DE4311890A1

DE4311890A1 - Steady-state operated internal combustion engine with emission control

Info

Publication number: DE4311890A1
Application number: DE19934311890
Authority: DE
Inventors: Friedrich Wilhelm Vogelsang
Original assignee: COMUNA METALL VORRICHTUNGS und
Current assignee: COMUNA METALL VORRICHTUNGS und
Priority date: 1993-04-10
Filing date: 1993-04-10
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2013-04-11
Also published as: DE4311890C2

Abstract

The steady-state operated internal combustion engine, in particular using a fuel gas, such as natural gas, has a device for emission control which comprises a lambda probe and a catalytic converter arranged downstream of the latter in the exhaust gas line. The lambda probe is part of a control which adjusts the mixture of fuel gas and combustion air on the fresh gas side to operation in the region of the lambda window. In order to further improve the emission control, a second lambda probe is arranged downstream of the catalytic converter in the exhaust gas line, the said second lambda probe being assigned to a second control circuit which forms a cascade control with the control circuit of the first lambda probe and which adjusts the desired lambda value of the first lambda probe when the actual value of the second lambda probe leaves a desired value range. In this process, an interference pulse leading to a brief change in this desired lambda value is initially applied in the direction of a lean fuel/air mixture and directly afterwards in the direction of a richer fuel/air mixture if the actual value of the second lambda probe has not left the desired value range over a defined time interval.

Description

Die Erfindung betrifft eine stationär, insbesondere mit Brenngas, wie Erdgas, betriebene Brennkraftmaschine mit ei ner Vorrichtung zur Abgasreinigung, die eine Lambda-Sonde sowie dieser nachgeordnet einen Katalysator in der Abgas leitung aufweist. Diese Lambda-Sonde ist Teil einer Rege lung, die auf der Frischgasseite das Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft auf einen Betrieb im Bereich des Lamdba-Fensters einstellt.The invention relates to a stationary, in particular with Fuel gas, such as natural gas, operated with an egg ner device for exhaust gas purification, which is a lambda probe as well as this downstream a catalyst in the exhaust has line. This lambda probe is part of a rain the mixture of fuel gas on the fresh gas side and combustion air for operation in the area of Lamdba window sets.

Stationäre Brennkraftmaschinen werden im optimalen Lei stungsbereich betrieben, wobei im Dauerbetrieb Lastwechsel so gut wie nicht vorkommen. Entsprechend exakt kann die Ab gasreinigung eingeregelt werden, wobei Änderungen der Frischgas- oder Luftzufuhr ausgeregelt werden müssen, um sogenannte Versorgungsstörungen, die das stöchiometrische Gemisch beeinträchtigen, auszugleichen. Stationary internal combustion engines are in the optimal lei range operated, with continuous operation load changes almost never happen. The Ab gas cleaning are regulated, changes in the Fresh gas or air supply must be regulated to so-called supply disorders, which is the stoichiometric Affect mixture, balance.

