtschaftlich vor allem dann, wenn der gesamte Strom und die gesamte Wärme sinnvoll genutzt werden. Die Erfindung
ermöglicht den wirtschaftlichen (Weiter-)Betrieb eines BHKW auch dann, wenn konventionelle BHKW vom Netz genommen werden müssten.
[00034] Es ist auch möglich, mit der Erfindung die ins Netz abgegebene elektrische Leistung zu reduzieren, wenn eine bestimmte Temperatur in einem Wärmespeicher eines BHKW erreicht ist. Dadurch können einerseits die Laufzeit erhöht und gleichzeitig Lebensdauerverzehr und Wartungsaufwand reduziert werden. Andere leistungsregelbare BHKW im Netz können dann z.B. unter Einsatz der Erfindung um einige Prozent hochgeregelt werden, um die fehlende Leistung zu kompensieren.
[00035] Gemäss Erfindung können Verbrennungskraftmaschinen bereit gestellt werden, die in einem gewissen Bereich eine stufenlose Reduzierung und/oder Erhöhung der (ins Netz) abgegebenen Leistung (z.B. -15 % bis +15 %) ermöglichen. Es ist ein weiterer Vorteil einer solchen stufenlosen, vorzugsweise Wirkungsgrad neutralen, Leistungsregelung, dass die entsprechenden
Verbrennungskraftmaschinen dabei schonend, Verschleiß arm und ohne
Wirkungsgradverlust betrieben werden können, im Gegenteil sogar noch mit Wirkungsgradgewinn gegenüber dem Betrieb ohne Einspritzkühlung.
[00036] Die Erfindung kann auch in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, die nicht am (Verbund-)Netz hängen (Inselbetrieb genannt), um bei solchen Verbrennungskraftmaschinen die bereitgestellte elektrische Leistung in gewissen Grenzen an den Bedarf (z.B. in einem netzautarken Gebäude oder in einem netzautarken lokalen Wechselspannungsnetz) anzupassen.
[00037] Die Erfindung kann auch in einem Notstromgenerator zur
Leistungsregelung eingesetzt werden. [00038] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Beschreibung, den Figuren und den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
[00039] In den Zeichnungen sind verschiedene Aspekte der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 : zeigt eine schematische Ansicht einer Anlage, die einen Vor-
Verdichter/Lader mit Einspritzkühlung umfasst;
Fig. 2 : zeigt eine schematische Ansicht einer Anlage, die einen VorVerdichter/Lader mit anschließender Einspritz-Ladeluftkühlung umfasst.
[00040] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung die wichtigsten Bausteine/Komponenten einer ersten Ausführungsform der Erfindung .
[00041] Gemäss Erfindung wird durch das Einspritzen/Einbringen einer Kühlflüssigkeit 108 erreicht, dass die Ansaugluft bzw. das Kraftstoff-Luft- Gemisch auf der Eingangsseite G (hier der Einfachheit halber
Gemischbildungsbereich der Verbrennungskraftmaschine genannt) einer
Verbrennungskraftmaschine 64 abkühlen kann und zwar sowohl vor der
Verdichtung im Ansaugtrakt, während der Verdichtung (wie in Fig . 1 dargestellt) als auch nach der Vorverdichtung anstelle des Zwischenkühlers oder auch nach einem konventionellen Zwischenkühler/Wärmetauscher. Durch das Einspritzen einer solchen Flüssigkeit 108 in die Ansaugluft bzw. in das Kraftstoff- Luft - Gemisch können Leistungs- und Wirkungsgradgewinne praktisch ohne
Druckverlust der Strömung zum Verbrennungsraum erzielt werden. Das liegt daran, dass die Kühlflüssigkeit 108 verdampft und entsprechend ihrer
Verdampfungswärme die Ansaugluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch abkühlt. Diese Leistungs- und Wirkungsgradgewinne erfolgen ohne das Verstellen einer Drosselklappe und ohne Veränderung der Drehzahl der
Verbrennungskraftmaschine.
