DE4311890A1 - Stationär betriebene Brennkraftmaschine mit Abgasreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine stationär, insbesondere mit Brenngas, wie Erdgas, betriebene Brennkraftmaschine mit ei­ ner Vorrichtung zur Abgasreinigung, die eine Lambda-Sonde sowie dieser nachgeordnet einen Katalysator in der Abgas­ leitung aufweist. Diese Lambda-Sonde ist Teil einer Rege­ lung, die auf der Frischgasseite das Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft auf einen Betrieb im Bereich des Lamdba-Fensters einstellt.

Stationäre Brennkraftmaschinen werden im optimalen Lei­ stungsbereich betrieben, wobei im Dauerbetrieb Lastwechsel so gut wie nicht vorkommen. Entsprechend exakt kann die Ab­ gasreinigung eingeregelt werden, wobei Änderungen der Frischgas- oder Luftzufuhr ausgeregelt werden müssen, um sogenannte Versorgungsstörungen, die das stöchiometrische Gemisch beeinträchtigen, auszugleichen.

Gerade beim permanenten, stationären Betrieb einer Brenn­ kraftmaschine stößt man bei der Schadstoffreduzierung an Grenzen, die durch die Reduktions- und die Oxidationsvor­ gänge im Katalysator bedingt sind, die mit der herkömmlichen Lambda-Regelung nicht vollkommen ausgeschöpft werden können. Hier geht es zum einen darum, daß die sauerstoffhaltigen Verbindungen im Abgas, wie die zu reduzierenden Stickoxide (NO) und das zu oxidierende Kohlenmonoxid (CO), niedrigere Anspringtemperaturen für den Reaktionsvorgang erfordern, als die Kohlenwasserstoffe (HC), um die jeweilige Konversion auszulösen. Zum zweiten geht es um die Nutzung eines gewis­ sen Speichereffektes der multifunktionellen Katalysatoren für reaktive Abgasbestandteile, wie Sauerstoff oder Kohlen­ monoxid, was zu einer Reaktionsbeschleunigung führen kann. So ist es von benzinbetriebenen Ottomotoren her bekannt, ei­ ne Verringerung der Schadstoffemissionen durch eine oszil­ lierende Gemischbildung zu erzielen, die an sich nicht zu den Betriebsbedingungen einer stationär betriebenen Brenn­ kraftmaschine paßt. Des weiteren ist es bekannt, bei Kraft­ fahrzeug-Ottomotoren mit Abgasreinigung die Lambda-Sonde hinter dem Katalysator anzuordnen, was hier jedoch dem Umstand dient, sich den wechselnden Lastbedingungen eines Fahrzeugmotors besser anpassen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer statio­ när betriebenen Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Abgasreinigung weiter zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer solchen Brenn­ kraftmaschine dadurch, daß in der Abgasleitung hinter dem Katalysator eine zweite Lambda-Sonde angeordnet ist, die einem zweiten Regelkreis zugeordnet ist, der mit dem Re­ gelkreis der ersten Lambda-Sonde eine Kaskadenregelung bil­ det. Dieser zweite Regelkreis regelt beim Verlassen des Sollwert-Bereichs durch den Istwert der zweiten Lambda-Sonde den Lambda-Sollwert der ersten Sonde nach. Bei dieser Kas­ kadenregelung wird dann ein Störimpuls zu einer kurzzeitigen Veränderung dieses Lambda-Sollwertes zunächst in Richtung auf ein magereres und unmittelbar anschließend in Richtung auf ein fetteres Brenngas-Luft-Gemisch aufgebracht, wenn über ein definiertes Zeitintervall der Istwert der zweiten Lambda-Sonde den Sollwert-Bereich nicht verlassen hat.