NL9500154A

NL9500154A - Werkwijze en inrichting voor het meten van de NO uitstoot van een inwendige verbrandingsmotor.

Info

Publication number: NL9500154A
Application number: NL9500154A
Authority: NL
Inventors: Leendert Wolters; Johan Lugtenburg
Original assignee: Deltec Fuel Systems Bv
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1996-09-02
Also published as: DE69600700T2; DK0727574T3; ES2122760T3; EP0727574B1; EP0727574A1; US5657732A; ATE171760T1; DE69600700D1; JPH08338294A

Description

Werkwijze en inrichting voor het regelen van de Ν0χ uitstoot van een inwendige verbrandingsmotor.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het regelen van een inwendige verbrandingsmotor, omvattende het beïnvloeden van de lucht/brandstofverhouding afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden van die motor, waarbij het vermogen van die motor gemeten wordt.

In de stand der techniek zijn twee systemen bekend om de uitstoot van stikstofoxiden te beheersen.

Bij het eerste systeem worden in de cilinder resp. cilinderkop di-rekte metingen uitgevoerd. Deze metingen betreffen temperatuurmetingen. Het is immers bekend dat binding van zuurstof aan stikstof in aanzienlijke mate afhankelijk is van de ontbrandingstemperatuur van het mengsel in de cilinder.

Deze methode heeft als voordeel dat deze bijzonder goed werkt, maar als nadeel dat de inrichtingen voor het bepalen van de temperatuur bijzonder gevoelig zijn en een beperkte levensduur hebben.

Bovendien vereisen dergelijke inrichtingen aanzienlijke ingrepen in de verbrandingsmotor hetgeen betekent dat latere inbouw niet of slechts met bijzondere inspanning mogelijk is.

Bij kleinere cilinders en cilinderkoppen is het niet mogelijk voldoende nauwkeurig te meten.

De andere groep methoden om tot vermindering van het stikstofoxide-aandeel te komen berust op de zgn. indirekte meting. D.w.z. afgeleiden van de ontbrandingstemperatuur worden gebruikt om de motor te sturen.

Zo is het bekend dat een armer mengsel, d.w.z. een mengsel met een grotere overmaat lucht, een lagere verbrandingstemperatuur geeft. Bovendien geeft een warmer mengsel een hogere verbrandingstemperatuur. Eveneens is gebleken dat er een verband bestaat tussen enerzijds het motorvermogen en anderzijds de druk en temperatuur in het inlaatkanaal (zie bijvoorbeeld Europees octrooi 0 259 382).

Bij sommige van de hierboven beschreven methoden worden λ-sensoren gebruikt, die verouderingsgevoelig zijn. Indien de kwaliteit van het gas, d.w.z. de kalorische waarde wisselt, is gebleken dat bij gelijke λ (lucht/brandstofverhouding) een wisselende N0X uitstoot optreedt. Van een te arm mengsel is bovendien bekend, dat vermogensonrust ontstaat, d.w.z. de motor niet meer regelmatig loopt.

Door inwendige veranderingen in de motor waardoor de cilindervulling verandert, zoals bijvoorbeeld een wijziging in klepspeling of in de uit- laattegendruk, wordt het bepalen van de druk in het inlaatdeelstuk een onbetrouwbare methode. Tevens is gebleken dat het vaststellen van de mengseltemperatuurcorrectie in praktijk moeilijk is omdat de temperatuur van het aangezogen mengsel moeilijk te beheersen is.

Het doel van de onderhavige uitvinding is in een werkwijze en inrichting te voorzien die deze nadelen niet heeft en waarbij met behulp van de indirekte methode met behulp van in de stand der techniek bekende middelen, die goed beheersbaar zijn de N0X uitstoot volgens eis beperkt kan worden.

Dit doel wordt bij een hierboven beschreven werkwijze verwezenlijkt welke omvat het bepalen van het gewenste rendement van die motor bij die bedrijfsomstandigheden, het meten van het rendement bij die bedrijfsomstandigheden, en het zodanig veranderen van de lucht/brandstofverhouding van het mengsel dat het bepaalde en gemeten rendement gelijk worden, waarbij indien het gemeten rendement hoger is dan het bepaalde rendement de lucht/brandstofverhouding verlaagd wordt.