Gerade beim permanenten, stationären Betrieb einer Brenn kraftmaschine stößt man bei der Schadstoffreduzierung an Grenzen, die durch die Reduktions- und die Oxidationsvor gänge im Katalysator bedingt sind, die mit der herkömmlichen Lambda-Regelung nicht vollkommen ausgeschöpft werden können. Hier geht es zum einen darum, daß die sauerstoffhaltigen Verbindungen im Abgas, wie die zu reduzierenden Stickoxide (NO) und das zu oxidierende Kohlenmonoxid (CO), niedrigere Anspringtemperaturen für den Reaktionsvorgang erfordern, als die Kohlenwasserstoffe (HC), um die jeweilige Konversion auszulösen. Zum zweiten geht es um die Nutzung eines gewis sen Speichereffektes der multifunktionellen Katalysatoren für reaktive Abgasbestandteile, wie Sauerstoff oder Kohlen monoxid, was zu einer Reaktionsbeschleunigung führen kann. So ist es von benzinbetriebenen Ottomotoren her bekannt, ei ne Verringerung der Schadstoffemissionen durch eine oszil lierende Gemischbildung zu erzielen, die an sich nicht zu den Betriebsbedingungen einer stationär betriebenen Brenn kraftmaschine paßt. Des weiteren ist es bekannt, bei Kraft fahrzeug-Ottomotoren mit Abgasreinigung die Lambda-Sonde hinter dem Katalysator anzuordnen, was hier jedoch dem Umstand dient, sich den wechselnden Lastbedingungen eines Fahrzeugmotors besser anpassen zu können.Especially with the permanent, stationary operation of a burner the engine is triggered when reducing pollutants Limits set by the reduction and the oxidation gears in the catalytic converter are the same as with the conventional Lambda control cannot be fully used. On the one hand, it is about the fact that the oxygen-containing Compounds in the exhaust gas, such as the nitrogen oxides to be reduced (NO) and the carbon monoxide (CO) to be oxidized, lower Starting temperatures for the reaction process require as the hydrocarbons (HC) to the respective conversion trigger. The second is the use of a certain storage effect of the multifunctional catalysts for reactive exhaust gas components, such as oxygen or carbon monoxide, which can lead to an acceleration of the reaction. It is known from gasoline-powered petrol engines, ei ne reduction of pollutant emissions through an oszil to achieve a mixture formation that is not too the operating conditions of a stationary burning engine fits. Furthermore, it is known to be in force vehicle gasoline engines with exhaust gas purification the lambda probe to be placed behind the catalytic converter, which is the case here Circumstance serves the changing load conditions of a To be able to better adapt the vehicle engine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer statio när betriebenen Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Abgasreinigung weiter zu verbessern.The invention has for its object in a statio när operated internal combustion engine of the aforementioned Way to further improve exhaust gas cleaning.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer solchen Brenn kraftmaschine dadurch, daß in der Abgasleitung hinter dem Katalysator eine zweite Lambda-Sonde angeordnet ist, die einem zweiten Regelkreis zugeordnet ist, der mit dem Re gelkreis der ersten Lambda-Sonde eine Kaskadenregelung bil det. Dieser zweite Regelkreis regelt beim Verlassen des Sollwert-Bereichs durch den Istwert der zweiten Lambda-Sonde den Lambda-Sollwert der ersten Sonde nach. Bei dieser Kas kadenregelung wird dann ein Störimpuls zu einer kurzzeitigen Veränderung dieses Lambda-Sollwertes zunächst in Richtung auf ein magereres und unmittelbar anschließend in Richtung auf ein fetteres Brenngas-Luft-Gemisch aufgebracht, wenn über ein definiertes Zeitintervall der Istwert der zweiten Lambda-Sonde den Sollwert-Bereich nicht verlassen hat.Such a burner solves this problem engine in that in the exhaust pipe behind the A second lambda probe is arranged, the catalyst a second control loop is assigned, which with the Re circuit of the first lambda probe a cascade control bil det. This second control loop regulates when leaving the Setpoint range through the actual value of the second lambda probe the lambda setpoint of the first probe. At this cas cad control then becomes a glitch for a short time First change this lambda setpoint in the direction on a leaner and immediately afterwards in the direction applied to a richer fuel gas-air mixture if the actual value of the second over a defined time interval Lambda probe has not left the setpoint range.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß die aus zwei Regel kreisen bestehende Kaskadenregelung Störungen am Anfang der Regelstrecke durch Änderung der Gas- oder der Luftzufuhr für das stöchiometrische Gemisch, die sogenannten Versorgungs störungen, durch den ersten Regelkreis gut ausgeregelt werden. Mit dem zweiten Regelkreis nach dem Katalysator werden kleinere Störungen behoben. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf die Störgrößenaufschaltung, die auch bei der stationär betriebenen Brennkraftmaschine einen oszillierenden Betrieb ermöglicht. Man erreicht damit eine vorübergehende Konzentrationsverarmung zunächst des Kohlen monoxid-Anteils und anschließend des Sauerstoffanteils im Abgas, was unter Ausnutzung der Speichereffekte des Kata lysators die Reaktionsgeschwindigkeiten bei der Konversion der Schadstoffanteile erhöht. Durch den oszillierenden Be trieb wird insbesondere der Kohlenwasserstoff-Anteil gut konvertiert, was jedoch eine ständige Bestimmung des momen tanen Arbeitspunktes der Regelung erfordert, um die Gemisch änderung in die gewünschte Richtung möglich zu machen. Das wird durch die Kaskadenregelung mit ihren beiden Regelkrei sen erreicht. Hierbei mißt die zweite Sonde hinter dem Kata lysator, die dem zweiten Regelkreis zugeordnet ist, den ide alen Arbeitspunkt im Lambda-Fenster, und sobald der Oszilla tionsvorgang, nämlich die Verstellung des Frischgasgemisches zunächst in Richtung mager und unmittelbar darauf in Rich tung fetter, abgeschlossen ist, ist wegen der über eine gewisse Zeitspanne andauernden, guten Konversion des Kohlenwasserstoff-Anteils im Abgas und den dadurch bedingten Sauerstoffverbrauch, die Meßspannung der zweiten Sonde hin ter dem Katalysator für die Feinregelung besonders gut ver wertbar.It is essential for the invention that the rule of two circling existing cascade disturbances at the beginning of the Controlled system by changing the gas or air supply for the stoichiometric mixture, the so-called supply disturbances, well regulated by the first control loop become. With the second control loop after the catalytic converter minor problems are eliminated. This enables one quick response to the feedforward control, that too in the case of the stationary internal combustion engine allows oscillating operation. You get one with it temporary depletion of the concentration of coal monoxide component and then the oxygen component in the Exhaust gas, which takes advantage of the storage effects of the Kata lysators the reaction speeds during the conversion the pollutant levels increased. Due to the oscillating loading the hydrocarbon content is particularly good converts, however, a constant determination of the moment tanen working point of the scheme requires the mixture Make changes in the desired direction possible. The is through the cascade control with its two control loops achieved. Here the second probe measures behind the kata analyzer, which is assigned to the second control loop, the ide alen working point in the lambda window, and as soon as the Oszilla tion process, namely the adjustment of the fresh gas mixture initially towards lean and immediately towards rich tung fatter, is complete because of over one certain period of good conversion of the Hydrocarbon content in the exhaust gas and the resulting Oxygen consumption, the measuring voltage of the second probe the catalyst for fine control is particularly good valuable.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is based on the drawing on a Embodiment explained in more detail. Show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraft maschine mit einer Abgasreinigungsanlage und Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas cleaning system and

