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Dokumentenidentifikation DE60114339T2 27.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001187292
Titel Motorgeneratorvorrichtung und Wärme-Kraft-System
Anmelder Honda Giken Kogyo K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kotani, Yoshiaki, Wako-shi, Saitama, JP;
Fukushima, Tomoki, Wako-shi, Saitama, JP;
Kamimura, Kenji, Wako-shi, Saitama, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 60114339
Vertragsstaaten DE, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.08.2001
EP-Aktenzeichen 011196672
EP-Offenlegungsdatum 13.03.2002
EP date of grant 26.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2006
IPC-Hauptklasse H02J 3/38(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F02D 29/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F02G 5/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorgeneratorvorrichtung und ein Co-Generator-System und insbesondere eine Motorgeneratorvorrichtung, welche eine Funktion zur Verbindung mit einem elektrischen, für den privaten Gebrauch geeigneten Energieerzeugungssystem oder eine klein dimensionierte Co-Generatoranlage und ein Co-Generatorsystem, das eine Motorgeneratorvorrichtung enthält, aufweisen.

Privat nutzbare Generatorvorrichtungen werden weit verbreitet im Falle von Stromausfällen eingesetzt. In der letzten Zeit wurden privat nutzbare Generatorvorrichtungen des Typs Co-Generator populär, die mit einem elektrischen Energiesystem zur Verbesserung der Betriebseffizienz gekoppelt werden. Derartige Generatorvorrichtungen des Typs Co-Generator umfassen einen kleinen Generator, der durch einen Benzinmotor oder einen Gasmotor, der mit einem Gas wie dem Stadtgas betrieben wird, angetrieben wird.

Für eine gleichmäßige Verbindung mit einem elektrischen Energiesystem muss die Generatorvorrichtung vom Typ Co-Generator den Richtlinien für technische Erfordernisse für Verbindungen (die vom Handelsministerium herausgegeben werden) entsprechenden, die technischen Standards inklusive eines Ausgangsleistungsbereich des nutzbaren Energiesystems und einen Schutz des Energiesystems für den Fall eines Erdungsfehlers oder eines Kurzschlusses genügen. Es ist somit erforderlich, die Verbindung mit dem System aufzuheben, wenn der Betrieb nicht mehr den Anforderungen der Richtlinien hinsichtlich einer Fehlfunktion entspricht.

Wenn der Betrieb entsprechend den Erfordernissen der Richtlinien wiederhergestellt ist, kann die Verbindung zu dem Energiesystem wieder hergestellt werden.

Das Co-Generator-System, das von einem Benzinmotor oder einem Gasmotor angetrieben wird, enthält eine Steuereinheit zur Reinigung des Auspuffgases. Genauer steht ein Sauerstoffdichtesensor entlang des Durchganges des Abgases des Motors zur Verfügung, welcher die Dichte des Sauerstoffes in dem Abgas misst, welche dann zur Steuerung des Luft-Benzin-Verhältnisses im Gasgemisch, dass dem Motor zugeführt wird, genutzt wird, um eine theoretisch vollständige Verbrennung zu ermöglichen.

Wenn das Co-Generator-System, das so eine Abgasreinigungsvorrichtung aufweist, eine Fehlfunktionen während seines Betriebes hat, löst es die Verbindung mit dem Energiesystem und stoppt dann den Motor, was den folgenden Nachteil hervorbringt. Für einen normalen Betrieb benötigt der Sauerstoffdichtesensor eine Temperatur von im Wesentlichen 400°C. Bei jedem Betriebsneustart des Motors ist ein Aufwärmen zur Erhöhung der Temperatur des Sauerstoffdichtesensors von einem niedrigen Niveau zu dem Betriebsniveau, bei dem der Sensor aktiviert wird, erforderlich. Der häufige Aufwärmbetrieb verursacht einen Rückgang in der Betriebseffizienz. Insbesondere wird die Betriebseffizienz signifikant dadurch reduziert, dass der Motor aufgrund von temporärem Lösen der Verbindung und einem erneuten Wiederverbinden in kurzen Zeitintervallen gestoppt wird. Wenn ein Schutzmechanismus eingeschaltet wird, um den Motor bei jeder Lösung der Verbindung zu stoppen, können unerwünschte Belastungen auf die Startvorrichtung oder andere Komponenten ausgeübt werden.

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Nachteile entwickelt, und sein Ziel ist es, eine Motorgeneratorvorrichtung und ein Co-Generator-System bereitzustellen, welches einen Rückgang der Betriebseffizienz verhindert, die dadurch entsteht, dass der Motor beim Lösen der Verbindung gestoppt wird, und die Belastungen zu reduziert, denen die Motorstartvorrichtung ausgesetzt ist.

Eine Motorgeneratorvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt zur Verbindung einer Ausgangsleistung eines Generators, der von einem Motor mit einem Energiesystem angetrieben wird und einen Sauerstoffdichtesensor am Motor umfasst, um das Luft-Treibstoff-Verhältnis basierend auf seiner Ausgangsleistung zu steuern, Mitteln zum Verbinden der Ausgangsleistung des Energiegenerators mit dem Energiesystem, wenn der Sauerstoffdichtesensor in seinen aktiven Status ist, Fehlfunktionserkennungsmitteln zur Feststellung einer Fehlfunktion in der Verbindung mit dem Energiesystem, Mitteln zum Lösen der Verbindung mit dem Energiesystem, wenn die Fehlfunktionserkennungsmittel eine Fehlfunktion erkennen und Wiederaufnahme der Verbindung mit dem Energiesystem, wenn der Fehler beseitigt ist; und Mitteln zum Stoppen des Motors, wenn die Verbindung über eine vorher bestimmte Zeitspanne in Folge einer Fehlfunktionserkennung gelöst ist.

