[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Leistungsmodulation bei motorischen Blockheizkraftwerken.
[0002] Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors stellt sich eine Drehzahl ein, bei der die Belastung und die Last im Gleichgewicht sind. Als Last wirkt bei einem Blockheizkraftwerk ein elektrischer Generator, als Belastung das Brennstoff-Luft-Gemisch. Die Abwärme eines Blockheizkraftwerk-Verbrennungsmotors, welche auf den Kühlkreislauf übertragen wird, wird zu Heizzwecken genutzt.
[0003] Die Leistung P eines Motors ergibt sich aus dem Produkt des Drehmoments M mit der Winkelgeschwindigkeit [omega]. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Drehmoment M eines Motors bis zu einer bestimmten Drehzahl n ansteigt und ab einer gewissen Drehzahl wieder sinkt.
P(n) = M(n) . [omega] = M(n) . 2 . [pi] . n
[0004] Je nach Leistung wird ein bestimmtes Brennstoff-Luft-Gemisch benötigt. Dieses Brennstoff-Luft-Gemisch ist nur in bestimmten Grenzen zündfähig, so dass der Verbrennungsluftstrom stets auf den Brennstoffstrom angepasst werden muss. Dies gilt insbesondere auch hinsichtlich einer hygienischen Verbrennung und der Möglichkeit der Abgasnachbehandlung, weshalb Verbrennungsmotoren häufig stöchiometrisch betrieben werden. Ist keine Abgasnachbehandlung mittels eines Dreiwege-Katalysators notwendig, so wird der Motor meist mager (d.h. mit Luftüberschuss) betrieben.
[0005] Im Folgenden wird jeweils auf ein Drosselorgan und je einem Einlass- und Auslassventil eingegangen. Jedoch sei explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich auch auf Motoren mit mehreren Drosselorganen und / oder mehreren Einlass- und Auslassventilen anzuwenden ist. Als Drosselorgan kommt zumeist eine Drosselklappe zum Einsatz.
[0006] Bei Volllast ist das Drosselorgan zumeist vollständig geöffnet, wodurch die maximale Gemischmenge in den oder die Zylinder strömen kann. Eine Möglichkeit der Leistungsreduzierung besteht darin, das Drosselorgan teilweise zu schliessen, wodurch die Luftmenge reduziert wird. Um eine stöchiometrische Verbrennung weiterhin zu gewährleisten, wird auch die Brennstoffmenge reduziert. Es stellt sich eine geringere Drehzahl n mit in der Regel einem geringerem Drehmoment M ein. Dementsprechend ist auch die Leistung P geringer.
[0007] Das Drehmoment des Motors ist vorwiegend von der Füllung der Zylinder, den inneren Reibungsverlusten des Motors, der Stellung des Drosselorgans, sonstigen Strömungswiderständen im Ansaug- und Abgassystem sowie Spülverlusten abhängig. Bei Veränderung der Stellung des Drosselorgans stellen sich eine verändertes Drehmoment und eine andere Drehzahl ein.
[0008] Durch das Schliessen des Drosselorgans entstehen Drosselverluste, welche den mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors negativ beeinflussen. Daher ist man insbesondere bei Blockheizkraftwerken bestrebt, die Drosselverluste zu minimieren. Dies kann einerseits dadurch geschehen, dass der Ventiltrieb lastabhängig erfolgt und dabei die Aufgabe der Drosselklappe zumindest teilweise übernimmt. Im Idealfall kann gänzlich auf ein gesondertes Drosselorgan verzichtet wird.
[0009] Aus der EP 835 411 B1 ist ein Verfahren zur Leistungsmodulation einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung bekannt, bei der zur Dosierung der Wärmeleistung bei vollständig geöffneten Drosselorganen die Drehzahl des Generators und des Verbrennungsmotors durch Veränderung der elektrischen Leistungsabgabe an das Netz verändert wird. Auch aus EP 661 432 A2 ist bekannt, dass in bestimmten Betriebszuständen die Drosselklappe vollständig geöffnet bleibt, obwohl nicht die maximale Last gefordert wird.