[00042] Wenn diese Kühlflüssigkeit 108 brennbare Bestandteile enthält (wenn also z.B. eine alkoholhaltige Kühlflüssigkeit 108 zum Einsatz kommt), nimmt sie am nachfolgenden Verbrennungsvorgang in der Verbrennungskraftmaschine 64 unter Abgabe von zusätzlicher Verbrennungswärme und dem entsprechend zusätzlicher mechanischer Leistung teil. Diese zusätzliche mechanische Leistung kann als zusätzliche elektrische Leistung (z. B. über einen angeschlossenen Generator 50) in ein Verbundnetz 500 abgegeben werden.
[00043] Man kann je nach Ausgestaltung der entsprechenden Aggregate einer solchen Verbrennungskraftmaschine 64 und je nach Einsatz von Kühlflüssigkeiten 108 unterschiedliche Effekte erzielen. So können zum Beispiel die
Gesamtleistung und die innere Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 64 erhöht werden.
[00044] Wenn Alkohol zum Einsatz kommt, verbrennt dieser zusammen mit dem Brennstofffluid 109 (Primärkraftstoff wie Benzin, Diesel oder Gas) in der Verbrennungskraftmaschine. Falls der Alkohol 108 aus fossilen Rohstoffen gewonnen wurde, dann führt das Verbrennen des Alkohols jedoch zur
zusätzlichen C02-Emission.
[00045] Methanol ist ein besonders vorteilhafter Alkohol, da er der einfachste Alkohol ist, den es gibt. Methanol wird jedoch bisher in den meisten Fällen aus fossilen Rohstoffen, zum Beispiel aus Erdgas, hergestellt. Es sind zahlreiche Verfahren und Reaktoren zur Herstellung von Methanol bekannt. Im Folgenden sind entsprechende beispielhafte Patentanmeldungen und Patente genannt:
- EP 0 790 226 Bl;
- WO 2010/037441 AI;
- EP 4 483 919 A2.
[00046] Ein besonders vorteilhaftes Alkohol-Wasser-Gemisch 108, das gemäss Erfindung als Kühlflüssigkeit zum Einsatz kommt, kann gemäss
Erfindung z.B. unter Einsatz eines intelligenten Energiemixes (wie z. B. in der internationalen Patentanmeldung WO2010069622A1 beschrieben) aus fossiler und regenerativer Energie erzeugt werden.
[00047] Der Begriff Kühlflüssigkeit 108 wird hier verwendet für flüssige Gemische, die direkt für die Ansaug- oder/und Zwischenkühlung eingesetzt werden können. Hier geht es insbesondere um Methanol-Wasser- oder Ethanol- Wasser-Gemische 108, bzw. um Methanol- oder Ethanol haltige
Kühlflüssigkeiten. Es können auch Methanol-Ethanol-Wasser-Gemische 108 in allen Ausführungsformen eingesetzt werden. [00048] Der Begriff Gemisch 108 wird hier verwendet, da das Produkt, das hier eingesetzt wird, nicht zu hundert Prozent aus Alkohol besteht. Es handelt sich vielmehr um ein sogenanntes physikalisches Gemisch aus Methanol und Wasser, Ethanol und Wasser, oder Methanol, Ethanol und Wasser. Die folgenden Beispiele beziehen sich auf Methanol-Wasser-Gemische 108, können aber auch auf die anderen erwähnten Gemische 108 übertragen werden. Das Methanol und Ethanol stammt vorzugsweise aus unterschiedlichen Reaktoren oder Anlagen und kann dann zu einem Methanol-Ethanol-Wasser-Gemisch 108 zusammen gebracht werden.
