DE102017207665A1 - Verfahren und Steuereinrichtung zum Betreiben eines Gasmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Brennkammer, insbesondere eines Gasmotors (12), bei dem Oxidator und Kraftstoff in Form von Brenngas, insbesondere als Gemisch über einen Ansaugbereich (1), in zumindest einen Brennraum (11), insbesondere des Gasmotors (12), zugeführt und verbrannt werden. Eine genauere Ermittlung von Betriebsgrößen ist dadurch erreichbar, dass Informationen über eine spezielle Brenngaszusammensetzung und/oder deren spezifische Kennwerte, wie AFR und/oder R_s, einer Steuereinrichtung (14) zugeführt werden und dass die spezielle Brenngaszusammensetzung und/oder deren spezifische Kennwerte bei der Ermittlung zumindest einer von der Brenngaszusammensetzung abhängigen Betriebsgröße berücksichtigt wird/werden (Fig. 3).

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Brennkammer, insbesondere eines Gasmotors, bei dem Oxidator und Kraftstoff in Form von Brenngas, insbesondere als Gemisch über einen Ansaugbereich, in zumindest einen Brennraum, insbesondere des Gasmotors, zugeführt und verbrannt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein entsprechendes Verfahren durchzuführen, sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
• Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der WO 2012/097389 A2 angegeben. Wie im Allgemeinen bei Gasmotoren üblich, werden dabei Betriebsgrößen wie z. B. die Leistung bzw. Last, unter Einbeziehung bekannter bzw. zu bestimmender Parameter, etwa dem Druck im Brennraum und/oder der Drehzahl, modellbasiert ermittelt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit dem Betriebsgrößen mit größerer Genauigkeit ermittelt werden können.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass Informationen über eine spezielle Brenngaszusammensetzung und/oder deren spezifische Kennwerte, wie AFR und/oder R_s,einer Steuereinrichtung zugeführt werden und dass die spezielle Brenngaszusammensetzung und/oder deren spezifische Kennwerte bei der Ermittlung zumindest einer Betriebsgröße berücksichtigt wird. Dies bezieht sich insbesondere auf von der Brenngaszusammensetzung abhängige Betriebsgrößen.
• Als Oxidator wird in der Regel Luft verwendet, möglich ist aber auch die Verwendung eines anders zusammengesetzten Oxidators, z.B. eines Luft-/ Abgasgemisches. Die Anlage mit der Brennkammer, vorzugsweise ein Gasmotor, wird hier definitionsgemäß zumindest großteils mit einem gasförmigen Kraftstoff in Form von Brenngas betrieben, welches z. B. durch Erdgas oder Biogas gebildet ist. Es können jedoch zusätzlich auch kleinere Mengen (weniger als 50 Massen%, z. B. bis zu 10 -15 Massen%) eines weiteren Kraftstoffes, z.B. an flüssigem Kraftstoff wie beispielsweise Diesel, verwendet werden, die z. B. zur Unterstützung der Zündung in den Brennraum eingespritzt werden.
• Unter der „speziellen Brenngaszusammensetzung“ ist hier die Zusammensetzung eines speziellen Brenngases (ohne zugemischtem Oxidator) zu verstehen, das z.B. zumindest näherungsweise der Brenngaszusammensetzung entspricht, die im realen Betrieb bei dem Gasmotor verwendet wird. Die Zusammensetzung unterscheidet sich in der Regel von einem hier als „Nenngas“ bezeichneten Brenngas, welches für die Bedatung der Modelle eingesetzt wird und mit welchem der Motor zunächst adaptiert wird.
• In bekannten Verfahren zum Betreiben von Gasmotoren werden z.B. auf der Zusammensetzung des Nenngases basierende Kennwerte herangezogen, um Betriebsgrößen wie z. B. die relative Luftfüllung bzw. Last des Motors, die für die Verbrennung benötigten Luftmasse und/oder den Gasverbrauch zu ermitteln. Eine unmittelbare Messung eines Volumen- bzw. Massenstroms ist bei der Ermittlung der Betriebsgrößen nicht nötig. Die relative Luftfüllung rl_nenn kann als qualitatives Maß für die Last als Betriebsgröße verwendet werden und ist definiert zu $$r{l}_{nenn}=\frac{m_{OxNenn}}{m_{OxNormCyl}}\text{.}$$

