AT525997A4

AT525997A4 - METHOD FOR OPERATING A GAS POWERED INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: AT525997A4
Application number: ATA50155/2022A
Authority: AT
Inventors: Arnberger Dipl -Ing Anton; Zukancic Dipl -Ing Admir
Original assignee: Avl List Gbmh
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-10-15
Also published as: WO2023168477A3; WO2023168477A2; AT525997B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, vorzugsweise mit Wasserstoff als Kraftstoff, wobei die Brennkraftmaschine bei sich nur langfristig ändernden Lastanforderungen in einem stationären Betrieb betrieben wird, bei dem das Luftverhältnis bei höherer Lastanforderung abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine bei kurzfristiger Lasterhöhung in einem dynamischen Betrieb betrieben wird, bei dem das Luftverhältnis bei höherer Lastanforderung stark abgesenkt (vorzugsweise Luftverhältnis = 1) wird und die Abgasrückführungsrate erhöht wird.The invention relates to a method for operating a gas-operated internal combustion engine, preferably with hydrogen as fuel, wherein the internal combustion engine is operated in stationary operation when load requirements only change over the long term, in which the air ratio is reduced at higher load requirements, characterized in that the internal combustion engine at Short-term load increase is operated in a dynamic operation in which the air ratio is significantly reduced when the load requirement is higher (preferably air ratio = 1) and the exhaust gas recirculation rate is increased.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, vorzugsweise mit Wasserstoff als Kraftstoff, wobei die Brennkraftmaschine bei sich nur langfristig ändernden Lastanforderungen in einem stationären Betrieb betrieben wird, bei dem das Luftverhältnis bei höherer The invention relates to a method for operating a gas-operated internal combustion engine, preferably with hydrogen as fuel, the internal combustion engine being operated in stationary operation when load requirements only change over the long term, in which the air ratio is at a higher

Lastanforderung abgesenkt wird. Load requirement is reduced.

Solche Brennkraftmaschinen werden oft zum Betreiben eines Fahrzeugs wie eines Such internal combustion engines are often used to operate a vehicle such as a

Nutzfahrzeugs entwickelt. Commercial vehicle developed.

Unter der Voraussetzung ausreichenden Vorhandenseins der Reaktanden Stickstoff und Sauerstoff entstehen Stickoxide (Abgekürzt auch NOx, die beiden wichtigsten sind NO oder NO2) im motorischen Prozess in nennenswerter Menge oberhalb der sogenannten NO,x-Bildungstemperatur, ab der eine starke Zunahme der Emissionen hin zu höheren Temperaturen zu beobachten ist, während die Stickoxidbildung unterhalb dieser Temperaturen gering oder kaum nennenswert ist. Stickoxidemissionen verhindern bedeutet demnach den Verbrennungsprozess weitgehend außerhalb des Temperaturfensters der NO,x-Bildung zu führen. Die Verbrennungstemperatur und damit die NOx Rohemission hängt unter anderem Assuming there is sufficient presence of the reactants nitrogen and oxygen, nitrogen oxides (also abbreviated as NOx, the two most important ones are NO or NO2) are formed in the engine process in significant quantities above the so-called NO,x formation temperature, from which a strong increase in emissions increases to higher levels Temperatures can be observed, while the nitrogen oxide formation below these temperatures is low or hardly significant. Preventing nitrogen oxide emissions therefore means conducting the combustion process largely outside the temperature window of NO,x formation. The combustion temperature and thus the NOx raw emissions depend, among other things

direkt mit dem Luftverhältnis (Lambda) zusammen. directly related to the air ratio (lambda).

Um die NOx Rohemissionen auf einem möglichst geringen Niveau zu halten, werden gasbetriebene Brennkraftmaschinen in einem möglichst großen Bereich mit einem mageren Verbrennungsprinzip betrieben. Unter Einsatz konventioneller Aufladetechnologie wird es allerdings bei steigender Last notwendig sein das Luftverhältnis zu senken um die erforderliche motorische Leistung darstellen zu können. Bei langfristigen Steigerungen der Lastanforderung ist dies wenig problematisch, da, ohne wesentlich zu übersteuern, das Luftverhältnis langsam verringert und der Ladedruck angepasst werden kann und jederzeit das notwendige In order to keep the NOx raw emissions at the lowest possible level, gas-powered internal combustion engines are operated with a lean combustion principle over the largest possible range. However, when using conventional supercharging technology, it will be necessary to reduce the air ratio as the load increases in order to be able to achieve the required engine power. In the case of long-term increases in the load requirement, this is not a problem, as the air ratio can be slowly reduced and the boost pressure can be adjusted at any time without significantly oversteering

Drehmoment bereitgestellt wird. Torque is provided.

Insbesondere eine kurzfristige Steigerung der Lastanforderung kann aber dazu führen, dass zumindest kurzfristig ins Temperaturfenster der NO, Bildung eingetreten wird, um das notwendige Drehmoment bereitzustellen. Dies führt dazu, In particular, a short-term increase in the load requirement can lead to the temperature window of NO formation being entered, at least briefly, in order to provide the necessary torque. This leads to,

dass die NOx Rohemissionen unter diesen Bedingungen stark steigen. that raw NOx emissions increase sharply under these conditions.