[0010] Die engste Stelle im Ansaugtrakt ergibt sich durch die vom Einlassventil freigegebene Querschnittsfläche und ist somit auch während des Saugvorgangs nicht konstant. Somit ergibt sich vor allem bei völlig geöffneter Drosselklappe die Eigenschaft, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch bis unmittelbar vor das Einlassventil mit einem nahezu konstanten Turbulenzgrad strömt und erst unmittelbar im Wirkbereich des Einlassventils der Turbulenzgrad deutlich zunimmt. Dieser Anstieg des Turbulenzgrades hat zur Folge, dass die Verluste unmittelbar am Zylindereintritt vermehrt zunehmen.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verluste am Zylindereintritt zu vermindern.
[0012] Erfindungsgemäss wird dies gemäss den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Drosselorgan bei Maximallast weitestgehend vollständig geöffnet ist und bei Reduktion der Leistung das Drosselorgan nur ein Bruchteil dessen geschlossen wird, wie es bei einer reinen Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre. Hierdurch wird erreicht, dass die Drosselverluste an der Drosselklappe deutlich geringer als bei reiner Leistungsdrosselung mittels Drosselorganen ist, zugleich jedoch im Vergleich zu völlig geöffnetem Drosselorgan bei Leistungsminderung bereits an der Drosselklappe der Turbulenzgrad erhöht wird, so dass dieser am Einlassventil weniger ansteigt, die Drosselverluste an dem Einlassventil vermindert werden und eine bessere Zylinderfüllung ermöglicht wird.
[0013] Zugleich wird durch die Erhöhung des Turbulenzgrades am Drosselorgan eine bessere Durchmischung des Brennstoff-Luft-Gemischs vor dem Zylinder erreicht, wodurch geringere Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas erreicht werden. Wird das Drosselorgan bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel [alpha] geschlossen, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre, so sind die Drosselverluste an dem Drosselorgan vernachlässigbar gering.
[0014] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche. So ist der Effekt besonders positiv, wenn das Drosselorgan nahe dem Einlassventil angeordnet ist.
[0015] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit Einlass- und Auslasskanal und
<tb>Fig. 2<sep>den Einlasskanal detailliert.
[0016] Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors mit Kolben 2 und Zylinderkopf 3. In den Zylinderkopf 3 münden der Einlass- 4 und Auslasskanal 5, die jeweils über ein Einlassventil 6 und ein Auslassventil 7 den Einlass- 4 und Auslasskanal 5 zum Zylinder 1 abdichten. Öffnet das Einlassventil 6, so gibt es je nach Ventilhub einen bestimmte Eintrittsfläche 9 frei. Im Einlasskanal 4 ist im Abstand d vom Mittelpunkt des Ventiltellers 10 im Ruhezustand eine Drosselklappe 8 angeordnet. Der Querschnitt des Eintrittskanals 4 an der Stelle der Drehachse 11 der Drosselklappe 8 hat eine Fläche A.
[0017] Während des Betriebs wird die Drosselklappe 8 vorwiegend zur Turbulenzbildung eingesetzt. Bei Volllast ist die Drosselklappe 8 vorzugsweise vollständig geöffnet; d.h. sie erstreckt sich parallel zum Einlasskanal 4. Soll die Leistung reduziert werden, so muss die Drehzahl vermindert werden, damit sich gemäss der Gleichung P = M . [omega] =M . 2 . [pi] . n auch die Leistung vermindert. Mit der Drehzahlverminderung nimmt die angesaugte Luftmenge kontinuierlich ab. Die Brennstoffmenge wird proportional zur Luftmenge reduziert, so dass weiterhin eine stöchiometrische Verbrennung gewährleistet ist. Hierzu dient eine nicht dargestellte Lambdasonde im Abgasweg. Da bei der Leistungsminderung ein geringerer Brennstoff-Luft-Gemisch-Strom strömt, reduziert sich der Turbulenzgrad vor der Drosselklappe 8.