Verrassenderwijs is gebleken dat er een verband bestaat tussen het mechanisch rendement van een verbrandingsmotor en de verbrandingstempera-tuur en zoals hierboven aangegeven is deze verbrandingstemperatuur van belang voor de N0x uitstoot. D.w.z. dat indien men bij een bepaald vermogen het rendement constant houdt de Ν0χ uitstoot eveneens gelijkblijvend zal zijn. Daarbij is het niet van belang of parameters, zoals de inlaat-temperatuur, inlaatdruk, gassamenstelling, variëren. Zolang het rendement constant blijft, zal de Ν0χ uitstoot niet wijzigen.

Zelfs indien de mengselsterkte wijzigt, is gebleken dat bij constant rendement de Ν0χ uitstoot ongewijzigd blijft. Dit betekent dat bij wisselende samenstelling van het gas en/of andere parameters, zoals toevoer-druk en toevoertemperatuur, met de regeling volgens de uitvinding een constante emissie bereikt kan worden.

Indien de motor een stationaire motor is, die voortdurend hetzelfde toerental draait, varieert het rendement afhankelijk van de belasting. Indien echter de motor bij wisselend toerental en wisselende belasting bedreven wordt, kan volgens de uitvinding het rendement uit een tabel uitgelezen worden, die bepaald wordt aan de hand van het kenveld van die motor.

Het is mogelijk de hierboven beschreven werkwijze te combineren met regelingen voor het constant houden van het toerental en/of het vermogen van de motor. Omdat wisselingen in samenstelling lucht/brandstof waarop de uitvinding betrekking heeft, in het algemeen minder snel zullen verlo- pen dan wisselingen in toerental en/of vermogen, wordt er de voorkeur aan gegeven reakties op dergelijke wisselingen verhoudingsgewijs snel voor de regeling van het motortoerental resp. vermogen uit te voeren en verhoudingsgewijs langzaam voor het variëren van de lucht-brandstofverhouding. Het rendement van de motor kan op alle in de stand der techniek bekende wijzen gemeten worden.

Een methode omvat het rekenkundig bepalen van de gewenste gas flow uit metingen aan de motor. Dergelijke metingen kunnen bijvoorbeeld het meten van de lucht flow omvatten. Hiertoe kan een zgn. 'hot wire flow meter' worden gebruikt. Daarbij stroomt lucht langs een verwarmde draad en wordt de weerstandswijziging door afkoeling van de draad door de langs bewegende lucht geregistreerd en omgezet in een lucht flow. Eveneens is het mogelijk een en ander uit de mengsel flow te bepalen.

Hierbij wordt de gewenste gas flow berekend door het meten van verschillende parameters van de verbrandingsmotor, ook al bekend onder de naam 'speed/density-methode'.

Bij de speed density methode worden de temperatuur en druk van het mengsel in het inlaatkanaal van de verbrandingsmotor bepaald alsmede het volumetrisch rendement en het slagvolume daarvan.

Ervan uitgaande dat de gewenste lucht/brandstofverhouding bekend is, kan de gas flow zowel uit de bepaalde lucht danwel uit de mengel flow berekend worden.

Uitgaande van het inzicht dat het mechanisch rendement maatgevend voor de Ν0χ uitstoot betekent dit dat het volgens de uitvinding niet langer van belang is de lucht-brandstofverhouding te kennen of de meng-seltemperatuur en de gaskwaliteit.

Het mechanische rendement kan in formulevorm als volgt worden weergegeven .

Indien de motor met constant vermogen en toerental bedreven wordt, betekent dit dat zowel het mechanisch rendement als P gelijkblijvend zijn. Uit formule (I) volgt dan dat Qgn x Hu constant is.

het vermogen en het mechanische rendement bij dezelfde hoeveelheid toegevoerde lucht constant te houden.

Om de theorie die ten grondslag ligt aan de onderhavige uitvinding te verifiëren zijn enkele metingen uitgevoerd en is een proefopstelling gemaakt.

In fig. 1 is een voorbeeld van de regeling volgens de onderhavige uitvinding weergegeven.

