NL9500318A - Optimalisatieregeling voor gasmotoren met driewegkatalysator. - Google Patents

Description

Titel: Optimalisatieregeling voor gasmotoren met drieweg katalysator.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een optimalisatieregeling voor gasmotoren met driewegkatalysator en meer in het bijzonder op de toepassing van een dergelijke optimalisatieregeling tijdens het bedrijven van gasmotoren die voorzien zijn van een λ-sensor en een geregelde driewegkatalysator .

Warmte/krachtinstarlaties met gasmotoren hebben een hogere emissie van schadelijke componenten dan andere elektriciteitsopwekkers. Om deze emissies (N0X en onverbrande componenten) drastisch te verlagen kan een driewegkatalysator worden toegepast. Voor de goede werking van de driewegkatalysator is het noodzakelijk dat de gas/lucht-verhouding van het mengsel dat aan de gasmotor wordt toegevoerd constant worden gehouden. De gas/lucht-verhouding kan worden aangegeven met de luchtfactor λ.

Het doel van een λ-regeling is om door gebruik te maken van een gesloten regelkring de samenstelling van het aan de motor toegevoerde gas/lucht-mengsel zeer dicht bij het optimale werkpunt van de driewegkatalysator te houden. De maximale afwijking van het werkpunt wordt bepaald door het zogenaamde λ-venster. In dit venster liggen alle waarden van λ, waarvoor geldt, dat de emissie van alle' schadelijke uitlaatgascomponenten beneden de voor deze componenten gestelde maximale grenzen blijft.

De onder- en bovengrens van het λ-venster worden bepaald door een uitlaatgascomponent die bij een lagere resp. hogere λ-waarde de voor deze component maximaal toelaatbare emissie overschrijdt. Bij een goed functionerende driewegkatalysator is de emissie van koolmonoxyde (CO) bepalend voor de ondergrens en de emissie van stikstofoxiden (N0X) voor de bovengrens van het λ-venster. Een en ander wordt geïllustreerd in figuur 1.

Uit eerder onderzoek en uit ervaringen uit demonstratieprojecten blijkt dat het met de bestaande technieken problemen geeft om binnen het λ-venster te blijven. Door veroudering en slijtage van de sensor verloopt de luchtfactor geleidelijk. De driewegkatalysator werkt dan niet meer in zijn optimale werkpunt en de emissies van schadelijke stoffen lopen ontoelaatbaar op. Aanvraagster heeft onderzoek verricht om dit probleem te ondervangen. Dit onderzoek heeft geleid tot de ontwikkeling van een optimalisatie methode, waarmee periodiek de waarde van het λ-signaal bepaald wordt welke overeenkomt met de optimale waarde van de brandstof-luchtverhouding voor een goede werking van de driewegkatalysator.

In Nederland worden in tegenstelling tot andere landen als Duitsland, Oostenrijk, en Zwitserland weinig gasmotoren met driewegkatalysator toegepast. Er wordt veel meer gebruik gemaakt van een andere N0X beperkende techniek, namelijk de arm-mengsel gasmotor. Ofschoon de potentie van deze arm-mengsel technieken groot is, lijkt de toepassing van met name katalytische reinigingsmethoden wanneer in de toekomst de emissie-eisen worden aangescherpt niet te vermijden. De branche waar toepassingen met driewegkatalysatoren het snelste te verwachten zijn, is de glastuinbouw.

In deze branche kunnen naast de opgewekte elektriciteit en warmte ook de verbrandingsgassen van een warmte/krachtinstallatie worden benut voor CO2.-bemesting, mits deze gassen niet teveel schadelijke componenten bevatten. Dit levert naast energiebesparing ook een economisch voordeel op. Voor C02_bemesting moet de NOx-emissie aanmerkelijk lager zijn dan de huidige wettelijke eis van 140 g/GJ. Daarnaast worden ook grenswaarden gesteld aan andere schadelijke componenten. Met een driewegkatalysator kan hieraan worden voldaan, zoals zowel in het laboratorium van Aanvraagster als ook in de praktijk is aangetoond, maar exacte regeling van de luchtfactor λ met behulp van een λ-sensor is hierbij noodzakelijk.

Een λ-sensor is bestaat uit een klein plaatje van een keramisch materiaal, bestaande uit zirkoniumdioxide (ZrC>2) dat gestabiliseerd is met behulp van yttriumoxide (Y2O3)/ waarop aan weerszijden dunne, gasdoorlatende platina-elektroden zijn aangebracht. Een van deze elektroden komt in contact met de uitlaatgassen. Deze elektrode werkt als een kleine katalysator. De andere elektrode staat in contact met de omgevingslucht en dient als referentie-elektrode met betrekking tot de zuurstofconcentratie.