Entsprechend dem obigen Aufbau wird der Motor nicht gestoppt, sondern auch dann ohne Last betrieben, wenn die Verbindung mit dem Energiesystem gelöst ist, vorausgesetzt, dass das Intervall vom Lösen bis zum Wiederverbinden nicht länger als eine bestimmte Zeitspanne ist. Der Motorstopp in Abhängigkeit von jedem Lösen der Verbindung kann erfolgreich vermieden werden. Folglich kann ein Aufwärmen zur Aktivierung des Sauerstoffdichtesensors weniger häufig durchgeführt werden, und unnötige Belastungen der Startvorrichtung für den Motor können vermieden werden.

Ein Co-Generator-System entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abwärmenutzungseinheit zur Nutzung von Abwärme, die bei dem Betrieb der Motorgeneratorvorrichtung erzeugt wird, und die so aufgebaut ist, dass der Motor in Abhängigkeit von einer Wärmeanforderung, die von der Abwärmenutzungseinheit empfangen wird, gestartet wird. Nachdem der Motor durch die Wärmeanforderung von der Abwärmenutzungseinheit gestartet wurde, kann die Abwärme, die während der Periode vor der Aktivierung des Sauerstoffdichtesensors erzeugt wurde, effektivitätsverbessernd eingesetzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Blockdiagramm einer Motorgeneratorvorrichtung, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer ECU (electronic control unit) beim Aufwärmen darstellt;

3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Invertersteuerung beim Aufwärmen darstellt;

4 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der ECU darstellt, wenn eine Fehlfunktion auftritt;

5 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Invertersteuerung darstellt, wenn eine Fehlfunktion auftritt;

6 ist ein Blockdiagramm eines Co-Generator-Systems, das ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und

7 ist ein Blockdiagramm eines primären Teils einer konventionellen Motorgeneratorvorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in größerem Detail unter Nutzung der relevanten Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm der Motorgeneratorvorrichtung. Wie dargestellt umfasst der motorbetriebene Generator 10 einen Motor 11 und einen Generator 12. Der Generator 12 wird durch den Motor 11 zur Erzeugung einer Wechselstromausgangsleistung, die der Anzahl der Umdrehungen entspricht, angetrieben. Der Generator 12 umfasst einem Rotor, der mit dem Motor 11 verbunden ist, und einen Stator um den Dreiphasen-Wicklungen gelegt sind. Der Ausgangsanschluss der Dreiphasen-Wicklungen ist mit einer Invertereinheit 13 verbunden. Die Invertereinheit 13 wandelt die Wechselstromausgangsleistung des Generator 12 in einem Wechselstrom um, der in der Qualität (in der Spannung, Frequenz, Rauschen und anderen Faktoren) zur kommerziellen Energieversorgung äquivalent ist; dann wird die Ausgangsleistung mit dem kommerziellen Energieversorgungssystem mit einer mit dem System gleichen Phase verbunden.

Genauer umfasst die Invertereinheit 13 einen Umwandler 131 zur Umwandlung der Wechselstromausgangsleistung des Generators 12 in einen Gleichstrom, einen Inverterschaltkreis 133 zur Umwandlung des von dem Umwandler 133 empfangenen Gleichstromes in einen Wechselstrom mit der Frequenz und der Spannung des kommerziellen Energieversorgungssystems, einen Filterschaltkreis 134 und ein Verbindungs-Relais 135. Der Wechselstromausgang der Invertereinheit 13 wird durch das Verbindungs-Relais 135 und einen Hauptschalter 136 mit dem kommerziellen Energieversorgungssystem 14 und auch mit einer häuslichen elektrischen Last 15 (beispielsweise einem privat genutzten Energieversorgungssystem) verbunden.

Die Invertereinheit 13 umfasst auch eine Invertersteuerung 137 zur Schaltsteuerung des FET des Inverterschaltkreises 133. Die Invertersteuerung 137 ist so aufgebaut, um in Abhängigkeit von einem Ausgangsstrom Io, eine Ausgangsspannung Vdc des Umwandlungsschaltkreises 131 und einem Signal von einem Schutzsystem 138 zur Steuerung der Schaltaktion des Verbindungs-Relais 135 eine Funktion zum Schutz des Inverterschaltkreises 133 bereitzustellen.

Das Schutzsystem 138 überwacht die Spannung und Frequenz des Ausgangs des Generators 12, und der, wenn die Frequenz von dem Referenzniveau abweicht oder eine Fehlfunktionen der Energieversorgung auftritt, ein Fehlersignal erzeugt oder ein Fehlersignal an die Invertersteuerung 137 bereitstellt, welche in Folge das Verbindungs-Relais 135 öffnet und somit den Parallelbetrieb aufhebt, um das System zu schützen. Die Fehlfunktion in der Energieversorgung kann auf Grund von Sprüngen in der Phase des Systems beurteilt werden. Alternativ kann die Fehlfunktion vom Grad einer Phasenverschiebung beurteilt werden, während der der Inverterausgang periodisch in der Phase verschoben wird. Die Invertersteuerung 137 enthält einen nichtflüchtigen Speicher wie ein EEPROM zur Speicherung von Daten der Fehlfunktion und Daten der (unüblichen) Stoppbewegung, wenn ein Fehler in der Invertereinheit 13 oder dem kommerziellen Energieversorgungssystem 14 auftritt („Fehler" und „Fehlfunktion" werden als Synonyme genutzt; insbesondere bei den Zeichnungen).

Das Verbindungs-Relais 135 ist zur Verbindung der Invertereinheit 13 für einen parallelen Betrieb geschlossen, und wird geöffnet, um die Invertereinheit 13 für ein Paralleles-Aus zu trennen. Darüber hinaus dient das Verbindungs-Relais 135 als ein Unterbrecher zum Schutz des Systems, und es wird sofort geöffnet, wenn das System eine Fehlfunktion aufweist. Die Schaltfunktionen des Verbindungs-Relais 135 wird durch die Invertersteuerung 137 und das Schutzsystem 138 gesteuert, die beide mit Hilfe eines Mikrocomputers implementiert sein können. Das Verbindungs-Relais 135 bleibt offen (paralleler Betrieb ist aufgehoben), wenn der Hauptschalter 136 geöffnet ist.