  
• Dabei stellt m_OxNenn die Oxidatormasse zur Verbrennung von Nenngas und m_OxNormCyl eine Referenzoxidatormasse unter Normbedingungen (p = 1013 hPa, T = 0°C) dar, jeweils bezogen auf ein konstantes Volumen, hier auf ein Zylindervolumen.
• Daneben basiert die Ermittlung dieser Betriebsgrößen, wie eingangs erwähnt, z.B. auf dem Druck im Brennraum, der z.B. über einen Sensor gemessen wird, und der Drehzahl.
• In der Realität weisen unterschiedliche Gase jedoch meist unterschiedliche Zusammensetzungen auf. So unterscheidet sich die Zusammensetzung von Erdgas z.B. je nach Jahreszeit und/oder Region in den Massen- bzw Volumenanteilen seiner typischen Bestandteile Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Propan (C₃H₈) und ggf. weiterer vorhandener Bestandteile, z.B. Stickstoff (N₂) oder Kohlendioxid (CO₂). Auch Biogas weist in der Regel je nach Quelle Schwankungen in der Gaszusammensetzung auf.
• Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhafterweise, derartige Schwankungen in der Brenngaszusammensetzung bei der Bestimmung von Betriebsgrößen zu berücksichtigen, was zu einer höheren Genauigkeit der Betriebsgrößen führt. Eine unmittelbare Messung eines Volumen- bzw. Massenstroms ist dabei nicht nötig. Die spezielle Brenngaszusammensetzung wird dabei vorzugsweise extern, beispielsweise von einem Gasversorger, einem Gastankstellenbetreiber oder einer sonstigen zentralen Stelle, ermittelt. Sie wird dem Steuergerät z. B. über eine Datenübertragungsverbindung zugeführt. So kann z.B., insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich, eine aktuelle Gaszusammensetzung eines zu tankenden Gases von einer Gastankstelle bereitgestellt und bei einem Tankvorgang der Steuereinrichtung zugeführt werden. Möglich ist, dass diese Gaszusammensetzung unter Berücksichtigung eines noch im Gastank vorhandenen Rest-Brenngases in die spezielle Brenngaszusammensetzung (Gemisch aus noch vorhandenem und neu getanktem Brenngas, das dann tatsächlich im Tank vorliegt) umgerechnet wird, z.B. in der Steuereinrichtung. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das spezielle Brenngas als ein Durchschnittswert des zu tankenden Gastyps (z.B. Erdgas) in einer speziellen Region angenommen wird. Dies kann z.B. dann vorteilhaft sein, wenn ein Gasmotor (beispielsweise für eine Anwendung in einem Blockheizkraftwerk, einem Fahrzeug oder für den Antrieb eines Pump-Aggregates) in eine Region mit durchschnittlich unterschiedlicher Brenngaszusammensetzung verglichen zu der Nenngas-Zusammensetzung ausgeliefert wird, auf die der Gasmotor ausgelegt bzw. adaptiert ist. Abhängig von der Region würde (falls keine genaueren Daten zur Verfügung stehen) in diesem Fall z.B. eine Gaszusammensetzung angenommen werden. Die Festlegung der Region kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen (z.B. GPS-Koordinaten, definierte Zonen (1 bis x), Land der Auslieferung/Aufstellung oder ähnliche).
• In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Betriebsgröße unter Einbeziehung einer bzgl. eines Nenngases bestimmten Betriebsgröße, insbesondere einer relativen Nenn-Luftfüllung rl_nenn, und eines Korrekturfaktors f ac _{rl gas}, berechnet. Die bzgl. des Nenngases bestimmte Betriebsgröße wird dabei vorzugsweise wie herkömmlich, z.B. unter Einbeziehung des Drucks in dem Saugrohr oder dem Brennraum und der Drehzahl, ermittelt. Durch die anschließende Verrechnung mit dem Korrekturfaktor f ac _{rl gas} lässt sich auf einfache Weise eine Betriebsgröße erhalten, die bzgl. einer gegenüber der Nenngas-Zusammensetzung geänderten speziellen Brenngaszusammensetzung korrigiert ist und so eine verbesserte Genauigkeit aufweist.
• Eine gute Genauigkeit des Korrekturfaktors f ac _{rl gas} lässt sich dadurch erhalten, dass der Korrekturfaktor in Abhängigkeit eines Oxidator-/Brennstoff-Verhältnisses und der massenspezifischen Gaskonstanten (R_s) jeweils des Nenngases (gekennzeichnet mit Index „Nenn“) und des speziellen Brenngases (gekennzeichnet mit Index „Spez“) sowie der massenspezifischen Gaskonstante des Oxidators (R_sOx, entspricht bei Verwendung von Luft R_sLuft) berechnet wird. Zusätzlich wird insbesondere die Luftzahl (λ) einbezogen. Bei dem Oxidator-/Brennstoff-Verhältnis handelt es sich bei Verwendung von Luft als Oxidator um die sogenannte Air-Fuel-Ratio AFR. Diese gibt an, welche Masse an Luft für die vollständige (stöchiometrische) Verbrennung einer bestimmten Masse an Kraftstoff (z. B. 1 kg) notwendig ist. Für die massenspezifischen Gaskonstanten werden jeweils Zusammensetzungen des speziellen Brenngases, des Nenngases (als Referenzgas hinterlegt in der Steuereinrichtung) und des Oxidators benötigt. Hier fließen somit die der Steuereinrichtung vorliegenden Informationen über die spezielle Brenngaszusammensetzung in die Berechnung ein. Die Zusammensetzung des Oxidators kann bei Verwendung von Luft beispielsweise durch die in einschlägiger Fachliteratur dokumentierte Zusammensetzung von trockener Luft mit einer guten Genauigkeit angenähert werden. Die Berechnung kann bei Verwendung von Luft insbesondere erfolgen über den Zusammenhang: $$fa{c}_{rlgas}=\frac{AF{R}_{spez}}{AF{R}_{nenn}}\cdot fa{c}_{mgas}\text{,}$$