[00049] Der Begriff Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung 64 wird hier für Verbrennungskraftmaschinen 64, d .h. vor allem für Otto-Motoren und Diesel-Motoren verwendet. Durch die innere Verbrennung von Treibstoff 109 (in Gasform oder in flüssiger Form) wird durch eine Verbrennungskraftmaschine 64 mechanische Arbeit verrichtet. Diese mechanische Arbeit kann z. B. über ein Welle 51 und einen Stromerzeugungsaggregat 50 (z. B. in Form eines
Generators) umgesetzt werden in elektrische Energie (z. B. mit einer
Wechselspannung V«, wie in Fig . 1 schematisch angedeutet). Gemäss Erfindung kann eine Verbrennungskraftmaschine 64 somit elektrische Energie zur
Verfügung stellen, die, wie in Fig. 1 angedeutet, in ein Verbundnetz 500 eingespeist werden kann. Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 kein Umspannwerk oder dergleichen gezeigt, das z. B. zum Einsatz kommt, um die Wechselspannung V~ des Stromerzeugungsaggregats 50 auf die Spannungsebene des
Verbundnetzes 500 bringt. [00050] Gemäss Erfindung können Strömungsmaschinen
(Turboarbeitsmaschinen) und Verbrennungsmotoren als
Verbrennungskraftmaschinen 64 dienen, d.h. die Erfindung lässt sich sowohl auf Strömungsmaschinen als auch auf Verbrennungsmotoren anwenden. [00051] Gemäss Erfindung wird die Intensität der Einspritz-Ladeluftkühlung mit dem Massenstrom der Kühlflüssigkeit 108 als Stellgröße für die Regelung einer Regelgröße eingesetzt. Als Regelgrösse kann z.B. die Ist-Leistung einer Verbrennungskraftmaschine 64 oder übergeordnet eine Netzfrequenz (z.B. die Ist-Netzfrequenz des Verbundnetzes 500) dienen.
[00052] Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird bewusst ein Unterschied zwischen dem Regeln und dem Steuern gemacht. Die Vorrichtungen 100 der Erfindung sind allesamt regelbar in Bezug auf ihre (mechanische und/oder elektrische) Leistungsabgabe. Vorrichtungen 100 der Erfindung sind daher dazu geeignet an einer Frequenzregelung in einem lokalen oder
übergeordneten Verbundnetz 500 teil zu nehmen. Die Regelung ist ein Vorgang in der Vorrichtung 100, bei dem die zu regelnde Größe (z.B. die Ist-Leistung des Motors oder Ist-Netzfrequenz) fortlaufend gemessen und mit dem Sollwert (z. B. die Soll-Leistung einer Verbrennungskraftmaschine 64 oder die nominale
Netzfrequenz von 50,000 Hz) verglichen wird . Bei Abweichungen wird regelnd mit dem Massenstrom der Kühlflüssigkeit als Stellgröße eingegriffen.
[00053] Entsprechend einer ermittelten Abweichung zwischen
festgelegtem/vorgegebenem Sollwert und gemessenem Istwert der Regelgröße wird von einem erfindungsgemässen Regelsystem die Einspritzmenge der Kühlflüssigkeit 108 als Stellgröße verändert. Vorrichtungen der Erfindung haben daher eine Rückkopplung zwischen der Ausgangsseite (wo der Istwert der Regelgröße ermittelt wird) und der Eingangsseite (Gemischbildungsbereich G der Verbrennungskraftmaschine 64).
[00054] Fig. 2 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung die wichtigsten Bausteine/Komponenten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Figur zeigt eine Anlage 100, die einen Vor-Verdichter/Lader 65 mit
anschließender Einspritz-Ladeluftkühlung (Elemente 61,62, 66) umfasst.