Eine zusätzliche Herausforderung hier ist es, den gewünschten niedrigeren Luftverhältnis-Wert möglichst schnell zu erreichen, um die gewünschte Dynamik in der Lastanforderung zu erfüllen. Je nach Ausführung und Peripherie der Brennkraftmaschine kann die Erreichung des Zielwertes für das Luftverhältnis aufgrund der Trägheit der Aufladekomponenten sowie jener der strömenden Gase An additional challenge here is to achieve the desired lower air ratio value as quickly as possible in order to meet the desired dynamics in the load requirement. Depending on the design and peripherals of the internal combustion engine, the target value for the air ratio can be achieved due to the inertia of the charging components and that of the flowing gases

bis zu mehrere Sekunden dauern. take up to several seconds.

Vorzugsweise handelt es sich um eine Wasserstoffbrennkraftmaschine, also um eine Brennkraftmaschine, die Wasserstoff als Kraftstoff verbrennt, und/oder die mit zumindest einem Kraftstoff versorgt wird, der Wasserstoff umfasst. Also beispielsweise eine solche Brennkraftmaschine, die mit einem Erdgas-It is preferably a hydrogen internal combustion engine, i.e. an internal combustion engine that burns hydrogen as fuel and/or that is supplied with at least one fuel that includes hydrogen. For example, such an internal combustion engine that runs on a natural gas

Wasserstoffgemisch als Kraftstoff betrieben wird. Hydrogen mixture is operated as fuel.

Insbesondere der wasserstoffbetriebene fremdgezündete Verbrennungsmotor kann einen wesentlichen Beitrag zur De-Karbonisierung des Mobilitätssektors leisten durch sein CO2-freies Abgas und das Fehlen kohlenstoffbasierter Schadstoffe. Als einzig relevante Schadstoffkomponente verbleibt erhöhter Stickoxidausstoß, der je nach Anwendungsgebiet des Motors durch geeignete Betriebsstrategien in Kombination mit unterschiedlichen peripheren Technologien im gesamten In particular, the hydrogen-powered spark-ignited internal combustion engine can make a significant contribution to the de-carbonization of the mobility sector through its CO2-free exhaust and the absence of carbon-based pollutants. The only relevant pollutant component remains increased nitrogen oxide emissions, which, depending on the area of application of the engine, can be reduced through suitable operating strategies in combination with different peripheral technologies throughout

motorischen Kennfeld reduziert werden kann. motor map can be reduced.

In einer Abgasnachbehandlung können Stickoxide reduziert (also von Sauerstoff befreit) werden. Demgemäß kann vorgesehen sein, dass dem Abgas über einen 3Weg-Katalysator, und/oder - insbesondere bei überstöchiometrischen Bedingungen - über selektive katalytische Reduktion (SCR) oder einen NOx-Speicher Stickoxiden entzogen werden. Insbesondere die beiden letzten Maßnahmen ermöglichen eine Reduktion auch in sauerstoffreicher Atmosphäre. Jedoch sind solche zusätzlichen Einrichtungen kostspielig, verbrauchen Platz und müssen gewartet werden. In exhaust gas aftertreatment, nitrogen oxides can be reduced (i.e. freed from oxygen). Accordingly, it can be provided that nitrogen oxides are removed from the exhaust gas via a 3-way catalytic converter and/or - especially in superstoichiometric conditions - via selective catalytic reduction (SCR) or a NOx storage device. The last two measures in particular enable a reduction even in an oxygen-rich atmosphere. However, such additional facilities are costly, consume space and require maintenance.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine dynamische Drehmomentbereitstellung ermöglicht und gleichzeitig die Stickoxidproduktion möglichst gering gehalten wird. The object of the invention is to provide a method in which dynamic torque provision is possible and at the same time nitrogen oxide production is kept as low as possible.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Brennkraftmaschine bei kurzfristiger Lasterhöhung in einem dynamischen Betrieb betrieben wird, bei dem das Luftverhältnis bei höherer Lastanforderung abgesenkt wird und die Abgasrückführungsrate erhöht wird. This is achieved according to the invention in that the internal combustion engine is operated in a dynamic operation when the load is increased for a short time, in which the air ratio is reduced at higher load requirements and the exhaust gas recirculation rate is increased.

Bei sich nur langsam ändernden, oder gar gleichbleibenden Lastanforderungen kann nach wie vor im Zuge des stationären Betriebs die Einstellung des bereitgestellten Drehmoments mit Hilfe des Luftverhältnisses erfolgen, da dort die If the load requirements change only slowly or even remain the same, the torque provided can still be adjusted during stationary operation using the air ratio, since that is where the

Stickoxidemission ohnehin gering ist. Nitrogen oxide emissions are low anyway.

Durch den dynamischen Betrieb wird erreicht, dass auch bei spontaner Bereitstellung eines hohen Drehmoments wenig Stickoxid entsteht. Durch das rückgeführte Abgas, als inerte zusätzliche Wärmekapazität, kann die Verbrennungstemperatur abgesenkt und somit die NOx Rohemission reduziert werden. Der niedrigere Ladedruckbedarf bringt einen deutlich schnelleren Lastanstieg mit sich, und die NOx Rohemissionen bleiben trotz des schnellen Lastanstiegs niedrig. Dazu schützt er noch vor Verbrennungsanomalien wie Dynamic operation ensures that little nitrogen oxide is produced even when high torque is spontaneously provided. The recirculated exhaust gas, as an inert additional heat capacity, can lower the combustion temperature and thus reduce raw NOx emissions. The lower boost pressure requirement results in a significantly faster increase in load, and raw NOx emissions remain low despite the rapid increase in load. It also protects against combustion abnormalities such as

Vorentflammungen und Klopfen und regelt die Brenngeschwindigkeit. Pre-ignition and knocking and regulates the burning speed.

