Titel

Stationärer Erdgasmotor mit wenigstens einem Stickoxidsensor Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zum Verbrennen von Erdgas

eingerichteten, stationären Erdgasmotor, der ein Steuergerät, ein

Frischgaszufuhrsystem mit einer Dosiereinheit für Erdgas und einem Gas-Luft- Mischer, eine Abgasanlage mit einem Katalysatorvolumen und einem

stromabwärts des Katalysatorvolumens angeordneten Abgassensor aufweist. Der Abgassensor ist einer in der Abgasanlage herrschenden Abgasatmosphäre ausgesetzt, erfasst eine Konzentration von wenigstens einem Bestandteil der Abgasatmosphäre und übergibt diese an das Steuergerät. Das

Frischgaszufuhrsystem ist dazu eingerichtet, ein Mischungsverhältnis von Luft und Erdgas eines Brennräumen des stationären Erdgasmotors zugeführten Frischgases in Abhängigkeit von einem Stellsignal des Steuergeräts einzustellen und das Steuergerät ist dazu eingerichtet, das Stellsignal in Abhängigkeit von der erfassten Konzentration zu erzeugen. Ein solcher stationärer Erdgasmotor ist per se bekannt und wird zum Beispiel in Blockheizkraftwerken verwendet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines zum Verbrennen von Erdgas eingerichteten stationären Erdgasmotors nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Abgesehen von dem Gas-Luft-Mischer entsprechen stationäre Erdgasmotoren in der Regel weitgehend üblichen Viertakt-Otto-Verbrennungsmotoren, wobei die Auslassventile und Ventilsitze besonders hitzefest sein müssen. Als

Abgassensoren werden bei stationären Erdgasmotoren derzeit

Lambdasprungsensoren und Breitbandlambdasensoren (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524)verwendet. Die Signale dieser Sensoren geben lediglich Aufschluss über den Restsauerstoffgehalt im Abgas des stationären Erdgasmotors, nach der Verbrennung. Eine Aussage über den Anteil an Stickstoffoxid im Abgas kann nicht direkt getroffen werden. Der

Restsauerstoffgehalt im Abgas kann als indirekter Indikator für den

Stickoxidgehalt im Abgas verwendet werden, da die Korrelation zwischen Restsauerstoffgehalt und Stickoxid bekannt ist.

Das aus dem Restsauerstoffgehalt im Abgas resultierende Signal wird über eine Lambdasprungsonde (als Spannungssignal) oder eine Breitbandlambdasonde (als Stromsignal), die sich baulich vor und gegebenenfalls auch nach dem Drei- Wege-Katalysator befinden, an das Steuergerät übergeben. Dieses reagiert nach einem Vergleich von Soll- und Ist-Werten mit der Ausgabe des Ausgangssignals an einen oder mehrere Aktoren, die die Gemischbildung von Gas- und

Umgebungsluft und somit den Verbrennungsvorgang im Erdgasmotor beeinflussen. Die Stickoxidkonzentration im Abgas wird dabei weder punktuell noch permanent gemessen. Die Regelung basiert lediglich auf der bekannten Korrelation zwischen Restsauerstoffgehalt, (Emissions-)/Stickoxidkonzentration und dem Konvertierungsfenster des Drei-Wege-Katalysators im Abgas.

Aus der DE 100 23 079 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer NOx- Regeneration eines im Abgas eines Verbrennungsmotors angeordneten NOx- Speicherkatalysators bekannt. Eine Regeneration wird eingeleitet, wenn ein stromabwärts des Speicherkatalysators angeordneter NOx-Sensor einen NOx- Durchbruch registriert. Eine Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft- Gemisches erfolgt auf der Basis von Signalen von sauerstoffempfindlichen Sensoren (Lambdasensoren).

Die DE 100 29 633 A1 beschreibt eine Regelung eines Kraftstoff-Luft- Verhältnisses eines Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor ist mit einem NOx-Speicherkatalysator gekoppelt, dessen Betrieb, insbesondere dessen Regenerationsintervalle, mit einem nachgeschalteten NOx-Sensor überwacht werden. Eine Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt auf der Basis von Signalen von sauerstoffempfindlichen Sensoren (Lambdasensoren).