Wird nun die Drosselklappe 8 leicht geschlossen, so erhöht sich der Turbulenzgrad im Einlasskanal 4 vor dem Einlassventil 6. Öffnet das Einlassventil 6, so entstehen in der Eintrittsfläche 9 Drosselverluste am Einlassventil 6. Da der Turbulenzgrad bei leicht angerstellter Drosselklappe 8 jedoch am Einlassventil weniger ansteigt als in dem Fall, in dem die Drosselklappe völlig geöffnet ist, sind die Drosselverluste am Einlassventil 6 bei leicht angestellter Drosselklappe 8 geringer.
[0018] Entscheidend ist, dass die Drosselklappe 8 nicht zu weit zugefahren wird, da ansonsten die Drosselverluste an der Drosselklappe 8 übermässig zunehmen. Daher sollte die Drosselklappe 8 bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel [alpha] geschlossen wird, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselklappe üblich wäre. Ferner sollte der Abstand d im Einlasskanal 4 vom Drehachse 11 der Drosselklappe 8 bis zum Mittelpunkt des Ventiltellers 10 des Einlassventils 6 im Ruhezustand (Ventil geschlossen) sich im Bereich
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bewegen, damit sich der Turbulenzgrad zwischen Drosselklappe 8 und Einlassventil 6 nicht wieder reduziert.
[0019] Soll die Leistung wieder erhöht werden, so wird die Brennstoffzufuhr erhöht und die Drosselklappe wieder weiter geöffnet.
The invention relates to a method for power modulation in motor cogeneration units.
In the operation of an internal combustion engine, a speed sets in which the load and the load are in balance. As a load acts in a combined heat and power plant, an electric generator, as a burden, the fuel-air mixture. The waste heat of a combined heat and power plant internal combustion engine, which is transferred to the cooling circuit, is used for heating purposes.
The power P of an engine results from the product of the torque M with the angular velocity [omega]. It should be noted that the torque M of an engine increases up to a certain speed n and decreases again above a certain speed.
P (n) = M (n). [omega] = M (n). 2. [pi]. n
Depending on the performance of a particular fuel-air mixture is needed. This fuel-air mixture is ignitable only within certain limits, so that the combustion air flow must always be adjusted to the fuel flow. This is especially true in terms of hygienic combustion and the possibility of exhaust aftertreatment, which is why internal combustion engines are often operated stoichiometrically. If no exhaust aftertreatment by means of a three-way catalyst is necessary, the engine is usually run lean (i.e., with excess air).
In the following, a throttle body and one inlet and one outlet valve will be discussed. However, it should be explicitly understood that the invention is of course also applicable to engines with multiple throttle bodies and / or multiple intake and exhaust valves. As a throttle body is usually a throttle valve used.
At full load, the throttle body is usually completely open, whereby the maximum amount of mixture in the cylinder or cylinders can flow. One way of reducing power is to partially close the throttle body, thereby reducing the amount of air. To further ensure stoichiometric combustion, the amount of fuel is also reduced. It turns a lower speed n usually with a lower torque M a. Accordingly, the power P is lower.
The torque of the engine is mainly dependent on the filling of the cylinder, the internal friction losses of the engine, the position of the throttle body, other flow resistance in the intake and exhaust system and purge losses. When changing the position of the throttle body, a changed torque and a different speed set.
By closing the throttle body arise throttle losses, which adversely affect the mechanical efficiency of the engine. Therefore, one strives in particular for cogeneration plants to minimize the throttle losses. On the one hand, this can be done by the valve drive being load-dependent and at least partially taking over the task of the throttle valve. Ideally, a separate throttle body can be completely dispensed with.
From EP 835 411 B1, a method for power modulation of a cogeneration device is known in which the speed of the generator and the internal combustion engine is changed by changing the electrical power output to the network for metering the heat output at fully open throttle bodies. It is also known from EP 661 432 A2 that in certain operating states the throttle valve remains fully open, although the maximum load is not required.