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Kaskadenregelung für die Abgasreinigungsanlage der Brennkraftmaschine nach Fig. 1. FIG. 2 shows a block diagram of the cascade control for the exhaust gas cleaning system of the internal combustion engine according to FIG. 1.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine stationäre Brennkraftmaschine 1, die mit Erdgas betrieben wird. Abgasseitig weist sie für die Wärmerückführung einen Abgasvortauscher 2 auf, an den eine Abgasleitung 10 anschließt, in die ein Katalysator 3 eingefügt ist. Es handelt sich um einen sogenannten Drei- Wege-Katalysator, mit dem die drei relevanten Schadstoffe, nämlich Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NO_x), gleichzeitig abgebaut werden. Die Abgas leitung hinter dem Katalysator 3 durchläuft einen Abgaswär metauscher 4 und einen Abgasschalldämpfer 5 und mündet da nach in eine Schornsteinzuführung 7. An die Abgasleitung ist ferner über eine Gastrocknungs- und Pumpstation eine Prüf gasleitung 8 angeschlossen, was Kontrollzwecken dient. In particular, FIG. 1 shows a stationary internal combustion engine 1 which is operated with natural gas. On the exhaust gas side, it has an exhaust gas pre-exchanger 2 for heat recovery, to which an exhaust gas line 10 connects, into which a catalytic converter 3 is inserted. It is a so-called three-way catalytic converter with which the three relevant pollutants, namely carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NO _x ), are simultaneously broken down. The exhaust pipe behind the catalytic converter 3 passes through an exhaust gas heat exchanger 4 and an exhaust gas silencer 5 and then opens into a chimney feeder 7 . A test gas line 8 is also connected to the exhaust line via a gas drying and pumping station, which serves for control purposes.