Die DE 10 2010027 970 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem ein gemessener NOx-lstwert mit einem NOx- Sollwert vergleichen wird und eine daraus gebildete Regelabweichung mit auf eine Abgasrückführung eingreifenden Stellsignalen verringert werden soll. Eine Kraftstoffzumessung wird dort mit einem stetigen Lambdasignal geregelt.

Die DE 101 22 301 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der

Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für einen Ottomotor, der einen NOx-Speicherkatalysator und einen stromaufwärts des Katalysators

angeordneten Lambdasensor und einen stromabwärts des Katalysators angeordneten, sowohl ein Lambdasignal als auch ein NOx-Signal erzeugenden weiteren Abgassensor aufweist. Bei der durch eine Steuereinrichtung

erfolgenden Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird der Steuereinrichtung unter anderem das NOx-Signal des weiteren

Abgassensors zugeführt. Anhand dieser Eingangssignale und vorab

gespeicherten Motorkennlinien ermittelt die Steuereinrichtung für jeden

Betriebszustand ein Gemischsteuersignal, welches eine jeweilige

Gemischzusammensetzung über die Einspritzung und Luftzufuhr bewirkt. Das NOx-Signal wird zur Kalibrierung des stromaufwärts angeordneten

Lambdasensors verwendet.

Die DE 102 39 992 A1 zeigt ebenfalls ein Verfahren zur Regelung der

Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eines Verbrennungsmotors mit einem stromaufwärts eines Speicherkatalysators angeordneten Lambdasensor und einem stromabwärts des Katalysators angeordneten, sowohl ein

Lambdasignal als auch ein NOx-Signal erzeugenden weiteren Abgassensor. Das NOx-Signal dient zum Einleiten einer Regeneration des Speicherkatalysators.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem eingangs genannten, bekannten stationären Erdgasmotor dadurch, dass die stromabwärts des Katalysatorvolumens erfasste Konzentration eine Stickoxidkonzentration ist. Mit Blick auf ihre Verfahrensaspekte unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem eingangs genannten bekannten Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs.

Durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfolgt eine Regelung des Stickoxidgehalts im Abgas. Dadurch wird es möglich, die aus der Verbrennung resultierende Stickoxidkonzentration in einem Toleranzfeld dauerhaft

einzuhalten, so dass der stationäre Erdgasmotor immer innerhalb eines

Konzentrationsfensters zulässiger Stickoxidkonzentrationen betrieben werden kann. Dies ist ein erheblicher Vorteil für den autonomen Betrieb stationärer Erdgasmotoren, wie er zürn Beispiel in Blockheizkraftwerken auftritt.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die erfasste Konzentration kontinuierlich oder in

vorgegebenen Zeitabständen zu speichern.

Durch diese Maßnahme wird die Einhaltung der Grenzwerte in einer auch spätere Überprüfungen erlaubenden Weise möglich.

Bevorzugt ist auch, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die gespeicherten Werte der Konzentration an einem Ausgang des Steuergerätes zum Auslesen bereit zu stellen. Dies trägt dazu bei, eine Einhaltung der Grenzwerte zu überwachen und es erlaubt darüber hinaus eine Erkennung langsamer

Veränderungen des Emissionsverhaltens, die noch nicht zu einer

Grenzwertüberschreitung führen. Dadurch wird zum Beispiel eine

vorausschauende Wartung möglich, die einen störungsfreien Betrieb mit minimalen Unterbrechungen über lange Zeiträume hinweg möglich macht. Diese Bereitstellung der Daten ermöglicht insbesondere auch eine Datenübertragung und damit eine Überprüfung aus der Ferne, die zum Beispiel über ein Festnetz oder ein Mobilfunknetzwerk erfolgt.

Weiter ist bevorzugt, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die erfasste Konzentration mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und zusätzlich eine Häufigkeit zu ermitteln, mit der die erfasste Konzentration größer als der Grenzwert ist, und den stationären Erdgasmotor abzuschalten, wenn die ermittelte Häufigkeit größer als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert ist.

