WO2018059834A1 - Stationärer erdgasmotor mit wenigstens einem stickoxidsensor - Google Patents

Stationärer erdgasmotor mit wenigstens einem stickoxidsensor Download PDF

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WO2018059834A1
WO2018059834A1 PCT/EP2017/071122 EP2017071122W WO2018059834A1 WO 2018059834 A1 WO2018059834 A1 WO 2018059834A1 EP 2017071122 W EP2017071122 W EP 2017071122W WO 2018059834 A1 WO2018059834 A1 WO 2018059834A1
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concentration
exhaust gas
control unit
stationary
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Jan Lotz
Claudia Inderthal
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a natural gas burning
  • Fresh gas supply system with a metering unit for natural gas and a gas-air mixer, an exhaust system with a catalyst volume and a
  • the exhaust gas sensor is exposed to an exhaust gas atmosphere prevailing in the exhaust system, detects a concentration of at least one component of the exhaust gas atmosphere and transfers this to the control unit.
  • Fresh gas supply system is adapted to set a mixing ratio of air and natural gas of a combustion chamber of the stationary natural gas engine supplied fresh gas in response to a control signal of the controller and the controller is adapted to generate the control signal in dependence on the detected concentration.
  • a stationary natural gas engine is known per se and is used for example in combined heat and power plants.
  • the invention relates to a method for controlling a stationary natural gas engine adapted to burn natural gas according to the preamble of the independent method claim.
  • the exhaust valves and valve seats must be particularly heat resistant.
  • Residual oxygen content in the exhaust gas can be used as an indirect indicator of the
  • Nitrogen oxide content can be used in the exhaust gas, since the correlation between residual oxygen content and nitrogen oxide is known.
  • the signal resulting from the residual oxygen content in the exhaust gas is transferred to the control unit via a lambda spring probe (as a voltage signal) or a broadband lambda probe (as a current signal), which is structurally in front of and optionally also after the three-way catalytic converter. This reacts to a comparison of set and actual values with the output of the output signal to one or more actuators, the mixture formation of gas and
  • the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas is measured neither punctually nor permanently.
  • the control is based only on the known correlation between residual oxygen content, (emission) / nitrogen oxide concentration and the conversion window of the three-way catalyst in the exhaust gas.
  • DE 100 23 079 A1 discloses a method for controlling a NOx regeneration of a NOx storage catalytic converter arranged in the exhaust gas of an internal combustion engine. Regeneration is initiated when a NOx sensor located downstream of the storage catalyst registers a NOx breakthrough. A regulation of the composition of the fuel-air mixture takes place on the basis of signals from oxygen-sensitive sensors (lambda sensors).
  • DE 100 29 633 A1 describes a regulation of a fuel-air ratio of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is coupled to a NOx storage catalytic converter whose operation, in particular its regeneration intervals, is monitored by a downstream NOx sensor.
  • a regulation of the composition of the fuel-air mixture takes place on the basis of signals from oxygen-sensitive sensors (lambda sensors).
  • DE 10 2010027 970 A1 describes a method for operating an internal combustion engine, in which a measured NOx actual value is compared with a desired NOx value and a control deviation formed therefrom an exhaust gas recirculation engaging control signals should be reduced.
  • a fuel metering is regulated there with a steady lambda signal.
  • control device will, among other things, also receive the NOx signal
  • Lambda signal as well as a NOx signal generating another exhaust gas sensor.
  • the NOx signal is used to initiate a regeneration of the storage catalytic converter.
  • the present invention differs from the aforementioned known stationary natural gas engine in that the concentration detected downstream of the catalyst volume is a nitrogen oxide concentration.
  • the present invention differs from the above-mentioned known method by the features of the independent method claim.
  • Concentration window permissible nitrogen oxide concentrations can be operated. This is a considerable advantage for the autonomous operation of stationary natural gas engines, as occurs for example in cogeneration plants.
  • control unit is set up to provide the stored values of the concentration at an output of the control unit for readout. This helps to monitor compliance with the limits and, moreover, allows detection slower
  • Predictive maintenance is possible, enabling trouble-free operation with minimal disruption over long periods of time.
  • this provision of the data also makes possible a data transmission and thus a remote check, for example via a landline network or a mobile radio network.
  • control unit is set up to compare the detected concentration with a predetermined limit value and additionally to determine a frequency with which the detected concentration is greater than the limit value and to switch off the stationary natural gas engine if the determined frequency is greater than a second predetermined limit.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the
  • Catalyst volume consists of a three-way catalyst and that the Exhaust system has a arranged in front of the catalyst and the exhaust gas atmosphere exposed lambda sensor having a
  • Oxygen concentration of the exhaust gas atmosphere detected and passed to the control unit detected and passed to the control unit.
