DE20000303U1 - Device for regulating the gas supply - Google Patents
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Description
Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Gaszufuhr, insbesondere zur Einstellung des Gas-Luft-Verhältnisses an einem Gasmotor einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW), sind dezentrale, mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Die bei der Verbrennung im Motor über die Kühlmedien bzw. die Auspuffgase ausgetragene Wärme wird dabei möglichst vollständig zur Beheizung geeigneter Objekte genutzt. Zur Deckung des Wärmebedarfs eines Objektes wird das BHKW üblicherweise durch weitere Komponenten wie Spitzenkessel oder Wärmespeicher ergänzt.The innovation relates to a device for regulating the gas supply, in particular for adjusting the gas-air ratio in a gas engine of a combined heat and power plant, according to the preamble of claim 1.
Combined heat and power plants, known as cogeneration plants (CHP), are decentralized power generation plants powered by internal combustion engines that simultaneously utilize waste heat. The heat released during combustion in the engine via the cooling media or exhaust gases is used as completely as possible to heat suitable objects. To cover the heat requirements of a building, the CHP is usually supplemented by other components such as peak boilers or heat storage units.
BHKW-Anlagen werden nach dem Wärme- oder Strombedarf gefahren. Wenn nur eine begrenzte elektrische Leistung erzeugt werden soll und die gleichzeitig anfallende Wärme sicher genutzt werden kann, legt man die Anlage nach dem Strombedarf aus und benötigt die elektrische Leistung als Führungsgröße. Dabei kann die Stromerzeugung mit Synchron- oder Asynchrongeneratoren erfolgen. Synchronanlagen erlauben - im Gegensatz zu Asynchronanlagen - neben dem Netzparallelbetrieb auch einen Netzersatz- oder Inselbetrieb. Eine derartige Notstromversorgung ist sehr wirtschaftlich und sicher, da die Aggregate nicht zusätzlich bereitgestellt werden müssen, laufend in Betrieb bzw. in Bereitschaft sind und mögliche Startprobleme nach langen Stillstandszeiten nicht auftreten können. Weiterhin nutzen die Energieversorgungsunternehmen ihre Blockheizkraftwerke zur Deckung des Spitzenlastbedarfs. Durch Fernwirkanlagen werden sie in kürzester Zeit ans Netz geschaltet.CHP plants are operated according to heat or electricity requirements. If only a limited amount of electrical power is to be generated and the heat generated at the same time can be used safely, the plant is designed according to the electricity requirements and requires the electrical power as a reference variable. The electricity can be generated using synchronous or asynchronous generators. In contrast to asynchronous plants, synchronous plants allow not only parallel operation with the grid but also backup or island operation. This type of emergency power supply is very economical and safe, as the units do not have to be made available additionally, are constantly in operation or on standby and possible start-up problems cannot occur after long periods of downtime. Energy suppliers also use their CHP plants to cover peak loads. They are connected to the grid in the shortest possible time using remote control systems.
Zur Regelung des Arbeitsprozesses wird bei Gasmotoren immer die Quantitäts- oder Mengenregelung mittels Drosselklappe im Ansaugkanal angewandt. Die Qualität der Zylinderladung aus Gas und Luft muß im gesamten Betriebsbereich nahezu unverändert bleiben. Dies ist erforderlich, um das Gemisch innerhalb der Zündgrenzen und die Abgas-To regulate the working process in gas engines, quantity or volume control is always used by means of a throttle valve in the intake duct. The quality of the cylinder charge of gas and air must remain almost unchanged throughout the entire operating range. This is necessary in order to keep the mixture within the ignition limits and the exhaust gas
Emissionen niedrig zu halten. In einem Gas-Luft-Mischer werden Luft und Gas zum Brenngemisch zusammengeführt. Dabei strömt die Luft in einem Venturi-Kanal durch eine düsenartige Verengung im Bereich des Gaseinlasses und danach durch einen sich allmählich erweiternden Diffusor. Der Vorteil dieser Mischungsart ist, daß die Mengen von Luft und Gas zueinander im gleichen Verhältnis bleiben, auch wenn sich die Drosselklappenstellung und damit der Luftmassenstrom ändert, wie z. B. beim Variieren der Leistung.To keep emissions low. In a gas-air mixer, air and gas are combined to form a combustion mixture. The air flows in a Venturi channel through a nozzle-like constriction in the area of the gas inlet and then through a gradually widening diffuser. The advantage of this type of mixture is that the quantities of air and gas remain in the same ratio to one another, even if the throttle valve position and thus the air mass flow changes, for example when the power is varied.