  

  mit $$fa{c}_{mgas}=\frac{AF{R}_{nenn}\cdot \lambda \cdot R_{sLuft}+R_{sNenn}}{AF{R}_{spez}\cdot \lambda \cdot R_{sLuft}+R_{sSpez}}\text{.}$$

  
• In einer bevorzugten Ausführungsvariante handelt es sich bei der Betriebsgröße um eine spezielle relative Luftfüllung rl_spez, einen speziellen Oxidatorverbrauch m_spezOx (d.h. der Oxidatorverbrauch, der sich bei Einsatz des speziellen Brenngases ergibt) und/oder einen speziellen Brenngasverbrauch m_spezG. Diese Betriebsgrößen sind z.B. von Interesse, um bestimmte Aussagen und/oder Vergleichbarkeiten zu erlangen, beispielsweise bzgl. eines bestimmten Betriebspunktes oder des Verbrauchs des speziellen Brenngases.
• Eine einfache Art der Korrektur lässt sich dadurch erreichen, dass die spezielle relative Luftfüllung rl_spez durch Multiplikation einer relativen Nenn-Luftfüllung rl_nenn mit dem Korrekturfaktor f ac_{rl gas} berechnet wird. Die Berechnungsformel hierfür lautet beispielsweise $$r{l}_{spez}=fa{c}_{rlgas}\cdot r{l}_{nenn}\text{.}$$

  
• Vorzugsweise wird der spezielle Oxidatorverbrauch m_spezOx durch Multiplikation der speziellen relativen Luftfüllung rl_spez mit einer Referenzoxidatormasse unter Normbedingungen (p = 1013 hPa, T = 0°C) m_OxNorm, insbesondere bezogen auf ein Zylindervolumen (Index „Cyl“), berechnet. Das zugrunde gelegte Volumen kann auch ein anderes als ein Zylindervolumen sein, beispielsweise die Summe mehrerer Zylindervolumina (z.B. aller im Motor vorhandener Zylinder), solange es durchgängig verwendet wird. Die Berechnungsformel lautet im Anwendungsfall mit Luft (Index „L“ statt „Ox“) für den speziellen Luftverbrauch m_spezL bezogen auf einen Zylinder $$m_{spezL}=r{l}_{spez}\cdot m_{LNormCyl}\text{.}$$

  
• Vorzugsweise wird der spezielle Brenngasverbrauch durch m_spezG unter Einbeziehung des speziellen Oxidatorverbrauchs und des Oxidator-/Brennstoff-Verhältnisses des speziellen Brenngases sowie der aktuellen Luftzahl λ berechnet. Die Berechnungsformel lautet unter Verwendung von Luft als Oxidator $$m_{spezG}=\frac{1}{AF{R}_{spez}}\cdot m_{spezL}\cdot \frac{1}{\lambda }\text{.}$$

