Verbrennungskraftmaschinensystem sowie Verfahren und Steuerungseinrichtung zum Betreiben desselben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmaschinensystems nach dem Oberbergriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Verbrennungskraftmaschinensystem mit einer solchen Steuerungseinrichtung.

Auf zum Beispiel Schiffen kommen Verbrennungskraftmaschinensysteme zum Einsatz, die über mehrere Verbrennungskraftmaschinen sowie eine gemeinsame Abgasnachbehandlungsanlage verfügen. So kann bei solchen Verbrennungskraftmaschinensystemen in mehreren Verbrennungskraftmaschinen gleichzeitig Kraftstoff unter Bildung von Abgas verbrannt werden, wobei dann das Abgas der Verbrennungskraftmaschine die gemeinsame Abgasnachbehandlungsanlage zur Abgasnachbehandlung geführt wird.

Insbesondere dann, wenn ein solches Verbrennungskraftmaschinensystem in Teillast betrieben wird, ist es aus der Praxis bereits bekannt, mindestens eine Verbrennungskraftmaschine stillzusetzen und lediglich mindestens eine andere Verbrennungskraftmaschine zu betreiben. Um zu verhindern, dass bei einer stillstehenden Verbrennungskraftmaschine eines solchen Verbrennungskraftmaschinensystems Abgas der laufenden Verbrennungskraftmaschine in den Bereich der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zurückströmt, ist es aus der Praxis bereits bekannt, zumindest solchen Verbrennungskraftmaschinen des Verbrennungskraftmaschinensystems, die stillgesetzt werden können, eine Absperreinrichtung zuzuordnen, mit Hilfe derer eine Abgasrückströmung in Richtung auf eine stillstehende Verbrennungskraftmaschine vermieden werden kann. Hierzu wird dann die jeweilige Absperreinrichtung geschlossen.

Insbesondere aufgrund eines Verschleißes solcher Absperreinrichtungen kann sich im Betrieb eines solchen Verbrennungskraftmaschinensystems ein Zustand einstellen, in welchem dann, wenn eine Verbrennungskraftmaschine stillsteht und die dieser Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Absperreinrichtung geschlossen ist, dennoch eine Abgasrückströmung über die geschlossene Absperreinrichtung einstellt. In diesem Fall gelangt dann Abgas in den Bereich der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine, wodurch es insbesondere durch Ausfall von Schwefelsäure an Baugruppen der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zu Korrosionsproblemen kommen kann. Bislang sind keine Maßnahmen bekannt, mit Hilfe derer eine Abgasrückströmung über eine einer stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zugeordnete, geschlossene Absperreinrichtung sicher und zuverlässig erkannt werden kann.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmaschinensystems, eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Verbrennungskraftmaschinensystem mit einer solchen Steuerungseinrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird mit Hilfe mindestens eines Sensors eine Gaszusammensetzung und/oder eine Gastemperatur stromabwärts mindestens einer stillstehenden Verbrennungskraftmaschine und stromaufwärts der der jeweiligen stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zugeordneten, geschlossenen Absperreinrichtung bestimmt, wobei abhängig hiervon überprüft wird, ob eine Abgasrückströmung in Richtung auf die jeweilige stillstehende Verbrennungskraftmaschine trotz geschlossener Absperreinrichtung vorliegt.

Die hier vorliegende Erfindung schlägt erstmals ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmaschinensystems vor, mit Hilfe dessen sicher und zuverlässig erkannt werden kann, ob eine einer stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zugeordnete, geschlossene Absperreinrichtung undicht ist und demnach eine Abgasrückströmung in Richtung auf die jeweilige stillstehende Verbrennungskraftmaschine vorliegt. Hierdurch ist es möglich, bei erkannter Abgasrückströmung Gegenmaßnahmen einzuleiten, um Korrosionsprobleme an der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden.

Vorzugsweise wird dann, wenn eine Abgasrückströmung in Richtung auf eine Verbrennungskraftmaschine bei geschlossener, der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine zugeordneter Absperreinrichtung vorliegt, auf eine Undichtheit der jeweiligen Absperreinrichtung geschlossen und steuerseitig eine Maßnahme, insbesondere eine Fehlermeldung und/oder Maßnahme zur Reduzierung der Abgasrückströmung, ausgelöst. Hiermit kann das Korrosionsrisiko an einer stillstehenden Verbrennungskraftmaschine reduziert werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird dann auf eine Abgasrückströmung in Richtung auf eine Verbrennungskraftmaschine bei geschlossener, der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine zugeordneter Absperreinrichtung geschlossen, wenn ein Betrag einer mit Hilfe des zwischen der jeweiligen stillstehenden Verbrennungskraftmaschine und der jeweiligen geschlossenen Absperreinrichtung positionierten Sensors erfassten Kenngröße mindestens X%, insbesondere mindestens 50%, bevorzugt mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 10%, eines Betrags einer mit Hilfe eines vorzugsweise baugleichen, stromabwärts der geschlossenen Absperreinrichtung oder stromabwärts einer anderen, laufenden Verbrennungskraftmaschine positionierten Sensors erfassten Kenngröße beträgt. Hiermit ist eine besonders vorteilhafte Erkennung einer Abgasrückströmung über eine geschlossene Absperreinrichtung in Richtung auf eine stillstehende Verbrennungskraftmaschine möglich.