Ein Stellmotor treibt ein Drosselorgan im Gasweg - das sogenannte Lambda-Ventil - an. Dadurch wird das Betriebsluftverhältnis eingestellt. Voraussetzung für eine exakte Beibehaltung des Gas-Luft-Mischungsverhältnisses ist, daß der Gasdruck vor dem Gaseinlaß gleich dem Luftdruck vor dem Venturi-Rohr ist. Diese Einstellung der Druckgleichheit von Gas und Luft übernimmt ein Nulldruckregler in der Gasregelstrecke, welche insbesondere noch aus Magnetventilen, Filter und Flammenrückschlagschutz besteht.
Unabhängig von der Lambda-Regelung haben Gasmotoren zwei Hauptregelkreise: Die Drehzahl- bzw. Leistungsregelung sowie die Brenngemischregelung. Das Drehmoment von Gasmotoren wird mit der Drosselklappe in der Ansaugleitung eingestellt. Eine ganz geöffnete Drossel läßt die maximale Füllung der Zylinder und das maximale Drehmoment entstehen. Durch Abdrosseln werden Brenngas- und Luftzufuhr eingeschränkt, d. h. es wird ein Teildrehmoment erzeugt. Die Regelung richtet sich nach dem Leistungs- bzw. Momentenbedarf der angetriebenen Maschinen (Generator, Gebläse, Verdichter, etc.). Durch Messung von Drehzahl bzw. Strom muß die Regelung das Gleichgewicht von Bedarf und Erzeugung herstellen.A servomotor drives a throttle device in the gas path - the so-called lambda valve. This sets the operating air ratio. The prerequisite for maintaining the exact gas-air mixture ratio is that the gas pressure before the gas inlet is the same as the air pressure before the Venturi tube. This setting of the pressure equality of gas and air is carried out by a zero pressure regulator in the gas control system, which consists in particular of solenoid valves, filters and flashback protection.
Independent of the lambda control, gas engines have two main control circuits: speed or power control and combustion mixture control. The torque of gas engines is set using the throttle valve in the intake line. A fully open throttle allows the cylinders to be filled to the maximum and the maximum torque to be achieved. Throttling limits the supply of fuel gas and air, ie a partial torque is generated. The control is based on the power or torque requirements of the driven machines (generator, fan, compressor, etc.). By measuring the speed or current, the control must create a balance between demand and production.
Beim Start des Motors ist die Drosselklappe zunächst voll geöffnet und der Starter zieht den Motor hoch. Erst danach wird die Zündung eingeschaltet und Brenngas zugegeben. Der Motor läuft dann mit Vollgas hoch und die Drehzahlregelung übernimmt nun die Einstellung auf Solldrehzahl. Im Falle des Generatorantriebs im Netzparallelbetrieb wird das Aggregat langsam durch die Synchrondrehzahl geführt, um eine Generatornetzaufschaltung in dem Zeitpunkt von gleicher Frequenz, Phasenlage und Spannung zwischen Generator und Netz zu ermöglichen. Wegen des fehlenden Signals der Abweichung der Regelgröße Drehzahl wird die Motorleistungsregelung nach Ankoppelung des Generators an das Netz von einem dann aktiv werdenden Regelkreis übernommen - der Leistungsregelung. Bei konstanter Drehzahl wird die Drosselklappe nach Soll- und Istwert der vom Generator erzeugten Leistung geregelt.When the engine starts, the throttle valve is initially fully open and the starter revs the engine. Only then is the ignition switched on and fuel gas added. The engine then runs up to full throttle and the speed control takes over the setting of the target speed. In the case of a generator drive in parallel operation with the grid, the unit is slowly guided through the synchronous speed in order to enable the generator to be connected to the grid at a time when the frequency, phase position and voltage between the generator and the grid is the same. Because there is no signal for the deviation of the controlled variable speed, the engine power control is taken over by a control loop that then becomes active after the generator is connected to the grid - the power control. At a constant speed, the throttle valve is controlled according to the target and actual values of the power generated by the generator.