  
• Sowohl der spezielle Oxidatorverbrauch m_spezOx als auch der spezielle Brenngasverbrauch m_spezG können anstelle in absoluter Masse in [kg] auch als Massenströme in [kg/min] angegeben werden. Dazu wird in den Formeln der Faktor $\frac{n}{2}\ast numCyl$

  

  berücksichtigt, wobei n die Motordrehzahl in [U/min] und numCyl die Anzahl der Zylinder berücksichtigt. Die Anzahl der Zylinder ist relevant, wenn sich die absolute Masse auf einen Zylinder bezieht. Der Faktor ½ berücksichtigt, dass es sich um einen Viertakt-Motor handelt, und somit nur einmal pro zwei Umdrehungen der Ansaugtakt erfolgt. Bei einem Zweitakt-Motor würde der Faktor ½ entfallen.
• Ferner ist es denkbar, dass das Verfahren zur Korrektur einer erfassten Gasmenge (mit der Nenngasmenge m_nennG) angewendet wird, indem folgender Zusammenhang genutzt wird: $$m_{spezG}=fa{c}_{mgas}\cdot m_{nennG}=\frac{AF{R}_{nenn}\cdot \lambda \cdot R_{sLuft}+R_{sNenn}}{AF{R}_{spez}\cdot \lambda \cdot R_{sLuft}+R_{sSpez}}\cdot m_{nennG}$$

  
• Ferner ist es denkbar, dass das Verfahren in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen wird, um Kennwerte eines Brenngasgemisches z.B. unter zu Hilfenahme von standortspezifischen Annahmen zu schätzen.
• In einer weiteren vorteilhaften Anwendung des Verfahrens ist vorgesehen, dass es sich bei der Betriebsgröße um einen Soll-Saugrohrdruck (p_spez) handelt, der durch Multiplikation eines vorgegebenen Soll-Saugrohrdrucks (p_nenn, ermittelt unter Berücksichtigung des Nenngases) mit einem Korrekturfaktor (f acv) und in Abhängigkeit eines Heizwertes (H_l) und der massenspezifischen Gaskonstanten (R_s) jeweils des Nenngases (Index „nennG“) und des speziellen Brenngases (Index „spezG“) sowie einer Kalibriertemperatur (T_nenn), bei der die Kalibrierung mit einem Nenngas durchgeführt wurde, und einer aktuell ermittelten (z.B. gemessenen, bei Vorhandensein eines Temperatursensors, oder modellierten) Temperatur (T_spec) korrigiert wird.
• Durch die Voraussetzung der gleich bleibenden Energie (E) ergibt sich folgender Ansatz (mit dem Volumen V): $$\begin{array}{c}{E}_{nennG}=E_{spezG}\to m_{nennG}\ast H_{InennG}=m_{spezG}\ast H_{IspezG}\\ \to V_{nennG}\ast \frac{p_{nenn}}{R_{SnennG}\ast T_{nenn}}\ast H_{InennG}=V_{spezG}\ast \frac{p_{spez}}{R_{SspezG}\ast T_{spez}}\ast H_{IspezG}\end{array}$$

  

  $$p_{spez}=p_{nenn}\ast \frac{V_{nennG}}{V_{spezG}}\ast \frac{R_{SspezG}\ast T_{spez}}{R_{SnennG}\ast T_{nenn}}\ast \frac{H_{InennG}}{H_{IspezG}}$$

  
• Mit der Zusammenfassung $fa{c}_v=\frac{v_{nennG}}{v_{spezG}}$

  

  ergibt sich als Berechnungsformel für den korrigierten Soll-Saugrohrdruck p_spez: $$p_{spez}=p_{nenn}\ast fa{c}_v\ast \frac{R_{SspezG}\ast T_{spez}}{R_{SnennG}\ast T_{nenn}}\ast \frac{H_{InennG}}{H_{IspezG}}$$