Opgemerkt moet nog worden dat alleen bij temperaturen hoger dan circa 300 'C de elektrische weerstand van het keramisch materiaal voldoende laag is voor praktische toepassing. Bij deze temperatuur is de tijd die verstrijkt tussen het moment dat er veranderingen in het gas/lucht-mengsel optreden en het moment dat het λ-signaal verandert echter nog in de orde van grootte van seconden. Deze reactietijd van de λ-sensor is sterk afhankelijk van de temperatuur. Bij een temperatuur van 600’C wordt deze verkort tot minder dan 50 ms.

Een driewegkatalysator zet koolwaterstoffen, koolmonoxide en stikstofoxiden met een hoog tot zeer hoog conversierendement om in niet of minder schadelijke stoffen. Hierbij is het noodzakelijk dat het gas/lucht-mengsel dat in de motor wordt verbrand een luchtfactor heeft, die slechts zeer weinig van 1 afwijkt. In de praktijk spreekt men bij motoren, waarvan de uitlaatgassen gereinigd worden door een driewegkatalysator, dan ook van λ=1-πιο^Γ6η. Dit vrijwel stoichiometrische gas/lucht-mengsel dient als optimale werkpunt onder alle bedrijfscondities gehandhaafd te blijven. Aan deze strenge eis kunnen zelfs de meest geavanceerde brandstofsystemen zonder teruggekoppelde regeling niet voldoen. Toepassing van een zogenaamde λ-regeling is dan ook noodzakelijk.

In de praktijk werkt de λ-regeling als volgt. Afhankelijk van de samenstelling van de uitlaatgassen geeft de sensor een signaal af en afhankelijk hiervan wordt de brandstof-luchtverhouding gecorrigeerd.

De λ-sensor wordt op een plek in het uitlaatgassysteem gemonteerd waar alle uitlaatgassen langs komen.

De breedte van het λ-venster wordt bepaald door de emissie van schadelijke uitlaatgascomponenten door de gasmotor vóór de driewegkatalysator (meer emissie -> smaller λ-venster), het sterk van de mate van veroudering afhangende conversierendement van de driewegkatalysator voor elk van de schadelijke componenten afzonderlijk (meer veroudering -smaller λ-venster) en de grenzen van de maximaal toelaatbare emissie voor elk van de componenten (strengere eisen -> smaller λ-venster). Wanneer het λ-venster smaller wordt, is het noodzakelijk dat er (nog) nauwkeuriger geregeld moet worden. Bij een zeer smal geworden λ-venster is het beter dat computerregeling een iets te kleine versterking en een te grote tijdconstante heeft. Op deze wijze wordt overshoot voorkomen en blijft de emissie binnen de grenzen.

Optimalisatie van de λ-regeling is noodzakelijk omdat zowel de λ-sensor als ook de driewegkatalysator aan veroudering onderhevig zijn. Ten gevolge van veroudering van het de driewegkatalysator verandert het λ-venster en ten gevolge van veroudering van de λ-sensor correspondeert het λ-signaal niet meer met de gewenste λ-waarde binnen het λ-venster. Optimalisatie is noodzakelijk om lage emissies van schadelijke componenten gedurende langere tijd te waarborgen.

Veroudering van de λ-sensor en de driewegkatalysator is afhankelijk van het de specifieke toepassing, procesgrootheden van de toepassing, aantal bedrijfsuren, het type katalysator, de grootte van de katalysator het type sensor, het olieverbruik van de motor e.d. Het verouderingsproces zal derhalve in elke situatie verschillend zijn.

De veroudering van de λ-sensor manifesteert zich in het algemeen als het bij een toenemend aantal bedrijfsuren geleidelijk afnemen van het sensorspanning bij een constante gas/lucht-verhouding en constante motorcondities. In het verleden is er door Aanvraagster reeds onderzoek gedaan naar dit verouderingsgedrag van λ-sensoren. Een λ-sensor kan over het algemeen bij toepassing bij een gasmotor lang meegaan (>10.000 uur). Om thermische beschadiging van de katalytisch werkende buitenlaag van het keramische materiaal te voorkomen mag de temperatuur van de sensor niet te hoog oplopen. De maximale temperatuur van de λ-sensor mag gedurende langere tijd niet hoger zijn dan circa 800 'C. Hogere temperaturen leiden tot beschadigingen van het katalytische buitenoppervlak van het keramische materiaal en dus tot versnelde veroudering.

Een andere oorzaak van veroudering is vervuiling van het katalytische oppervlak aan de buitenzijde van het keramische materiaal.

Het λ-signaal neemt door veroudering geleidelijk af. De λ-regeling is zodanig ontworpen dat hij het gemeten λ-signaal gelijk houdt aan het gewenste, ingestelde λ-signaal. Als gevolg hiervan zal ten gevolge van de veroudering van de λ-sensor het gas/lucht-mengsel steeds rijker worden ingesteld. Dit wordt schematisch geïllustreerd in figuur 2. De werkelijke λ ligt na verloop van tijd niet meer binnen het λ-venster van de driewegkatalysator. Hierdoor wordt de emissie van bepaalde componenten van het uitlaatgas te groot. Deze veroudering is voor een praktijksituatie duidelijk weergegeven in figuur 3.