Eine ECU 38 stellt eine Steuerung des Motors 11 zur Verfügung. Wenn das Verbindungs-Relais 135 für eine vorher bestimmte Zeitspanne offen gehalten wird, generiert die ECU 38 ein Stoppsignal, um den Motor 11 anzuhalten. Die ECU 38 enthält somit einen nichtflüchtigen Speicher – wie ein EEPROM – zur Speicherung von Daten der Fehlfunktion oder Daten der durch die Fehlfunktion ausgelösten Stoppbewegung genauso wie eine Anzeige – wie eine LED – zur Anzeige der Fehlfunktion.

Eine Kommunikationseinheit 139 steht zwischen der ECU 38 und einer Kombination (auf die als eine Inverterseite, die der ECU-Seite gegenüber liegt, Bezug genommen werden kann) von Invertersteuerung 137 und dem Systemschutz 138 zur Kommunikation von Stati der beiden Seiten bereit. Eine Energiequelle 140 ist an den Ausgangsanschluss der Invertereinheit 13 zur Lieferung von Energie an eine Antriebsquelle und Steuerquelle für sowohl den Motorgenerator 10 als auch die Invertereinheit 13 angeschlossen.

Der Motor 11 wird mit einer Mischung aus Luft und Treibstoff, das von einem Vergaser 33 erzeugt wird, versorgt. Ein Proportionalventil 35 steht an dem Gaseinlass 34 zur Verfügung, und seine Öffnung kann das Luft-Treibstoff Verhältnis bestimmen. Die Luft-Treibstoff-Mischung wird in dem Motor 11 entzündet und entweicht über ein Auspuffrohr 36. Ein Sauerstoffsensor 37 steht an dem Auspuffrohr 36 zur Verfügung. Abhängig von der Dichte des durch den Sauerstoffsensor 37 festgestellten Sauerstoffs treibt die ECU 38 das Proportionalventil 35, um das Luft-Treibstoff-Verhältnis auf einen theoretischen Wert für eine komplette Verbrennung einzustellen. Bevor der Sauerstoffsensor 37 aktiviert ist, wird der Motor 11 in einem Magergemischbetrieb gefahren, um die Abgabe von giftigen Substanzen entsprechend der Abgasvorschriften zu minimieren.

2 und 3 sind Flussdiagramme, die die Aktionen der Motorgenerator-(oder ECU)-Steuerseite und der Invertersteuerseite des Systems beim Warmlaufen des Motorgenerators 10 darstellt. Die Steuerungsaktion beginnt, wenn der Hauptschalter 136 eingeschaltet wird, die Bewegung des Motors 11 aber durch das Auftreten einer Fehlfunktion gestoppt ist.

Die Abfolge der Schritte auf der ECU-38-Steuerseite werden nun anhand der 2 erklärt. Beim Schritt S1 wird basierend auf in dem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten Daten entschieden, ob der Motor 11 durch eine Fehlfunktion des Motors 11 gestoppt wurde. Wenn der Motor durch eine Fehlfunktion gestoppt wurde, wird die Fehlfunktion durch die LED in Schritt S4 angezeigt, um den Betreiber darauf hinzuweisen. Die Daten in den Speicher bleiben dann unverändert. Wenn der Stopp nicht durch eine Fehlfunktion des Motors 11 ausgelöst wurde, fährt die Prozedur mit Schritt S2 fort, um zu untersuchen, ob der Stopp durch eine Fehlfunktion der Invertereinheit 13 ausgelöst wurde oder nicht. Diese Untersuchung basiert auf den in dem nichtflüchtigen Speicher gespeicherten Daten.

Wenn die Invertereinheit 13 eine Fehlfunktion aufweist, springt die Prozedur zu Schritt S4. Wenn die Invertereinheit 13 keine Fehlfunktion aufweist, fährt die Prozedur bei Schritt S3 fort.

Wenn ermittelt wurde, dass der Motor 11 entweder durch eine Fehlfunktion des Motors 11 oder der Invertereinheit 13 gestoppt wurde, geht die Prozedur zu Schritt S4, um die Fehlfunktion anzuzeigen. Daraufhin folgt Schritt S5, in dem untersucht wird, ob der Motorstopp durch eine Bedienerhandlung ausgelöst wurde. Wenn der Stopp durch einen Betreiber aufgehoben wird ("Ja" bei Schritt S5), geht die Prozedur zu Schritt S3. Ein Schalter (nicht dargestellt) zum Aufheben der Stoppbewegung durch die Fehlfunktion kann unabhängig vom Hauptschalter 136 zur Verfügung stehen, um eindeutig die Betreiberabsicht zur Aufhebung der Stoppbewegung zu kommunizieren.

Es wird dann in Schritt S3 untersucht, ob eine Wärmeanforderung von einer Steuerung (5) zur Bestimmung der Menge der thermischen Last empfangen wurde, das heißt, ob ein Kommando zum Starten des Motors 11 empfangen wurde oder nicht. Die thermische Last in Form eines Heißwassertanks und die Steuerung wird im größeren Detail erklärt.

Wenn eine Wärmeanforderung empfangen wird, geht die Prozedur zu Schritt S6, bei dem gesucht wird, ob der Motor eine Fehlfunktion hat oder nicht. Falls nicht fährt die Prozedur mit Schritt S7 fort, bei dem die Kommunikationseinheit 139 zur Abfrage der Invertersteuerung 137 über den Status der Invertereinheit 13 aktiviert wird. Im Schritt S8 wird basierend auf der Antwort von der Invertersteuerung 137 untersucht, ob die Invertereinheit 13 eine Fehlfunktion aufweist oder nicht. Wenn die Invertereinheit keine Fehlerfunktion aufweist, geht die Prozedur bei Schritt S9 mit dem Starten des Motors 11 weiter. Wenn der Motor läuft, wird sein Anlauf an die Invertersteuerung 137 durch die Kommunikationseinheit 139 kommuniziert.