Die zusätzliche Gemisch-Regelung ist unabhängig von der Drehzahl- und Leistungsregelung des Motors. Damit wird der Luftverhältnisbereich, der beispielsweise für den Betrieb mit Magerverbrennung zur Verfügung steht, eingehalten. Nach einem Sauerstoff-Meßsignal und einem vorgegebenen Sollwert wird ein Lambda-Ventil im Brenngasweg geregelt, so daß in allen Lastzuständen ein bestimmtes Luftverhältnis vorliegt und die Abgasemissionen in festgesetzten Grenzen bleiben. Dieses Meßverfahren verwendet eine beheizte Lambda-Sonde im Abgasweg und eine frei programmierbare Kennlinienregelung. Gemessen wird der Partialdruck des Sauerstoffes im Abgas, wonach die Regelung das Luftverhältnis über das Lambda-Stellventil einstellt.The additional mixture control is independent of the engine's speed and power control. This ensures that the air ratio range that is available for lean-burn operation, for example, is maintained. A lambda valve in the combustion gas path is controlled according to an oxygen measurement signal and a specified target value, so that a certain air ratio is present in all load conditions and exhaust emissions remain within specified limits. This measuring method uses a heated lambda probe in the exhaust path and a freely programmable characteristic curve control. The partial pressure of the oxygen in the exhaust gas is measured, after which the control sets the air ratio via the lambda control valve.
Auch gibt es unterschiedliche Verbrennungsverfahren: Motoren mit Drei-Wege-Katalysator werden in einem relativ engen Bereich mit einem Luftverhaltnis von 1 betrieben. Magermotoren müssen mit Luftverhältnissen über 1,3 gefahren werden, um die Emissionen zu verringern. Zusätzlich können Oxidationskatalysatoren nachgeschaltet sein. Eine Gas-Luft-Gemischregelung muß hier den Betrieb zwischen Zündaussetzergrenze und Stickoxid-Emissions-Grenzwert, dem sogenannten Mager-Lambda-Fenster, sicherstellen. Hohe Luftverhältnisse über 1,3 verhindern zwar die Stickoxid-Bildung, bedeuten aber einen herabgesetzten Energiegehalt der Gemisch-Ladung durch große Ballast-Luftmengen und damit weniger Leistung. Durch Abgas-Turboaufladung kann dieser Effekt jedoch kompensiert werden. Das Magerverfahren ist relativ unempfindlich gegen Gasbegleitstoffe und somit können Erd-, Flüssig-, Bio-, Klär-, Deponie- sowie Grubengas verarbeitet werden.There are also different combustion processes: engines with three-way catalysts are operated in a relatively narrow range with an air ratio of 1. Lean engines must be operated with air ratios of over 1.3 to reduce emissions. Oxidation catalysts can also be connected downstream. A gas-air mixture control must ensure operation between the misfire limit and the nitrogen oxide emission limit, the so-called lean lambda window. High air ratios of over 1.3 prevent the formation of nitrogen oxide, but mean a reduced energy content of the mixture charge due to large amounts of ballast air and thus less power. However, this effect can be compensated for by exhaust turbocharging. The lean process is relatively insensitive to gas contaminants and can therefore process natural, liquid, bio, sewage, landfill and mine gas.
Besonders für den Einsatz zur Notstromversorgung ist es vorgeschrieben, daß die Aggregate innerhalb von 15 Sekunden nach der Anforderung startbereit sind. Mit den bekannten, von Schrittmotoren angetriebenen Lambda-Stellventilen entstehen hier allerdings erhebliche Zeitverluste, bis die Startstellung erreicht ist. Hauptursache dafür ist, daß die üblichen Tellerventile für einen ordnungsgemäßen Betrieb zunächst in eine überwachte Endlage gebracht werden müssen, um danach die Starteinstellung anzufahren. Bedingt durch den konstruktiven Aufbau ist ein schnelleres Verstellen nicht möglich.
Es gibt Regelverfahren für Aggregate zur Notstromversorgung, die die geforderte Bereitschaftszeit nur erreichen, weil das Lambda-Ventil dann direkt auf eine festgelegte Einstellung fährt, die letzte Betriebseinstellung beibehält, oder der Motor bereits startet, wenn sich das Ventil noch in der Endlage befindet. Die Folge sind hohe Anfahremissionen und/oder eine erhöhte Schadstoffabgabe über die gesamte Notstrom-Laufzeit, weil derEspecially for use in emergency power supply, it is required that the units are ready to start within 15 seconds of being requested. However, with the well-known lambda control valves driven by stepper motors, there is a considerable loss of time before the start position is reached. The main reason for this is that the usual poppet valves must first be brought to a monitored end position in order to operate properly and then move to the start setting. Due to the design, a faster adjustment is not possible.
