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Gebiet der Erfindung
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Es
wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors offenbart,
dem sowohl Wasserstoff-Kraftstoff als auch ein anderer Kraftstoff
zugeführt
werden.
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Hintergrund
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Aufgrund
von Bedenken bezüglich
Treibhausgasen, die aus kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen wie Benzin,
Diesel und Alkoholkraftstoffen abgegeben werden, besteht ein ausgeprägtes Interesse, Motorfahrzeuge
mit Wasserstoff zu versorgen, der bei Verbrennung Wasser erzeugt.
Mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotoren leiden verglichen mit
benzin- oder dieselbetriebenen Motoren unter einer niedrigen Leistungsabgabe,
da Wasserstoff ein gasförmiger
Kraftstoff ist, der viel von dem Volumen in Zylinder einnimmt, insbesondere
verglichen mit dichten Kraftstoffen wie Benzin- oder Dieselkraftstoff. Weiterhin
ist die Wasserstoffverbrennung aufgrund zunehmender Verbrennungsrauheit
und, falls dies ein wichtiger Punkt ist, schnell ansteigender NOx-Emission
auf das Betreiben bei einem Äquivalenzverhältnis von
etwa 0,5 oder weniger beschränkt. Ein Äquivalenzverhältnis von
1 ist ein stöchiometrisches
Verhältnis,
was bedeutet, dass der Anteil von Kraftstoff zu Luft so ist, dass
der gesamte Sauerstoff und Kraftstoff vollständig verbrennen könnten. Ein Äquivalenzverhältnis von
0,5 ist ein mageres Verhältnis,
bei dem die zugeführte
Luftmenge doppelt so groß wie
die zum vollständigen
Verbrauchen des Kraftstoffs erforderliche Menge ist. Ein solcher Grenzwert
des Äquivalenzverhältnisses
führt zu
etwa der halben Kraftstoffzufuhr, die von der Luftmenge in dem Brennraum
verbraucht werden könnte,
und folglich zu etwa dem halben Drehmoment, das von dem Motor verglichen
mit einem stöchiometrischen
Anteil erzeugt wird.
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Das Äquivalenzverhältnis ist
als das Kraftstoff/Luftverhältnis
(nach Masse) des Gemisches dividiert durch das Kraftstoff/Luft-Verhältnis für ein stöchiometrisches
Gemisch definiert. Ein stöchiometrisches
Gemisch weist ein Äquivalenzverhältnis von 1,0
auf; magere Gemische liegen unter 1,0; und fette Gemische liegen über 1,0.
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Kurzdarlegung der Erfindung
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass durch Betreiben
mit zwei Kraftstoffen, zum Beispiel Wasserstoff und Benzin, der
Motor bei niedrigen Drehmomentwerten mit Wasserstoff und bei höheren Drehmomentwerten
mit Benzin betrieben werden könnte.
Wasserstoff verbrennt ohne Weiteres bei sehr mageren Äquivalenzverhältnissen und
ist bei sehr niedrigen Drehmomenten mit höchstens minimaler Drosselung
gut zum stabilen Verbrennen geeignet. Benzin ist aufgrund seiner
hohen Energiedichte und Fähigkeit
zum Arbeiten bei Stöchiometrie
gut zum Vorsehen hohen Drehmoments geeignet. Die Erfinder der vorliegenden
Erfindung schlagen einen Bikraftstoffmotor vor, bei dem zwischen dem
Betreiben mit Wasserstoff und einem anderen Kraftstoff gewechselt
wird.
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Der
Kraftstoff für
hohes Drehmoment kann ein Kohlenwasserstoff sein, beispielsweise
Erdgas, Propan, Benzin oder Alkohole wie Methanol oder Ethanol.
Weiterhin können
auch Kombinationen des gasförmigen
Kraftstoffs oder Kombinationen der flüssigen Kraftstoffe verwendet
werden, beispielsweise E85, eine Mischung aus 85% Ethanol mit 15%
Benzin. Kraftstoffe für
hohes Drehmoment enthalten Kohlenstoff, der bei Verbrennung reagiert,
um Kohlendioxid, ein Treibhausgas, zu bilden. Da Wasserstoff nur Wasser
als Verbrennungsprodukt erzeugt, bildet er kein Treibhausgas. Somit
ist es erwünscht,
wenn möglich
mit Wasserstoff zu arbeiten und die kohlenstoffhaltigen Kraftstoffe
nach Bedarf zu verwenden, um das Solldrehmoment vorzusehen.
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Ein
normalisiertes Motordrehmoment, das üblicherweise von einem Fachmann
verwendet wird, ist BMEP, mittlere Bremsleistung (kurz vom engl.
Brake Mean Effective Pressure), die bei Viertaktmotoren bei 2·P/(V·N) liegt,
wobei P die Bremsleistung ist, V das verdrängte Volumen ist und N U/min.
des Motors sind.