  
• Die Heizwerte können jeweils als Kennwerte in der Steuereinrichtung hinterlegt bzw. dieser als spezifischer Kennwert zugeführt oder aus der Gaszusammensetzung und den Heizwerten der Einzelkomponenten des Gases berechnet werden.
• Mit dieser Ausführungsvariante lässt sich ein Verfahren wie es beispielsweise aus der AT 38 42 79 B hervorgeht und welches zur Minderungen von Schadstoffen im Abgas, insbesondere von Stickoxiden (NO_x), insbesondere im Großgasmotorenumfeld eingesetzt wird, verbessern. Bei dem bekannten Verfahren wird einer bestimmten Leistung ein Soll-Saugrohrdruck zugeordnet, der beispielsweise zunächst experimentell in Abhängigkeit der Leistung gemessen und in der Steuereinrichtung hinterlegt oder modelliert wird. Stimmt bei einer bestimmten Leistung der entsprechende Soll-Saugrohrdruck nicht mit dem gemessenen Saugrohrdruck überein, kann von einer Lambda-Abweichung ausgegangen werden. Der Soll-Saugrohrdruck bezieht sich auf ein Nenngas. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Berücksichtigung der speziellen Gaszusammensetzung, wie oben dargestellt, lässt sich die Genauigkeit des bekannten Verfahrens verbessern und so der Schadstoffausstoß verringern.
• Vorteilhafterweise wird dabei der Korrekturfaktor in Abhängigkeit eines Oxidator-/Brennstoff-Verhältnisses (bei Verwendung von Luft entsprechend AFR) jeweils des Nenngases und des speziellen Brenngases und der massenspezifischen Gaskonstanten jeweils des speziellen Brenngases (R_{s spezG}), eines Nennoxidators (bei Verwendung von Luft R_{s nennL}), eines speziellen Oxidators (bei Verwendung von Luft R_{s spezL}; kann ggf. mit der massenspezfischen Gaskonstante der Nennluft gleichgesetzt werden) und eines Heizwertes des Nenngases sowie des speziellen Brenngases und der Luftzahl berechnet.
• Da ein konstantes Volumen anzusetzen ist mit $$V_{nennL}+V_{nennG}=V_{spezL}+V_{spezG}$$

  

  ergibt sich mit bekannten physikalischen Zusammenhängen $$m_{Luft}=AFR\ast m_{Gas}\ast \lambda$$

  

  $$\rho =\frac{p}{R_S\ast T}$$

  

  $$P_W=\frac{E_{nom}}{t}=\frac{m_{Gas}\ast H_{IGas}}{t}$$

  

  folgender Faktor: $$fa{c}_v=1+\frac{AF{R}_{spez}\ast \lambda \ast R_{SspezL}}{R_{SspezG}}-p_{spez}\ast \frac{AF{R}_{nenn}\ast \lambda \ast R_{SnennL}\ast T_{nenn}\ast H_{IspezG}}{p_{nenn}\ast R_{SspezG}\ast T_{spez}\ast H_{InennG}}$$

  
• Das Einsetzen dieser Formel in die bereits oben erwähnte ermöglicht die direkte Berechnung des an die Gasart bzw. Gaszusammensetzung angepassten, d.h. korrigierten, Soll-Saugrohrdrucks: $$p_{spez}=p_{nenn}\ast \frac{R_{sSpezG}\cdot T_{spez}}{R_{sNennG}\cdot T_{nenn}}\ast \frac{H_{InennG}}{H_{IspezG}}\ast \frac{\left(1+\frac{AF{R}_{spez}\ast \lambda \ast R_{SspezL}}{R_{SspezG}}\right)}{\left(1+\frac{AF{R}_{nenn}\ast \lambda \ast R_{SnennL}}{R_{sNennG}}\right)}$$

