SoftSenseValve - Entwicklung eines präzisen, modellbasierten Regelungssystems für die autonome Anpassung der motorischen Verbrennung an die verfügbaren Gasqualitäten zur Maximierung des Wirkungsgrades um 85% von Gasmotoren

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines nachrüstbaren Gasregelungsventils mit integriertem Gasqualitätssensor zur Identifizierung der Brenngasqualität und zur gleichzeitigen Anpassung der Motoreinstellung anhand der identifizierten Gasqualität.

Dabei soll die Verbrennung des Motors bei gleichzeitiger Kostensenkung optimiert werden. Dadurch lassen sich Handlungsempfehlungen für die Einstellung der Motorparameter wie dem Zündzeitpunkt und der Motoraufladung generieren und automatisch implementieren. Dies erlaubt einen dauerhaft hohen Wirkungsgrad von >85%, bei einer variierenden Brenngaszusammensetzung und somit eine höhere Energieeffizienz.

Am Markt erhältliche Regelungssysteme kosten ca. 20.000 € und können eine hohe Präzision nur mit entsprechend langer Verarbeitungszeit erreichen, weshalb sie für die Anpassung der Motoreinstellungen ungeeignet sind. Bedingt durch den hohen Preis ist deren Anschaffung, vor allem für die Betreiber kleiner Anlagen nicht wirtschaftlich. Das neu entwickelte Regelungssystem soll dieses Problem lösen, wodurch sich ein potenzieller Kundenkreis von 40.000 Anlagenbetreibern ergibt.

Virtual Nitrogen Oxide Sensor for Improved Emission Control in Natural Gas/Hydrogen Cogeneration Power Plants

Fichtner, Johannes; Gegner, Adrian; Ninow, Jan; Kapischke, Jörg (2023)

5th International Conference Business Meets Technology, Valencia 2024.
DOI: 10.4995/BMT2023.2023.16705

Open Access Peer Reviewed

ABSTRACT

This study demonstrates the need for novel gas engine control systems for com-
bined heat and power plants, also known as cogeneration power plants, connected to natural
gas grids. Hydrogen addition to natural gas grids in a range of up to 5% by volume is already
permitted throughout Europe. This offers the possibility to reduce carbon dioxide emissions
of end consumers connected to public natural gas grids and contributes to climate protec-
tion. However, conventional engine controls are not designed for natural gas/hydrogen mixture
operation. We tested fuels with up to 30% hydrogen by volume using a commercial six-cylinder
spark ignition engine, designed for natural gas or biogas operation in power plants. With engine
settings according to usual cogeneration operation, nitrogen oxide emissions increased expo-
nentially with increasing hydrogen amounts. We demonstrate that the usual approach of using
the lower heating value of the fuel mixture to regulate the engine is unable to accommodate the
hydrogen induced changes. For this reason, we developed a mathematical model to determine
the nitrogen oxide emissions based on boost pressure and power output. The idea behind this
novel approach is to regulate the engine based on emissions, regardless of the fuel gas. In this
work the approach for this virtual sensor is described and its performance demonstrated.