  • the catalyst volume consists of a three-way catalyst and that the exhaust system has an arranged upstream of the catalyst and the exhaust gas atmosphere exposed exhaust gas sensor detects a nitrogen oxide concentration of the exhaust gas atmosphere and passes to the control unit.
  • the catalyst volume consists of a three-way catalytic converter and an NOx storage catalytic converter arranged downstream of the three-way catalytic converter and that the exhaust system has an exhaust gas sensor arranged upstream of the catalytic converter and exposed to the exhaust gas atmosphere, which detects an oxygen concentration of the exhaust gas atmosphere and to the controller.
  • the detected concentration is stored continuously or at predetermined intervals.
  • the detected concentration is compared with a predetermined limit value and in addition a frequency is determined that the detected concentration is greater than the limit value, and that the stationary natural gas engine is switched off when the determined frequency is greater than a second predetermined limit value is.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a stationary natural gas engine according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of a stationary natural gas engine according to the invention
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a stationary natural gas engine according to the invention
  • FIG. 4 shows a flow chart as an exemplary embodiment of an inventive device
  • FIG. 5 elements of a control device used in the invention.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention in one
  • a stationary natural gas engine 10 configured to burn natural gas 13 has a fresh gas supply system 12
  • the fresh gas supply system 12 has a metering unit 12.1 for natural gas 13 and a gas-air mixer 12.2.
  • the dosing unit 12.1 draws natural gas 13 from a reservoir, for example a line of a natural gas supply network. Natural gas metered by the metering unit 12.1 is mixed with ambient air 15 in the gas-air mixer 12.2 and fed as fresh gas 17 into combustion chambers 10.1 of the stationary natural gas engine 10.
  • the fresh gas 17 also exhaust gas from the exhaust system 14 is supplied to reduce the combustion temperature and the nitrogen oxide raw emissions.
  • the mixing ratio of natural gas 13 and ambient air 15 is controlled by the control unit 16 by controlling the dosing unit 12.1 with actuating signals 25 set.
  • the control unit 16 processes signals from various sensors which detect operating parameters of the stationary natural gas engine 10.
  • the exhaust gas system 14 has a catalyst volume 14.1 in the form of a three-way catalytic converter 14.2.
  • a broadband lambda sensor 14.3 is arranged in a front exhaust gas atmosphere 19.1, which detects an oxygen concentration 21 prevailing there in the exhaust gas 19.1.
  • a rear NOx sensor 18 Downstream of the three-way catalytic converter 14.2, a rear NOx sensor 18 is arranged, which detects the NOx concentration 23 in the rear exhaust gas atmosphere 19.2 prevailing there.
  • the detected signal contains the information about the current nitrogen oxide content in the exhaust gas of the stationary natural gas engine 10 behind the three-way catalyst 14.1.
  • Both the detected oxygen concentration 21 and the detected NOx concentration 23 are processed in the control unit 16 in the formation of the control signals 25 for the dosing unit 12.1 as input variables.
  • the controller 16 responds to these input variables due to its programming with at least one output variable as a control signal 25. This output is forwarded to one or more actuators that adjust the composition of air 15 and natural gas 13 to the actuating signals 25 accordingly.
  • Exhaust gas atmosphere 19.2 detected NOx concentration 23 is stored continuously or at predetermined intervals in the control unit 16 and compared with a first limit that separates a range of permissible values of a range of impermissibly high values. In case of a permanent
  • FIG. 1 shows a second embodiment of a stationary natural gas engine
  • the second embodiment is different from the first embodiment Embodiment in that instead of the wide-band lambda sensor 14.3, a front NOx sensor 20 as a front NOx sensor in the front
  • Exhaust gas atmosphere 19.1 is arranged between the stationary natural gas engine 10 and the three-way catalyst 14.2.
  • the front NOx sensor 20 detects the NOx concentration 27 in the front exhaust atmosphere 19.1 upstream of the catalyst volume 14.1. In this embodiment, therefore, two NOx sensors are used.
  • the second and thus rear NOx sensor 18 is located behind the three-way catalyst 14.2 in the rear
  • the NOx concentration 27 of the raw emissions of the stationary natural gas engine 10 is detected by the front NOx sensor 20 in front of the three-way catalytic converter 14. 2 and transmitted to the control unit 16.
  • the NOx concentration 23 in the rear exhaust gas atmosphere 19.2 behind the three-way catalytic converter 14.2 is detected by the rear NOx sensor 18 and also to the control unit 16
  • Limit values are compared. In the case of a permanent exceeding of a previously defined first limit value for the NOx concentration 23 in
  • Exhaust gas 19.2 after the three-way catalyst 14.2 is preferably also here a shutdown of the stationary natural gas engine 10th
  • Figure 3 shows a third embodiment of a stationary natural gas engine 10 according to the invention.