Duidelijk is te zien dat het gemeten λ-signaal bij een vaste λ na bijvoorbeeld 5501 bedrijfsuren circa 50 mV lager is dan na 619 bedrijfsuren. Dit verschil is nagenoeg onafhankelijk van de λ-waarde. De karakteristiek van een λ-sensor verschuift in de grafiek met het verstrijken van de tijd geleidelijk parallel naar beneden. Deze spanningsafname ten gevolge van veroudering van de λ-sensor is voor elke situatie en elke sensor verschillend. Bij bepaalde λ-sensoren kan er direct na ingebruikname het verschijnsel optreden dat het λ-signaal gedurende de eerste bedrijfsuren toeneemt, voordat het effect van geleidelijke veroudering in werking treedt. Ook in deze situatie is optimalisatie is noodzakelijk.

In figuur 2 is te zien is dat bij een λ-sensor signaal van 400 mV de brandstof/luchtverhouding nagenoeg niet verandert ondanks veroudering van de sensor. Bij benzine auto's uitgerust met een λ-regeling en driewegkatalysator maakt men gebruik van dit referentiepunt. Zeer regelmatig wordt dit referentiepunt opgezocht en vervolgens wordt het corrigerend orgaan zodanig (op tijdbasis) aangestuurd zodat er een rijker mengsel ontstaat. Voor gasmotoren ligt dit genoemde referentiepunt te ver verwijderd van het λ-sensorsignaal waarbij lage emissies wordt verkregen. Zeer regelmatig opzoeken van het referentiepunt resulteert in (te) hoge NOx-emissies waardoor dit regelsysteem bij stationaire gasmotoren niet toe te passen is. Dit regelsysteem is bekend uit US-A 4.526.001.

Evenals bij de hierboven beschreven veroudering van de λ-sensor is ook bij de driewegkatalysator is de levensduur sterk afhankelijk van de in de katalysator heersende uitlaatgastemperatuur (proces van thermische veroudering), alsmede van de soort en de concentratie van brandstoftoevoegingen . Veroudering van een katalysator betekent dat het totale actieve oppervlak wordt verminderd. Als gevolg hiervan neemt het conversierendement voor alle componenten af. Dit leidt er toe dat de emissie van de schadelijke uitlaatgascomponenten toeneemt ten opzichte van de situatie bij een nieuwe katalysator. Hierdoor wordt het λ-venster smaller, immers de emissie van schadelijke uitlaatgascomponenten neemt bij veroudering toe, terwijl de eisen voor de maximale grenzen natuurlijk onveranderd blijven. Een smaller λ-venster vereist een nauwkeuriger instelling van λ. Figuur 5 geeft het effect dat de veroudering van de driewegkatalysator heeft op de emissie van de diverse uitlaatgascomponenten. Duidelijk is te zien dat de emissieniveaus van CxHy, CO en N0X stijgen en dat tevens de λ-waarde waarbij de conversie optimaal is naar de rijkere kant verschuift.

Uit het bovenstaande is duidelijk, dat er behoefte bestaat aan een systeem voor het op min of meer continue schaal bijregelen of optimaliseren van het λ-signaal, in relatie tot de feitelijk emissie.

De uitvinding is gebaseerd op verrassende inzicht, dat het op eenvoudige wijze mogelijk is het instellen van de optimale brandstof-luchtverhouding voor de gasmotor aan de hand van het signaal van de λ-sensor te corrigeren aan de hand van de activiteit van de katalysator.

De uitvinding is betreft derhalve een werkwijze voor het regelen van de brandstof-luchtverhouding voor een gasmotor, die voorzien is van een λ-sensor, van een driewegkatalysator, alsmede een regelsysteem voor het aanpassen :an de brandstof-luchtverhouding met behulp van een regelorgaan op basis van het signaal van de λ-sensor, omvattende het op geregelde tijden, bij constante belasting van de motor, stapsgewijs aanpassen van de λ-waarde en het meten van de overeenkomende activiteit van de katalysator, het bepalen van de overeenkomende meetsignalen van de λ-sensor, en het vaststellen van de waarde van het meetsignaal waarbij de activiteit van de katalysator sterk toe- of afneemt, gevolgd door het aanpassen van de waarde van het regelsignaal van de λ-sensor dat aangehouden wordt als de gewenste stuurwaarde op basis van laatstgenoemd meetsignaal.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het genereren van warmte en/of electriciteit met behulp van een gasmotor, welke werkwijze tevens de hierboven geschetste regeling omvatten.

