Verfahren zum Betrieb eines pflanzenöl-betriebenen Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines pflanzenöl-betriebenen Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Blockheizkraftwerk, mit einem Verbrennungsmotor, in dem das Pflanzenöl verbrannt wird, wobei dem Verbrennungsmotor Verbrennungsluft über eine Verbrennungsluft-Führung zugeleitet wird, wobei die Verbrennungsluft in einem Ladeluftkühler gekühlt wird, und wobei dem als Wärmetauscher ausgebildeten Ladeluftkühler ein Kühlmediumstrom zugeleitet ist, mittels dem der Verbrennungsluft Wärme entzogen wird.

Pflanzenöl-betriebene Blockheizkraftwerke sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sie weisen einen Verbrennungsmotor auf, der üblicherweise auch im Diesel- Verbrennungsbetrieb gefahren werden kann. Anstelle des Diesels wird in dem Verbrennungsmotor Pflanzenöl, beispielsweise Rapsöl verbrannt.

Die dabei entstehende mechanische Arbeit wird in einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt. Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann über einen Wärmetauscher in ein Heizsystem abgetauscht werden.

üblicherweise wird für die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ein Soll-Wert eingestellt, den die Motorsteuerung über einen Regelkreis anfährt. Bei dieser Steuerung ist die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors nicht optimal ausgenutzt. Vielmehr ist es so, dass die Soll-Wert-Vorgabe gegenüber der maximal möglichen Leistungsabgabe einen Sicherheitsbereich berücksichtigen muss. Damit wird verhindert, dass unabhängig von äußeren Einwirkungen der Verbrennungsmotor stets im zulässigen Leistungsbereich arbeitet. Bei dieser Betriebsart ändern sich die Verbrennungsbedingungen in den Brennräumen des Verbrennungsmotors. Dies führt zu einer nicht optimalen Verbrennung des eingesetzten Pflanzenöls.

Unverbrannte oder nicht vollständig verbrannte Kraftstoffe können in das Schmieröl des Verbrennungsmotors gelangen. Dadurch wird die Oxidation im öl erhöht und die Schmiereigenschaft herabgesetzt. Die Kolbenringe der Kolben verkoken dann schnell und es kommt zum Motorschaden. Verbrannte Kraftstoffe verschlechtern weiterhin die Abgaswerte und es wird der spezifische Kraftstoffverbrauch erhöht.

Die DE 197 16 229 C1 beschreibt ein Blockheizkraftwerk, bei dem ein Verbrennungsmotor zum Einsatz kommt. Der Verbrennungsmotor ist an seiner Abtriebswelle unter Zwischenschaltung eines stufenlosen Getriebes und eines Retarders an einen Generator angekoppelt. Mit dieser Anordnung kann das Verhältnis von mechanischer Arbeit und abgegebener Wärmeleistung des Verbrennungsmotors bedarfsabhängig verändert werden.

Ein weiteres Blockheizkraftwerk ist aus der DE 198 16 415 A1 bekannt. Bei dieser Anlage ist ein Verbrennungsmotor zur Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie an einen Generator angeschlossen. Die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene thermische Energie sowie die Abwärme des Verbrennungsmotors wird in einen Heizkreislauf abgetauscht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines pflanzenölbetriebenen Verbrennungsmotors zu schaffen, bei dem bei zuverlässigem Betrieb gleichzeitig eine optimierte Leistungsabgabe erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Temperatur der dem Verbrennungsmotor zugeführten Verbrennungsluft in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur und/oder Abgastemperatur eingeregelt wird.

Diese Regelung ermöglicht es, in den Brennräumen konstante Verbrennungsbedingungen aufrecht zu erhalten, so dass das eingesetzte Pflanzenöl unter idealen Bedingungen verbrannt werden kann. Dadurch wird eine optimale Leistungsausbeute und ein verschleißminimierter Motorbetrieb möglich.

An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass als Verbrennungs- und/oder Abgastemperatur jede Temperatur verstanden werden soll, die einen Rückschluss auf die Verbrennung im Brennraum ziehen lässt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der dem Ladeluftkühler zugeführte Kühlmediumstrom in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur und/oder der Abgastemperatur geregelt wird. Mit dieser Anordnung wird gezielt die im Ladeluftkühler abgetauschte Wärme regulierbar, so dass die Verbrennungsluft einfach auf das gewünschte thermische Niveau gebracht wird.