  • the third embodiment differs from the first embodiment in that the catalyst volume 14.1 in addition to the three-way catalyst 14.2 has a NOx storage catalyst 14.4.
  • the NOx storage catalyst 14.4 is disposed downstream of the three-way catalyst 14.2 and upstream of the rear NOx sensor 18. As in the first embodiment and different from the second
  • Embodiment is also in the third embodiment, a broadband Lambda sensor 14.3 disposed between the engine 10 and the three-way catalyst 14.2, which detects the oxygen concentration 21 in the front exhaust gas atmosphere 19.1.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • the controller 16 operates functions for
  • An example of such a function is the triggering of ignitions of combustion chamber fillings at the right time. Out of this main program 100 will be in
  • step 104 the control unit 16 compares signals representing these actual values with desired values. Depending on the result of the comparison, control signals are formed in step 106 with which the control unit 16 actuates actuators with which the exhaust gas composition can be influenced. In particular, the metering unit 12.1 counts among these actuators.
  • step 107 the values of the concentrations detected in the front and the rear exhaust gas atmosphere are preferably stored, at least the value of the one behind the catalyst volume 14.1 in the rear exhaust gas atmosphere
  • step 1 10 the NOx concentration currently detected behind the catalyst volume 14.7 in the rear exhaust gas atmosphere 19.2 is compared with a first limit value G1, which covers a range of permissible values of the nitrogen oxide concentration and thus also of the nitrogen oxide emission of one
  • a measure M for the frequency of the limit value excesses is formed in step 112. This is done, for example, by referring the number of limit value exceedances to a specific operating time. Subsequently, the measure M thus formed is compared in step 1 14 with a second threshold G2. As long as the second limit value G2 is not exceeded, the method returns to the main program 100. On the other hand, if the second limit value G2 is exceeded, an error message is output in step 1 16 and stored. The error message is possibly transmitted to the operator via a data connection to a remote location.
  • a further embodiment provides that the natural gas engine is shut down in a step 118 in order to avoid inadmissibly high emissions.
  • FIG. 5 shows the control unit 16.
  • the control unit has a plurality of inputs to which sensors can be connected.
  • two inputs 16.1, 16.2 are shown.
  • the signals 21 or 27 are read in via the input 16.1.
  • the signal 23 is read.
  • These signals are processed by a processor 16.3, which controls the sequence of the method according to the invention, by resorting to stored in memory 16.4 data and programs to control signals 25.
  • the control signals 25 are output via an output 16.5.
  • the stationary natural gas engine 10 may be turned off by switching off the supply of natural gas.
  • the memory 16.4, the input signals 21, 27, 23 are supplied, and these signals are stored there and provided for reading at another output 16.6.

Abstract

Vorgestellt wird ein stationärer Erdgasmotor (10), der ein Steuergerät (16), einen Gas-Luft-Mischer (12.2), eine Abgasanlage (14) mit einem Katalysatorvolumen (14.1), einem stromabwärts des Katalysatorvolumens (14.1) angeordneten Abgassensor (18), der eine Konzentration von wenigstens einem Bestandteil der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät (16) übergibt, aufweist, wobei der Gas-Luft-Mischer (12.2) ein Mischungsverhältnis von Luft und Erdgas eines Brennräumen des stationären Erdgasmotors (10) zugeführten Frischgases in Abhängigkeit von einem Stellsignal (25) des Steuergeräts (16) einstellt und wobei das Steuergerät (16) das Stellsignal (25) in Abhängigkeit von der erfassten Konzentration erzeugt. Die erfasste Konzentration ist eine Stickoxidkonzentration.