Es wird dann in Schritt S10 untersucht, ob der Sauerstoffsensor 37 aktiviert wurde oder nicht. Wenn der Sensor 37 aktiviert wurde, wird ein Signal "Inverter-Start-Erlaubnis" durch die Einheit 139 an die Invertersteuerung 137 gesendet, und die Invertereinheit gestartet und die Last eingebracht (S11). Die Aktivierung des Sauerstoffsensors 37 kann beurteilt werden, nachdem eine vorher bestimmte Zeitdauer nach dem Anlaufen des Motors 11 abgelaufen ist oder wenn die Umgebungstemperatur des Sauerstoffsensors 37 bis auf einen vorher bestimmtes Niveau angewachsen ist.

Der Prozess in der Invertersteuerung 137 wird nun an Hand von 3 erklärt. Wenn der Hauptschalter 136 eingeschaltet wird, wird basierend auf den Daten in dem nichtflüchtigen Speicher im Schritt S12 untersucht, ob eine Energiefehlfunktion festgestellt wurde oder nicht. Wenn eine Energiefehlfunktion erkannt wurde, geht die Prozedur zu Schritt S13 zum Warten oder Zeitverzögern. Nach dem Abwarten einer vorher bestimmten Zeitdauer (zum Beispiel 150 Sekunden) geht die Prozedur zu Schritt S14. Wenn keine Energiefehlfunktion festgestellt wurde, springt die Prozedur von Schritt S12 zu Schritt S14.

Die Zeitverzögerung in Schritt S13 hat den folgenden Vorteil. Nachdem die Energiefehlfunktion auftritt, kann Ihre Quelle durch temporäre, erneute Energiezufuhr von dem Stromversorgungsunternehmen identifiziert werden. Wenn eine Fehlfunktion auftritt, kann sie durch erneute Energiezufuhr wiederholt werden. Wenn dem so ist, wenn eine Energiefehlfunktion bei geschlossenem Hauptschalter 136 auftritt, startet die folgende, erneute Energiezufuhr die Generatorvorrichtung. Dieses kann die Untersuchung des Grundes der Energiefehlfunktion schwierig machen. Aber das Warten oder die Zeitverzögerung von 150 Sekunden erlaubt eine einfache Untersuchung.

Es wird dann in Schritt S14 untersucht, ob das Energiesystem eine Fehlfunktion hat oder nicht. Wenn das Energiesystem eine Fehlfunktion aufweist, geht die Prozedur bei Schritt S15 weiter, bei dem untersucht wird, ob die Invertereinheit 13 jetzt eine Fehlfunktion aufweist oder nicht. Wenn es dort keine Fehlfunktion gibt, geht die Prozedur weiter zu Schritt S17 zum Starten der Prüfung des Generators 12. Wenn die Invertereinheit 13 eine Fehlfunktion aufweist, geht die Prozedur zu Schritt S18 zur Speicherung der Daten einer „Inverterfehlfunktion" im Speicher und kehrt zu Schritt S14 zurück.

Wenn in Schritt S14 geurteilt wird, dass das Energiesystem eine Fehlfunktion aufweist, wird das Urteil im Schritt S14 solange aufrechterhalten, bis die Fehlfunktion des Energiesystems eliminiert ist. Die Daten im nichtflüchtigen Speicher, die auf die Fehlfunktion der Invertersteuerung 13 hinweisen, werden gelöscht, wenn der Betreiber den üblichen Status aufhebt und die Beurteilung im Schritt S5 positiv ausfällt. Folglich ist die Inverterfehlfunktion eliminiert. Diese Information über die Invertereinheit 13 wird zur ECU-38-Seite als Antwort auf die Anforderung im Schritt S7 übertragen.

Dann wird im Schritt S19 untersucht, ob die direkte Strom-Spannung Vdc nach dem Gleichrichtungsprozess ein vorher bestimmte Niveau (z.B. 380 V) überschreitet oder nicht. Wenn die Spannung ein vorher bestimmtes Niveau überschreitet, geht die Prozedur zu Schritt S20, bei dem das Verbindungs-Relais 135 durch das im Schritt S1 übertragene Signal "Inverter-Start-Erlaubnis" geschlossen wird, um den Parallelbetrieb mit dem kommerziellen Energieversorgungssystem zu starten.

Dieses wird gefolgt von Schritt S21, bei dem die Ausgangsleistung der Invertereinheit 13 erhöht wird. Im Schritt S22 wird untersucht, ob die direkte Strom-Spannung Vdc weiterhin das vorher bestimmte Niveau (z.B. 380 V) überschreitet. Wenn der Schritt S22 positiv bestätigt wird, fährt die Prozedur mit Schritt S23 fort, wo untersucht wird, ob die Ausgangsleistung ein bewertetes Niveau (z.B. 1 kW) erreicht oder nicht. Wenn die Ausgangsleistung das bewertete Niveau nicht erreicht, kehrt die Prozedur zu Schritt S21 zur Erhöhung der Ausgangsleistung der Invertereinheit 13 zurück. Wenn die Ausgangsleistung sein bewertetes Niveau erreicht, wird geurteilt, dass der Betrieb normal ist, und die Prozedur zur Untersuchung der Inverterfehlfunktion beim Anlauf wird beendet. Wegen der Schritte S21 bis S23 kann der Warmanlauf (soft start-up) mit gradueller Erhöhung der Ausgangsleistung durchgeführt werden.

Wenn auf der anderen Seite nach Erhöhung der Ausgangsleistung der Invertereinheit 13 bei einer Ausgangsleistung, die kleiner als ein bewertetes Niveau ist ("negativ" in Schritt S23) die direkte Strom-Spannung Vdc kleiner als ein vorher bestimmtes Niveau ist, geht die Prozedur von Schritt S22 zu Schritt S24. Im Schritt S24 wird untersucht, ob die Bewertung, dass die direkte Strom-Spannung Vdc nicht höher als ein vorher bestimmtes Niveau ist, für eine vorher bestimmte Anzahl von Malen wiederholt (zum Beispiel 5 Mal). Wenn Schritt S24 positiv bestätigt wird, wird geurteilt, dass der Generator 12 eine Fehlfunktion aufweist, und der Parallelbetrieb mit dem kommerziellen Energieversorgungssystem wird aufgehoben, wodurch der Invertersteuerungsprozess gestoppt wird. Wenn in Schritt S24 „Nein" beurteilt wird, geht die Prozedur zu Schritt S25 zum Aufheben des Parallelbetriebes. Nach dem Durchlaufen einer Zeitverzögerung für eine vorher bestimmte Zeitperiode (150 Sekunden) in Schritt S26, geht die Prozedur zurück zu Schritt S20 zur Wiederaufnahme des Parallelbetriebes. Die Prozedur kann von Schritt S26 bei Schritt S19 an Stelle von Schritt S20 fortfahren.