Somit lässt sich sicherstellen, dass der stationäre Erdgasmotor immer innerhalb eines vorgegebenen Stickoxidkonzentrationsfensters betrieben wird. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das

Katalysatorvolumen aus einem Drei-Wege-Katalysator besteht und dass die Abgasanlage einen vor dem Katalysator angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten Lambdasensor aufweist, der eine

Sauerstoffkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät übergibt.

Bevorzugt ist auch, dass das Katalysatorvolumen aus einem Drei-Wege- Katalysator besteht und dass die Abgasanlage einen vor dem Katalysator angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten Abgassensor aufweist, der eine Stickoxidkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät übergibt.

Weiter ist bevorzugt, dass das Katalysatorvolumen aus einem Drei-Wege- Katalysator und einem stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordneten NOx-Speicherkatalysator besteht und dass die Abgasanlage einen vor dem Katalysator angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten Abgassensor aufweist, der eine Sauerstoffkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät übergibt.

Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass die erfasste Konzentration kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen gespeichert wird.

Bevorzugt ist auch, dass die erfasste Konzentration mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und zusätzlich eine Häufigkeit dafür ermittelt wird, dass die erfasste Konzentration größer als der Grenzwert ist, und dass der stationäre Erdgasmotor abgeschaltet wird, wenn die ermittelte Häufigkeit größer als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors;

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors;

Figur3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors;

Figur 4 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens; und

Figur 5 Elemente eines bei der Erfindung verwendeten Steuergerätes.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer

Funktionsblockdarstellung. Ein zum Verbrennen von Erdgas 13 eingerichteter, stationärer Erdgasmotor 10 weist ein Frischgaszufuhrsystem 12, ein

Abgassystem 14 und ein zur Steuerung der Zusammensetzung des Frischgases 17 eingerichtetes Steuergerät 16 auf. Das Frischgaszufuhrsystem 12 weist eine Dosiereinheit 12.1 für Erdgas 13 und einen Gas-Luft-Mischer 12.2 auf. Die Dosiereinheit 12.1 bezieht Erdgas 13 aus einem Reservoir, beispielsweise einer Leitung eines Erdgasversorgungsnetzes. Von der Dosiereinheit 12.1 dosiertes Erdgas wird in dem Gas-Luft-Mischer 12.2 mit Umgebungsluft 15 gemischt und als Frischgas 17 in Brennräume 10.1 des stationären Erdgasmotors 10 eingespeist. Gegebenenfalls wird dem Frischgas 17 auch noch Abgas aus dem Abgassystem 14 zugeführt, um die Verbrennungstemperatur und die Stickoxid- Rohemissionen zu verringern.

Das Mischungsverhältnis von Erdgas 13 und Umgebungsluft 15 wird von dem Steuergerät 16 durch Ansteuerung der Dosiereinheit 12.1 mit Stellsignalen 25 eingestellt. Zur Bildung der Stellsignale 25 für die Steuerung der Dosiereinheit 12.1 verarbeitet das Steuergerät 16 Signale verschiedener Sensoren, die Betriebsparameter des stationären Erdgasmotors 10 erfassen. Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Abgassystem 14 ein Katalysatorvolumen 14.1 in Form eines Drei-Wege-Katalysators 14.2 auf.

Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 14.2 und stromabwärts des stationären Erdgasmotors 10 ist ein Breitband-Lambdasensor 14.3 in einer vorderen Abgasatmosphäre 19.1 angeordnet, der eine dort herrschende Sauerstoffkonzentration 21 im Abgas 19.1 erfasst.

Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14.2 ist ein hinterer NOx-Sensor 18 angeordnet, der die NOx-Konzentration 23 in der dort herrschenden hinteren Abgasatmosphäre 19.2 erfasst. Das erfasste Signal enthält die Information über den aktuellen Stickoxidgehalt im Abgas des stationären Erdgasmotors 10 hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.1 .