Description

Beschreibung
Titel
Stationärer Erdgasmotor mit wenigstens einem Stickoxidsensor Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen zum Verbrennen von Erdgas
eingerichteten, stationären Erdgasmotor, der ein Steuergerät, ein
Frischgaszufuhrsystem mit einer Dosiereinheit für Erdgas und einem Gas-Luft- Mischer, eine Abgasanlage mit einem Katalysatorvolumen und einem
stromabwärts des Katalysatorvolumens angeordneten Abgassensor aufweist. Der Abgassensor ist einer in der Abgasanlage herrschenden Abgasatmosphäre ausgesetzt, erfasst eine Konzentration von wenigstens einem Bestandteil der Abgasatmosphäre und übergibt diese an das Steuergerät. Das
Frischgaszufuhrsystem ist dazu eingerichtet, ein Mischungsverhältnis von Luft und Erdgas eines Brennräumen des stationären Erdgasmotors zugeführten Frischgases in Abhängigkeit von einem Stellsignal des Steuergeräts einzustellen und das Steuergerät ist dazu eingerichtet, das Stellsignal in Abhängigkeit von der erfassten Konzentration zu erzeugen. Ein solcher stationärer Erdgasmotor ist per se bekannt und wird zum Beispiel in Blockheizkraftwerken verwendet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines zum Verbrennen von Erdgas eingerichteten stationären Erdgasmotors nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Abgesehen von dem Gas-Luft-Mischer entsprechen stationäre Erdgasmotoren in der Regel weitgehend üblichen Viertakt-Otto-Verbrennungsmotoren, wobei die Auslassventile und Ventilsitze besonders hitzefest sein müssen. Als
Abgassensoren werden bei stationären Erdgasmotoren derzeit
Lambdasprungsensoren und Breitbandlambdasensoren (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524)verwendet. Die Signale dieser Sensoren geben lediglich Aufschluss über den Restsauerstoffgehalt im Abgas des stationären Erdgasmotors, nach der Verbrennung. Eine Aussage über den Anteil an Stickstoffoxid im Abgas kann nicht direkt getroffen werden. Der
Restsauerstoffgehalt im Abgas kann als indirekter Indikator für den
Stickoxidgehalt im Abgas verwendet werden, da die Korrelation zwischen Restsauerstoffgehalt und Stickoxid bekannt ist.
Das aus dem Restsauerstoffgehalt im Abgas resultierende Signal wird über eine Lambdasprungsonde (als Spannungssignal) oder eine Breitbandlambdasonde (als Stromsignal), die sich baulich vor und gegebenenfalls auch nach dem Drei- Wege-Katalysator befinden, an das Steuergerät übergeben. Dieses reagiert nach einem Vergleich von Soll- und Ist-Werten mit der Ausgabe des Ausgangssignals an einen oder mehrere Aktoren, die die Gemischbildung von Gas- und
Umgebungsluft und somit den Verbrennungsvorgang im Erdgasmotor beeinflussen. Die Stickoxidkonzentration im Abgas wird dabei weder punktuell noch permanent gemessen. Die Regelung basiert lediglich auf der bekannten Korrelation zwischen Restsauerstoffgehalt, (Emissions-)/Stickoxidkonzentration und dem Konvertierungsfenster des Drei-Wege-Katalysators im Abgas.
Aus der DE 100 23 079 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer NOx- Regeneration eines im Abgas eines Verbrennungsmotors angeordneten NOx- Speicherkatalysators bekannt. Eine Regeneration wird eingeleitet, wenn ein stromabwärts des Speicherkatalysators angeordneter NOx-Sensor einen NOx- Durchbruch registriert. Eine Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft- Gemisches erfolgt auf der Basis von Signalen von sauerstoffempfindlichen Sensoren (Lambdasensoren).
Die DE 100 29 633 A1 beschreibt eine Regelung eines Kraftstoff-Luft- Verhältnisses eines Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor ist mit einem NOx-Speicherkatalysator gekoppelt, dessen Betrieb, insbesondere dessen Regenerationsintervalle, mit einem nachgeschalteten NOx-Sensor überwacht werden. Eine Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt auf der Basis von Signalen von sauerstoffempfindlichen Sensoren (Lambdasensoren).
Die DE 10 2010027 970 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem ein gemessener NOx-lstwert mit einem NOx- Sollwert vergleichen wird und eine daraus gebildete Regelabweichung mit auf eine Abgasrückführung eingreifenden Stellsignalen verringert werden soll. Eine Kraftstoffzumessung wird dort mit einem stetigen Lambdasignal geregelt.
Die DE 101 22 301 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der
Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für einen Ottomotor, der einen NOx-Speicherkatalysator und einen stromaufwärts des Katalysators
angeordneten Lambdasensor und einen stromabwärts des Katalysators angeordneten, sowohl ein Lambdasignal als auch ein NOx-Signal erzeugenden weiteren Abgassensor aufweist. Bei der durch eine Steuereinrichtung
erfolgenden Regelung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird der Steuereinrichtung unter anderem das NOx-Signal des weiteren
Abgassensors zugeführt. Anhand dieser Eingangssignale und vorab
gespeicherten Motorkennlinien ermittelt die Steuereinrichtung für jeden
Betriebszustand ein Gemischsteuersignal, welches eine jeweilige
Gemischzusammensetzung über die Einspritzung und Luftzufuhr bewirkt. Das NOx-Signal wird zur Kalibrierung des stromaufwärts angeordneten
Lambdasensors verwendet.