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß die aus zwei Regel­ kreisen bestehende Kaskadenregelung Störungen am Anfang der Regelstrecke durch Änderung der Gas- oder der Luftzufuhr für das stöchiometrische Gemisch, die sogenannten Versorgungs­ störungen, durch den ersten Regelkreis gut ausgeregelt werden. Mit dem zweiten Regelkreis nach dem Katalysator werden kleinere Störungen behoben. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf die Störgrößenaufschaltung, die auch bei der stationär betriebenen Brennkraftmaschine einen oszillierenden Betrieb ermöglicht. Man erreicht damit eine vorübergehende Konzentrationsverarmung zunächst des Kohlen­ monoxid-Anteils und anschließend des Sauerstoffanteils im Abgas, was unter Ausnutzung der Speichereffekte des Kata­ lysators die Reaktionsgeschwindigkeiten bei der Konversion der Schadstoffanteile erhöht. Durch den oszillierenden Be­ trieb wird insbesondere der Kohlenwasserstoff-Anteil gut konvertiert, was jedoch eine ständige Bestimmung des momen­ tanen Arbeitspunktes der Regelung erfordert, um die Gemisch­ änderung in die gewünschte Richtung möglich zu machen. Das wird durch die Kaskadenregelung mit ihren beiden Regelkrei­ sen erreicht. Hierbei mißt die zweite Sonde hinter dem Kata­ lysator, die dem zweiten Regelkreis zugeordnet ist, den ide­ alen Arbeitspunkt im Lambda-Fenster, und sobald der Oszilla­ tionsvorgang, nämlich die Verstellung des Frischgasgemisches zunächst in Richtung mager und unmittelbar darauf in Rich­ tung fetter, abgeschlossen ist, ist wegen der über eine gewisse Zeitspanne andauernden, guten Konversion des Kohlenwasserstoff-Anteils im Abgas und den dadurch bedingten Sauerstoffverbrauch, die Meßspannung der zweiten Sonde hin­ ter dem Katalysator für die Feinregelung besonders gut ver­ wertbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraft­ maschine mit einer Abgasreinigungsanlage und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Kaskadenregelung für die Abgasreinigungsanlage der Brennkraftmaschine nach Fig. 1.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine stationäre Brennkraftmaschine 1, die mit Erdgas betrieben wird. Abgasseitig weist sie für die Wärmerückführung einen Abgasvortauscher 2 auf, an den eine Abgasleitung 10 anschließt, in die ein Katalysator 3 eingefügt ist. Es handelt sich um einen sogenannten Drei- Wege-Katalysator, mit dem die drei relevanten Schadstoffe, nämlich Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NO_x), gleichzeitig abgebaut werden. Die Abgas­ leitung hinter dem Katalysator 3 durchläuft einen Abgaswär­ metauscher 4 und einen Abgasschalldämpfer 5 und mündet da­ nach in eine Schornsteinzuführung 7. An die Abgasleitung ist ferner über eine Gastrocknungs- und Pumpstation eine Prüf­ gasleitung 8 angeschlossen, was Kontrollzwecken dient.