Wenn der Schritt S19 negativ beurteilt wird, geht die Prozedur bei Schritt S27 weiter, und es wird überprüft, ob die direkte Strom-Spannung Vdc unter einem vorher bestimmte Niveau während der vorbestimmte Zeitdauer (z.B. drei Minuten) liegt oder nicht. Wenn der Generator 12 eine Fehlfunktion hat, gibt es eine positive Bestätigung bei Schritt S27 oder eine positive Bestätigung bei Schritt S24, und die Prozedur fährt mit Schritt S24a fort. Beim Schritt S24a wird die Fehlfunktion des Generators 12 in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert, und die Invertersteuerprozedur wird beendet.

Die Prozedur ohne eine Wärmeanforderung oder mit dem Auftreten einer Fehlfunktion nachdem Warmlaufen wird erklärt. 4 ist ein Flussdiagramm, das den Prozess der ECU 38 darstellt. Im Schritt S30 wird untersucht, ob die Wärmeanforderung empfangen wurde oder nicht. Wenn die Anforderung nicht empfangen wurde, geht die Prozedur zu Schritt S31 zum Stoppen des Motors 11. Nach dem Anhalten des Motors 11, geht die Prozedur zu Schritt S3 (2) und wartet bis eine Wärmeanforderung empfangen wird. Wenn der Motor 11 ohne Wärmeanforderung gestoppt wurde, wird diese Information an die Invertersteuerung 13 übertragen.

Wenn die Wärmeanforderung empfangen wurde, fährt die Prozedur bei Schritt S32 fort, wo untersucht wird, ob der Motor 11 eine Fehlfunktion aufweist oder nicht. Wenn der Motor 11 eine Fehlfunktion aufweist, geht die Prozedur zu Schritt S33 zum Stoppen des Motors 11. Wenn der Motor 11 stoppt, wird im Schritt S34 die Information "Motorfehlfunktion" im nichtflüchtigen Speicher gespeichert, und dann geht die Prozedur zurück zu Schritt S1. Wenn der Motor 11 durch eine Fehlfunktion des Motors 11 gestoppt wurde, wird das Stoppen des Motors an die Invertersteuerung 13 übermittelt.

Wenn der Motor 11 keine Fehlfunktion aufweist, geht die Prozedur zu Schritt S35. Im Schritt S35 wird untersucht, ob ein Fehlfunktionssignal, das auf einen Fehler in der Invertereinheit 13 hinweist, von der Invertersteuerung 137 empfangen wurde oder nicht. Wenn ein Fehlersignal von der Invertereinheit 13 empfangen wurde, geht die Prozedur zu Schritt S36 zum Stoppen des Motors 11. Dann wird im Schritt S37 die Information "Inverterfehlfunktion" im nichtflüchtigen Speicher gespeichert, und die Prozedur geht zurück zu Schritt S1.

Wenn das Fehlfunktionssignal nicht von der Invertereinheit 13 empfangen wurde, geht die Prozedur zu Schritt S38, und es wird untersucht, ob ein Signal, das auf eine Energiesystemfehlfunktion hinweist, von der Invertersteuerung 137 empfangen wurde. Wenn das Energiesystemfehlfunktionssignal nicht empfangen wurde, geht die Prozedur zu Schritt S30. Wenn das Signal, das auf eine Energiesystemfehlfunktion hinweist, empfangen wurde, geht die Prozedur zu Schritt S38 zum Stoppen des Motors 11, und die Prozedur geht zurück zu Schritt S3.

Jetzt wird das Verfahren Prozess der Invertersteuerung 13 mit Hilfe von 5 erklärt. In Schritt S40 wird untersucht, ob ein Wärmeanforderungs-Aus von der ECU 38 empfangen wurde oder nicht. Wenn das Wärmeanforderungs-Aus empfangen wurde, wird die Verbindung mit dem Energiesystem in Schritt S41 aufgehoben, und die Prozedur geht zurück zum Schritt S12 (3). Wenn das Wärmeanforderungs-Aus nicht empfangen wurde, fährt die Prozedur mit Schritt S42 fort, bei dem untersucht wird, ob das Signal zum Stoppen des Motors empfangen wurde oder nicht. Wenn das Signal zum Stoppen des Motors empfangen wurde, wird der Parallelbetrieb im Schritt S43 aufgelöst, und die Prozedur geht zu Schritt S12 zurück. Wenn das Signal zum Stoppen des Motors nicht empfangen wurde, wird im Schritt S44 untersucht, ob die Invertereinheit 13 eine Fehlfunktion aufweist oder nicht. Wenn die Einheit 13 eine Fehlfunktion aufweist, geht die Prozedur zu Schritt S45 zum Lösen der Verbindung mit dem kommerziellen Energieversorgungssystem, und die Prozedur geht zu Schritt S12 zurück.

Wenn die Invertereinheit 13 keine Fehlfunktion aufweist, wird dann im Schritt S46 untersucht, ob das Energiesystem eine Fehlfunktion hat oder nicht. Wenn das Energiesystem keine Fehlfunktion aufweist, geht die Prozedur zu Schritt S47, wo untersucht wird, ob die Verbindung oder der Parallelbetrieb hergestellt ist oder nicht. Wenn der Parallelbetrieb hergestellt wurde, geht die Prozedur zurück zu Schritt S40.