The narrowest point in the intake tract results from the released from the inlet valve cross-sectional area and is thus not constant even during the suction process. Thus, especially when the throttle valve is fully open, the property that the fuel-air mixture flows until almost immediately before the inlet valve with a virtually constant degree of turbulence and only significantly increases the degree of turbulence directly in the effective range of the intake valve. This increase in the degree of turbulence causes the losses to increase more rapidly as soon as the cylinder enters.
The invention has for its object to reduce the losses at the cylinder inlet.
According to the invention, this is achieved according to the features of independent claim 1, characterized in that the throttle body is fully open at maximum load and when the power is reduced, the throttle body is closed only a fraction of it, as would be customary in a pure power throttling means throttle body. This ensures that the throttle losses at the throttle is much lower than in pure power throttling means throttle bodies, but at the same time compared to fully open throttle body at power reduction is already increased at the throttle turbulence, so that it increases less at the inlet valve, the throttle losses the inlet valve can be reduced and a better cylinder filling is made possible.
At the same time a better mixing of the fuel-air mixture is achieved before the cylinder by increasing the degree of turbulence on the throttle body, whereby lower emissions of unburned hydrocarbons in the exhaust gas can be achieved. If the throttling element is closed by reducing the power only by an angle [alpha] which corresponds at most to one fifth of the angle that would be customary for a throttling by means of a throttling device, the throttling losses at the throttling element are negligibly small.
Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of the dependent claims. Thus, the effect is particularly positive when the throttle body is located near the inlet valve.
The invention will now be explained in detail with reference to FIGS. Hereby show:
<Tb> FIG. 1 <sep> a cylinder head of an internal combustion engine with intake and exhaust duct and
<Tb> FIG. 2 <sep> the inlet channel in detail.
Fig. 1 shows a cylinder 1 of an internal combustion engine with piston 2 and cylinder head 3. In the cylinder head 3, the inlet 4 and outlet channel 5, respectively via an inlet valve 6 and an outlet valve 7, the inlet 4 and outlet channel 5 to Seal cylinder 1. Opens the inlet valve 6, so there is depending on the valve lift a certain inlet surface 9 free. In the inlet channel 4, a throttle valve 8 is arranged at a distance d from the center of the valve disk 10 in the idle state. The cross-section of the inlet channel 4 at the location of the axis of rotation 11 of the throttle valve 8 has an area A.
During operation, the throttle valve 8 is used primarily for turbulence formation. At full load, the throttle valve 8 is preferably fully open; i.e. it extends parallel to the inlet channel 4. If the power is reduced, the speed must be reduced so that according to the equation P = M. [omega] = M. 2. [pi]. n also reduces the performance. With the speed reduction, the intake air volume decreases continuously. The amount of fuel is reduced proportionally to the amount of air, so that further a stoichiometric combustion is ensured. For this purpose, a lambda probe, not shown in the exhaust path. Since a lower fuel-air mixture flow flows in the power reduction, the degree of turbulence in front of the throttle valve 8 is reduced.
If now the throttle valve 8 is slightly closed, the degree of turbulence in the inlet channel 4 increases in front of the inlet valve 6. If the inlet valve 6 opens, throttling losses at the inlet valve 6 arise in the inlet surface 9. However, the degree of turbulence at the slightly opened throttle valve 8 increases less at the inlet valve as in the case in which the throttle valve is fully open, the throttle losses at the intake valve 6 are less at slightly tapped throttle.
It is crucial that the throttle valve 8 is not closed too far, otherwise the throttle losses at the throttle valve 8 increase excessively. Therefore, when the power is reduced, the throttle valve 8 should only be closed by an angle [alpha] that corresponds to a maximum of one fifth of the angle that would be customary with a throttling throttle. Furthermore, the distance d in the inlet channel 4 from the axis of rotation 11 of the throttle valve 8 to the center of the valve disk 10 of the inlet valve 6 in the idle state (valve closed) should be in the range
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move, so that the degree of turbulence between the throttle valve 8 and inlet valve 6 does not reduce again.
If the power is increased again, the fuel supply is increased and the throttle opens again.