Im Fall eines Wasserstoffmotors liegt der geforderte Mindestwert des Luftverhältnis in der Regel bei 1,75 bis 1,90, falls die maximalen Stickoxid Rohemissionen unter 10g/kWh gehalten werden müssen. Falls die maximalen Stickoxid Rohemissionen unter 5g/kWh gehalten werden sollen, so liegt der geforderte Minimalwert an Luftverhältnis normalerweise im Bereich zwischen 1,90 und 2,00 g/kWh. Der geforderte Minimalwertwert an Luftverhältnis ist u.U. auch durch die verwendete Abgasnachbehandlung bestimmt. Falls eine Anforderung besteht, dass die durch das Reduktionsmittel (wässrige Harnstofflösung, auch AdBlue oder DEF) im SCR Katalysator umgewandelte CO2 Emission zu beschränken (Ziel eines CO2-freier Antriebs) so muss die maximale Stickoxid Emission in der Regel in einem Bereich zwischen 1-2 g/kWh liegen, damit kann der geforderte Minimalwert an In the case of a hydrogen engine, the minimum required air ratio is usually 1.75 to 1.90 if the maximum raw nitrogen oxide emissions must be kept below 10g/kWh. If the maximum raw nitrogen oxide emissions are to be kept below 5g/kWh, the required minimum air ratio is normally in the range between 1.90 and 2.00 g/kWh. The required minimum air ratio value may also be determined by the exhaust gas aftertreatment used. If there is a requirement to limit the CO2 emissions converted by the reducing agent (aqueous urea solution, also AdBlue or DEF) in the SCR catalytic converter (the goal of a CO2-free drive), the maximum nitrogen oxide emissions must generally be in a range between 1- 2 g/kWh, so the required minimum value can be reached

Luftverhältnis auch 2,3 bis zu 2,6 betragen. Air ratio can also be 2.3 up to 2.6.

Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass während des stationären Betriebs die Abgasrückführungsrate erhöht wird. Insbesondere in bestimmten Situationen wie einer besonders hohen Drehmomentanforderung kann dies - dauerhaft oder vorübergehend - sinnvoll sein. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass während It can also be provided that the exhaust gas recirculation rate is increased during stationary operation. This can be useful - permanently or temporarily - particularly in certain situations such as a particularly high torque requirement. Alternatively, it can also be provided that during

des stationären Betriebs die Abgasrückführungsrate im Wesentlichen gleich bleibt. During stationary operation the exhaust gas recirculation rate remains essentially the same.

Dabei sind mit sich langfristig ändernden Lastanforderungen solche Anforderungen gemeint, bei der sich die Lastanforderung nicht ändert oder die Änderung der Lastanforderung so langsam ist, dass die tatsächlich mögliche Laständerung der Long-term changing load requirements refer to those requirements in which the load requirement does not change or the change in the load requirement is so slow that the actually possible load change

Anforderung entspricht sowie der für den stationären Motorbetrieb geforderte Requirement corresponds to that required for stationary engine operation

Mindestwert an Luftverhältnis nicht unterschritten werden muss. Bei einer solchen langfristigen Lastanforderung wird auch bei Erreichen der Volllast nur eine sehr geringe Menge an Stickoxiden produziert. In der Regel handelt es sich dabei um eine substanzielle Laständerung in einem Zeitraum von etwa 6 Sekunden oder mehr. Solche langfristigen Lastanforderungen stellen sich meist bei gleichmäßigem The minimum value of the air ratio must not be fallen below. With such a long-term load requirement, only a very small amount of nitrogen oxides is produced even when full load is reached. Typically this is a substantial change in load over a period of around 6 seconds or more. Such long-term load requirements usually arise with uniform

Betrieb wie Autobahnfahrten oder Überlandfahrten ein. Operation such as motorway journeys or cross-country journeys.

Unter sich kurzfristig ändernden Lastanforderungen sind solche Situationen gemeint, bei denen sich die Anforderung so schnell ändert, dass der für den stationären Motorbetrieb geforderte Mindestwert an Luftverhältnis unterschritten werden muss, um dem Laständerungswunsch zu entsprechen. Praktisch bedeutet das, die Ladedruckreserve des Motors ist zu gering um dem aktuellen Lastwunsch zu entsprechen. Es wird also ein wesentlich größeres Drehmoment innerhalb kurzer Zeit benötigt, in der Regel innerhalb von wenigen Sekunden (kleiner 6 Sekunden) oder gar Sekundenbruchteilen. Insbesondere bei einer Fahrt im Stadtgebiet oder bei einem Stop-and-Go-Betrieb eines Fahrzeugs treten solche Lastanforderungen auf. Short-term changing load requirements are situations in which the requirement changes so quickly that the minimum air ratio required for stationary engine operation must be undercut in order to meet the desired load change. In practical terms, this means that the engine's boost pressure reserve is too low to meet the current load requirement. A significantly larger torque is therefore required within a short time, usually within a few seconds (less than 6 seconds) or even fractions of a second. Such load requirements arise in particular when driving in an urban area or when a vehicle is in stop-and-go operation.