Sowohl die erfasste Sauerstoffkonzentration 21 als auch die erfasste NOx- Konzentration 23 werden im Steuergerät 16 bei der Bildung der Stellsignale 25 für die Dosiereinheit 12.1 als Eingangsgrößen verarbeitet. Das Steuergerät 16 reagiert auf diese Eingangsgrößen aufgrund seiner Programmierung mit wenigstens einer Ausgangsgröße als Stellsignal 25. Diese Ausgangsgröße wird an einen oder mehrere Aktoren weitergeleitet, die die Zusammensetzung von Luft 15 und Erdgas 13 den Stellsignalen 25 entsprechend einstellen. Zusätzlich wird die hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 in der hinteren

Abgasatmosphäre 19.2 erfasste NOx-Konzentration 23 kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen im Steuergerät 16 gespeichert und mit einem ersten Grenzwert verglichen, der einen Bereich noch zulässiger Werte von einem Bereich unzulässig hoher Werte trennt. Im Falle einer dauerhaften

Überschreitung des zuvor definierten ersten Grenzwertes in der hinteren

Abgasatmosphäre 19.2 nach dem Drei-Wege- Katalysator 14.1 erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Abschaltung des stationären Erdgasmotors 10, um unzulässig hohe Emissionen zu vermeiden. Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines stationären Erdgasmotors

10. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Breitband-Lambdasensors 14.3 ein vorderer NOx-Sensor 20 als vorderer NOx-Sensor in der vorderen

Abgasatmosphäre 19.1 zwischen dem stationären Erdgasmotor 10 und dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 angeordnet ist. Der vordere NOx-Sensor 20 erfasst die NOx-Konzentration 27 in der vorderen Abgasatmosphäre 19.1 stromaufwärts des Katalysatorvolumens 14.1 . Bei diesem Ausführungsbeispiel kommen also zwei NOx-Sensoren zum Einsatz. Der zweite und damit hintere NOx-Sensor 18 befindet sich hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 in der hinteren

Abgasatmosphäre 19.2 des stationären Erdgasmotors 10. Die Signale 27, 23 der beiden NOx-Sensoren 20 und 18 werden vom Steuergerät 16 bei der Bildung der

Stellsignale 25 für die Dosiereinheit 12.1 verarbeitet. Dabei wird die NOx- Konzentration 27 der Rohemissionen des stationären Erdgasmotors 10 vom vorderen NOx-Sensor 20 vor dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 erfasst und an das Steuergerät 16 übertragen. Die NOx-Konzentration 23 in der hinteren Abgasatmosphäre 19.2 hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 wird vom hinteren NOx-Sensor 18 erfasst und ebenfalls an das Steuergerät 16

weitergeleitet. Über eine entsprechende Programmierung des Steuergerätes 16 ist es somit möglich, den Drei-Wege-Katalysator 14.2 mit der optimalen

Konvertierungsrate für NOx zu betreiben.

Auch hier ist bevorzugt, dass die Emissionswerte für NOx vor und nach dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 im Betrieb des stationären Erdgasmotors 10 im Steuergerät 16 gespeichert und mit einem oder mehreren vorgegebenen

Grenzwerten verglichen werden. Im Falle einer dauerhaften Überschreitung eines zuvor definierten ersten Grenzwertes für die NOx- Konzentration 23 im

Abgas 19.2 nach dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 erfolgt bevorzugt auch hier eine Abschaltung des stationären Erdgasmotors 10.

Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors 10. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Katalysatorvolumen 14.1 zusätzlich zu dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 einen NOx-Speicherkatalysator 14.4 aufweist. Der NOx-Speicherkatalysator 14.4 ist stromabwärts von dem Drei- Wege-Katalysator 14.2 und stromaufwärts des hinteren NOx-Sensors 18 angeordnet. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel und abweichend vom zweiten

Ausführungsbeispiel ist auch beim dritten Ausführungsbeispiel ein Breitband- Lambdasensor 14.3 zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Drei-Wege- Katalysator 14.2 angeordnet, die die Sauerstoffkonzentration 21 in der vorderen Abgasatmosphäre 19.1 erfasst. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Hauptprogramm 100 arbeitet das Steuergerät 16 Funktionen zur

Steuerung des stationären Erdgasmotors 10 ab. Ein Beispiel einer solchen Funktion ist das Auslösen von Zündungen von Brennraumfüllungen zum jeweils richtigen Zeitpunkt. Aus diesem Hauptprogramm 100 heraus wird in

vorbestimmter Weise wiederholt ein Schritt 102 erreicht, in dem das Steuergerät

16 die Signale der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Abgassensoren einliest. Im Schritt 104 vergleicht das Steuergerät 16 diese Ist-Werte repräsentierenden Signale mit Sollwerten. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs werden im Schritt 106 Stellsignale gebildet, mit denen das Steuergerät 16 Stellglieder ansteuert, mit denen sich die Abgaszusammensetzung beeinflussen lässt. Zu diesen Stellgliedern zählt insbesondere die Dosiereinheit 12.1 .

Im Schritt 107 werden bevorzugt die Werte der in der vorderen und der hinteren Abgasatmosphäre erfassten Konzentrationen gespeichert, zumindest wird der Wert der hinter dem Katalysatorvolumen 14.1 in der hinteren Abgasatmosphäre

19.2 erfassten NOx-Konzentration gespeichert und für ein späteres Auslesen bereitgehalten. Im Schritt 1 10 wird die aktuell hinter dem Katalysatorvolumen 14.7 in der hinteren Abgasatmosphäre 19.2 erfasste NOx-Konzentration mit einem ersten Grenzwert G1 verglichen, der einen Bereich noch zulässiger Werte der Stickoxidkonzentration und damit auch der Stickoxidemission von einem

Bereich nicht mehr zulässiger Werte trennt. Wenn der erste Grenzwert G1 nicht überschritten wird, kehrt das Verfahren in das Hauptprogramm 100 zurück.

Wird der erste Grenzwert G1 dagegen überschritten, wird im Schritt 1 12 eine Maßzahl M für die Häufigkeit der Grenzwertüberschreitungen gebildet. Dies erfolgt z.B. dadurch, dass die Zahl der Grenzwertüberschreitungen auf eine bestimmte Betriebsdauer bezogen wird. Anschließend wird die so gebildete Maßzahl M im Schritt 1 14 mit einem zweiten Grenzwert G2 verglichen. Solange der zweite Grenzwert G2 nicht überschritten wird, kehrt das Verfahren in das Hauptprogramm 100 zurück. Wird der zweite Grenzwert G2 dagegen überschritten, wird im Schritt 1 16 eine Fehlermeldung ausgegeben und abgespeichert. Die Fehlermeldung wird dem Betreiber gegebenenfalls über eine Datenverbindung an einen entfernten Ort übermittelt. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Erdgasmotor in einem Schritt 118 abgestellt wird, um unzulässig hohe Emissionen zu vermeiden.

Figur 5 zeigt das Steuergerät 16. Das Steuergerät weist eine Vielzahl von Eingängen auf, an die Sensoren anschließbar sind. In der Figur 5 sind davon zwei Eingänge 16.1 , 16.2 dargestellt. Über den Eingang 16.1 werden, je nach Ausführungsbeispiel, die Signale 21 oder 27 eingelesen. Über den Eingang 16.2 wird das Signal 23 eingelesen. Diese Signale werden von einem Prozessor 16.3, der den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert, unter Rückgriff auf im Speicher 16.4 gespeicherte Daten und Programme zu Stellsignalen 25 verarbeitet. Die Stellsignale 25 werden über einen Ausgang 16.5 ausgegeben. Über den Ausgang 16.5 kann der stationäre Erdgasmotor 10 ggf. durch Abstellen der Erdgaszufuhr abgestellt werden. Dem Speicher 16.4 werden auch die Eingangssignale 21 , 27, 23 zugeführt, und diese Signale werden dort gespeichert und zum Auslesen an einem weiteren Ausgang 16.6 bereitgestellt.