Die DE 102 39 992 A1 zeigt ebenfalls ein Verfahren zur Regelung der
Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eines Verbrennungsmotors mit einem stromaufwärts eines Speicherkatalysators angeordneten Lambdasensor und einem stromabwärts des Katalysators angeordneten, sowohl ein
Lambdasignal als auch ein NOx-Signal erzeugenden weiteren Abgassensor. Das NOx-Signal dient zum Einleiten einer Regeneration des Speicherkatalysators.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem eingangs genannten, bekannten stationären Erdgasmotor dadurch, dass die stromabwärts des Katalysatorvolumens erfasste Konzentration eine Stickoxidkonzentration ist. Mit Blick auf ihre Verfahrensaspekte unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem eingangs genannten bekannten Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
Durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfolgt eine Regelung des Stickoxidgehalts im Abgas. Dadurch wird es möglich, die aus der Verbrennung resultierende Stickoxidkonzentration in einem Toleranzfeld dauerhaft
einzuhalten, so dass der stationäre Erdgasmotor immer innerhalb eines
Konzentrationsfensters zulässiger Stickoxidkonzentrationen betrieben werden kann. Dies ist ein erheblicher Vorteil für den autonomen Betrieb stationärer Erdgasmotoren, wie er zürn Beispiel in Blockheizkraftwerken auftritt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die erfasste Konzentration kontinuierlich oder in
vorgegebenen Zeitabständen zu speichern.
Durch diese Maßnahme wird die Einhaltung der Grenzwerte in einer auch spätere Überprüfungen erlaubenden Weise möglich.
Bevorzugt ist auch, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die gespeicherten Werte der Konzentration an einem Ausgang des Steuergerätes zum Auslesen bereit zu stellen. Dies trägt dazu bei, eine Einhaltung der Grenzwerte zu überwachen und es erlaubt darüber hinaus eine Erkennung langsamer
Veränderungen des Emissionsverhaltens, die noch nicht zu einer
Grenzwertüberschreitung führen. Dadurch wird zum Beispiel eine
vorausschauende Wartung möglich, die einen störungsfreien Betrieb mit minimalen Unterbrechungen über lange Zeiträume hinweg möglich macht. Diese Bereitstellung der Daten ermöglicht insbesondere auch eine Datenübertragung und damit eine Überprüfung aus der Ferne, die zum Beispiel über ein Festnetz oder ein Mobilfunknetzwerk erfolgt.
Weiter ist bevorzugt, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die erfasste Konzentration mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und zusätzlich eine Häufigkeit zu ermitteln, mit der die erfasste Konzentration größer als der Grenzwert ist, und den stationären Erdgasmotor abzuschalten, wenn die ermittelte Häufigkeit größer als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert ist.
Somit lässt sich sicherstellen, dass der stationäre Erdgasmotor immer innerhalb eines vorgegebenen Stickoxidkonzentrationsfensters betrieben wird. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das
Katalysatorvolumen aus einem Drei-Wege-Katalysator besteht und dass die Abgasanlage einen vor dem Katalysator angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten Lambdasensor aufweist, der eine
Sauerstoffkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät übergibt.
Bevorzugt ist auch, dass das Katalysatorvolumen aus einem Drei-Wege- Katalysator besteht und dass die Abgasanlage einen vor dem Katalysator angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten Abgassensor aufweist, der eine Stickoxidkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät übergibt.
Weiter ist bevorzugt, dass das Katalysatorvolumen aus einem Drei-Wege- Katalysator und einem stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordneten NOx-Speicherkatalysator besteht und dass die Abgasanlage einen vor dem Katalysator angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten Abgassensor aufweist, der eine Sauerstoffkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät übergibt.
Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass die erfasste Konzentration kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen gespeichert wird.
Bevorzugt ist auch, dass die erfasste Konzentration mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und zusätzlich eine Häufigkeit dafür ermittelt wird, dass die erfasste Konzentration größer als der Grenzwert ist, und dass der stationäre Erdgasmotor abgeschaltet wird, wenn die ermittelte Häufigkeit größer als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors;
Figur3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors;
Figur 4 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens; und
Figur 5 Elemente eines bei der Erfindung verwendeten Steuergerätes.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer
Funktionsblockdarstellung. Ein zum Verbrennen von Erdgas 13 eingerichteter, stationärer Erdgasmotor 10 weist ein Frischgaszufuhrsystem 12, ein
Abgassystem 14 und ein zur Steuerung der Zusammensetzung des Frischgases 17 eingerichtetes Steuergerät 16 auf. Das Frischgaszufuhrsystem 12 weist eine Dosiereinheit 12.1 für Erdgas 13 und einen Gas-Luft-Mischer 12.2 auf. Die Dosiereinheit 12.1 bezieht Erdgas 13 aus einem Reservoir, beispielsweise einer Leitung eines Erdgasversorgungsnetzes. Von der Dosiereinheit 12.1 dosiertes Erdgas wird in dem Gas-Luft-Mischer 12.2 mit Umgebungsluft 15 gemischt und als Frischgas 17 in Brennräume 10.1 des stationären Erdgasmotors 10 eingespeist. Gegebenenfalls wird dem Frischgas 17 auch noch Abgas aus dem Abgassystem 14 zugeführt, um die Verbrennungstemperatur und die Stickoxid- Rohemissionen zu verringern.