Das Luftverhältnis, auch Lambda genannt, ist dabei das Verhältnis der in einen Brennraum der Brennkraftmaschine für einen Verbrennungsvorgang eingebrachten Frischluftmasse durch das Produkt der in den Brennraum für den Verbrennungsvorgang eingebrachten Kraftstoffmasse mit dem stöchiometrischen Luftbedarf des Kraftstoffes: The air ratio, also called lambda, is the ratio of the fresh air mass introduced into a combustion chamber of the internal combustion engine for a combustion process by the product of the fuel mass introduced into the combustion chamber for the combustion process with the stoichiometric air requirement of the fuel:

Luftverhältnis= Frischluftmenge / (Kraftstoffmenge x stöchiometrischer Luftbedarf) Air ratio = fresh air quantity / (fuel quantity x stoichiometric air requirement)

Der stöchiometrische Luftbedarf ist dabei eine Verhältniszahl, die angibt, wie viel The stoichiometric air requirement is a ratio that indicates how much

Luft notwendig ist, um den betreffenden Kraftstoff stöchiometrisch zu verbrennen. Air is necessary to burn the fuel in question stoichiometrically.

Mit Lastanforderung ist dabei die Drehmomentanforderung gemeint, die der The load requirement means the torque requirement that the

Brennkraftmaschine zu einem bestimmten Moment gestellt wird. Internal combustion engine is set at a certain moment.

Die Abgasrückführungsrate ist dabei die Rate, die sich aus der Masse an in den Brennraum rückgeführtem Abgas, dividiert durch die Summe aus eingebrachter The exhaust gas recirculation rate is the rate that results from the mass of exhaust gas recirculated into the combustion chamber, divided by the sum of introduced

Frischluftmasse und eingebrachter Kraftstoffmasse, ergibt: Fresh air mass and fuel mass introduced results in:

Abgasrückführungsrate = rückgeführte Abgasmenge / (Frischluftmenge + Exhaust gas recirculation rate = amount of exhaust gas recirculated / (amount of fresh air +

Kraftstoffmenge) fuel quantity)

Dabei kann die Brennkraftmaschine mit äußerer (PFI - Port Fuel Injection) The internal combustion engine can be equipped with external (PFI - Port Fuel Injection).

und/oder mit innerer Gemischbildung (DI - Direct Injection) betrieben werden. and/or operated with internal mixture formation (DI - Direct Injection).

Die Abgasrückführung kann durch eine interne und/oder eine externe Exhaust gas recirculation can be done internally and/or externally

Abgasrückführung erfolgen. Exhaust gas recirculation takes place.

Dabei können neben dem stationären und dynamischen Betrieb auch weitere Betriebe oder Betriebsarten vorgesehen sein. Es kann auch sinnvoll sein, dass die Brennkraftmaschine unter bestimmten Voraussetzungen auch bei sich nur langfristig ändernden Lastanforderungen in einem Betrieb betrieben wird, der nicht der stationäre Betrieb ist (beispielsweise der dynamische Betrieb) und/oder dass die Brennkraftmaschine unter bestimmten Voraussetzungen auch bei kurzfristiger Lasterhöhung in einem Betrieb betrieben wird, der nicht der dynamische Betrieb ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn aufgrund der Fahrhistorie oder Sensordaten klar ist, dass sich das Fahrzeug im Stadtgebiet befindet, in dem mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit in kürzeren Abständen von mehreren Sekunden bis In addition to stationary and dynamic operation, other operations or operating modes can also be provided. It can also make sense for the internal combustion engine, under certain conditions, to be operated in an operation that is not stationary operation (for example dynamic operation), even when load requirements only change over the long term, and/or for the internal combustion engine to operate under certain conditions even in the event of a short-term increase in load is operated in an operation that is not dynamic operation. This can be the case, for example, if it is clear based on the driving history or sensor data that the vehicle is in an urban area, in which it is very likely that the vehicle is in shorter intervals of several seconds to

Minuten kurzfristige Lasterhöhungen zu erwarten sind. Minutes short-term load increases are to be expected.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Luftverhältnis bei sich nur langfristig ändernder Lastanforderung/im stationären Betrieb zumindest 1,75 und vorzugsweise zumindest 2 beträgt und/oder maximal 3,5 und vorzugsweise maximal 3 beträgt. So wird sichergestellt, dass möglichst wenig Stickoxid It is preferably provided that the air ratio is at least 1.75 and preferably at least 2 and/or at most 3.5 and preferably at most 3 when the load requirement only changes over the long term/in stationary operation. This ensures that as little nitrogen oxide as possible

produziert wird. is produced.

Um eine besonders schnelle Drehmomentbereitstellung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführungsrate bei kurzfristiger Lasterhöhung im dynamischen Betrieb auf zumindest 10% erhöht wird, vorzugsweise zumindest 20% und besonders vorzugsweise zumindest 30%. In Hinblick auf minimale NOx Rohemissionen ist eine besonders hohe Abgasrückführrate, wie beispielsweise eine um 30% erhöhte, vorteilhaft, in Hinblick auf einen besonders schnellen Lastanstieg ist eine geringere Abgasrückführrate, wie beispielsweise eine um 10 bis 20% erhöhte, besonders vorteilhaft. In order to achieve a particularly rapid provision of torque, it can be provided that the exhaust gas recirculation rate is increased to at least 10%, preferably at least 20% and particularly preferably at least 30%, in the event of a short-term increase in load in dynamic operation. With regard to minimal NOx raw emissions, a particularly high exhaust gas recirculation rate, such as one increased by 30%, is advantageous; with regard to a particularly rapid increase in load, a lower exhaust gas recirculation rate, such as one increased by 10 to 20%, is particularly advantageous.