Het omzettingsproces in de driewegkatalysator is direct afhankelijk van de luchtfactor λ van het gas/lucht-mengsel. De katalysator heeft het hoogste conversierendement voor alle schadelijke componenten bij een λ van ongeveer 0.995. Zoals is beschreven, worden zowel de λ-karakteristiek van de λ-sensor als ook de optimale λ-waarde van de driewegkatalysator beïnvloed door veroudering. De optimalisatiemethode is erop gericht om periodiek de gas/lucht-verhouding zodanig bij te regelen, dat de driewegkatalysator kan werken in het werkpunt waarin de conversie van de schadelijke componenten optimaal is.

De optimalisatie volgens de uitvinding geschiedt op basis een vast referentiepunt dat in hoge mate onafhankelijk is van de veroudering van sensor en/of katalysator. Bij de optimalisatie wordt het systeem eerst in evenwicht gebracht in het brandstofrijke gebied, bijvoorbeeld λ=0,989, en vervolgens wordt stapsgewijs, bij voorbeeld met stappen van ten hoogste 0,001, steeds onder instellen van het evenwicht, de λ verhoogd. Zodra het optimale gebied doorlopen is en er een overmaat zuurstof in het gas komt, treedt eerst een sterke activiteitsverhoging op, welke gevolgd wordt door een sterke activiteitsdaling in het gebied van λ>1,000. Dit gaat gepaard met een temperatuureifeet, waarop gestuurd kan worden. Dit kan gebeuren met een temperatuur- of een drukgevoelige sensor (dit kan ook een λ-sensor zijn). Het is echter ook mogelijk te sturen op de samenstelling van de gassen, en meer in het bijzonder op de λ, het NO-gehalte of het O2-gehalte na de katalysator. Gezien de eenvoud heeft het de voorkeur gebruik te maken van een regeling op basis van de temperatuur. Er is in het kader van de uitvinding sprake van een sterke verandering van de activiteit als de temperatuur meer dan 0,25°C verandert bij een Δλ van 0,0001.

De navolgende toelichting van de uitvinding geschiedt in hoofdzaak aan de hand van metingen van de temperatuur, maar het zal duidelijk zijn, dat deze regelingen ook mogelijk zijn op basis van de andere methoden.

Bij de optimalisatie wordt er naar gestreefd om de λ-waarde zodanig te kiezen dat het conversierendement voor alle schadelijke componenten optimaal is. Een hoog conversierendement gaat gepaard met een hoge temperatuur in de katalysator. Het optimalisatieproces zou gebaseerd kunnen worden op de maximale katalysatortemperatuur en op de plotselinge afname van deze temperatuur bij verhoging van de luchtfactor. Optimalisatie aan de hand van de plotselinge afname van de katalysatortemperatuur blijkt voor alle typen katalysatoren te werken. Optimalisatie aan de hand van het maximale temperatuursverschil over de katalysator of de maximale temperatuur na of in de katalysator blijkt in de praktijk niet altijd betrouwbaar te verlopen waardoor het optimale werkingspunt van de katalysator niet wordt gevonden.

Het is van belang om tijdens de optimalisatie een vast referentiepunt te hebben dat altijd gedetecteerd kan worden en niet verschuift bij veroudering van sensor en katalysator. Een dergelijk punt kan gevonden worden door het verloop van de temperatuur van de verbrandingsgassen die uit de katalysator komen, aangeduid met TKatüit, te bepalen. Van belang is het punt waarbij deze temperatuur plotseling toe of afneemt.

De figuren 5 en 6 hebben betrekking op een 200 kWe warmte/kracht-installatie. In deze figuren dient de kleppositie van de gasklep als x-as. In figuur 6 is het verloop van de emissie van de belangrijkste uitlaatgascomponenten en de uitlaatgastemperaturen voor en na de katalysator weergegeven. De emissies van CO en NO bepalen de grenzen van het λ-venster bij een drieweg katalysator. Het maximale meetbereik van de analysers voor CO is ingesteld op 3000 ppm en voor NO op 2000 ppm. Dit verklaart het zuiver horizontaal lopen van beide signalen. Het aantal bedrijfsuren van de driewegkatalysator bij de 200 kWe warmte/kracht-installatie bedraagt circa 30.000. Deze katalysator is aan vervanging toe. Het λ-venster is bijzonder smal geworden. Daar waar TKatln zijn maximale waarde bereikt is het gas/lucht-mengsel stoichiometrisch van samenstelling (λ=1). Wanneer er sprake is van een rijk gas/lucht-mengsel (λ<1) is er onvoldoende zuurstof aanwezig om alle koolwaterstoffen te verbranden. De temperatuur van de uitlaatgassen is dan lager dan in de situatie met λ=1. Bij een arm gas/lucht-mengsel (λ>1) wordt de temperatuur lager vanwege de overmaat aan lucht. Figuur 7 geeft het verband tussen het λ-signaal en de beide temperatuurverlopen.

Bij deze katalysator is bij verarming van het gas/lucht-mengsel duidelijk sprake van een oplopende katalysator-temperatuur, waarna vervolgens de temperatuur plotseling afvalt. Dit wordt aangegeven door het verloop van TKatüit.