Daarin toont 1 een verbrandingsmotor voorzien van een inlaatkanaal 2 met daarin aangebracht een smoorklep 3 voor de mengstroming, die geregeld wordt door een regelorgaan 4. Met 9 is een 'hot wire flow' meter voor de luchtstroming aangegeven, die verbonden is met sturing 6. Gas wordt aangevoerd via een leiding waarin zich een doseerklep 12 bevindt die door een motor 5 gestuurd wordt, die zijn signalen van sturing 6 ontvangt. Met 13 is een gas flow meter aangegeven. Verbrandingsmotor 1 is voorzien van een uitlaat 7 en van een inrichting waarmee o.a. het vermogen van de motor bepaald kan worden, zoals een generator 8. Ook de vermogen-metende uitgang van de generator 8 is met sturing 6 verbonden. De gasleiding 5 is verbonden met een gasopslag 10. In inlaatkanaal 2 zijn achter smoorklep 3 een temperatuurvoeler en een drukmeter aanwezig, die via leiding 15 resp.

14 met sturing 6 verbonden zijn.

Met 11 is een inrichting weergegeven voor het meten van de onrust van de motor. Indien om enigerlei reden de verbranding niet binnen bepaalde grenzen geoptimaliseerd kan worden door bijvoorbeeld het geheel of gedeeltelijk uitvallen van een cilinder, zal deze onrustmeter 11 een signaal afgeven en de regeling buiten werking stellen en op de basisinstelling verder draaien.

Indien de hierbovenstaande regeling gebruikt wordt voor het aandrijven van generator 8 met constant toerental en vermogen zal bij het wisselen van de gaskwaliteit het volgende gebeuren:

Indien bijvoorbeeld gas met een hogere verbrandingswaarde toegevoerd wordt, zal als eerste reaktie om het motortoerental en het afgegeven vermogen constant te houden, smoorklep 3 enigszins gesloten worden door een snelle regeling voor het beheersen van zowel het vermogen als het toerental.

In de positie alvorens het toevoeren van het enigszins verrijkte gas is in sturing 6 aan de hand van de daarin opgeslagen tabel het mechanische rendement bepaald. Qgn wordt bepaald aan de hand van hetzij de doorgevoerde hoeveelheid lucht bepaald met flow meter 9 hetzij met de 'speed-/density methode' afhankelijk van de signalen uit de temperatuur en druk- meters in het inlaatkanaal. Daarbij wordt gebruik gemaakt van de λ stoi-chiometrisch van het uitgangsgas.

Na het sluiten van de gasklep zal uitgaande van dezelfde λ stoichio-metrisch (die thans foutief is) opnieuw het vermogen berekend worden. Omdat de Qgn thans gedaald is, zal een verschil ontstaan tussen het berekende vermogen en het gemeten vermogen, d.w.z.bij ongewijzigd rendement is het berekende vermogen in geval van verrijking lager dan het gemeten vermogen.

Door vervolgens de lucht-brandstofverhouding te wijzigen, d.w.z. in dit geval de hoeveelheid gas te beperken, zal het vermogen van de motor neigen te dalen waardoor smoorklep 3 geopend wordt.

Het resultaat van deze maatregel is, dat Qgn terugkeert naar de oude waarde en de λ-waarde gewijzigd wordt. D.w.z. bij gewijzigde lucht-brand-stofverhouding wordt hetzelfde rendement gehandhaafd. Zoals hierboven aangegeven, is verrassenderwijs gebleken dat een wijziging van het rendement in feite neerkomt op een wijziging van de Νθχ uitstoot. Dit is aan de hand van fig. 2 verduidelijkt voor verschillende lucht-brandstofverhoudingen. De daarin getoonde metingen zijn uitgevoerd op een 'lean burn motor' met een vermogen van 210 kW.

Begrepen zal worden dat niet alleen bij wijziging van de samenstelling van de toegevoerde brandstof de regeling volgens de onderhavige uitvinding optreedt, maar eveneens bij verandering van de temperatuur van de inlaatlucht of de temperatuur van het gas.