Besonders vorteilhaft ist, wenn bei kurzfristiger Lasterhöhung im dynamischen Betrieb das Luftverhältnis auf einen Wert unterhalb von 1,5, vorzugsweise auf einen Wert unterhalb von 1,2 abgesenkt wird. Das niedrige Luftverhältnis ermöglicht eine maximale NOx Minderung des rückgeführten Abgases sowie einen niedrigen Ladedruckbedarf. Der niedrige Ladedruckbedarf ermöglicht einen beschleunigten It is particularly advantageous if, during short-term load increases in dynamic operation, the air ratio is reduced to a value below 1.5, preferably to a value below 1.2. The low air ratio enables maximum NOx reduction in the recirculated exhaust gas as well as low boost pressure requirements. The low boost pressure requirement enables acceleration

Lastanstieg. Load increase.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Abgasrückführungsrate bei kurzfristiger Lasterhöhung im dynamischen Betrieb um zumindest 10 Prozentpunkte erhöht wird, vorzugsweise zumindest 20 Prozentpunkte und besonders vorzugsweise zumindest 30 Prozentpunkte. Die hohe AGR Rate erlaubt niedriges Luftverhältnis, (vorzugsweise Luftverhältnis = 1) Dadurch sinkt der Ladedruckbedarf signifikant. Da der Lastanstieg bei einer Brennkraftmaschine bei kurzfristiger Lasterhöhung ohnehin durch den Anstieg des Ladedrucks begrenzt wird, ist dadurch besonders schnelle Drehmomentbereitstellung möglich. Das niedrige Luftverhältnis wiederum ermöglicht eine maximale NOx Minderung des rückgeführten Abgas. Mit einer Erhöhung um Prozentpunkte ist damit gemeint, dass sich die Abgasrückführungsrate um ebenso viele Prozent erhöht, also beispielsweise bei It can also be advantageous if the exhaust gas recirculation rate is increased by at least 10 percentage points during short-term load increases in dynamic operation, preferably at least 20 percentage points and particularly preferably at least 30 percentage points. The high EGR rate allows a low air ratio (preferably air ratio = 1). This significantly reduces the boost pressure requirement. Since the increase in load in an internal combustion engine is anyway limited by the increase in boost pressure in the event of a short-term increase in load, particularly rapid provision of torque is possible. The low air ratio in turn enables maximum NOx reduction in the recirculated exhaust gas. An increase of percentage points means that the exhaust gas recirculation rate increases by the same number of percent, for example

einer Erhöhung um 10 Prozentpunkte von 5% auf 15%. an increase of 10 percentage points from 5% to 15%.

Weiters kann vorgesehen sein, dass während des stationären Betriebs eine Abgasrückführung erfolgt. In der Regel ist hier eine Abgasrückführung mit niedriger Abgasrückführungsrate sinnvoll, also beispielsweise im Bereich von unter 10 % Furthermore, it can be provided that exhaust gas recirculation takes place during stationary operation. As a rule, exhaust gas recirculation with a low exhaust gas recirculation rate makes sense here, for example in the range of less than 10%

oder unter 5%. or below 5%.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgesehen, dass Frischluft vor dem Einführen in zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine über einen Turbolader komprimiert und vorzugsweise gekühlt wird. So kann der Ladedruck möglichst hoch gehalten werden und eine ausreichende Drehmomentbereitstellung erfolgen. Durch die Kühlung kann die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten und so der Stickoxidausstoß vermindert werden. In a preferred embodiment it is provided that fresh air is compressed and preferably cooled via a turbocharger before being introduced into at least one combustion chamber of the internal combustion engine. In this way, the boost pressure can be kept as high as possible and sufficient torque can be provided. Cooling allows the combustion temperature to be kept low, thereby reducing nitrogen oxide emissions.

Es kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführung über eine Hochdruckabgasrückführung erfolgt und das rückgeführte Abgas vorzugsweise vor der Einführung in den Brennraum gekühlt wird. Dies ermöglicht eine besonders hohe Ladedruckentlastung. It can be provided that the exhaust gas recirculation takes place via a high-pressure exhaust gas recirculation and the recirculated exhaust gas is preferably cooled before being introduced into the combustion chamber. This enables a particularly high boost pressure relief.

Um die Temperatur im Brennraum weiter zu senken kann vorgesehen sein, dass im dynamischen Betrieb Wasser in zumindest einen Brennraum, vorzugsweise aber in allen Brennräumen, der Brennkraftmaschine eingeführt wird und vorzugsweise direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Dabei kann das Wasser stromaufwärts des Einlassventils mit der Frischluft und/oder Kraftstoff vermischt werden oder das Wasser direkt in den Brennraum eingespritzt werden. Eine zyklusgetreu applizierbare Wassereinspritzung wirkt sich durch Wärmeentzug aus dem Brennraum für den Phasenübergang (Verdampfungsenthalpie) des eingebrachten Wassers ebenfalls senkend auf die Verbrennungstemperatur aus und reduziert so die NOx Rohemissionen. Dabei kann vorgesehen sein, dass Wasser aus dem Abgas auskondensiert wird und besonders vorzugsweise zur Wassereinspritzung verwendet wird. Insbesondere bei wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschinen ist In order to further reduce the temperature in the combustion chamber, it can be provided that during dynamic operation water is introduced into at least one combustion chamber, but preferably in all combustion chambers, of the internal combustion engine and is preferably injected directly into the combustion chamber. The water can be mixed with the fresh air and/or fuel upstream of the inlet valve or the water can be injected directly into the combustion chamber. Water injection that can be applied according to the cycle also has a lowering effect on the combustion temperature by removing heat from the combustion chamber for the phase transition (enthalpy of vaporization) of the water introduced and thus reduces raw NOx emissions. It can be provided that water is condensed out of the exhaust gas and is particularly preferably used for water injection. This is particularly the case with hydrogen-powered internal combustion engines

das sinnvoll. that makes sense.