Wenn in Schritt S46 geurteilt wurde, dass das Energiesystem eine Fehlfunktion aufweist, geht die Prozedur zu Schritt S51 zum Lösen des Parallelbetriebes des Systems. Es wird dann im Schritt S52 untersucht, ob eine Energiefehlfunktion aufgetreten ist oder nicht. Wenn eine Energiefehlfunktion festgestellt wurde, werden in dem nichtflüchtigen Speicher Informationen gespeichert, die darauf hinweisen, dass im Schritt S53 eine Fehlfunktion festgestellt wurde. Wenn keine Energiefehlfunktion festgestellt wurde, überspringt die Prozedur Schritt S53 und springt zum Schritt S54. Es wird dann im Schritt S54 untersucht, ob die Energiesystemfehlfunktion eine vorher bestimmte Zeitdauer (z.B. fünf Minuten) anhält oder nicht. Wenn Schritt S54 negativen ist, geht die Prozedur zum Schritt S47. Wenn der Parallelbetrieb nicht hergestellt ist, fährt die Prozedur bei Schritt S48 fort, wo untersucht wird, ob das Energiesystem eine Fehlfunktion hat oder nicht. Wenn das Energiesystem eine Fehlfunktion hat, geht die Prozedur zurück zu Schritt S40. Falls das nicht der Fall ist, geht die Prozedur zu Schritt S49 zum Durchlaufen einer Zeitverzögerung für eine vorher bestimmte Zeitdauer (zum Beispiel 150 Sekunden) und dann zu Schritt S50. Im Schritt S50 wird der Parallelbetrieb gestartet. Wenn die Fehlfunktion über eine vorbestimmte Zeitdauer anhält, geht die Prozedur zu Schritt S55, wo das Kommando zum Stoppen des Motors 11 an die ECU 38 übermittelt wird. Dann wird im Schritt S56 untersucht, ob das Energiesystem eine Fehlfunktion hat oder nicht. Wenn der Fehler behoben ist, geht die Prozedur zu Schritt S57 zum Durchlaufen einer Zeitverzögerung für eine vorher bestimmte Zeitdauer (zum Beispiel 150 Sekunden) und kehrt dann zum Schritt S12 zurück (3).

Ein Co-Generator-System entsprechend der vorliegenden Erfindung wird beschrieben, welches eine Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme des Abgases des Motorgenerators beinhaltet. 6 ist ein Blockdiagramm eines Co-Generator-System, bei dem gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet sind. Wenn der Motor 11 den Generator 12 antreibt, wird Wärme erzeugt, die von der Wärmerückgewinnungseinheit 16 des Motors 11 durch Wärmeaustausch zurückgewonnenen wird. Die Wärmerückgewinnung kann vorzugsweise an allen Hochtemperaturregionen des Motors 11 inklusive eines Auspuffrohres durchgeführt werden. Wenn das Kühlwasser durch ein Rohr 18 geleitet wird, welches durch die Wärmerückgewinnungseinheit 16 läuft, dient es als Medium zur Übertragung der Wärme zu einem Heißwasserspeichertank 17.

Der Heißwasserspeichertank 17 enthält einen Ausgangswärmetauscher (im nachfolgenden als erster Wärmetauscher bezeichnet) 20, der an die Leitung 18 angeschlossen ist. Das Wasser, das von der Wasserquelle 31 zum Heißwasserspeichertank 17 geführt wird, wird dann durch den ersten Wärmeaustausch 20 erwärmt, um so zu heißem Wasser zu werden. Das heiße Wasser, das im Heißwasserspeichertank 17 erwärmt und gespeichert wird, wird zur weiteren Verwendung an eine Heißwasserversorgungseinheit 21 geleitet, welche eine erste thermische Last darstellt.

Ein zweiter Wärmetauscher 22 steht über dem ersten Wärmetauscher 20 in dem Tanks 17 zur Verfügung. Der zweite Wärmetauscher 22 ist an die Leitung 23 angeschlossen, welche umgekehrt mit einem Heizsystem 24, wie einem Zentralheizungssystem oder einem Fußbodenheizungssystem, verbunden ist, welches als zweite thermische Last dient. Die zweite Leitung 23 bildet einen zweiten Heißwasserpfad, der separat von dem Heißwasserpfad ist, der zur Versorgung der Warmwasserversorgungseinheit 21 mit heißem Wasser aus dem Heißwasserspeichertank 17 dient. Der zweite Heißwasserpfad 23 führt einen zweiten Wärmeaustausch mit dem Heißwasserspeichertank 17 aus, wodurch es zu einer Effizienzerhöhung bei der Wärmerückgewinnung kommt.

Im zweiten Heißwasserpfad 23 sind auch ein Wiedererwärmungsboiler 25 und ein Dreiwegeventil 26 vorgesehen. Der Wiedererwärmungsboiler 25 ist mit einer Pumpe 27 zur Zirkulation des Heißwassers durch den zweiten Heißwasserpfad 23 ausgerüstet. Das Dreiwegeventil 26 ist ein Mittel zum Umschalten des Flusses des Heißwassers zu einem Bypass 28 oder einem Heizsystem 24. Die folgenden Durchgänge werden durch die Bedienung des Dreiwegeventils 26 ausgewählt. Wenn das Dreiwegeventil 26 zum Heizsystem 24 geschaltet ist, ist der Durchgang zum Durchfluss des heißen Wassers über den Wiedererwärmungsboiler und das Heizsystem 24 und den Heißwasserspeichertank 17 offen. Wenn das Dreiwegeventil 26 zum Bypass 28 geschaltet ist, ist der Durchgang zum Durchfluss des Heißwassers durch den Bypass 28 – nicht das Heizsystem 24 – zum und vom Heißwasserspeicherteil 17 offen.

In dem Heißwasserspeichertank 17 gibt es einen Temperatursensor TS1, und Informationen über die Temperatur TI des heißen Wassers, die durch den Temperatursensor TS1 gemessen wird, werden an eine Steuerung 29 übermittelt. Der Temperatursensor TS1 kann in einer adäquaten Höhe zwischen im Wesentlichen dem oberen Ende des ersten Wärmetauschers 20 und dem unteren Ende des zweiten Wärmetauscher 22 angebracht sein und befindet sich vorzugsweise auf halbem Wege zwischen dem ersten Wärmetauscher 20 und dem zweiten Wärmetauscher 22. Es ist sehr wahrscheinlich, dass – bedingt durch den Konvektionseffekt – die Temperatur des Heißwassers am im Wesentlichen untersten Ende des Heißwasserspeichertanks 17 niedriger ist und am im Wesentlichen obersten Ende höher ist. Weil sich der Temperatursensor TS1 in der Mitte befindet, kann er einen mittleren Wert der Temperatur in dem Heißwasserspeichertank ermitteln.

