DE102010010852B4 - Method for power modulation in motor cogeneration plants - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan, vorzugsweise einer Drosselklappe (8), wobei die Dosierung der Leistung hauptsächlich durch Variation der mechanischen Last am Ausgang der Verbrennungskraftmaschine und der Brennstoffzufuhr eingestellt wird, wobei das Drosselorgans 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel α geschlossen wird, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre.A method of metering the power of an internal combustion engine with a throttle body, preferably a throttle valve (8), wherein the dosage of power is adjusted mainly by varying the mechanical load at the output of the internal combustion engine and the fuel supply, wherein the throttle body is fully open at maximum load and at Reduction of the performance of the throttle body is only a fraction of it is closed, as would be customary in a pure power throttling throttle body, characterized in that the throttle body is closed at reduction of power only by an angle α, which corresponds to a maximum of one fifth of the angle would be common for a throttling throttle device.

Figure DE102010010852B4_0001
Figure DE102010010852B4_0001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Leistungsmodulation bei motorischen Blockheizkraftwerken.The invention relates to a method for power modulation in motor cogeneration units.

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.When operating an internal combustion engine, a speed is set in which the load and the load are in equilibrium. 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.

Die Leistung P eines Motors ergibt sich aus dem Produkt des Drehmoments M mit der Winkelgeschwindigkeit ω. 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)·ω = M(n)·2·π·n The power P of an engine results from the product of the torque M with the angular velocity ω. 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) * ω = M (n) * 2 * π * n

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.Depending on the performance, a specific 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 operated lean (that is, with excess air).

Im Folgenden wird jeweils auf ein Drosselorgan und je ein 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.In the following, a throttle element and one inlet and one outlet valve will be discussed in each case. 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.

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.At full load, the throttle body is usually fully 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.

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 ein verändertes Drehmoment und eine andere Drehzahl ein.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 flushing losses. When changing the position of the throttle body, set a different torque and a different speed.

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.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.

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.From the 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. Also from EP 661 432 A2 It is known that in certain operating conditions, the throttle valve remains fully open, although not the maximum load is required.

DE 10 2010 011 240 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Drosselklappe, welche mittels eines elektrischen Stellmotors verstellbar ist. Bei Schubabschaltung wird die Drosselklappe weniger als üblich geschlossen. DE 10 2010 011 240 A1 describes a method for controlling an internal combustion engine with a throttle valve, which is adjustable by means of an electric servomotor. With overrun fuel cut, the throttle valve closes less than usual.

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.The narrowest point in the intake tract results from the cross-sectional area released by the inlet valve and is therefore 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verluste am Zylindereintritt zu vermindern.The invention has for its object to reduce the losses at the cylinder inlet.

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 sind, 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.This is achieved according to the features of independent claim 1, characterized in that the throttle body is largely fully opened at maximum load and the throttle body is closed only a fraction of its power reduction, as would be usual in a pure power throttling means throttle body. This ensures that the throttle losses at the throttle are much lower than with 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.

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 α 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.At the same time a better mixing of the fuel-air mixture is achieved in front of 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 member is closed by reducing the power only by an angle α which corresponds at most to one fifth of the angle that would be customary with a throttling by means of a throttling member, then the throttling losses at the throttling member are negligibly small.

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.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.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen:The invention will now be explained in detail with reference to FIGS. Hereby show:

1 einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors mit Einlass- und Auslasskanal und 1 a cylinder head of an internal combustion engine with intake and exhaust duct and

2 den Einlasskanal detailliert. 2 the inlet channel in detail.

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. 1 shows a cylinder 1 an internal combustion engine with pistons 2 and cylinder head 3 , In the cylinder head 3 the admission 4 and exhaust duct 5 , each with an inlet valve 6 and an exhaust valve 7 the inlet 4 and exhaust duct 5 to the cylinder 1 caulk. Opens the inlet valve 6 , so there is a certain entrance surface depending on the valve lift 9 free. In the inlet channel 4 is at a distance d from the center of the valve disk 10 at rest, a throttle 8th arranged. The cross section of the inlet channel 4 at the location of the axis of rotation 11 the throttle 8th has an area A.