Um eine schnellere Erhöhung des Ladedrucks unabhängig von der Abgasenthalpie zu gewährleisten, kann im stationären Betrieb bei höherer Lastanforderung der Ladedruck mittels einer zusätzlichen Druckquelle, vorzugsweise angetrieben durch einen Elektromotor, erhöht werden. Dazu kann der Elektromotor beispielsweise einen Verdichter antreiben, der die Frischluft oder das Frischluft/Kraftstoffgemisch vor dem Einführen in den Brennraum verdichtet oder zusätzlich (beispielsweise zu In order to ensure a faster increase in the boost pressure regardless of the exhaust gas enthalpy, the boost pressure can be increased in stationary operation with higher load requirements using an additional pressure source, preferably driven by an electric motor. For this purpose, the electric motor can, for example, drive a compressor which compresses the fresh air or the fresh air/fuel mixture before it is introduced into the combustion chamber or additionally (for example

einem Turbolader) verdichtet. a turbocharger).

Um die Erzeugung von Stickoxiden weiter zu mindern kann vorgesehen sein, dass im stationären Betrieb bei höherer Lastanforderung die Steuerzeiten zumindest eines Ventils der Brennkraftmaschine verändert werden. Die Steuerzeitenanpassung ermöglicht die Beeinflussung sowohl der dem Prozess zur Verfügung stehenden Luftmasse als auch der intern rückgeführten bzw. verbleibenden Abgasmasse (interne Abgasrückführung) zur Einflussnahme auf die Verbrennungstemperatur und damit auf die Stickoxid-Rohemissionen. Diese Maßnahme kann auch im dynamischen Betrieb angewendet werden. In order to further reduce the production of nitrogen oxides, it can be provided that the control times of at least one valve of the internal combustion engine are changed during stationary operation with higher load requirements. The control time adjustment makes it possible to influence both the air mass available to the process and the internally recirculated or remaining exhaust gas mass (internal exhaust gas recirculation) in order to influence the combustion temperature and thus the raw nitrogen oxide emissions. This measure can also be used in dynamic operation.

Um dieses Ziel zu erreichen kann ebenso vorgesehen sein, dass im stationären Betrieb bei höherer Lastanforderung die Ventilhubhöhe zumindest eines Ventils der Brennkraftmaschine verändert wird. Diese Maßnahme kann ebenso im dynamischen Betrieb angewendet werden. Durch die Umschaltung zwischen verschiedenen In order to achieve this goal, it can also be provided that the valve lift height of at least one valve of the internal combustion engine is changed during stationary operation with higher load requirements. This measure can also be used in dynamic operation. By switching between different

Nockenprofilen kann zyklusgetreu Einfluss auf die verfügbare Luftmasse und somit Cam profiles can influence the available air mass and thus, depending on the cycle

auch das Luftverhältnis und die NOx-Rohemissionen genommen werden. the air ratio and the NOx raw emissions are also taken.

Insbesondere die Kombination Steuerzeitanpassung und Ventilhubhöhenanpassung ist vorteilhaft. Der Einsatz eines vollvariablen Ventiltriebes bietet größtmögliche Flexibilität in der Applikation bzw. Nutzbarmachung zur Absenkung der Stickoxid-The combination of control timing adjustment and valve lift height adjustment is particularly advantageous. The use of a fully variable valve drive offers the greatest possible flexibility in the application or use to reduce nitrogen oxide levels.

Rohemissionen. Raw emissions.

Erfindungsgemäß können während des stationären Betriebs auch weitere Maßnahmen zur Reduktion des Stickoxidausstoßes gesetzt werden. Beispielsweise According to the invention, further measures to reduce nitrogen oxide emissions can also be taken during stationary operation. For example

können diese Maßnahmen die beschriebe Wassereinführung sein. These measures can be the water introduction described.

In weiterer Folge wird die Erfindung anhand der nicht einschränkenden Figuren The invention is further explained with reference to the non-restrictive figures

näher erläutert. Es zeigen: explained in more detail. Show it:

Fig. 1a ein Diagramm der NO,x-Produktion in Abhängigkeit des Fig. 1a is a diagram of the NO,x production depending on the

Luftverhältnisses in einem Verfahren nach dem Stand der Technik; Air ratio in a prior art process;

Fig. 1b ein Diagramm der Motorlast in Abhängigkeit der Zeit entsprechend Fig. 1b shows a diagram of the engine load as a function of time

des Verfahrens aus Fig. 1a; the method from Fig. 1a;

Fig. 2a ein Diagramm der NO,x-Produktion in Abhängigkeit des Luftverhältnisses in einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Fig. 2a is a diagram of the NO,x production depending on the air ratio in a method according to the invention in a

Ausführungsform; embodiment;

Fig. 2b ein Diagramm der Motorlast in Abhängigkeit der Zeit entsprechend Fig. 2b is a diagram of the engine load as a function of time

des Verfahrens aus Fig. 2a. the method from Fig. 2a.