In fig.3 is weergegeven hoe met behulp van de regeling volgens de onderhavige uitvinding binnen een breed vermogensbereik bij dezelfde motor bij het toevoegen van verschillende brandstoffen steeds bij benadering dezelfde N0x brandstof verkregen kan worden door aanpassing van de toegevoerde hoeveelheid gas. Het uit het gasnet afkomstige gas had een Hu van 31,6 MJ/M3 terwijl het flessegas een Hu van 38,4 MJ/M3 had. Uit deze grafiek blijkt duidelijk dat de regeling volgens de onderhavige aanvrage onafhankelijk van het soort gas optimale Ν0χ waarden geeft.

Tot slot is in fig. 4 weer een vergelijking opgenomen van de Ν0χ uitstoot en het rendement. Bij het verhogen van de temperatuur blijkt de N0X uitstoot toe te nemen, hetgeen eveneens geldt voor het rendement.

Hoewel de uitvinding hierboven beschreven is in combinatie met een snel werkende regeling voor het constant houden van het vermogen en toerental zal begrepen worden dat deze met elke andere regeling gekoppeld kan worden en ook met verschillende toerentallen en vermogens verkregen kan worden. Deze en andere wijzigingen die voor de vakman voor de hand liggend zijn, worden geacht binnen het bereik van de bijgaande conclusies te liggen.

Claims

1. Werkwijze voor het regelen van een inwendige verbrandingsmotor, omvattende het beïnvloeden van de lucht/brandstofverhouding afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden van die motor, waarbij het vermogen van die motor gemeten wordt, met het kenmerk, dat die werkwijze omvat: het bepalen van het gewenste rendement van die motor bij die bedrijfsomstandigheden; het meten van het rendement bij die bedrijfsomstandigheden, en het zodanig veranderen van de lucht/brandstofverhouding van het mengsel dat het bepaalde en gemeten rendement gelijk worden, waarbij indien het gemeten rendement hoger is dan het bepaalde rendement de lucht/brandstofverhouding verlaagd wordt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het bepalen van het rendement omvat het voorzien in een tabel, waarin het rendement afhankelijk van het vermogen is opgeslagen alsmede het bepalen van het vermogen.

3. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij men het vermogen van die motor constant houdt.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij men het rendement van die motor in hoofdzaak constant houdt.

5. Werkwijze volgens conclusie 3, eventueel in combinatie met conclusie 4, waarbij men bij wisselende bedrijfsomstandigheden achtereenvolgens a) de mengsel flow wijzigt om het vermogen constant te houden, b) het rendement meet en vergelijkt met het bepaalde rendement en c) de lucht/brandstofverhouding dienovereenkomstig aanpast, eventueel gevolgd door herhaling van de stappen a-c.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij de veranderingssnelheid van stap a) tenminste tien maal zo groot is als de veranderingssnelheid van stap c).

7. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het wijzigen van de lucht/brandstofverhouding omvat het wijzigen van de hoeveelheid ingebracht gas.

6. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het meten van het rendement omvat het berekenen van de gasflow.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij het berekenen van de gasflow omvat het meten van de luchtflow.

10. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij het berekenen van de gas flow omvat het meten resp. bepalen van tenminste een van de volgende parameters: manifold druk, manifold temperatuur, het toerental van de motor, het volumetrische rendement en/of het slagvolume.

11. Inrichting voor het regelen van een verbrandingsmotor omvattende middelen voor het meten van het motorvermogen, geheugenopslagmiddelen, vergelijkingsmiddelen, rekenmiddelen alsmede middelen voor het wijzigen van de lucht/brandstofverhouding aangestuurd door die vergelijkingsmiddelen, met het kenmerk, dat die geheugenopslagmiddelen het rendement van die motor omvatten, dat die rekenmiddelen zijn ingericht om het rendement afhankelijk van de ingebrachte hoeveelheid mengsel te bepalen en dat die vergelijkingsmiddelen zijn ingericht om bij verschil tussen beide rendementen werkzaam te worden.

12. Inrichting volgens conclusie 11, waarbij die geheugenopslagmiddelen een tabel omvatten waarin het rendement afhankelijk van het vermogen is opgeslagen.

13. Inrichting volgens een conclusie 11 of 12, waarbij bovendien middelen aanwezig zijn om het motorvermogen constant te houden.

14. Inrichting volgens een van de conclusies 11-13, omvattende middelen voor het bepalen van de onrust ('misfire') van de motor. ******