Niet alle type katalysatoren vertonen dit verloop. Sommige katalysatoren hebben voordat de temperatuur afvalt een vlak verloop. Het punt van afvallen van de katalysatortemperatuur blijkt uitstekend te kunnen dienen als referentiepunt. Dit steil afvallende verloop betekent ook dat het punt van instorten van de temperatuur in de katalysator voor iedere driewegkatalysator een consequent terugkerend punt is.

Bij een hoog conversierendement zal de driewegkatalysator de hoogste temperatuur en tevens lage emissiewaarden hebben. Dit is onafhankelijk van de mate van (eventuele) veroudering van λ-sensor en driewegkatalysator. In figuur 6 is te zien dat door verdere verarming van een relatief rijk gas/lucht-mengsel de temperatuur op een gegeven punt zal instorten. Bij dit punt wordt het λ-signaal bepaald.

Vanwege het sterk fluctuerende karakter van het λ-signaal en om het verloop van de sensorkarakteristiek in rekening te brengen wordt er bij voorkeur niet gewerkt met het momentane λ-signaal, maar met het voortschrijdende gemiddelde van bij voorkeur ten minste 5, maar meer in het bijzonder ongeveer 10 opeenvolgende optimalisatiewaarden van het λ-signaal. Om een goede historie van het signaal te krijgen wordt de λ met behulp van de regelklep naar het rijke gebied gestuurd. Vervolgens wordt, door de regelklep met kleine gedefinieerde stapjes aan te sturen, naar een armer gas/lucht-mengsel gegaan totdat de activiteit van de katalysatoor eerst sterk toeneemt en vervolgens sterk afneemt. Tussen de aansturingen van de klep wordt gewacht om het effekt van de λ-variatie op de activiteit de katalysator tot uiting te laten komen. De wachttijd is afhankelijk van de bufferwerking van de katalysator en kan minutenlang duren.

Het nieuwe gewenste λ-signaal wordt verkregen door bij het voortschrijdend gemiddelde van het λ-signaal een bepaald aantal millivolts op te tellen of af te trekken teneinde de juiste regelwaarde te verkrijgen. Bij het onderzoek naar de veroudering van λ-sensoren bleek dat de karakteristiek van het sensorsignaal in het λ-venster nagenoeg niet verandert maar in zijn geheel verschuift. Optelling -of aftrekking van een aantal millivolts zal dan bij een verouderde of niet verouderde sensor resulteren in een zelfde λ-variatie. Het nieuwe λ-signaal, waarop geregeld dient te worden, moet dan overeenkomen met de luchtfactor, waarbij de uitstoot van de kritische uitlaatgascomponenten minimaal is. Het zal duidelijk zijn dat de bepaling van dit optimale λ-signaal nauwkeuriger kan worden uitgevoerd door de stapgrootte van λ tijdens het optimalisatieproces te verkleinen.

Wellicht ten overvloede dient nog opgemerkt te worden dat deze optimalisatiemethode alleen werkt wanneer het vermogen van de warmte/kracht-installatie tijdens de optimalisatie niet wordt gewijzigd. Modulatie van het vermogen heeft namelijk een verandering van de temperatuur van de uitlaatgassen uit de gasmotor en dus ook in de driewegkatalysator tot gevolg. Dit verstoort het optimalisatieproces. Indien een sensor stroomopwaarts van de katalysator een temperatuursverandering waarneemt zal het optimalisatieproces worden afgebroken. Modulatie tussen twee optimalisaties in is natuurlijk geen probleem.

De meetresultaten die in dit hoofdstuk worden besproken zijn afkomstig uit 24-uurs metingen aan een 200 kWe warmte/kracht-installatie, waarbij op elk heel uur een optimalisatie is uitgevoerd. Verder komen ook meetresultaten aan de orde die afkomstig zijn van een warmte/kracht-installatie van een rozenkweker.

Het hart van de 200 kWe warmte/kracht-installatie bestaat uit een M.A.N. gasmotor met 12 cilinders, die gekoppeld is aan een synchrone generator. In de uitlaat van de installatie is een driewegkatalysator ingebouwd. Deze katalysator is verouderd (meer dan 30.000 bedrijfsuren), waardoor het λ-venster zeer smal geworden is. Dit betekent dat wanneer de optimalisatie in deze extreme situatie goed functioneert, deze methode bij een nieuwe driewegkatalysator zeker goed zal werken.