There are control procedures for emergency power supply units that only achieve the required standby time because the lambda valve then moves directly to a fixed setting, maintains the last operating setting, or the engine starts when the valve is still in the end position. The result is high start-up emissions and/or increased pollutant emissions over the entire emergency power runtime because the
Referenzpunkt nicht richtig in das Regelverfahren eingeht und das Gas-Luft-Verhältnis nicht genau eingestellt werden kann. Auch ist der aktuelle Betriebszustand dann nicht erfaßt, so daß sogar der Katalysator durch die schlechte Gemischbildung bzw. Verbrennungsqualität geschädigt werden kann.The reference point is not correctly included in the control process and the gas-air ratio cannot be set precisely. The current operating state is also not recorded, so that the catalytic converter can even be damaged by the poor mixture formation or combustion quality.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Gaszufuhr und zur Einstellung des Gas-Luft-Verhältnisses für einen Gasmotor zu schaffen, um damit den Startvorgang eines gasmotorbetriebenen Blockheizkraftwerkes zu optimieren.The innovation is based on the task of creating a device for regulating the gas supply and for adjusting the gas-air ratio for a gas engine in order to optimize the starting process of a gas engine-operated cogeneration plant.
Neuerungsgemäß wurde dies mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.According to the innovation, this was solved with the features of claim 1. Advantageous further developments can be found in the subclaims.
Die Vorrichtung zur Regelung der Gaszufuhr ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung im Gasweg, welche durch eine Regelung nach dem Signal einer Lambdasonde betätigt wird, als Klappenventil ausgebildet ist. Insbesondere kann eine an sich bekannte Drosselklappe für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. ; The device for regulating the gas supply is characterized in that the throttle device in the gas path, which is actuated by a control according to the signal from a lambda probe, is designed as a flap valve. In particular, a throttle valve known per se for internal combustion engines can be used. ;
Zum Antrieb des Klappenventils ist ein Schrittmotor vorgesehen. Beide Bauteile sind vorzugsweise über einen Riemen- oder Kurbeltrieb miteinander gekoppelt. Das Klappenventil besitzt eine Überwachungseinrichtung für mindestens eine Endlage, um beispielsweise die maximale Öffnungsstellung als Referenzposition für die Regelung festzulegen. Beim Starten des Gasmotors wird das Klappenventil durch den Antrieb zuerst in die Referenzposition und sofort anschließend in die von der Regelung vorgegebene Starteinstellung gebracht. Beide Stellvorgänge sind vorzugsweise innerhalb von 15 Sekunden abgeschlossen. A stepper motor is provided to drive the flap valve. Both components are preferably coupled to one another via a belt or crank drive. The flap valve has a monitoring device for at least one end position, for example to set the maximum opening position as a reference position for the control system. When the gas engine is started, the drive first moves the flap valve to the reference position and then immediately to the start setting specified by the control system. Both adjustment processes are preferably completed within 15 seconds.
Mit der neuerungsgemäßen Drosseleinrichtung im Gasweg lassen sich deutlich höhere Verstellgeschwindigkeiten als mit herkömmlichen Lambda-Ventilen, beispielsweise mit einem Spindeltrieb, erreichen. Die für den Einsatz zur Notstromversorgung vorgeschriebene Startbereitschaftszeit eines Aggregates nach einer Anforderung wird eingehalten und sogar weiter verkürzt. Selbst in der Anfahrphase läuft der Verbrennungsprozeß emissionsarm, weil der Referenzpunkt des Lambda-Ventils immer in das Regelverfahren eingeht und das Gas-Luft-Verhältnis auf den aktuellen Betriebszustand abgestimmt ist.
Besonders günstig ist der Einsatz von Klappenventilen bei Magergemischmotoren, weil hier das Lambda-Fenster mit niedrigen Emissionswerten relativ breit ist. Daher bestehenThe new throttle device in the gas path enables significantly higher adjustment speeds to be achieved than with conventional lambda valves, for example with a spindle drive. The start-up readiness time of a unit after a request, which is prescribed for use as an emergency power supply, is maintained and even shortened further. Even in the start-up phase, the combustion process is low in emissions because the reference point of the lambda valve is always included in the control process and the gas-air ratio is adjusted to the current operating state.