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·ω = M·2·π·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.During operation, the throttle will turn 8th mainly used for turbulence formation. At full load is the throttle 8th preferably completely open; ie it extends parallel to the inlet channel 4 , If the power is to be reduced, the speed must be reduced so that the power is also reduced according to the equation P = M × ω = M × 2 × π × n. 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 the power reduction results in less fuel-air mixture flow, the degree of turbulence in front of the throttle reduces 8th , Will now the throttle 8th slightly closed, the degree of turbulence in the inlet channel increases 4 in front of the inlet valve 6 , Opens the inlet valve 6 , so arise in the entrance area 9 Throttle losses at the inlet valve 6 , As the degree of turbulence at slightly raised throttle 8th however, at the intake valve, it increases less than in the case where the throttle is fully opened, the throttle losses are at the intake valve 6 with a lightly employed throttle 8th lower.

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 α geschlossen werden, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselklappe üblich wäre. Ferner sollte der Abstand d im Einlasskanal 4 von der Drehachse 11 der Drosselklappe 8 bis zum Mittelpunkt des Ventiltellers 10 des Einlassventils 6 im Ruhezustand (Ventil geschlossen) sich im Bereich √A ≤ d ≤ 4,5√A bewegen, damit sich der Turbulenzgrad zwischen Drosselklappe 8 und Einlassventil 6 nicht wieder reduziert.The key is that the throttle 8th is not closed too far, otherwise the throttle losses at the throttle 8th increase excessively. Therefore, the throttle should be 8th be reduced at a reduction of the power only by an angle α, which corresponds to a maximum of one fifth of the angle, which would be common for a throttling throttle by throttle. Furthermore, the distance d in the inlet channel should 4 from the axis of rotation 11 the throttle 8th to the center of the valve disk 10 of the inlet valve 6 at rest (valve closed) in the area √ A ≤ d ≤ 4.5√ A Move so that the degree of turbulence between throttle 8th and inlet valve 6 not reduced again.

Soll die Leistung wieder erhöht werden, so wird die Brennstoffzufuhr erhöht und die Drosselklappe wieder weiter geöffnet.If the power is increased again, the fuel supply is increased and the throttle opens again.

Claims (3)

Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan, vorzugsweise einer Drosselklappe (8), wobei die Dosierung der Leistung hauptsächlich durch Variation der mechanischen Last am Ausgang der Verbrennungskraftmaschine und der Brennstoffzufuhr eingestellt wird, wobei das Drosselorgans 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan bei Reduktion der Leistung nur um einen Winkel α geschlossen wird, welcher maximal einem Fünftel des Winkels entspricht, der bei einer Leistungsdrosselung mittels Drosselorgan üblich wäre.Method for metering the power of an internal combustion engine with a throttle element, preferably a throttle valve ( 8th ), wherein the metering of the power is adjusted mainly by varying the mechanical load at the output of the internal combustion engine and the fuel supply, wherein the throttle body is largely fully open at maximum load and the throttle body is closed when reducing the power only a fraction of it, as in a pure throttling throttle performance would be common, characterized in that the throttle body is closed by reducing the power only by an angle α, which corresponds to a maximum of one fifth of the angle that would be customary with a throttle throttling device. Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan nahe dem Zylinder (1) angeordnet ist. Method for metering the power of an internal combustion engine with a throttle element according to claim 1, characterized in that the throttle device is close to the cylinder ( 1 ) is arranged. Verfahren zur Dosierung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Drosselorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d des Drehpunkts (11) des Drosselorgans zum Mittelpunkt des Ventiltellers (10) des Einlassventils (6) im Ruhezustand sich im Bereich √A ≤ d ≤ 4,5√A bewegt, wobei A die Querschnittfläche des Eintrittskanals (4) an der Stelle der Drehachse (11) der Drosselklappe (8) ist.Method for metering the power of an internal combustion engine with a throttle element according to claim 2, characterized in that the distance d of the fulcrum ( 11 ) of the throttle body to the center of the valve disc ( 10 ) of the inlet valve ( 6 ) at rest in the area √ A ≤ d ≤ 4.5√ A A, where A is the cross-sectional area of the entrance channel ( 4 ) at the location of the axis of rotation ( 11 ) of the throttle valve ( 8th ).
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