Das Mischungsverhältnis von Erdgas 13 und Umgebungsluft 15 wird von dem Steuergerät 16 durch Ansteuerung der Dosiereinheit 12.1 mit Stellsignalen 25 eingestellt. Zur Bildung der Stellsignale 25 für die Steuerung der Dosiereinheit 12.1 verarbeitet das Steuergerät 16 Signale verschiedener Sensoren, die Betriebsparameter des stationären Erdgasmotors 10 erfassen. Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Abgassystem 14 ein Katalysatorvolumen 14.1 in Form eines Drei-Wege-Katalysators 14.2 auf.
Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 14.2 und stromabwärts des stationären Erdgasmotors 10 ist ein Breitband-Lambdasensor 14.3 in einer vorderen Abgasatmosphäre 19.1 angeordnet, der eine dort herrschende Sauerstoffkonzentration 21 im Abgas 19.1 erfasst.
Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14.2 ist ein hinterer NOx-Sensor 18 angeordnet, der die NOx-Konzentration 23 in der dort herrschenden hinteren Abgasatmosphäre 19.2 erfasst. Das erfasste Signal enthält die Information über den aktuellen Stickoxidgehalt im Abgas des stationären Erdgasmotors 10 hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.1 .
Sowohl die erfasste Sauerstoffkonzentration 21 als auch die erfasste NOx- Konzentration 23 werden im Steuergerät 16 bei der Bildung der Stellsignale 25 für die Dosiereinheit 12.1 als Eingangsgrößen verarbeitet. Das Steuergerät 16 reagiert auf diese Eingangsgrößen aufgrund seiner Programmierung mit wenigstens einer Ausgangsgröße als Stellsignal 25. Diese Ausgangsgröße wird an einen oder mehrere Aktoren weitergeleitet, die die Zusammensetzung von Luft 15 und Erdgas 13 den Stellsignalen 25 entsprechend einstellen. Zusätzlich wird die hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 in der hinteren
Abgasatmosphäre 19.2 erfasste NOx-Konzentration 23 kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen im Steuergerät 16 gespeichert und mit einem ersten Grenzwert verglichen, der einen Bereich noch zulässiger Werte von einem Bereich unzulässig hoher Werte trennt. Im Falle einer dauerhaften
Überschreitung des zuvor definierten ersten Grenzwertes in der hinteren
Abgasatmosphäre 19.2 nach dem Drei-Wege- Katalysator 14.1 erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Abschaltung des stationären Erdgasmotors 10, um unzulässig hohe Emissionen zu vermeiden. Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines stationären Erdgasmotors
10. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Breitband-Lambdasensors 14.3 ein vorderer NOx-Sensor 20 als vorderer NOx-Sensor in der vorderen
Abgasatmosphäre 19.1 zwischen dem stationären Erdgasmotor 10 und dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 angeordnet ist. Der vordere NOx-Sensor 20 erfasst die NOx-Konzentration 27 in der vorderen Abgasatmosphäre 19.1 stromaufwärts des Katalysatorvolumens 14.1 . Bei diesem Ausführungsbeispiel kommen also zwei NOx-Sensoren zum Einsatz. Der zweite und damit hintere NOx-Sensor 18 befindet sich hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 in der hinteren
Abgasatmosphäre 19.2 des stationären Erdgasmotors 10. Die Signale 27, 23 der beiden NOx-Sensoren 20 und 18 werden vom Steuergerät 16 bei der Bildung der
Stellsignale 25 für die Dosiereinheit 12.1 verarbeitet. Dabei wird die NOx- Konzentration 27 der Rohemissionen des stationären Erdgasmotors 10 vom vorderen NOx-Sensor 20 vor dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 erfasst und an das Steuergerät 16 übertragen. Die NOx-Konzentration 23 in der hinteren Abgasatmosphäre 19.2 hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 wird vom hinteren NOx-Sensor 18 erfasst und ebenfalls an das Steuergerät 16
weitergeleitet. Über eine entsprechende Programmierung des Steuergerätes 16 ist es somit möglich, den Drei-Wege-Katalysator 14.2 mit der optimalen
Konvertierungsrate für NOx zu betreiben.