In der Abgasleitung 10 sitzen vor dem Katalysator 3 zwei Lambda-Sonden 9, von denen grundsätzlich nur eine für die nachstehend beschriebene Regelung erforderlich ist. Hinter dem Katalysator 3 findet sich in der Abgasleitung eine zweite Lambda-Sonde 11.Two lambda probes 9 are located in the exhaust line 10 in front of the catalytic converter 3 , of which only one is required in principle for the control described below. A second lambda probe 11 is located behind the catalytic converter 3 in the exhaust line.

Die Lambda-Regelung mit der Verknüpfung der beiden Lambda- Sonden 9 und 11 zeigt Fig. 2, aus der deutlich wird, daß die erste Lambda-Sonde 9 einem ersten Regelkreis und die zweite Lambda-Sonde 11 einem zweiten Regelkreis zugeordnet ist, die beide sich zu einer Kaskadenregelung ergänzen. Die Lambda- Sonde 9 liefert den Lambda-Istwert vor Katalysator, der auf einen Regler 2, einen Hilfsregler, gegeben wird, in dem ein Stellsignal für einen Stellmotor gebildet wird. Dieser Stellmotor gehört zu einem Mischer, der auf der Frischgas seite der Brennkraftmaschine 1 (Fig. 1) zur Aufbereitung des Brenngas-Luft-Gemisches angeordnet ist.The lambda control with the combination of the two lambda probes 9 and 11, Fig. 2, it is clear from that the first lambda probe 9 a first control loop and the second lambda probe 11 is associated with a second control loop, both complement each other to form a cascade regulation. The lambda probe 9 supplies the actual lambda value upstream of the catalytic converter, which is passed to a controller 2 , an auxiliary controller, in which an actuating signal for a servomotor is formed. This servomotor belongs to a mixer which is arranged on the fresh gas side of the internal combustion engine 1 ( FIG. 1) for the preparation of the fuel gas-air mixture.

Die hinter dem Katalysator 3 angeordnete Sonde 11 (Fig. 1) liefert den Lambda-Istwert hinter Katalysator, der auf einen dem Regler 2 vorgeschalteten Regler 1 aufgegeben wird. Fer ner wird der Regler 1 mit dem Lambda-Sollwert beaufschlagt, der als Bereichsgröße definiert ist. Solange sich der Lamb da-Istwert hinter Katalysator innerhalb dieses vorgegebenen Bereiches befindet, wird das Ausgangssignal des Hauptreg lers, des Reglers 1, nicht verändert. Verläßt hingegen der Lambda-Istwert hinter Katalysator den Bereich in Richtung Fett oder Mager, ändert sich entsprechend das Ausgangssig nal, welches als neuer Lambda-Sollwert auf den Regler 2 ge geben und dort mit dem Lambda-Istwert vor Katalysator ver glichen wird.The probe 11 arranged behind the catalytic converter 3 ( FIG. 1) delivers the actual lambda value behind the catalytic converter, which is applied to a controller 1 upstream of the controller 2 . Furthermore, the controller 1 is acted upon by the lambda setpoint, which is defined as the area variable. As long as the actual lambda value behind the catalytic converter is within this predetermined range, the output signal of the main controller, controller 1 , is not changed. However, if the actual lambda value behind the catalytic converter leaves the area in the direction of rich or lean, the output signal changes accordingly, which is passed as a new lambda setpoint to controller 2 and is compared there with the actual lambda value before the catalytic converter.