Hierbei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass der Ladeluftkühler eine Fördereinrichtung aufweist, mittels der der Kühlmediumstrom gefördert wird, dass die Fördereinrichtung von einem Antriebsmotor angetrieben wird, und dass die Drehzahl des Antriebsmotors zur Regelung der Verbrennungs- und/oder Abgastemperatur geregelt wird. Der Antriebsmotor wird somit bedarfsabhängig geregelt und hat dementsprechend eine optimierte Leistungsaufnahme. Dadurch, dass er nur dann Energie verbraucht, wenn er tatsächlich gebraucht wird, kann die Energiebilanz des gesamten Systems optimiert werden.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Verbrennungsluft in Strömungsrichtung nach dem Ladeluftkühler ein Luftstrom zugeleitet wird, dessen thermisches Niveau von dem thermischen Niveau der vom Ladeluftkühler kommenden Verbrennungsluft abweicht, wobei insbesondere die Verfahrensführung derart gewählt ist, dass das Mischungsverhältnis Verbrennungsluft/zudosierter Luftstrom in Abhängigkeit von der Verbrennungs- und/oder Abgastemperatur geregelt wird.

Ein einfacher Gesamtaufbau lässt sich dabei dann verwirklichen, wenn zudem vorgesehen ist, dass der Verbrennungsmotor einen Luftfilter aufweist, in dem angesaugte Umgebungsluft gereinigt wird, dass die gereinigte Umgebungsluft mittels eines Kompressors in der Verbrennungsluft-Führung komprimiert und dem Ladeluftkühler zugeleitet wird, dass in Strömungsrichtung vor dem Ladeluftkühler eine Bypass- Leitung abgezweigt wird, die parallel zum Ladeluftkühler geführt ist und in Strömungsrichtung nach dem Ladeluftkühler wieder mit einem vom Ladeluftfühler kommenden Leitungsabschnitt verbunden wird, und dass in der Bypass-Leitung zur Regelung des Mischungsverhältnisses der Luft-Volumenstrom mittels eines Ventils geregelt wird.

Wenn die Anlagenauslegung derart ist, dass die Temperatur der Verbrennungsluft ausgehend von der Motorsteuerung des Verbrennungsmotors geregelt wird, dann wird für die Temperaturregelung der Verbrennungsluft keine zusätzliche Steuerungseinheit benötigt.

Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors im stationären Betreib, beispielsweise als Blockheizkraftwerk, ist es vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor einen Generator antreibt, und dass die Motorleistung in Abhängigkeit von der Abgastemperatur geregelt wird, wobei die Abgas-Temperatur auf einem konstanten oder annährend konstanten Niveau gehalten wird.

Die Steuerung des Motorbetriebes erfolgt in Abhängigkeit von der Abgas- und damit der Verbrennungstemperatur. Dadurch, dass diese Temperatur auf einem gleichmäßigen Niveau gehalten wird, liegen in den Brennräumen konstante Verbrennungsbedingungen vor. Auf diese Weise kann der Verbrennungsprozess für das Pflanzenöl reproduzierbar gleichmäßig gehalten werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise ein zuverlässiger Brennbetrieb mit geringer Motorausfall-Gefahr erreicht werden kann.

Weiterhin ermöglicht diese Steuerungsart auch eine optimale Leistungsausbeute. Dabei kann der Verbrennungsmotor abhängig von den äußeren Einflüssen stets seine optimale Leistung abgeben, wobei die Gefahr einer thermischen überlastung des Verbrennungsmotors ausgeschlossen ist.