  
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 schematisch eine Umgebung, in der das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann,
• 2 schematisch die Anteile von Luft und Brenngas bei unterschiedlichen Brenngaszusammensetzungen in einem Luft-Brenngas-Gemisch und
• 3 ein vereinfachtes Fließbild, bei dem in einem beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren die Betriebsgrößen „relative Luftfüllung“, „Oxidatorverbrauch“ und „Brenngasverbrauch“ unter Berücksichtigung einer speziellen Brenngaszusammensetzung ermittelt werden.
• 1 zeigt schematisch einen Gasmotor 12 mit Peripherie als eine technische Umgebung, in der das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Dabei kann es sich z. B. um einen stationären Gasmotor 12 zum Einsatz in einem Blockheizkraftwerk handeln, oder auch um einen, der in mobilen Anwendungen, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, eingesetzt wird.
• In der Peripherie des Gasmotors 12 wird in einem Ansaugbereich 1 einem Gasmischer 4 Oxidator, in diesem Falle Luft, über eine Luftzuleitung 2 sowie weiterhin Brenngas als Kraftstoff über eine Gaszuleitung 3 zugeführt. In dem Gasmischer 4 bilden die Luft und das Brenngas ein reaktives Gasgemisch. Dieses wird über eine Gemischleitung 8 vier Brennräumen 11 des Gasmotors 12, die hier als Zylinder ausgebildet sind, zugeführt, wo das Gasgemisch verbrannt wird. Alternativ zur Vormischung könnte auch eine nicht vormischende Peripherie verwendet werden, wobei das Brenngas und die Luft getrennt in den Brennraum 11 zugegeben werden und dort das reaktive Gemisch zur Verbrennung bilden.
• In der Gemischleitung 8 befindet sich eine Drosselklappe 10, stromab derer der Fülldruck der Brennräume 11 herrscht. Weiterhin können stromab der Drosselklappe 10 ein Drucksensor 6 und/oder ein Temperatursensor 7 in oder an der Gemischleitung 8 angeordnet sein. Mit diesen können Druck und Temperatur in dem Gasgemisch, wie es den Brennräumen 11 zugeführt wird, d.h. die Einlassbedingungen, gemessen werden. Der Druck in diesem Bereich entspricht bei Füllung zumindest näherungsweise dem Druck in den Brennräumen 11, d.h. dem Einlassdruck. Stromab des Gasmotors 12 kann in einer Abgasleitung 15 eine Lambdasonde 16 zur Messung der Luftzahl Lambda im Abgas angeordnet sein. Alternativ kann das Lambda-Signal aus einer anderen Quelle (bspw. Simulation, Anlagensteuerung) stammen.
• Weiterhin ist ein Steuergerät 14, z. B. eine Motorsteuerung, vorhanden, welches mit unterschiedlichen Komponenten in der technischen Umgebung, insbesondere einer oder mehrere der Komponenten wie beispielsweise Gasmischer 4, Drosselklappe 10, Druck- und/oder Temperatursensor 6, 7, Gasmotor 12 und/oder der Lambdasonde 16, in Datenübertragungsverbindung steht (angedeutet durch gestrichelte Linien).
• Bei der Gemischbildung sind die Anteile von Luft und Brenngas vom Betriebspunkt bzw. der Luftzahl Lambda abhängig. Jedoch werden abhängig von der Brenngaszusammensetzung für eine gewünschte Luftzahl unterschiedliche Anteile benötigt, wie 2 verdeutlicht. In 2 ist für ein vorgegebenes Gesamtvolumen 28 für eine gegebene Luftzahl Lambda ein Frischluftanteil 20 und ein Kraftstoffanteil 22 jeweils eines Nenngasgemisches angegeben, in welchem ein Brennstoff mit einer bekannten, z. B. Erdgas-, Zusammensetzung verwendet wird. Von diesen Anteilen unterscheidet sich ein Frischluftanteil 24 und ein Kraftstoffanteil 26 bei Verwendung eines speziellen Brenngases, z.B. Biogas, dessen Zusammensetzung sich von der des Nenngases unterscheidet. Das Verhältnis von Brenngas zu Luft wird in der Regel aufgrund von Informationen über die Luftzahl, z.B. von der Lambdasonde 16 oder einer anderen Quelle (s. oben), geregelt, sodass die gewünschte Gemischzusammensetzung auch bei unterschiedlichen Gastypen eingehalten werden kann. Jedoch ändern sich bei unterschiedlicher Brenngaszusammensetzung verschiedene Betriebsgrößen, die mit der Brenngaszusammensetzung in Zusammenhang stehen bzw. von ihr abhängen. Dies sind z. B. die (relative) Luftfüllung des Gasmotors, sowie der tatsächliche Oxidator- (meist Luft)- und Brenngasverbrauch.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Korrektur dieser Betriebsgrößen. Der schematische Ablauf des Verfahrens in dem Steuergerät 14 ist in einem Fließbild 30 in 3 dargestellt. Zunächst werden in einer Eingabe 31 dem Steuergerät 14 Eingangsgrößen zur Berechnung der relative Nenn-Luftfüllung rl_nenn, wie beispielsweise der (z.B. mit dem Drucksensor 6 gemessene) Einlassdruck des Gasmotors 12, die Motordrehzahl n und die Luftzahl λ zugeführt. Eine definierte Nenngas-Zusammensetzung als Referenzgas und/oder deren Kennwerte (z.B. AFR, R_s) ist vorzugsweise ebenfalls in der Steuereinrichtung 14 hinterlegt. Aus den zugeführten Größen wird zunächst in einer Operation 32 eine relative Nenn-Luftfüllung rl_nenn bezüglich des Nenngases berechnet, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die relative Nenn-Luftfüllung rl_nenn könnte auch aus einer anderen Quelle stammen und der Steuereinrichtung 14 zugeführt werden.
• Anschließend wird in einer Operation 37 eine spezielle relative Luftfüllung rl_spez durch Multiplikation der relativen Nenn-Luftfüllung rl_nenn mit einem Korrekturfaktor f ac_{rl gas} über den Zusammenhang $$r{l}_{spez}=fa{c}_{rlgas}\cdot r{l}_{nenn}$$