Meting II is uitgevoerd op 10 mei 1993. In figuur 8 is het op elk heel uur van de dag geoptimaliseerde λ-signaal weergegeven. Ook zijn in deze figuur de temperaturen van de uitlaatgassen voor de katalysator (TKatln) en na de katalysator (TKatüit) weergegeven. Deze temperaturen zijn bepaald bij de instelling van het λ-signaal, waarbij de katalysatortemperatuur juist instort. Het geoptimaliseerde λ-signaal is in deze meting bepaald door van het voortschrijdend gemiddelde bij het punt waar de katalysator- temperatuur instort 10 mV af te trekken. Het was de bedoeling dat de metingen zouden worden uitgevoerd bij vollast. Aan het verloop van TKatln is echter duidelijk te zien dat de motor niet continu op vollast gedraaid heeft. Alleen de optimalisaties uitgevoerd om 8, 9, 10 en 11 uur hebben plaatsgevonden bij vollast. De overige optimalisaties zijn uitgevoerd bij deellast. Dit is het gevolg van een te hoge omgevingstemperatuur, waardoor de warmtevraag minder was en de gasmotor minder warmte moest gaan produceren.

Tijdens het optimalisatieproces moet de motor een constant vermogen afgeven. Wanneer het vermogen niet verandert, kan een optimalisatie zonder problemen uitgevoerd worden. Achtereenvolgens zullen nu de resultaten besproken worden van twee optimalisaties bij vollast, een optimalisatie bij deellast met constant motorvermogen en een optimalisatie bij deellast waarbij het motorvermogen niet constant is.

De optimalisatie van 9 uur is uitgevoerd bij vollast. Het nieuwe, geoptimaliseerde λ-signaal is bij deze optimalisatie bepaald op 671 mV. In figuur 9 zijn de emissies van NO, CH4 en CO samen met het λ-signaal weergegeven. De emissies van NO en CO blijven na de optimalisatie beneden de maximaal toegestane normen. In figuur 9 is duidelijk te zien dat de emissies van CO en NO tijdens het normale regelen na beëindiging van de optimalisatie gelijk zijn aan de emissies op ongeveer het tijdstip 515 sec. Op dat moment is totale emissie van CO en NO minimaal. Een lagere totale emissie van NO en CO is bij deze sterk verouderde driewegkatalysator bij vollast nauwelijks mogelijk. In figuur 10 is het verloop van TKatln en TKatUit tijdens het optimalisatieproces weergegeven. Aan TKatln is te zien dat het afgegeven vermogen van de motor niet veranderd is. Tkatln neemt door het verarmen van het rijke mengsel geleidelijk iets toe. Dit komt door stijging van de verbrandingstemperatuur wanneer het gas/lucht-mengsel de stoichiometrische verhouding gaat benaderen. Een dergelijk temperatuurverloop moet ook bij een optimalisatie bij deellast optreden, alleen is het temperatuurniveau dan lager.

In figuur 11 is het resultaat van de optimalisatie van 10 uur weergegeven. Het geoptimaliseerde λ-signaal is hierbij bepaald op 668 mV. Ook na deze optimalisatie wordt een zeer lage uitstoot van NO en CO gerealiseerd bij dit λ-signaal. De optimalisaties uitgevoerd op 8 en 11 uur geven het zelfde resultaat als de optimalisaties van 9 en 10 uur. De gewenste λ-signalen bij 8 en 11 uur zijn respectievelijk bepaald op 674 mV en 668 mV.

Uit de optimalisatie die om 0 uur uitgevoerd is blijkt dat de motor tijdens en vlak na de optimalisatie met een vrijwel constant motorvermogen heeft gedraaid. Figuur 12 toont de temperatuurverlopen van TKatln en TKatUit. De temperaturen lopen eerst op tijdens het verarmen van het rijke gas/lucht-mengsel. De maximale temperatuur van TKatUit wordt bereikt en vervolgens wordt het referentiepunt gedetecteerd. Het geoptimaliseerde λ-signaal is bepaald op 684 mV. Tijdens de 300 seconden na de optimalisatie blijft de temperatuur van de uitlaatgassen voor de katalysator (TKatln) constant. Dit duidt op een constant motorvermogen. De temperatuur van de gassen direct na de katalysator (TKatUit) gaat terug naar zijn maximum. Dit betekent dat het conversierendement van de verschillende uitlaatgascomponenten bij deze temperaturen het grootst is. Figuur 13 geeft het verloop van de emissies weer. Aan de normen wordt ruimschoots voldaan.

In de optimalisatie van 6 uur is te zien wat er gebeurt als tijdens het optimalisatieproces het afgegeven vermogen verandert. Uit figuur 14 blijkt duidelijk wat er aan de hand is. De verschiltemperatuur van 2,5'C wordt direct geconstateerd en de temperaturen nemen steeds verder af. Het afgegeven vermogen van de motor is afgenomen. Het nieuwe "geoptimaliseerde" λ-signaal is bij deze optimalisatie bepaald op 711 mV. Het resultaat van een dergelijk λ-signaal is te zien in figuur 15. Alleen de uitstoot van NO voldoet aan de norm. Dit is niet zo verwonderlijk wanneer men bedenkt dat een instelling van 711 mV betekent, dat het gas/lucht-mengsel rijk is. Deze resultaten onderstrepen nogmaals dat de optimalisa- tiemethode alleen werkt in situaties, waarin het motorvermogen tijdens de optimalisatie niet verandert.