Auch hier ist bevorzugt, dass die Emissionswerte für NOx vor und nach dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 im Betrieb des stationären Erdgasmotors 10 im Steuergerät 16 gespeichert und mit einem oder mehreren vorgegebenen
Grenzwerten verglichen werden. Im Falle einer dauerhaften Überschreitung eines zuvor definierten ersten Grenzwertes für die NOx- Konzentration 23 im
Abgas 19.2 nach dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 erfolgt bevorzugt auch hier eine Abschaltung des stationären Erdgasmotors 10.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen stationären Erdgasmotors 10. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Katalysatorvolumen 14.1 zusätzlich zu dem Drei-Wege-Katalysator 14.2 einen NOx-Speicherkatalysator 14.4 aufweist. Der NOx-Speicherkatalysator 14.4 ist stromabwärts von dem Drei- Wege-Katalysator 14.2 und stromaufwärts des hinteren NOx-Sensors 18 angeordnet. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel und abweichend vom zweiten
Ausführungsbeispiel ist auch beim dritten Ausführungsbeispiel ein Breitband- Lambdasensor 14.3 zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Drei-Wege- Katalysator 14.2 angeordnet, die die Sauerstoffkonzentration 21 in der vorderen Abgasatmosphäre 19.1 erfasst. Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Hauptprogramm 100 arbeitet das Steuergerät 16 Funktionen zur
Steuerung des stationären Erdgasmotors 10 ab. Ein Beispiel einer solchen Funktion ist das Auslösen von Zündungen von Brennraumfüllungen zum jeweils richtigen Zeitpunkt. Aus diesem Hauptprogramm 100 heraus wird in
vorbestimmter Weise wiederholt ein Schritt 102 erreicht, in dem das Steuergerät
16 die Signale der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Abgassensoren einliest. Im Schritt 104 vergleicht das Steuergerät 16 diese Ist-Werte repräsentierenden Signale mit Sollwerten. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs werden im Schritt 106 Stellsignale gebildet, mit denen das Steuergerät 16 Stellglieder ansteuert, mit denen sich die Abgaszusammensetzung beeinflussen lässt. Zu diesen Stellgliedern zählt insbesondere die Dosiereinheit 12.1 .
Im Schritt 107 werden bevorzugt die Werte der in der vorderen und der hinteren Abgasatmosphäre erfassten Konzentrationen gespeichert, zumindest wird der Wert der hinter dem Katalysatorvolumen 14.1 in der hinteren Abgasatmosphäre
19.2 erfassten NOx-Konzentration gespeichert und für ein späteres Auslesen bereitgehalten. Im Schritt 1 10 wird die aktuell hinter dem Katalysatorvolumen 14.7 in der hinteren Abgasatmosphäre 19.2 erfasste NOx-Konzentration mit einem ersten Grenzwert G1 verglichen, der einen Bereich noch zulässiger Werte der Stickoxidkonzentration und damit auch der Stickoxidemission von einem
Bereich nicht mehr zulässiger Werte trennt. Wenn der erste Grenzwert G1 nicht überschritten wird, kehrt das Verfahren in das Hauptprogramm 100 zurück.
Wird der erste Grenzwert G1 dagegen überschritten, wird im Schritt 1 12 eine Maßzahl M für die Häufigkeit der Grenzwertüberschreitungen gebildet. Dies erfolgt z.B. dadurch, dass die Zahl der Grenzwertüberschreitungen auf eine bestimmte Betriebsdauer bezogen wird. Anschließend wird die so gebildete Maßzahl M im Schritt 1 14 mit einem zweiten Grenzwert G2 verglichen. Solange der zweite Grenzwert G2 nicht überschritten wird, kehrt das Verfahren in das Hauptprogramm 100 zurück. Wird der zweite Grenzwert G2 dagegen überschritten, wird im Schritt 1 16 eine Fehlermeldung ausgegeben und abgespeichert. Die Fehlermeldung wird dem Betreiber gegebenenfalls über eine Datenverbindung an einen entfernten Ort übermittelt. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Erdgasmotor in einem Schritt 118 abgestellt wird, um unzulässig hohe Emissionen zu vermeiden.
Figur 5 zeigt das Steuergerät 16. Das Steuergerät weist eine Vielzahl von Eingängen auf, an die Sensoren anschließbar sind. In der Figur 5 sind davon zwei Eingänge 16.1 , 16.2 dargestellt. Über den Eingang 16.1 werden, je nach Ausführungsbeispiel, die Signale 21 oder 27 eingelesen. Über den Eingang 16.2 wird das Signal 23 eingelesen. Diese Signale werden von einem Prozessor 16.3, der den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert, unter Rückgriff auf im Speicher 16.4 gespeicherte Daten und Programme zu Stellsignalen 25 verarbeitet. Die Stellsignale 25 werden über einen Ausgang 16.5 ausgegeben. Über den Ausgang 16.5 kann der stationäre Erdgasmotor 10 ggf. durch Abstellen der Erdgaszufuhr abgestellt werden. Dem Speicher 16.4 werden auch die Eingangssignale 21 , 27, 23 zugeführt, und diese Signale werden dort gespeichert und zum Auslesen an einem weiteren Ausgang 16.6 bereitgestellt.