In Abhängigkeit von der Temperaturinformation TI steuert die Steuerung 29 den Start- und Stoppvorgang des Motors 11. Weil die Temperaturinformation TI den Bedarf an Wärme von der Heißwasserversorgungseinheit 21 repräsentiert, welche das heiße Wasser direkt von dem Heißwasserspeichertank 17 oder von dem Heizungssystem 24 bezieht, welche das heiße Wasser direkt über den zweiten Wärmetauscher 22 bezieht, urteilt die Steuerung 29, dass der Bedarf übertroffen ist, wenn die Temperaturinformationen TI nicht höher als ein Referenzniveau Tref-1 ist, und dass der Motor 11 betrieben werden muss, um Wärme zu erzeugen. Wenn auf der anderen Seite die Temperaturinformation TI höher als das Referenzniveau Tref-1 ist, urteilt die Steuerung 29, dass ein ausreichendes Niveau von Wärmeenergie in dem Heißwasserspeichertank 17 gespeichert ist, schaltet die Wärmeanforderung aus und stoppt dann den Motor 11.

Das Referenzniveau Tref-1 der Temperatur hängt von mehreren Parametern der Art und des Umfangs der thermischen Last (das heißt, der Art und der Kapazität der Heißwasserversorgungseinheit 21 und des Heizungssystems 24), der thermischen Ausgangsleistung des motorbetriebenen Generators 10, dem Volumen des Heißwasserspeichertanks 17 und so weiter ab. Das Referenzniveau Tref-1 weist eine Hysterese zur Sicherstellung eines stabilen Betriebes des Motors 11 auf, das heißt, dass häufiges Starten und Stoppen vermieden wird.

In dem Fall, in dem der Motor 11 über die Temperaturinformation TI gesteuert wird, kann seinen Betrieb betrachtet werden als ein Antrieb für den Generator 12, um eine konstante Ausgangsleistung zu generieren, oder um in einem elektrisch lastabhängigen Modus eine abhängig von der Höhe der elektrischen Last 15 variable Ausgangsleistung zu erzeugen. In dem Konstantausgangsleistungsmodus wird der Motor 11 als treibende Energiequelle betrieben, um die Anzahl seiner Umdrehungen konstant zu halten, damit sein Betrieb ein höheres Effizienzniveau garantiert, das den Treibstoffverbrauchs minimiert und ein akzeptables Niveau von Abgasen abgibt. Wenn der Bedarf an Elektrizität die Ausgangsleistung des Generators 12 übersteigt, wird das Defizit an Elektrizität durch eine Versorgung aus dem kommerziellen Energieversorgungssystem 14 gedeckt.

Die Temperatur des Heißwasser in dem Heißwasserspeichertank 17 verändert sich signifikant abhängig vom Verbrauch von heißem Wasser, das heißt dem Bedarf an thermische Energie und dem Betriebsmodus des motorbetriebenen Generators 10, das heißt entweder dem Modus mit konstanter Ausgangsleistung oder dem elektrische Last abhängigen Modus. In einem System beispielsweise, bei dem, wenn der Verbrauch an Heißwasser gering ist, die Temperatur des Heißwassers auf etwa 80°C mit den Generator 12 gehalten werden kann, der in Abhängigkeit von der durch den Temperatursensor TS1 festgestellten Temperatur betrieben wird, kann die Temperatur des Heißwassers in dem Heißwasserspeichertanks 17 bis auf den niedrigen Wert des zugeführten kalten Wassers fallen, was entweder durch einen abrupten, starken Verbrauch heißen Wassers – ausgelöst durch einen Bedarf an Wärme der simultan von der Heißwasserversorgungseinheit 21 und dem Heizungssystem 24 – oder des Warmlaufens des Systems ausgelöst wird.

In dem Fall, in dem die Referenztemperatur des heißen Wassers in dem Heißwasserspeichertank 17 wegen der Nutzung der Wärme des Motors 11 schwer gehalten werden kann, arbeitet der Wiedererwärmungsboiler effizient. Die Heißwassersteuerung 30 versorgt den Wiedererwärmungsboiler 25 und das Dreiwegeventil 26 mit dem Kommando "B" zum Wiederaufheizen und entsprechend mit einem Kommando "C" zum Umschalten. Die Heißwassersteuerung 30 wird über eine untere Referenztemperatur Tref-L, die niedriger ist als die Referenztemperatur Tref-1 voreingestellt, und wenn die Temperatur T1 des heißen Wassers in dem Heißwasserspeichertank 17 unter die unteren Referenztemperatur Tref-L fällt, schaltet sie das Wiedererwärmungskommando „B" und das Schaltkommando "C" an. Wenn das Wiedererwärmungskommando "B" eingeschaltet ist, nimmt der Wiedererwärmungsboiler 25 seinen Betrieb auf. Wenn das Schaltkommando "C" eingeschaltet ist, gibt das Dreiwegeventil 26 den Weg zum Bypass 28 frei. Dementsprechend zirkuliert das durch den Wiedererwärmungsboiler 22 erhitzte Wasser durch die Verbindung 23 und erhöht die Temperatur des Heißwassers in dem Heißwasserspeichertank 17 über den zweiten Wärmetauscher 22.

Ein zweiter Temperatursensor TS2 ist oberhalb des Temperatursensor TS1 vorgesehen. Wenn die Temperatur T1 unter der Referenztemperatur Tref-1 liegt oder die durch den Temperatursensor TS2 ausgegebene Temperatur T2 nicht höher als eine Referenztemperatur Tref-2 (> Tref-1) ist, kann die Steuerung 29 eine Wärmeanforderung generieren und sie an die ECU 38 übertragen.