Die Steuerungseinrichtung ist in Anspruch 7 und das Verbrennungskraftmaschinensystem ist in Anspruch 8 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: ein Schema eines ersten Verbrennungskraftmaschinensystems;

2: ein Schema eines zweiten Verbrennungskraftmaschinensystems;

3: ein Schema eines dritten Verbrennungskraftmaschinensystems; und

4: ein Signalflussdiagramm des Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungskraftmaschinensystems.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungskraftmaschinensystems, eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Verbrennungskraftmaschinensystem.

1 zeigt ein Schema eines ersten erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinensystems 10 mit zwei Verbrennungskraftmaschinen 11, 12. Bei den in 1 und 2 gezeigten Verbrennungskraftmaschinen 11 und 12 handelt es sich um Verbrennungsmotoren, vorzugsweise um Schiffsdieselbrennkraftmaschinen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf Verbrennungskraftmaschinensysteme, welche Verbrennungsmotoren nutzen, beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung auch bei solchen Verbrennungskraftmaschinensystemen zum Einsatz kommen, deren Verbrennungskraftmaschinen als Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen oder dergleichen, ausgebildet sind.

In den Verbrennungskraftmaschinen 11, 12 des Verbrennungskraftmaschinensystems 10 kann Kraftstoff unter Bildung von Abgas verbrannt werden, wobei das Abgas der Verbrennungskraftmaschinen 11, 12 über eine gemeinsame Abgasnachbehandlungsanlage 13 zur Abgasnachbehandlung des Abgases geführt werden kann.

Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Verbrennungskraftmaschine 11 eine Absperreinrichtung 14 zugeordnet, die stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 11 positioniert ist, um dann, wenn bei laufender Verbrennungskraftmaschine 12 die Verbrennungskraftmaschine 11 stillgesetzt wird, die Verbrennungskraftmaschine 11 vom Abgasstrom abzukoppeln und so ein Rückströmen des Abgases der laufenden Verbrennungskraftmaschine 12 in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine 11 zu verhindern. Bei dieser Absperreinrichtung 14 handelt es sich typischerweise um eine Absperrklappe oder dergleichen. Weiterhin zeigt 1 eine Steuerungseinrichtung 15, über die im Sinne der gestrichelten Pfeile der 1 der Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen 11, 12 gesteuert und/oder geregelt werden kann, und über die weiterhin die Absperreinrichtung 14 geschlossen und geöffnet werden kann, nämlich abhängig davon, ob die Verbrennungskraftmaschine 11 stillsteht oder läuft. Über die Steuerungseinrichtung 15 wird demnach dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine 11 stillsteht und die Verbrennungskraftmaschine 12 läuft, die der Verbrennungskraftmaschine 11 zugeordnete Absperreinrichtung 14 automatisch geschlossen.

Gemäß 1 ist stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 11, die im Ausführungsbeispiel der 1 bei laufender Verbrennungskraftmaschine 12 stillgesetzt werden kann, und stromaufwärts der dieser stillsetzbaren Verbrennungskraftmaschine 11 zugeordneten Absperreinrichtung 14 ein Sensor 16 angeordnet, mit Hilfe dessen eine Gaszusammensetzung und/oder eine Gastemperatur stromabwärts der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine 11 und stromaufwärts der geschlossenen Absperreinrichtung 14 bestimmt werden kann.

Abhängig hiervon wird überprüft, ob bei laufender Verbrennungskraftmaschine 12, bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine 11 und bei geschlossener Absperreinrichtung 14 eine Abgasrückströmung in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine 11 trotz geschlossener Absperreinrichtung 14 vorliegt. Diese Überprüfung wird von der Steuerungseinrichtung 15 automatisch vorgenommen.

Dann, wenn eine Abgasrückströmung in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine 11 bei geschlossener, der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine 11 zugeordneter Absperreinrichtung 14 vorliegt bzw. erkannt wird, wird steuerungsseitig auf eine Undichtheit der Absperreinrichtung 14 geschlossen und steuerungsseitig eine Maßnahme ausgelöst. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um eine Fehlermeldung oder um eine Meldung um eine Wartung bzw. einen Austausch der Absperreinrichtung 14 zu verlassen. Alternativ oder zusätzlich kann steuerungsseitig eine Maßnahme ausgelöst werden, um die Abgasrückströmung in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren bzw. zu vermeiden. So ist es zum Beispiel möglich, die zuvor stillgesetzte Verbrennungskraftmaschine 11 in Betrieb zu nehmen und/oder die Leistung der laufenden Verbrennungskraftmaschine 12 zu reduzieren.