In Fig. 1 ist die Produktion von Stickoxiden in Abhängigkeit des Luftverhältnisses während des Betriebs eines Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik aufgetragen. Darunter ist die dazugehörende Abgasrückführungsrate in Abhängigkeit des Luftverhältnisses aufgetragen, welche durchgehend gleich bleibt bei etwa 2%. Wie ersichtlich ist, ist die NOx Emission im Bereich zwischen Luftverhältnis 1 und 1,8 sehr hoch und fällt dann mit zunehmendem Luftverhältnis weiter ab. Fig. 1b zeigt die Motorlast, also das ausgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine, im Zeitverlauf während des Verfahrens, wenn es zu einer kurzfristigen Lasterhöhung In Fig. 1, the production of nitrogen oxides is plotted as a function of the air ratio during operation of a vehicle according to the prior art. The associated exhaust gas recirculation rate is plotted below as a function of the air ratio, which remains the same throughout at around 2%. As can be seen, the NOx emission is very high in the range between air ratio 1 and 1.8 and then falls further as the air ratio increases. Fig. 1b shows the engine load, i.e. the output torque of the internal combustion engine, over time during the process if there is a short-term increase in load

kommt. comes.

Wird eine Brennkraftmaschine in einem Betriebspunkt 1 betrieben, also bei niedriger Last, so ist es ausreichend, bei einem sehr mageren Mischungsverhältnis bei einem Luftverhältnis von 2,8 zu bleiben, um dieses Drehmoment bereitzustellen. Durch das hohe Luftverhältnis wird wenig Stickoxid produziert. Wenn der Drehmomentbedarf langfristig steigt, so kann das Luftverhältnis langsam reduziert werden und so das höhere Drehmoment bereitgestellt werden. Dabei ist keine Übersteuerung nötig und niedrige Luftverhältnisse, bei denen die NOxRohemissionen wesentlich steigen, werden nicht erreicht. Wenn aber wie in Figs. 1a und 1b kurzfristig der Drehmomentbedarf stark steigt, so wird das Luftverhältnis stark gesenkt. Um den Drehmomentbedarf vollständig decken zu können, muss dabei vorübergehend das Luftverhältnis auf bis zu 1,45 gesenkt werden (Punkt 2). Dadurch steigt die NOx Emission massiv an, auf etwa 40 g/kWh. Nach wenigen Sekunden kann das Luftverhältnis wieder reduziert werden, da durch den ausreichenden Ladedruck ein höheres Luftverhältnis von etwa 1,8 ausreicht, um das höhere Drehmoment bereitzustellen (Punkt 3), womit die NOx-Emission wieder auf unter 10 g/kWh fällt. If an internal combustion engine is operated at operating point 1, i.e. at low load, it is sufficient to remain at a very lean mixture ratio with an air ratio of 2.8 in order to provide this torque. The high air ratio means that little nitrogen oxide is produced. If the torque requirement increases in the long term, the air ratio can be slowly reduced and the higher torque can be provided. No overcontrol is necessary and low air conditions, at which raw NOx emissions increase significantly, are not achieved. But if as in Figs. 1a and 1b, if the torque requirement increases sharply in the short term, the air ratio is greatly reduced. In order to fully cover the torque requirement, the air ratio must be temporarily reduced to up to 1.45 (point 2). This causes NOx emissions to rise massively, to around 40 g/kWh. After a few seconds, the air ratio can be reduced again, as the sufficient boost pressure means a higher air ratio of around 1.8 is sufficient to provide the higher torque (point 3), which means that NOx emissions fall back to below 10 g/kWh.

In Fig. 2a wird das gleiche Diagramm gezeigt, jedoch um einen Ast erweitert, der die NOx-Emission in Abhängigkeit des Luftverhältnisses zeigt, wenn ein (ebenso im unteren Teil des Diagramms erweitertes) erfindungsgemäßes Abgasrückführungsverhalten angewendet wird. Wenn gemäß Fig. 2b der gleiche Lastanforderungsverlauf wie bei Fig. 1b vorliegt, so ist das Verhalten im Punkt 1 gleich. Wenn nun kurzfristig die Lastanforderung steigt, wird ebenso das Luftverhältnis stark gesenkt. Zusätzlich wird aber wie im unteren Teil der Fig. 1a ersichtlich die Abgasrückführungsrate von 2% um etwa 26 Prozentpunkte auf etwa 28% erhöht. Dadurch wird eine wesentlich geringere Verbrennungstemperatur erreicht und es kommt nur zu einer NOx Rohemission von etwa 2 g/kWh (Punkt 2a). Nach mehreren Sekunden kann der Ladedruck entsprechend angepasst und ein höheres Luftverhältnis von etwa 1,8 eingestellt werden, um wieder möglichst wenig Stickoxid, also NOx, zu produzieren aber die Brennkraftmaschine trotzdem möglichst effizient zu betreiben und in einen stationären Betrieb mit geringer, im In Fig. 2a the same diagram is shown, but expanded by a branch, which shows the NOx emission as a function of the air ratio when an exhaust gas recirculation behavior according to the invention (also expanded in the lower part of the diagram) is applied. If, according to FIG. 2b, the same load requirement curve is present as in FIG. 1b, the behavior at point 1 is the same. If the load requirement increases in the short term, the air ratio is also significantly reduced. In addition, as can be seen in the lower part of FIG. 1a, the exhaust gas recirculation rate is increased from 2% by approximately 26 percentage points to approximately 28%. As a result, a significantly lower combustion temperature is achieved and there is only a raw NOx emission of around 2 g/kWh (point 2a). After several seconds, the boost pressure can be adjusted accordingly and a higher air ratio of around 1.8 can be set in order to produce as little nitrogen oxide, i.e. NOx, as possible but still operate the internal combustion engine as efficiently as possible and bring it into stationary operation with low, im