[00055] Die Kühlung gemäss Erfindung kann bei allen Ausführungsformen in einem Bereich zwischen einem Verdichter und z.B. einem
Ansaugmodul/Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine 64 erfolgen. [00056] Die Erfindung wird vorzugsweise eingesetzt, um die Ladeluft nach einem Verdichter (z. B. einem Turbolader oder Kompressor) auf der Eingangsseite G einer Verbrennungskraftmaschine 64 zu kühlen. Durch eine Verringerung der Temperatur der zugeführten Luft ist im gleichen Volumen eine größere Luftmasse enthalten. Dadurch kann proportional mehr Kraftstoff in der
Verbrennungskraftmaschine 64 verbrannt werden. Die Kühlung unter Einsatz der Kühlflüssigkeit kann somit die mögliche Abgabeleistung erhöhen. In Fig . 2 ist eine Vorrichtung 100 mit Einspritz-Ladeluftkühlung gezeigt. Es wird auf die Beschreibung der Fig . 1 verwiesen, da die wesentlichen Aspekte bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert wurden. Anders als in Fig . 1 wird in Fig. 2 die Kühlflüssigkeit im Bereich zwischen einem Verdichter 65 und der
Verbrennungskraftmaschine 64 zum Kühlen des dieser zugeführten Gasstromes eingesetzt. In Fig. 2 ist das Stellglied 62 durch ein dreieckiges Symbol
dargestellt, das zwischen dem Verdichter 65 und der Verbrennungskraftmaschine 64 sitzt.
[00057] Auf der Eingangsseite, respektive im Bereich der Gemischaufbreitung G der Verbrennungskraftmaschine 64 können bei allen Ausführungsformen der Erfindung eine oder mehrere der folgenden Stellglieder 62 zum Einsatz kommen, um die Einspritzmenge der Kühlflüssigkeit 108 zu regeln :
- Ventile mit veränderlichem Querschnitt in einer Kühlflüssigkeitszuströmleitung 66 (siehe z.B. Fig. 1),
- Kühlflüssigkeitspumpen mit veränderlicher Drehzahl,
- Kühlflüssigkeitspumpen mit verstellbarer Beschaufelung,
- eine oder mehrere zu- und abschaltbare Kühlflüssigkeitseinspritzdüsen 67 (siehe z.B. Fig . 2).
[00058] In Fig. 1 ist das Stellglied 62 durch ein dreieckiges Symbol
dargestellt, das zwischen einem Tank 61 und einem Verdichter 65 sitzt. Dieser Verdichter 65 ist optional.
[00059] Eine Vorrichtung 100 der Erfindung umfasst mindestens eine
Verbrennungskraftmaschine 64, die zum Verbrennen des Brennstofffluids 109 ausgelegt ist. Ausserdem ist sie mit einem Tank 63 für das Brennstofffluid 109 und mit einem Tank 61 für die verdampfbare Kühlflüssigkeit 108 verbindbar. Die Leitung für das Brennstofffluid 109 ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet. Die Kühlflüssigkeitszuströmleitung trägt das Bezugszeichen 66. Die Vorrichtung 100 umfasst eine spezielle Regelvorrichtung 10 und eine Vorrichtung zum Empfangen einer Regelgrösse fist.
[00060] Vorzugsweise handelt es sich bei allen Ausführungsformen bei der Vorrichtung zum Empfangen einer Regelgrösse fist um einen aktiven oder passiven (Signal-)Eingang (Port) der Regelvorrichtung 10. Ausserdem umfasst die Vorrichtung 100 Mittel 11 zum Bereitstellen/Vorgeben einer Stellgrösse SG . Die Mittel 11 können in Form von Software oder Hardware oder Kombination von Software und Hardware implementiert sein . Die Vorrichtung 100 weist weiterhin Mittel 62 auf, die zum Einspritzen der Kühlflüssigkeit 108 ausgelegt sind . Diese Mittel 62 zum Einspritzen der Kühlflüssigkeit 108 sind im Eingangsbereich G der Verbrennungskraftmaschine 64 angeordnet, wie in den Figuren 1 und 2 angedeutet. Entweder sitzen die Mittel 62 zum Einspritzen z. B. am Ansaugtrakt oder an einem Verdichter 65, oder sie sitzen im Ladeluftbereich zwischen einem Verdichter 65 und der Verbrennungskraftmaschine 64, wo sie zur Einspritz- Ladeluftkühlung dienen . [00061] Vorzugsweise handelt es sich bei allen Ausführungsformen bei dem Mittel 62 zum Einspritzen der Kühlflüssigkeit 108 um ein Stellglied, dessen Durchsatz an Kühlflüssigkeit 108 über die Stellgrösse SG regelbar ist.