In der Abgasleitung 10 sitzen vor dem Katalysator 3 zwei Lambda-Sonden 9, von denen grundsätzlich nur eine für die nachstehend beschriebene Regelung erforderlich ist. Hinter dem Katalysator 3 findet sich in der Abgasleitung eine zweite Lambda-Sonde 11.

Die Lambda-Regelung mit der Verknüpfung der beiden Lambda- Sonden 9 und 11 zeigt Fig. 2, aus der deutlich wird, daß die erste Lambda-Sonde 9 einem ersten Regelkreis und die zweite Lambda-Sonde 11 einem zweiten Regelkreis zugeordnet ist, die beide sich zu einer Kaskadenregelung ergänzen. Die Lambda- Sonde 9 liefert den Lambda-Istwert vor Katalysator, der auf einen Regler 2, einen Hilfsregler, gegeben wird, in dem ein Stellsignal für einen Stellmotor gebildet wird. Dieser Stellmotor gehört zu einem Mischer, der auf der Frischgas­ seite der Brennkraftmaschine 1 (Fig. 1) zur Aufbereitung des Brenngas-Luft-Gemisches angeordnet ist.

Die hinter dem Katalysator 3 angeordnete Sonde 11 (Fig. 1) liefert den Lambda-Istwert hinter Katalysator, der auf einen dem Regler 2 vorgeschalteten Regler 1 aufgegeben wird. Fer­ ner wird der Regler 1 mit dem Lambda-Sollwert beaufschlagt, der als Bereichsgröße definiert ist. Solange sich der Lamb­ da-Istwert hinter Katalysator innerhalb dieses vorgegebenen Bereiches befindet, wird das Ausgangssignal des Hauptreg­ lers, des Reglers 1, nicht verändert. Verläßt hingegen der Lambda-Istwert hinter Katalysator den Bereich in Richtung Fett oder Mager, ändert sich entsprechend das Ausgangssig­ nal, welches als neuer Lambda-Sollwert auf den Regler 2 ge­ geben und dort mit dem Lambda-Istwert vor Katalysator ver­ glichen wird.

Der Regler 2 dient der Grobregelung, um die Störgrößen 1, die durch Gemischänderung oder Fehlzündungen bedingt sein können, zu kompensieren. Der Regler 2 besorgt eine Feinre­ gelung, durch ihn können Störungen infolge Änderung der Re­ aktionen im Katalysator ausgeregelt werden; es handelt sich hierbei um die Störgrößen 2.

Über den Lambda-Istwert hinter Katalysator lassen sich die Reaktionszustände im Katalysator genau erfassen, um dadurch auf einen oszillierenden Betrieb hinwirken zu können, für den kurzzeitig das Gemisch auf der Frischgasseite zunächst in Richtung Mager und unmittelbar anschließend in Richtung Fett verstellt wird. Wenn nicht schon betriebsbedingt die Störgrößen 1 oder die Störgrößen 2 so auftreten, daß der Lambda-Istwert hinter Katalysator den vorgegebenen Sollwert- Bereich verläßt, dann wird ein entsprechender Störimpuls beispielsweise durch vorübergehende Änderung des Lambda- Sollwertes aufgegeben. Die dadurch bedingte Änderung der Führungsgröße der gesamten Kaskadenregelung führt wiederum zu oszillierenden Reaktionsabläufen im Katalysator, was zu einem schwingenden Verlauf des Lambda-Istwertes hinter Kata­ lysator führt. Entsprechend wird für den Regler 1 der Lamb­ da-Sollwert als Bereichswert vorgegeben, und der zusätzlich aufgebrachte Störimpuls bewirkt eine Schwingung der Regel­ anordnung innerhalb dieses Bereichs, die für den oszillie­ renden Betrieb erwünscht ist und im Bedarfsfalle immer wie­ der angestoßen wird.

Claims (1)

1. Stationär, insbesondere mit Brenngas, wie Erdgas, betriebene Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Abgasreinigung, die eine Lambda-Sonde sowie dieser nachgeordnet einen Kata­ lysator in der Abgasleitung aufweist, wobei die Lambda-Sonde Teil einer Regelung ist, die auf der Frischgasseite das Ge­ misch aus Brenngas und Verbrennungsluft auf einen Betrieb im Bereich des Lambda-Fensters einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (10) hinter dem Katalysator (3) eine zweite Lambda-Sonde (11) angeordnet ist, die einem zweiten Regelkreis zugeordnet ist, der mit dem Regelkreis der ersten Lambda-Sonde (9) eine Kaskadenregelung bildet und der beim Verlassen eines Sollwert-Bereichs durch den Istwert der zweiten Lambda-Sonde (11) den Lambda-Sollwert der ersten Sonde (9) nachregelt, wobei dann ein Störimpuls zu einer kurzzeitigen Veränderung dieses Lambda-Sollwertes zunächst in Richtung auf ein magereres und unmittelbar anschließend in Richtung auf ein fetteres Brenngas-Luft-Gemisch aufge­ bracht wird, wenn über ein definiertes Zeitintervall der Istwert der zweiten Lambda-Sonde (11) den Sollwert-Bereich nicht verlassen hat.