Wesentlichen konstanter Abgasrückführung zurückzukehren (Punkt 3). To return to essentially constant exhaust gas recirculation (point 3).

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, vorzugsweise mit Wasserstoff als Kraftstoff, wobei die Brennkraftmaschine in einem stationären Betrieb betrieben wird, bei dem das Luftverhältnis bei höherer Lastanforderung abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine bei kurzfristiger Lasterhöhung in einem dynamischen Betrieb betrieben wird, bei dem das Luftverhältnis bei höherer Method for operating a gas-operated internal combustion engine, preferably with hydrogen as fuel, the internal combustion engine being operated in a stationary operation in which the air ratio is reduced when the load is higher, characterized in that the internal combustion engine is operated in a dynamic operation when the load increases for a short time where the air ratio is higher

Lastanforderung abgesenkt wird und die Abgasrückführungsrate erhöht wird. Load requirement is reduced and the exhaust gas recirculation rate is increased.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis bei im stationären Betrieb zumindest 1,75 und vorzugsweise zumindest 2 beträgt und/oder maximal 3,5 und vorzugsweise maximal 3 Method according to claim 1, characterized in that the air ratio in stationary operation is at least 1.75 and preferably at least 2 and / or a maximum of 3.5 and preferably a maximum of 3

beträgt. amounts.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführungsrate bei kurzfristiger Lasterhöhung im dynamischen Betrieb auf zumindest 10% erhöht wird, vorzugsweise zumindest 20% und besonders Method according to claim 1 or 2, characterized in that the exhaust gas recirculation rate is increased to at least 10% in the event of a short-term increase in load in dynamic operation, preferably at least 20% and especially

vorzugsweise zumindest 30%. preferably at least 30%.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei kurzfristiger Lasterhöhung im dynamischen Betrieb das Luftverhältnis auf einen Wert unterhalb von 1,5, vorzugsweise auf einen Wert unterhalb von Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the event of a short-term increase in load in dynamic operation, the air ratio is reduced to a value below 1.5, preferably to a value below

1,2 abgesenkt wird. 1.2 is lowered.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführungsrate bei kurzfristiger Lasterhöhung im dynamischen Betrieb um zumindest 10 Prozentpunkte erhöht wird, vorzugsweise zumindest 20 Prozentpunkte und besonders vorzugsweise Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the exhaust gas recirculation rate is increased by at least 10 percentage points, preferably at least 20 percentage points and particularly preferably, in the event of a short-term increase in load in dynamic operation

zumindest 30 Prozentpunkte. at least 30 percentage points.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, Method according to one of claims 1 to 5, characterized in

dass während des stationären Betriebs eine Abgasrückführung erfolgt. that exhaust gas recirculation takes place during stationary operation.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, Method according to one of claims 1 to 6, characterized

dass Frischluft vor dem Einführen in zumindest einen Brennraum der that fresh air is introduced into at least one combustion chamber

Brennkraftmaschine über einen Turbolader komprimiert wird und vorzugsweise Internal combustion engine is compressed via a turbocharger and preferably

gekühlt wird. is cooled.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung über eine Hochdruckabgasrückführung erfolgt und das rückgeführte Abgas vorzugsweise vor der Einführung in den Brennraum 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the exhaust gas recirculation takes place via a high-pressure exhaust gas recirculation and the recirculated exhaust gas is preferably introduced into the combustion chamber

gekühlt wird. is cooled.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im dynamischen Betrieb Wasser in zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingeführt wird und vorzugsweise direkt in den Brennraum eingespritzt, besonders vorzugsweise in allen Brennräumen 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that in dynamic operation, water is introduced into at least one combustion chamber of the internal combustion engine and is preferably injected directly into the combustion chamber, particularly preferably in all combustion chambers

eingespritzt wird. is injected.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im stationären Betrieb bei höherer Lastanforderung der Ladedruck mittels einer zusätzlichen Druckquelle, vorzugsweise mittels eines Elektromotors, 10. The method according to one of claims 1 to 9, characterized in that in stationary operation with higher load requirements, the boost pressure is increased by means of an additional pressure source, preferably by means of an electric motor.

erhöht wird. is increased.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im stationären Betrieb bei höherer Lastanforderung die Steuerzeiten 11. The method according to one of claims 1 to 10, characterized in that in stationary operation with higher load requirements, the control times

zumindest eines Ventils der Brennkraftmaschine verändert werden. at least one valve of the internal combustion engine can be changed.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im stationären Betrieb bei höherer Lastanforderung die Ventilhubhöhe 12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that in stationary operation with higher load requirements, the valve lift height

zumindest eines Ventils der Brennkraftmaschine verändert wird. at least one valve of the internal combustion engine is changed.

11.03.2022 MT 03/11/2022 MT