  

  berechnet. Der Korrekturfaktor f ac_{rl gas} ergibt sich dabei in einer Operation 36 aus $$fa{c}_{rlgas}=\frac{AF{R}_{spez}}{AF{R}_{nenn}}\cdot fa{c}_{mgas}\text{,}$$

  

  mit einem zuvor in einer Operation 35 berechneten Korrekturfaktor f ac_{m gas} $$fa{c}_{mgas}=\frac{AF{R}_{nenn}\cdot \lambda \cdot R_{sLuft}+R_{sNenn}}{AF{R}_{spez}\cdot \lambda \cdot R_{sLuft}+R_{sSpez}}\text{.}$$

  
• Dieser ergibt sich in Abhängigkeit eines Oxidator-Brennstoff-Verhältnisses (hier, wegen Verwendung von Luft,der sogenannten Air/Fuel-Ratio AFR) des Nenngases, AFR_nenn, und des speziellen Brenngases AFR_spez sowie der massenspezifischen Gaskonstanten des Nenngases R_sNenn, des speziellen Brenngases R_sSpez und der Luft R_sLuft (bei Verwendung eines anderen Oxidators entsprechend R_sOx des verwendeten Oxidators) und der aktuellen Luftzahl λ.
• Zur Berechnung der Kennwerte (AFR, R_s) in Operation 34 bezüglich des speziellen Brenngases wird die Zusammensetzung des speziellen Brenngases verwendet, wie sie zuvor in einer Eingabe 33 der Steuereinrichtung 14 zugeführt wurde. Maßgeblich ist dabei die massenbezogene Zusammensetzung mit den Massenanteilen ξ_i der k Brenngaskomponenten, die ggf. in einem Zwischenschritt aus einer volumenbezogenen Zusammensetzung berechnet werden kann. Ebenso sind die massenbezogenen Zusammensetzungen des Nenngases (oder alternativ AFR, R_s des Nenngases) sowie der Luft (beispielsweise angenähert über die Zusammensetzung trockener Luft) in der Steuereinrichtung 14 hinterlegt, sowie die massenspezifischen Gaskonstanten und Air/Fuel-Ratio der einzelnen Komponenten der jeweiligen Gase. Alternativ dazu kann der Steuereinrichtung 14 Kennwerte des speziellen Brenngases wie die massenspezifische Gaskonstante und/oder der AFR-Wert des spezifischen Brenngases fertig berechnet zur Verfügung gestellt werden. Die Werte der massenspezifischen Gaskonstanten und Air/Fuel-Ratio der einzelnen Komponenten der jeweiligen Gase sind einschlägiger technischer Literatur entnehmbar. Die entsprechenden Kennwerte ergeben sich aus den Zusammenhängen $$R_{sspec}={\displaystyle {\sum }_{i=1}^k{\xi }_i\cdot R_{si}}\text{,}$$

  

  $$AF{R}_{spec}={\displaystyle {\sum }_{i=1}^k{\xi }_i\cdot AF{R}_{Gasi}}\text{.}$$

  
• Aus der in der Operation 37 berechneten speziellen relativen Luftfüllung rl_spez lässt sich weiterhin in einer Operation 38 der spezielle Oxidator- bzw. hier Luftverbrauch m_spezOx bzw. hier m_spezL über den Zusammenhang $$m_{spezL}=r{l}_{spez}\cdot m_{LNormCyl}$$