Claims

Ansprüche
1 . Stationärer Erdgasmotor (10), der ein Steuergerät (16), ein
Frischgaszufuhrsystem (12) mit einer Dosiereinheit (12.1 ) und einem Gas- Luft-Mischer (12.2), eine Abgasanlage (14) mit einem Katalysatorvolumen
(14.1 ) , einem stromabwärts des Katalysatorvolumens (14.1 ) angeordneten Abgassensor (18), der einer in der Abgasanlage (14) herrschenden hinteren Abgasatmosphäre (19.2) ausgesetzt ist und der eine Konzentration von wenigstens einem Bestandteil der hinteren Abgasatmosphäre (19.1 ) erfasst und an das Steuergerät (16) übergibt, aufweist, wobei der Gas-Luft-Mischer
(12.2) dazu eingerichtet ist, ein Mischungsverhältnis von Luft (15) und Erdgas (13) eines Brennräumen des stationären Erdgasmotors (10) zugeführten Frischgases (17) in Abhängigkeit von einem Stellsignal (25) des Steuergeräts (16) einzustellen und wobei das Steuergerät (16) dazu eingerichtet ist, das Stellsignal (25) in Abhängigkeit von der erfassten Konzentration zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärts des Katalysatorvolumens (14.1 ) in der hinteren Abgasatmosphäre (19.2) erfasste Konzentration eine Stickoxidkonzentration ist.
2. Stationärer Erdgasmotor (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) dazu eingerichtet ist, die erfasste Konzentration kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen zu speichern.
3. Stationärer Erdgasmotor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) dazu eingerichtet ist, die gespeicherten Werte der Konzentration an einem Ausgang (16.6) des Steuergerätes (16) zum
Auslesen bereit zu stellen.
4. Stationärer Erdgasmotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) dazu eingerichtet ist, die erfasste Konzentration mit einem vorgegebenen ersten Grenzwert zu vergleichen und zusätzlich eine Häufigkeit zu ermitteln, mit der die erfasste Konzentration größer als der erste Grenzwert ist, und den stationären Erdgasmotor (10) abzuschalten, wenn die ermittelte Häufigkeit größer als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert ist.
Stationärer Erdgasmotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorvolumen (14.1 ) aus einem Drei-Wege-Katalysator (14.2) besteht und dass die Abgasanlage (14) einen vor dem Katalysator angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten Breitband-Lambdasensor (14.3) aufweist, der eine Sauerstoffkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät (16) übergibt.
Stationärer Erdgasmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorvolumen (14.1 ) aus einem Drei-Wege- Katalysator (14.2) besteht und dass die Abgasanlage (14) einen vor dem Drei-Wege-Katalysator (14.2) angeordneten und der Abgasatmosphäre ausgesetzten NOx-Sensor (20) aufweist, der eine Stickoxidkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät (16) übergibt.
Stationärer Erdgasmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorvolumen (14.1 ) aus einem Drei-Wege- Katalysator (14.2) und einem stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14.2) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (14.4) besteht und dass die Abgasanlage (14) eine vor dem Drei-Wege-Katalysator (14.2) angeordnete und der Abgasatmosphäre ausgesetzte Breitband-Lambdasonde (14.3) aufweist, die eine Sauerstoffkonzentration der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät (16) übergibt.
Verfahren zum Steuern eines stationären Erdgasmotors(I O), der ein
Steuergerät (16), einen Gas-Luft-Mischer (12.2), eine Abgasanlage (14) mit einem Katalysatorvolumen (14.1 ), einem stromabwärts des
Katalysatorvolumens (14.1 ) angeordneten Abgassensor, der einer in der Abgasanlage herrschenden Abgasatmosphäre ausgesetzt ist und der eine Konzentration von wenigstens einem Bestandteil der Abgasatmosphäre erfasst und an das Steuergerät (16) übergibt, aufweist, wobei der Gas-Luft- Mischer (12.2) dazu eingerichtet ist, ein Mischungsverhältnis von Luft (15) und Erdgas (13) eines Brennräumen des Stationären Erdgasmotors (10) zugeführten Frischgases (17) in Abhängigkeit von einem Stellsignal (25) des Steuergeräts (16) einzustellen und wobei das Stellsignal (25) in Abhängigkeit von der erfassten Konzentration erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Konzentration eine Stickoxidkonzentration ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Konzentration kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen
gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Konzentration mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und zusätzlich eine Häufigkeit dafür ermittelt wird, dass die erfasste
Konzentration größer als der Grenzwert ist, und dass der Stationäre
Erdgasmotor (10) abgeschaltet wird, wenn die ermittelte Häufigkeit größer als ein zweiter vorbestimmter Grenzwert ist.
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