Wenn die von dem Temperatursensor TS1 ausgegebene Temperatur T1 eine Referenztemperatur Tref-3 (zum Beispiel 70°C) überschreitet, welche höher ist als die Referenztemperatur Tref-1, wird der Betrieb des motorbetriebenen Generators 10 gestoppt. Es wird festgestellt, dass die Wärmeenergie, die in dem Heißwasserspeichertank 17 gespeichert ist, ausreichend ist, wie es durch die von den Temperatursensor TS1 ausgegebene Temperatur T1, welche die Referenztemperatur Tref-1 erreicht, angezeigt wird.

Eine Prozedur zur Steuerung des Start-/Stoppbetriebes eines motorbetriebenen Generators 10 basierend auf der Höhe der thermischen Last, welche durch die Wassertemperatur in dem Heißwasserspeicherteil 17 repräsentiert wird, ist in der Beschreibung der japanischen Patentanmeldung (Heisei)11-106296 beschrieben, die von diesem Anmelder eingereicht wurde.

7 ist ein Blockdiagramm, welches einen primären Teil der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie dargestellt generiert ein Systemschutz 138 ein Fehlfunktionssignal, wenn eine Fehlfunktion in der Systemquelle bezüglich der Spannung und der Frequenz des Energiesystems festgestellt wird. Nach dem Empfangen des Fehlfunktionssignals wird ein Verbindungs-Relais 135 geöffnet, um die Verbindung zu dem Energiesystem zu lösen und gleichzeitig einen Zeitschalter 39 einzuschalten. Die Verbindung wird aufgelöst, und der Motor läuft ohne Last. Wenn das Fehlfunktionssignal über die eingestellte Zeitdauer des Zeitschalters 39 (fünf Minuten bei Schritt S54) weiter besteht, wird ein Timeout-Signal abgegeben. Nach dem Empfang des Timeout-Signals wird der Motor 11 angehalten. Wenn das Fehlfunktionssignal wegen der Beseitigung des Grundes der Fehlfunktion entfällt bevor die eingestellte Zeitdauer des Zeitschalters 39 abgelaufen ist, wird das Verbindungs-Relais 135 zum Herstellen einer Verbindung wieder geschlossen, und der Zeitschalter 39 wird zurückgesetzt.

Wie vorangehend beschrieben erlauben die Funktionen der vorliegenden Erfindung, die in den Ansprüchen 1 bis 3 definiert sind, dem Motor seine Bewegung auch dann fortzusetzen, wenn die Verbindung aufgelöst ist und nach einer kurzen Zeitdauer wieder aufgenommen wird, wodurch auf die Startvorrichtung einwirkende Belastungen minimiert werden. Das Aufwärmen für die Aktivierung des Sauerstoffdichtesensors, welches immer durchgeführt wird nachdem der Motor angehalten wurde, wird auch weniger häufig ausgeführt, wodurch eine Reduzierung der Betriebseffizienz vermieden wird.

Entsprechend den Funktionen der vorliegenden Erfindung, die in den Ansprüchen 2 und 3 definiert sind, wird der Motor in Abhängigkeit einer Wärmeanforderung gestartet, welche von den Abwärmenutzungsmitteln empfangen wird, was es erlaubt, die Abwärme, die während der Periode der Aktivierung des Sauerstoffdichtesensors erzeugt wird, effektiv zu nutzen.


Anspruch[de]
  1. Eine Motorgeneratorvorrichtung zur Verbindung der Leistungsabgabe eines durch eine Motor (1) angetriebenen Generators mit einem Energiesystem mit:

    einem Sauerstoffdichtesensor (37) an dem Motor zur Kontrolle des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf seiner Leistungsabgabe;

    einem Mittel zur Verbindung der Leistungsabgabe des Energiegenerators mit der Energiesystems (14), wenn der Sauerstoffsensor (37) in seinem aktiven Status ist;

    einem Fehlererkennungsmittel (138) zur Erkennung eines Fehlers in den Verbindung mit dem Energiesystem;

    einem Mittel (135) zum Aufheben der Verbindung mit dem Energiesystem, wenn das Fehlererkennungsmittel einen Fehler erkennt und Wiederaufnahme der Verbindung mit dem Energiesystem, wenn der Fehler beseitigt ist; und

    einem Mittel (138), (39) zum Anhalten des Motors, wenn die Verbindung für eine vorher bestimmte Zeitspanne aufgrund einer Fehlererkennung unterbrochen ist.
  2. Ein Co-Generator mit einer Motorgeneratorvorrichtung entsprechend Anspruch 1 und einer Abwärmenutzungseinheit zur Nutzung der durch den Betrieb der Motorgeneratorvorrichtung produzierten Abwärme, wobei der Motor (11) in Reaktion auf eine durch die Abwärmenutzungseinheit (15) erzeugte Wärmebedarfsanfrage gestartet wird.
  3. Ein Co-Generatorsystem entsprechend Anspruch 2, wobei die Abwärmenutzungseinheit beinhaltet

    einen Heißwassertank (17) zur Speicherung eines mit der von der Motorgeneratorvorrichtung (10) abgegebenen Abwärme geheizten ersten Wassers;

    einen ersten im Heißwassertank zur Erzeugung des ersten Wassers installierten Wärmetauscher (20);

    einen über dem ersten Wärmetauscher (20) im Heißwassertank (17) positionierten zweiten Wärmetauscher (22) zum Heizen des ersten Heißwassers in ein zweites Heißwasser, das heißer als das erste Heißwasser ist und die Wärme des ersten Heißwassers nutzt;

    einen Temperatursensors (TS1) in der Nähe zwischen dem oberen Ende des ersten Wärmetauschers (20) und dem unteren Ende des zweiten Wärmetauschers (22); und

    einer Steuereinheit (29) eingereichtet zur Erzeugung und Lieferung einer Wärmeanforderung an die Motorgeneratorvorrichtung in Reaktion auf ein Ausgangssignal des Temperatursensors (TS1).
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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