[00062] Die Regelvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise bei allen
Ausführungsformen eine Software SW und/oder ein Hardware (z. B. eine anwendungsspezifisch programmierte, integrierte Schaltung), die zur
Stabilisierung einer Netzfrequenz (z. B. der Frequenz des Verbundnetzes 500) ausgelegt ist, wobei in diesem Fall eine Frequenzgrösse fist (auch Ist- Netzfrequenz genannt) als Regelgrösse dient.
[00063] Wie bereits erwähnt, kann die Erfindung besonders vorteilhaft im Umfeld eines BHKW eingesetzt werden . Dabei gilt im europäischen Rechtsraum zu beachten, dass viele der BHKW speziell nach Vorgaben (in Deutschland zum Beispiel nach dem EEG) zur Nutzung erneuerbarer Energien betrieben werden . EEG steht für Erneuerbare-Energien-Gesetz. Bei solchen BH KW dürfen nur Kraftstoffe eingesetzt werden, die zugelassen sind . Das gilt analog auch für die Kühlflüssigkeit 108. D.h. in solchen BHKW muss regenerativ hergestellte
Kühlflüssigkeit 108 eingesetzt werden, die vorher eine entsprechende Zulassung erhalten hat.
[00064] Beim Einsatz der Erfindung in einem Klärgas-BHKW ist eine solche Genehmigung und die regenerative Natur der Kühlflüssigkeit 108 in den meisten Fällen kein Thema, da zumindest in Deutschland Klärgas kein EEG- Kraftstoff ist.
Bezugszeichen:
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Claims

Patentansprüche:
Verfahren zur Leistungsregelung einer Verbrennungskraftmaschine (64) mit den folgenden Schritten :
- Bereitstellen einer verdampfbaren Kühlflüssigkeit (108)
- Bereitstellen
(S2) eines Brennstofffluids (109) zum Betreiben der
Verbrennungskraftmaschine (64),
- Einbringen des Brennstofffluids (109) in die Verbrennungskraftmaschine (64),
- Verbrennen des Brennstofffluids (109) zusammen mit Ansaugluft in der Verbrennungskraftmaschine (64),
- Umwandeln mindestens eines Teils der Wärme, die beim Verbrennen des Brennstofffluids ( 109) entsteht, in mechanische Ausgangsleistung (PT),
- Ermitteln einer aktuellen Regelgrösse,
- Regeln der Ausgangsleistung (PT) als Reaktion auf die ermittelte
aktuelle Regelgrösse durch ein Einsetzen der Kühlflüssigkeit (108) in einem Eingangsbereich (G) der Verbrennungskraftmaschine (64), wobei durch das Einsetzen der Kühlflüssigkeit (108) in dem Eingangsbereich (G) Ansaug-Luft oder ein Ansaug-Gemisch der
Verbrennungskraftmaschine (64) gekühlt wird und damit die
Ausgangsleistung (PT) geregelt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Frequenzgrösse (fist) als Regelgrösse dient, wobei im Rahmen des Ermitteins diese aktuelle Frequenzgrösse (fist) fortlaufend gemessen und einer
Regelvorrichtung (10) zur Verfügung gestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regelvorrichtung (10) eine Stellgrösse (SG) ermittelt und dass diese
Stellgrösse (SG) eingesetzt wird, um das Einsetzen der Kühlflüssigkeit (108) in dem Eingangsbereich (G) zu regeln.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass je nach aktueller Frequenzgrösse (fist) durch das Einsetzen der Stellgrösse (SG) mehr oder weniger der Kühlflüssigkeit (108) eingesetzt wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Normalbetrieb stets eine vorgegebene Menge der Kühlflüssigkeit (108) zum Kühlen der Ansaug-Luft oder des Ansaug-Gemischs eingesetzt wird, wobei bei erhöhtem Leistungsbedarf mehr Kühlflüssigkeit (108) und bei reduziertem Leistungsbedarf weniger Kühlflüssigkeit (108) eingesetzt wird .