Der Regler 2 dient der Grobregelung, um die Störgrößen 1, die durch Gemischänderung oder Fehlzündungen bedingt sein können, zu kompensieren. Der Regler 2 besorgt eine Feinre gelung, durch ihn können Störungen infolge Änderung der Re aktionen im Katalysator ausgeregelt werden; es handelt sich hierbei um die Störgrößen 2.The controller 2 is used for the rough control in order to compensate for the disturbance variables 1 , which can be caused by mixture changes or misfires. The controller 2 provides a fine control, through it, disturbances due to changes in the reactions in the catalyst can be corrected; these are disturbance variables 2.

Über den Lambda-Istwert hinter Katalysator lassen sich die Reaktionszustände im Katalysator genau erfassen, um dadurch auf einen oszillierenden Betrieb hinwirken zu können, für den kurzzeitig das Gemisch auf der Frischgasseite zunächst in Richtung Mager und unmittelbar anschließend in Richtung Fett verstellt wird. Wenn nicht schon betriebsbedingt die Störgrößen 1 oder die Störgrößen 2 so auftreten, daß der Lambda-Istwert hinter Katalysator den vorgegebenen Sollwert- Bereich verläßt, dann wird ein entsprechender Störimpuls beispielsweise durch vorübergehende Änderung des Lambda- Sollwertes aufgegeben. Die dadurch bedingte Änderung der Führungsgröße der gesamten Kaskadenregelung führt wiederum zu oszillierenden Reaktionsabläufen im Katalysator, was zu einem schwingenden Verlauf des Lambda-Istwertes hinter Kata lysator führt. Entsprechend wird für den Regler 1 der Lamb da-Sollwert als Bereichswert vorgegeben, und der zusätzlich aufgebrachte Störimpuls bewirkt eine Schwingung der Regel anordnung innerhalb dieses Bereichs, die für den oszillie renden Betrieb erwünscht ist und im Bedarfsfalle immer wie der angestoßen wird.The reaction states in the catalytic converter can be precisely recorded via the actual lambda value behind the catalytic converter in order to be able to work towards an oscillating operation, for which the mixture on the fresh gas side is briefly adjusted first in the lean direction and then immediately in the rich direction. If the disturbance variables 1 or the disturbance variables 2 do not occur due to the operation so that the actual lambda value behind the catalytic converter leaves the predetermined target value range, then a corresponding disturbance pulse is given, for example, by temporarily changing the lambda target value. The resulting change in the command variable of the entire cascade control in turn leads to oscillating reaction processes in the catalytic converter, which leads to an oscillating course of the actual lambda value behind the catalytic converter. Accordingly, the Lamb da setpoint is specified as a range value for the controller 1 , and the additionally applied interference pulse causes the control arrangement to oscillate within this range, which is desired for the oscillating operation and is always triggered as required.

Claims

Stationary, in particular with fuel gas, such as natural gas, operated internal combustion engine with a device for exhaust gas purification, which has a lambda probe and this is followed by a catalytic converter in the exhaust gas line, the lambda probe being part of a control system that mixes on the fresh gas side from fuel gas and combustion air to operate in the region of the lambda window, characterized in that a second lambda probe ( 11 ) is arranged in the exhaust line ( 10 ) behind the catalytic converter ( 3 ) and is assigned to a second control circuit which forms a cascade control with the control loop of the first lambda probe ( 9 ) and which adjusts the lambda setpoint of the first probe ( 9 ) when a setpoint range is left by the actual value of the second lambda probe ( 11 ), in which case an interference pulse occurs a brief change in this lambda setpoint, first in the direction of a leaner and immediately afterwards in the direction of a richer Combustion gas-air mixture is brought up when the actual value of the second lambda probe ( 11 ) has not left the setpoint range over a defined time interval.