Um eine möglichst zuverlässige Aussage über die Verbrennungsbedingungen zu erhalten, kann es gemäß einer bevorzugten Erfindungsausgestaltung vorgesehen sein, dass die Abgastemperatur in dem Brennraum wenigstens eines Zylinders des Verbrennungsmotors oder im Abgasstrang des Verbrennungsmotors unmittelbar nach dem Brennraum ermittelt wird. Dabei kann die Motorsteuerung auch dergestalt

sein, dass die gemessene Abgastemperatur mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Soll-Wert verglichen wird, und dass bei über- oder Unterschreiten des Ist- Temperaturwertes über oder unter den Sollwert ein Alarmsignal ausgelöst und/oder der Motorbetrieb abgeschaltet wird. Auf diese Weise kann der Brennraum auf einen regelmäßigen Brenn-Betrieb überwacht werden und im Fall einer unzulässigen Abweichung eine Motorschädigung verhindert werden. Vorzugsweise wird jeder Zylinder des Verbrennungsmotors mit einem eigenen Temperatursensor überwacht.

Eine mögliche Erfindungsvariante ist dergestalt, dass das dem Verbrennungsmotor zugeleitete Pflanzenöl mittels einer regelbaren Kraftstoffheizung erwärmt wird, und dass die Kraftstoffheizung in Abhängigkeit von der Motorleistung oder der Abgastemperatur gesteuert wird. Dabei wird das Pflanzenöl dem Verbrennungsmotor in einem zulässigen Temperaturbereich zugeführt, wobei sich gezeigt hat, dass in diesem Bereich die Temperatur so eingestellt werden kann, dass eine optimierte Leistungsausbeute und damit eine Wirkungsgradverbesserung möglich ist.

Dabei kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Kraftstoffheizung mittelbar oder unmittelbar mittels der vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abwärme betrieben wird. Beispielsweise kann die Motorabwärme so genutzt werden, dass die Kraftstoffheizung mittelbar oder unmittelbar mittels der vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abwärme betrieben wird. Damit dem Verbrennungsmotor bereits bei der Inbetriebnahme Pflanzenöl mit der geeigneten Temperatur zugeleitet wird, kann es vorgesehen sein, dass das Pflanzenöl mittels einer steuerbaren elektrischen Zusatzeinrichtung erwärmbar ist.

Die Leistungsabnahme lässt sich auch weiter erhöhen, wenn vorgesehen ist, dass die Temperatur des dem Verbrennungsmotors über den Kühlkreislauf zufließenden Kühlmittels mittels einer Regeleinrichtung eingestellt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Blockheizkraftwerk und

Fig. 2 in schematischer Darstellung das Blockheizkraftwerk gem.

Fig. 1 mit einer geänderten Verbrennungsluftführung.

Die Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit acht Zylindern 11. Das aus den Zylindern entweichende Abgas kann in einem Auspuff 13 gesammelt und in die Umgebung abgegeben werden. Der Verbrennungsmotor 10 treibt mit seiner Abtriebswelle 14 einen Generator 12 an, in dem elektrische Energie erzeugt wird.

Zur Abfuhr der während des Motorbetriebes erzeugten Abwärme besitzt der Verbrennungsmotor 10 einen Kühlkreislauf. Dieser tauscht die Abwärme über einen Wärmetauscher in einen Heizkreislauf, in dem eine Heizanlage und/oder ein thermischer Speicher integriert sein kann.

Wie die Fig. 1 weiter erkennen lässt, wird dem Verbrennungsmotor 10 über eine Kraftstoffzuleitung 16.1 Pflanzenöl zugeführt. Um einen störungsfreien Betrieb zu ermöglichen, darf das Pflanzenöl eine bestimmte Temperatur nicht unterschreiten. Aus diesem Grund wird eine Kraftstoffheizung 16 verwendet. Diese ist mit dem Heizkreislauf verbunden und nutzt somit die thermische Energie des Verbrennungsmotors 10. Für die Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 10 ist zusätzlich eine elektrische Heizung vorgesehen, die das Pflanzenöl erwärmt.

Sobald der Verbrennungsmotor 10 seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann die elektrische Heizung abgekoppelt werden und die Kraftstoffheizung 16 übernimmt deren Aufgabe.

Die Erwärmung des Pflanzenöls kann in einem Temperaturbereich variiert werden. Dabei wird die Kraftstofftemperatur so gesteuert, dass sich eine optimierte Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 10 ergibt.