Alleen bij de optimalisaties uitgevoerd om 0 en 8 t/m 11 uur is het motorvermogen constant gebleven. De resultaten van de optimalisaties uitgevoerd op alle andere uren komen min of meer overeen met de besproken resultaten van de optimalisatie van 6 uur.

De resultaten van één van de optimalisaties in het demonstratieproject bij een rozenkweker zijn weergegeven in figuren 16 t/m 18.

De optimalisatie is ongeveer begonnen op het tijdstip 4,9 uur en duurde ongeveer 20 minuten. In de figuren is duidelijk te zien dat het λ-signaal na optimalisatie ongeveer 20 mV lager is ingesteld dan voor de optimalisatie. Dit komt overeen met een verschuiving van in de luchtfactor van circa 0.003 naar het arme gebied (zie ook figuur 2). Vanwege de bufferwerking van de katalysator duurt het na instelling van de nieuwe waarde van het λ-signaal nog ongeveer 30 minuten voordat de emissies van met name CH4 en CO stabiel worden. Gedurende deze tijd wordt de gas/lucht-verhouding op een constante waarde geregeld.

Uit figuur 16 blijkt dat de emissies van zowel CO als ook van NOx na optimalisatie zeer ver onder de maximaal toegestane concentraties blijven. De CO-emissie is ongeveer 50 ppm, die van NOx ongeveer 1 ppm. Beide emissies vertonen na optimalisatie een grilliger verloop dan voor optimalisatie.

Dit kan worden verklaard door de verschuiving van de gas/lucht-verhouding naar de armere kant. Het λ-signaal komt hierbij in een gebied, waarin een kleine variatie in de luchtfactor grote gevolgen heeft voor de afgegeven spanning. Dit verschijnsel is ook te zien in het λ-signaal. De bandbreedte van dit signaal neemt na optimalisatie toe. De lichte toename van CO na optimalisatie in verhouding tot het CO-niveau voor optimalisatie wordt veroorzaakt door de grotere conversie van CH4. Dit wordt geïllustreerd door figuur 17, waarin duidelijk is te zien dat de CH4-concentratie daalt van ongeveer 400 ppm voor optimalisatie tot ongeveer 180 ppm na optimalisatie. Het constante verloop van TKatln in figuur 18 geeft aan dat het motorvermogen tijdens de optimalisatie constant is gebleven. Het nogal hakkelige verloop van de temperatuursignalen wordt veroorzaakt door de betrekkelijk lage resolutie (l'C) waarmee deze signalen worden geregistreerd.

Zoals in de figuren 20 en 21 is te zi<_n kan de NOx-emissie tijdens het optimalisatieproces oplopen tot hoge waarden. Deze waarden zijn veel hoger dan de maximale waarde die toelaatbaar is voor CO2-bemesting. Bij de bepaling van deze maximale waarde is er echter van uit gegaan dat de het gewas blijvend aan deze waarde moet kunnen worden blootgesteld. Bij een relatief korte blootstellingsduur (bij dit experiment circa 10 minuten) kan het gewas echter hogere concentraties doorstaan. Als voorbeeld kan de blootstelling aan NO2 worden genoemd: gedurende 1 uur kan het gewas worden blootgesteld aan 1.9 ppm NC>2/ hetgeen overeenkomt met 225 ppm bij een stoichiometrische gasmotor en een verdunning tot 800 ppm CO2 in de kas. Deze kortstondige verhoging van de emissies ten gevolge van de optimalisatie geeft geen aanleiding tot voor het gewas onacceptabele concentraties van schadelijke stoffen in de kasatmosfeer. In het algemeen zal een optimalisatie niet langer dan ca. 30 minuten hoeven te duren.

In figuur 19 is de sterke temperatuurstijging en daling te zien ten gevolge van een veranderde conversie in de katalysator. In tegenstelling met het momentane λ-sensor-signaal vertoont het periodiek bepaalde voortschrijdend gemiddelde geen fluctuaties.

Aan de regeling van het de gas/lucht-verhouding is een optimalisatiemethode gekoppeld, die ervoor moet zorgen dat de luchtfactor van het gas/lucht-mengsel altijd binnen het λ-venster blijft, ondanks veroudering van de λ-sensor en de driewegkatalysator. Op deze wijze blijven de emissies van met name CO en NOx onder de maximaal toegestane waarden. Indien de uitlaatgassen gebruikt worden voor CO2-bemesting wordt het λ-venster aan de rijke kant niet bepaald door de CO emissie, maar door de NH3-emissie. Dit is gemeten bij een nieuwe katalysator. Ook in deze situatie kan de optimalisatieregeling worden toegepast en worden te hoge emissies van CO, Ν0χ/ NH3 en C2H4 vermeden.