  

  ermitteln. Dabei stellt m_LNormCyl eine Referenzluftmasse unter Normbedingungen (p = 1013 hPa, T = 0°C) bezogen auf ein konstantes Volumen, hier auf ein Zylindervolumen, dar. Das Ergebnis m_spezL bezieht sich entsprechend auf das gleiche Volumen.
• Der spezielle Brenngasverbrauch kann anschließend in einer Operation 39 unter Einbeziehung des speziellen Luftverbrauchs m_spezL und der Air/Fuel-Ratio des speziellen Brenngases AFR_spez sowie der aktuellen, z.B. über die Lambdasonde 16 gemessenen oder aus einer anderen Quelle (s. o.) stammenden, Luftzahl λ über die Formel $$m_{spezG}=\frac{1}{AF{R}_{spez}}\cdot m_{spezL}\cdot \frac{1}{\lambda }\text{.}$$

  

  berechnet werden. Der Verbrauch in [kg/min] bei einem Viertakt-Motor ergibt sich durch Multiplikation der absoluten Masse in [kg] mit der Brennraum- bzw. Zylinderanzahl und der Motordrehzahl n/2 in [U/min]. Der Verbrauch in [kg/min] bei einem Zweitakt-Motor ergibt sich durch Multiplikation der absoluten Masse in [kg] mit der Brennraum- bzw. Zylinderanzahl und der Motordrehzahl n in [U/min].
• Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhafterweise, derartige Schwankungen in der Brenngaszusammensetzung mit einer höheren Genauigkeit als unter ausschließlicher Verwendung der Zusammensetzung des Nenngases bei der Bestimmung von Betriebsgrößen zu berücksichtigen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2012/097389 A2 [0002]
• AT 384279 B [0025]

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Brennkammer, insbesondere eines Gasmotors (12), bei dem Oxidator und Kraftstoff in Form von Brenngas, insbesondere als Gemisch über einen Ansaugbereich (1), in zumindest einen Brennraum (11), insbesondere des Gasmotors (12), zugeführt und verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen über eine spezielle Brenngaszusammensetzung und/oder deren spezifische Kennwerte, wie AFR und/oder R_s, einer Steuereinrichtung (14) zugeführt werden und dass die spezielle Brenngaszusammensetzung und/oder deren spezifische Kennwerte bei der Ermittlung zumindest einer Betriebsgröße berücksichtigt wird/werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße unter Einbeziehung einer bzgl. eines Nenngases bestimmten Betriebsgröße und eines Korrekturfaktors berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor in Abhängigkeit eines Oxidator-/Brennstoff-Verhältnisses und der massenspezifischen Gaskonstanten jeweils des Nenngases und des speziellen Brenngases sowie der massenspezifischen Gaskonstante des Oxidators berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Betriebsgröße um eine spezielle relative Luftfüllung rl_spez, einen speziellen Oxidatorverbrauch m_spezOx und/oder einen speziellen Brenngasverbrauch m_spezG handelt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spezielle relative Luftfüllung rl_spez durch Multiplikation einer relativen Nenn-Luftfüllung rl_nenn mit dem Korrekturfaktor berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der spezielle Oxidatorverbrauch m_spezOx durch Multiplikation der speziellen relativen Luftfüllung rl_spez mit einer Referenzoxidatormasse unter Normbedingungen m_OxNorm, insbesondere bezogen auf ein Zylindervolumen, berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der spezielle Brenngasverbrauch m_spezG unter Einbeziehung des speziellen Oxidatorverbrauchs m_spezOx und des Oxidator-/Brennstoff-Verhältnisses des speziellen Brenngases sowie der aktuellen Luftzahl berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Betriebsgröße um einen Soll-Saugrohrdruck handelt, der durch Multiplikation eines vorgegebenen Soll-Saugrohrdrucks mit einem Korrekturfaktor und in Abhängigkeit eines Heizwertes und der massenspezifischen Gaskonstanten jeweils des Nenngases und des speziellen Brenngases sowie einer Kalibriertemperatur und einer aktuell gemessenen Temperatur berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor in Abhängigkeit eines Oxidator-/Brennstoff-Verhältnisses jeweils des Nenngases und des speziellen Brenngases und der massenspezifischen Gaskonstanten jeweils des speziellen Brenngases, eines Nennoxidators, eines speziellen Oxidators und eines Heizwertes des Nenngases sowie des speziellen Brenngases und der Luftzahl berechnet wird.
10. Steuereinrichtung (14), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
11. Computerprogramm, das eine Steuereinrichtung (14) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Steuereinrichtung (14) ausgeführt wird.
12. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.

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