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Leistungsgrösse oder Drehzahlgrösse als Regelgrösse dient, wobei im
Rahmen des Ermitteins diese aktuelle Leistungsgrösse oder Drehzahlgrösse fortlaufend gemessen und einer Regelvorrichtung (10) zur Verfügung gestellt wird .
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regelvorrichtung (10) eine Stellgrösse (SG) ermittelt und dass diese
Stellgrösse (SG) eingesetzt wird, um das Einsetzen der Kühlflüssigkeit (108) in dem Eingangsbereich (G) zu regeln.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verbrennungskraftmaschine (64) um einen Otto-Motor oder um einen Diesel-Motor handelt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (108) zur Einspritzkühlung des einer
Verbrennungskraftmaschine zugeführten Gasstromes eingesetzt wird, vorzugsweise in einem Verdichter (65) und/oder zwischen einem Verdichter (65) und der Verbrennungskraftmaschine (64).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln der Ausgangsleistung als Wirkungsgrad neutrale Regelung implementiert ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln der Ausgangsleistung ohne Verstellung einer Drosselklappe erfolgt.
12. Vorrichtung (100), die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine (64) umfasst, die zum Verbrennen eines Brennstofffluids (109) ausgelegt ist, und die mit einem Tank (63) für das Brennstofffluid (109) und mit einem Tank (61) für eine verdampfbare Kühlflüssigkeit (108) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Regelvorrichtung (10), eine Vorrichtung zum Empfangen einer Regelgrösse (fist) und ein Mittel (11) zum Bereitstellen einer Stellgrösse (SG) umfasst, und dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) Mittel (62) zum Einbringen der Kühlflüssigkeit (108) umfasst, wobei die Mittel (62) zum Einbringen der Kühlflüssigkeit (108) im Eingangsbereich (G) der
Verbrennungskraftmaschine (64) angeordnet sind.
13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mittel (62) zum Einbringen der Kühlflüssigkeit (108) um ein
Stellglied handelt, dessen Durchsatz an Kühlflüssigkeit (108) über die Stellgrösse (SG) regelbar ist.
14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mittel (62) zum Einbringen der Kühlflüssigkeit (108) um eines der folgenden Mittel handelt:
- ein Ventil mit veränderlichem Querschnitt in einer
Kühlflüssigkeitszuströmleitung (66),
- eine Kühlflüssigkeitspumpe mit veränderlicher Drehzahl,
- eine Kühlflüssigkeitspumpe mit verstellbarer Beschaufelung,
- eine oder mehrere zu- und abschaltbare Kühlflüssigkeitseinspritzdüsen (67).
15. Vorrichtung (100) einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10) eine Software (SW) umfasst, die zur Stabilisierung einer Netzfrequenz ausgelegt ist, wobei in diesem Fall eine Frequenzgrösse (fist) als Regelgrösse dient.
16. Vorrichtung (100) einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10) eine Software (SW) umfasst, die Anpassung der mechanischen Ausgangsleistung der Verbrennungskraftmaschine ausgelegt ist, wobei in diesem Fall eine Leistungsgrösse oder
Drehzahlgrösse als Regelgrösse dient.
17. Vorrichtung (100) einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10) zum Wirkungsgrad neutralen Regeln der Ausgangsleistung ausgelegt ist.
18. Vorrichtung (100) einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (10) zum Regeln der Ausgangsleistung ohne Verstellung einer Drosselklappe ausgelegt ist.
19. Blockheizkraftwerk, das eine Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 16 umfasst.
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