Na elke vermogensverandering dient bij voorkeur geoptimaliseerd te worden. Een vermogensverandering gaat namelijk gepaard met een verandering van het λ-signaal, ook al wordt de gas/lucht-verhouding niet gewijzigd. Waarschijnlijk bestaat er, ondanks het feit dat gebruik gemaakt wordt van een verwarmde λ-sensor, een verband met de temperatuur van de voorbij stromende uitlaatgassen. Ook een afhankelijkheid van de druk in het uitlaatsysteem is niet uitgesloten. Het transport van de zuurstofionen in de λ-sensor wordt namelijk onder meer bepaald door de temperatuur van het keramische materiaal van de λ-sensor. Optimalisatie na een verandering van het vermogen is in het bijzonder belangrijk bij een sterk verouderde katalysator, waarbij het λ-venster zeer smal is geworden.

In het algemeen kan gesteld worden, dat bij constante belasting met enige regelmaat geoptimaliseerd moet worden. De frequentie daarvan is onder meer afhankelijk van de ouderedom van de sensor, van de ouderdom van de katalysator en van de specifieke toepassing. Bij een nieuwe sensor moet frequenter geoptimaliseerd worden, bij voorbeeld één maal per dag. Als de sensor verouderd is, na ongeveer een maand, kan volstaan worden met één maal per week optimaliseren. Als de toepassing niet erg kritisch is kan deze frequentie nog verlaagd worden. Bij gebruik in combinatie met een verouderde katalysator dient de frequentie echter weer opgevoerd te worden.

Claims (9)

1. Werkwijze voor het regelen van de brandstof-luchtverhouding voor een gasmotor, die voorzien is van een λ-sensor en een driewegkatalysator, alsmede een regelsysteem voor het aanpassen van de brandstof-luchtverhouding met behulp van een regelorgaan op basis van het signaal van de λ-sensor, omvattende het op geregelde tijden, bij constante belasting van de motor, stapsgewijs aanpassen van de λ-waarde en het meten van de overeenkomende activiteit van de katalysator, het bepalen van de overeenkomende meetsignalen van de λ-sensor, en het vaststellen van de waarde van het meetsignaal waarbij de activiteit van de katalysator sterk toe- of afneemt, gevolgd door het aanpassen van de waarde van het regelsignaal van de λ-sensor dat aangehouden wordt als de gewenste stuurwaarde op basis van laatstgenoemd meetsignaal.

2. Werkwijze voor het opwekken van warmte en/of electriciteit en/of kooldioxide met behulp van een gasmotor, die voorzien is van een λ-sensor en een driewegkatalysator, alsmede een regelsysteem voor het aanpassen van de brandstof-luchtverhouding met behulp van een regelorgaan op basis van het signaal van de λ-sensor, omvattende het op geregelde tijden, bij constante belasting van de motor, stapsgewijs aanpassen van de λ-waarde en het meten van de overeenkomende activiteit van de katalysator, het bepalen van de overeenkomende meetsignalen van de λ-sensor, en het vaststellen van de waarde van het meetsignaal waarbij de activiteit van de katalysator sterk toe- of afneemt, gevolgd door het aanpassen van de waarde van het regelsignaal van de λ-sensor dat aangehouden wordt als de gewenste stuurwaarde op basis van laatstgenoemd meetsignaal.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de aanpassing geschiedt op basis van het gemiddelde van 5 of meer metingen.

4. Werkwijze volgens conclusie 1-3 waarbij de brandstof-lucht verhouding eerst op een waarde in het brandstofrijke gebied geregeld wordt (λ<0,995), en vervolgens stapsgewijs naar het minder rijke gebied geregeld wordt.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij de brandstof-lucht verhouding eerst op een waarde van minder dan 0,990 gebracht wordt en vervolgens stapsgewijs verhoogd wordt tot een waarde > 1,000.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij de grootte van genoemde stappen ten hoogste 0,0001 bedraagt.

7. Werkwijze volgens conclusie 1-6, waarbij de activiteit van de katalysator bepaald wordt aan de hand van de temperatuur van het gas na de katalysator, aan de hand van de samenstelling van genoemd gas, of aan de hand van de druk na de katalysator.

8. Werkwijze volgens conclusie 1-7, waarbij ten minste een deel van het afgas van de gasmotor toegepast wordt bij CO2-bemesting in glastuinbouw.

9. Gasmotor, geschikt voor toepassing bij de werkwijze volgens één der conclusies 1-8, omvattende een λ-sensor en een driewegkatalysator, alsmede een regelsysteem voor het aanpassen van de brandstof-luchtverhouding met behulp van een regelorgaan op basis van het signaal van de λ-sensor, middelen voor het bepalen van de activiteit van de katalysator, en middelen voor het aanpassen van de waarde van het regelsignaal van de λ-sensor dat aangehouden wordt als de gewenste stuurwaarde, op basis van het meetsignaal van de λ-sensor en het signaal van de middelen voor het bepalen van de activiteit van de katalysator.