The use of flap valves is particularly advantageous in lean-burn engines because the lambda window with low emission values is relatively wide.
geringere Anforderungen an die Regelung der Gemischqualität bzw. die zur Gemischauf- ' bereitung notwendigen Bauteile. Seither wurden ausschließlich die bekannten, aufwendig als Sonderanfertigungen hergestellten Lambda-Ventile eingebaut, um eine optimales Gemisch sicherzustellen. Hauptsächlich weil bekannt war, daß ein Klappenventil einen großen Durchlaß-Spalt besitzt und daß dieser Querschnitt, je nach Drehwinkel der Klappe, unterschiedlichen Einfluß auf die Strömung hat. Gerade aber bei den Magergemischmotoren, mit relativ hohen Luftmengen, reicht ein derartiges Regelverhalten aus. Wichtig ist, daß die Totzeiten im Lambda-Regelkreis mit der Drosselklappe im Gasweg deutlich minimiert werden.lower requirements for the control of the mixture quality or the components required for mixture preparation. Since then, only the well-known lambda valves, which were manufactured at great expense as special designs, have been installed to ensure an optimal mixture. Mainly because it was known that a flap valve has a large passage gap and that this cross-section has a different influence on the flow depending on the angle of rotation of the flap. However, this type of control behavior is sufficient, particularly in lean-mixture engines with relatively high air quantities. It is important that the dead times in the lambda control circuit with the throttle valve in the gas path are significantly minimized.
Es ergibt sich durch die Neuerung - neben dem positiven Einfluß auf die Betriebs- und Einsatzweise eines Gasmotor-Aggregates - auch ein erheblicher Kostenvorteil, da es sich bei den Klappenventilen um Serienbauteile handelt. Die Position einer Drosselklappe wird über den Schrittmotor genau überwacht. Insgesamt handelt es sich somit um eine einfache, betriebssichere Konstruktion mit geringer Baugröße und einfachen Wartungsmöglichkeiten. In addition to the positive influence on the operation and use of a gas engine unit, the innovation also results in a significant cost advantage, as the flap valves are standard components. The position of a throttle valve is precisely monitored by the stepper motor. Overall, this is a simple, reliable design with a small size and easy maintenance options.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Neuerung dar und zeigt in einer einzigen Figur eine Vorrichtung zur Regelung der Gaszufuhr an einem Gasmotor.The drawing represents an embodiment of the innovation and shows in a single figure a device for regulating the gas supply to a gas engine.
Der Gasmotor 1 besitzt eine Drosselklappe 2 im Ansaugkanal 3 zur Regelung der Menge des Brenngemisches. Stromaufwärts wird dieses in einem Gas-Luft-Mischer 4 im Luftkanal 5 erzeugt. Hier mündet ein Gasweg 6 mit einer vorgeschalteten, nicht gezeigten Gasregelstrecke ein. Im Gasweg 6 befindet sich vor dem Gas-Luft-Mischer 4 eine Drosseleinrichtung, welche als Klappenventil 7 ausgebildet ist. Verstellt wird das Klappenventil 7 über eine Regelung 8. Diese wertet das Signal einer Lambdasonde 9 im Abgasweg 10, mit einem bei Bedarf nachgeschalteten Katalysator 11, aus.The gas engine 1 has a throttle valve 2 in the intake duct 3 to regulate the amount of the combustion mixture. This is generated upstream in a gas-air mixer 4 in the air duct 5. A gas path 6 with an upstream gas control section (not shown) opens into this. In the gas path 6, upstream of the gas-air mixer 4, there is a throttle device, which is designed as a flap valve 7. The flap valve 7 is adjusted via a control 8. This evaluates the signal from a lambda sensor 9 in the exhaust path 10, with a catalyst 11 connected downstream if necessary.
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| DE20000303U Expired - Lifetime DE20000303U1 (en) | 2000-01-08 | 2000-01-08 | Device for regulating the gas supply |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20000303U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013203741A1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-09-11 | Mtu Friedrichshafen Gmbh | Method for operating a drive device and corresponding drive device |
-
2000
- 2000-01-08 DE DE20000303U patent/DE20000303U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013203741A1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-09-11 | Mtu Friedrichshafen Gmbh | Method for operating a drive device and corresponding drive device |
| DE102013203741B4 (en) * | 2013-03-05 | 2017-12-14 | Mtu Friedrichshafen Gmbh | Method for operating a drive device and corresponding drive device |
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