Wie oben bereits ausgeführt, wird mit Hilfe des Sensors 16 die Gaszusammensetzung und/oder die Gastemperatur stromabwärts der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine 11 und stromaufwärts der geschlossenen Absperreinrichtung 14 überprüft, um auf Grundlage der Gaszusammensetzung und/oder der Gastemperatur auf eine Abgasrückströmung über die geschlossene Absperreinrichtung 14 in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine 11 zu schließen. Dann, wenn eine mit Hilfe des Sensors 16 erfasste Kenngröße größer als ein definierter Grenzwert ist, wird auf eine Rückströmung von Abgas über die geschlossene Absperreinrichtung 14 in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine 11 geschlossen. Dieser Grenzwert kann zum Beispiel in der Steuerungseinrichtung 15 fest hinterlegt sein.

2 zeigt eine Weiterbildung des Verbrennungskraftmaschinensystems 10 der 1, bei welchem stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsanlage 13 und stromabwärts der Absperreinrichtung 14 ein weiterer Sensor 17 positioniert ist, mit Hilfe dessen eine Gaszusammensetzung und/oder eine Gastemperatur stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsanlage 13 erfasst werden kann. Bei dem Sensor 17 handelt es sich vorzugsweise um einen baugleichen Sensor wie beim Sensor 16, sodass mit den Sensoren 16 und 17 der 2 identische Kenngrößen, zum Beispiel Kenngrößen über die Gaszusammensetzung und/oder die Gastemperatur, erfasst werden.

Im Ausführungsbeispiel der 2 ist vorgesehen, dass auf Grundlage der vom Sensor 17 erfassten Kenngröße dynamisch ein Grenzwert ermittelt wird, auf Basis dessen dann steuerungsseitig erkannt wird, ob über die geschlossene Absperreinrichtung 14 bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine 11 eine Abgasrückströmung erfolgt. So wird im Ausführungsbeispiel der 2 vorzugsweise dann bei laufender Brennkraftmaschine 12, bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine 11 und bei geschlossener Absperreinrichtung 14 auf eine Abgasrückströmung über die geschlossene Absperreinrichtung 14 in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine 11 erkannt, wenn ein Betrag der vom Sensor 16 erfassten Kenngröße X%, insbesondere mindestens 50%, bevorzugt mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 10%, des Betrags der mit Hilfe des Sensors 14 erfassten, gleichen Kenngröße beträgt. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass in 2 dann bei stillstehender Verbrennungskraftmaschine 11 und bei geschlossener Absperreinrichtung 14 auf eine Abgasrückströmung über die geschlossene Absperreinrichtung 14 in Richtung auf die stillstehende Verbrennungskraftmaschine 11 erkannt wird, wenn ein Verhältnis zwischen der Kenngröße, die mit dem der geschlossenen Absperreinrichtung 14 vorgelagerten Sensor 16 erfasst wird, und der Kenngröße, die dem der geschlossenen Absperreinrichtung 14 nachgelagerten Sensor 17 erfasst wird, größer als ein Grenzwert, also größer als X%, ist. Dieser Grenzwert kann zum Beispiel lastabhängig sein, also abhängig von der Last, mit welcher das Verbrennungskraftmaschinensystem betrieben wird.

Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist ausschließlich einer der gezeigten Verbrennungskraftmaschinen 11, 12 eine Absperreinrichtung 14 zugeordnet. Demgegenüber zeigt 1 eine Weiterbildung des Verbrennungskraftmaschinensystems 10 der 1, in welcher auch der Verbrennungskraftmaschine 12 eine Absperreinrichtung 18 sowie stromaufwärts dieser Absperreinrichtung 18 und stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 12 ein Sensor 19 zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung und/oder einer Gastemperatur zugeordnet ist. Die Variante der 3 ist dann bevorzugt, wenn wechselweise beide Verbrennungskraftmaschinen 11, 12 des Verbrennungskraftmaschinensystems 10 bei jeweils laufender anderer Verbrennungskraftmaschine stillgesetzt werden können. 1 und 2 sind dann bevorzugt, wenn eine Verbrennungskraftmaschine permanent läuft und die andere Verbrennungskraftmaschine bedarfsweise zugeschaltet wird. Bei der Variante der 3 kann demnach jede der Verbrennungskraftmaschinen 11, 12 bei jeweils laufender anderer Verbrennungskraftmaschine 12, 11 stillgesetzt und die der jeweiligen, stillstehenden Verbrennungskraftmaschine 11 bzw. 12 zugeordnete Absperreinrichtung 14 bzw. 18 geschlossen werden, wobei dann die Dichtigkeit der geschlossenen Absperreinrichtung 14 bzw. 18 mit Hilfe des jeweiligen Sensors 16 bzw. 19 überprüft werden kann. Der der jeweils anderen, laufenden Brennkraftmaschine zugeordnete andere, vorzugsweise typgleiche Sensor 19 bzw. 16 dient dann der Bestimmung eines Grenzwerts, bei dessen Überschreiten bzw. Erreichen im Signal des der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Sensors auf eine Undichtheit der dieser Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Absperreinrichtung 14 bzw. 18 geschlossen wird.

Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei den Sensoren 16, 17, 19 um Sensoren zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung und/oder einer Gastemperatur. Als Sensoren können vorzugsweise Lambda-Sensoren und/oder NOx-Sensoren und/oder HC-Sensoren und/oder NH₃-Sensoren und/oder CO-Sensoren oder und/oder CO₂-Sensoren oder Temperatur-Sensoren oder Abgaspartikel-Sensoren und/oder andere Sensoren zum Einsatz kommen.

4 zeigt ein Signalflussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschinensystems, wobei der Block 20 der 4 den Start des erfindungsgemäßen Verfahrens visualisiert.

In einem Block 21 wird überprüft, ob eine der Verbrennungskraftmaschinen eines Verbrennungskraftmaschinensystems, denen eine gemeinsame Abgasnachbehandlungsanlage zugeordnet ist, stillsteht und ob eine andere Verbrennungskraftmaschine, die dieselbe Abgasnachbehandlungsanlage nutzt, läuft. Ist dies nicht der Fall, so wird im Sinne einer Schleife auf Block 21 zurückverzweigt. Ist dies hingegen der Fall, steht also mindestens eine der Verbrennungskraftmaschinen des Verbrennungskraftmaschinensystems, denen eine gemeinsame Abgasnachbehandlungsanlage zugeordnet ist, still, während eine andere Verbrennungskraftmaschine des Verbrennungskraftmaschinensystems läuft, so wird ausgehend von Block 21 auf Block 22 verzweigt.

In Block 22 wird das Signal desjenigen Sensors ausgewertet wird, welcher der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine des Verbrennungskraftmaschinensystems zugeordnet ist. In einem nachfolgenden Block 23 wird überprüft, ob das Signal bzw. die Kenngröße des Sensors, welcher der stillstehenden Verbrennungskraftmaschine des Verbrennungskraftmaschinensystems zugeordnet ist, einen Grenzwert überschreitet.

Ist dies nicht der Fall, so wird ausgehend vom Block 23 im Sinne einer Schleife auf Block 23 zurückverzweigt. Wird hingegen der Grenzwert erreicht bzw. überschritten, so wird ausgehend von Block 23 auf Block 24 verzweigt und steuerungsseitig eine Maßnahme initiiert, zum Beispiel eine Fehlermeldung.

Darauffolgend wird in Block 25 das erfindungsgemäße Verfahren beendet.

Erfindungsgemäß wird demnach mit Hilfe mindestens eines Sensors 16 bzw. 19 eine Gaszusammensetzung und/oder eine Gastemperatur stromabwärts mindestens einer stillstehenden Verbrennungskraftmaschine und stromaufwärts der der jeweiligen, stillstehenden Verbrennungskraftmaschine zugeordneten, geschlossenen Absperreinrichtung 14 bzw. 18 bestimmt, wobei abhängig von dem Signal dieses Sensors in der Steuerungseinrichtung 15 überprüft wird, ob eine Abgasrückströmung in Richtung auf die jeweilige stillstehende Verbrennungskraftmaschine trotz geschlossener Absperreinrichtung vorliegt.

Dieses Verfahren wird automatisiert von der Steuerungseinrichtung 15 durchgeführt, die demnach Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Bei diesen Mitteln der Steuerungseinrichtung 15 handelt es sich um Datenschnittstellen, die dem Datenaustausch mit den an der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beteiligten Baugruppen, so zum Beispiel mit den Sensoren 16 bzw. 17 bzw. 19, dienen, um einen Prozessor zur Verarbeitung von Daten und um einen Speicher zur Speicherung von Daten.

10

Verbrennungskraftmaschinensystem

11

Verbrennungskraftmaschine

12

Verbrennungskraftmaschine

13

Abgasnachbehandlungsanlage

14

Absperreinrichtung

15

Steuerungseinrichtung

16

Sensor

17

Sensor

18

Absperreinrichtung

19

Sensor

20

Block

21

Block

22

Block

23

Block

24

Block

25

Block