Die Fig. 1 veranschaulicht weiter, dass jedem Zylinder 11 ein eigener Temperatursensor zugeordnet ist. Dieser misst die Verbrennungstemperatur des Abgases unmittelbar am Gasauslass des Zylinders 11. Die Messergebnisse werden der Motorsteuerung zugeführt. Diese bildet aus den Messergebnissen einen Mittelwert, welcher einem Soll-Ist-Wert-Vergleich unterzogen wird. Die Motorsteuerung regelt die Leistung des Verbrennungsmotors 10 mittels eines Regelkreises so ein, dass der Soll- Wert erreicht und aufrechterhalten wird.

Während des Betriebes treten Abweichungen in den Umgebungsbedingungen auf. Beispielsweise kann die Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft variieren. Dies hätte unmittelbar Auswirkungen auf die Verbrennungstemperatur.

Um nun bei möglichst gleich bleibenden Verbrennungsvorgängen eine maximale Leistungsausbeute zu erhalten, ist eine Temperiereinrichtung verwendet, die auf die Verbrennungsluft einwirkt. Hierbei ist dem Verbrennungsmotor 10 eine Verbrennungsluft-Führung 17 zugeordnet, die einen Kompressor und einen Ladeluftkühler 18 aufweist. Der Kompressor verdichtet die angesaugte Verbrennungsluft und leitet sie dem Ladeluftkühler 18 zu. Dem Ladeluftkühler 18 ist als Fördereinrichtung 15 ein Ventilator zugeordnet, der einem Kühlmediumstrom, vorliegend Luft fördert. Der Ventilator ist von einem Antriebsmotor 15.1 angetrieben, dem ein Frequenzumrichter zur Regelung der Drehzahl zugeordnet ist. Die Motordrehzahl wird in Abhängigkeit von der gewünschten und optimalen Verbrennungstemperatur geregelt.

Dabei wird der geförderte Kühlmedium-Massenstrom variiert und über die Drehzahlvariation kann die von der komprimierten Verbrennungsluft in den Kühlmediumstrom übertragene Wärmemenge gesteuert werden. Damit lässt sich dann auch gezielt die Temperatur der dem Verbrennungsmotor 10 zugeführten Verbrennungsluft steuern.

Die Verbrennungsluft wird im Anschluss an den Ladeluftkühler 18 mit der gewünschten Temperatur dem Verbrennungsmotor 10 zugeführt.

Die Fig. 2 zeigt den Verbrennungsmotor 10 gem. Fig. 1 jedoch mit einer geänderten Verbrennungsluft-Führung 17. Bei dieser Anordnung ist der Ladeluftkühler 18 in Strömungsrichtung nach dem Kompressor an einen Leitungsabschnitt 19 angeschlossen. Zu dem Leitungsabschnitt 19 ist eine Bypass-Leitung 20 der Luftführung 17 parallel verlegt. Der Durchfluss des Verbrennungsluft-Teilstromes durch die Bypass-Leitung 20 ist mittels eines Ventils 21 , vorliegend ein 3/2-Wegeventil, regelbar. Hierzu ist eine Ventilsteuerung 22 an das Ventil 21 angeschlossen. Die Bypass- Leitung 20 und der Leitungsabschnitt 19 sind in Strömungsrichtung nach dem Ladeluftkühler 18 wieder zusammengeführt und in den Verbrennungsmotor 10 geleitet.

Dem Ladeluftkühler 18 ist als Fördereinrichtung 15 ein Ventilator zugeordnet. Dieser wird mit der Abtriebswelle 14 gekoppelt. Während des Motorbetriebes fördert der Ventilator als Kühlmedium Luft durch den Ladeluftkühler 18. Dabei wird der durch den Ladeluftkühler 18 geförderten Verbrennungsluft Wärme entzogen. Die Temperatur der dem Verbrennungsmotor 10 zugeführten Verbrennungsluft soll auf einen möglichst konstanten Vorgabewert eingeregelt werden. Bei einer Temperaturabweichung wird über den Motor 22 das Ventil 21 angesteuert. Dabei kann dann die Menge der durch das Ventil 21 fließenden, ungekühlten Verbrennungsluft variiert und somit das Mischungsverhältnis gekühlte/ungekühlte Verbrennungsluft eingestellt werden.