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Es
wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors offenbart,
bei dem dem Motor ein Wasserstoffkraftstoff zugeführt wird,
wenn sich der Motor bei einer ersten Betriebsbedingung befindet.
Kohlenwasserstoffkraftstoff wird dem Motor zugeführt, wenn sich der Motor bei
einer zweiten Betriebsbedingung befindet. Die erste Betriebsbedingung
liegt unter einer Schwellen-BMEP und die zweite Betriebsbedingung
liegt über
der Schwellen-BMEP. Wenn der Motor ein Saugmotor ist, liegt die
Schwellen-BMEP zwischen 3,5 und 5 bar. Wenn der Motor durch einen
Turbolader oder Lader druckgeladen ist, liegt die Schwellen-BMEP
zwischen 6 und 8 bar. In einer anderen Ausführungsform weist die erste
Betriebsbedingung zusätzlich
zu einem BMEP-Grenzwert auch eine Motordrehzahl auf, die unter einer
Schwellen-Kolbengeschwindigkeit
liegt. Die zweite Betriebsbedingung liegt über der Schwellen-BMEP oder über der
Schwellen-Kolbengeschwindigkeit. Die Schwellen-Kolbengeschwindigkeit liegt zwischen
12 und 16 m/s. Da sich der Kolben sowohl nach oben als auch nach
unten bewegt, wenn der Motor eine Umdrehung ausführt, wird die Kolbengeschwindigkeit
als 2·S·N berechnet,
wobei S Hub ist und N U/min. des Motors sind. Die Kolbengeschwindigkeit
ist während
der gesamten Umdrehung nicht konstant; die hier berechnete Kolbengeschwindigkeit ist
eine mittlere Kolbengeschwindigkeit.
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Der
Kohlenwasserstoffkraftstoff kann Benzin oder ein Gemisch aus Benzin
mit einem Alkoholkraftstoff sein. Alternativ kann der Kohlenwasserstoffkraftstoff
ein gasförmiger
Kraftstoff sein, beispielsweise Erdgas oder Propan.
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Ferner
wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors offenbart,
bei dem Wasserstoff zugeführt
wird, wenn eine Temperatur eines mit dem Motorauslass verbundenen
Dreiwegekatalysators unter einer Schwellentemperatur liegt, und
ein flüssiger
Kraftstoff wird dem Motor nur zugeführt, wenn eine Temperatur des Dreiwegekatalysators über der
Schwellentemperatur liegt. Der flüssige Kraftstoff kann Benzin,
Alkohol oder eine Kombination davon sein. Die Schwellentemperatur
ist eine Anspringtemperatur des Dreiwegekatalysators. In einer Ausführungsform
liegt die Temperatur nicht nur über der
Anspringtemperatur des Katalysators, sondern der Motor erzeugt mehr
als eine Schwellen-BMEP, wenn der flüssige Kraftstoff zugeführt wird.
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Es
wird ein Verfahren zum Vornehmen eines Wechsels von einer ersten
zu einer zweiten Betriebsart offenbart, wobei die Luftzufuhr gesenkt
wird, die Zufuhr eines ersten Kraftstoffs gesenkt wird und die Zufuhr
eines zweiten Kraftstoffs zu Beginn des Wechsels eingeleitet wird.
Der erste Kraftstoff ist im Wesentlichen 100% Wasserstoff und der
zweite Kraftstoff besteht vorrangig zum Beispiel aus Kohlenwasserstoffen,
Benzin oder Benzin- und Alkoholgemischen. Alternativ ist der zweite
Kraftstoff ein gasförmiger
Kohlenwasserstoff. Während
des Wechsels wird der Wasserstoffbetrag ständig gesenkt, so dass bei Beendigung
des Wechsels dem Motor Wasserstoff nicht länger zugeführt wird. Gleichzeitig wird
die Menge des zweiten Brennstoffs während des Wechsels koordiniert
mit der Wasserstoffabnahme angehoben. Der Wechsel wird eingeleitet,
wenn eine Forderung nach Drehmoment das Äquivalenzverhältnis des
Wasserstoffkraftstoffs einen Grenzwert übersteigen lässt, der
bei etwa 0,5 liegt. Die Luftzufuhrabnahme wird durch Schließen der
Drosselklappe des Motors verwirklicht, wobei die Luftzufuhrabnahme
während
des Wechsels in dem Bereich von 30–60% liegt. In einer Ausführungsform
wird der Wechsel weiterhin als Reaktion auf ein Überschreiten eines Grenzwerts durch
die Kolbengeschwindigkeit eingeleitet. Die Motorkolbengeschwindigkeit
wird berechnet als 2·S·N, wobei
S der Hub ist und N die U/min. des Motors sind. Die Kolbengeschwindigkeit
ist während
der Umdrehung nicht konstant; die hier berechnete Kolbengeschwindigkeit
ist die mittlere Kolbengeschwindigkeit.
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Ferner
wird ein Verfahren zum Wechsel zwischen zwei Betriebsarten in einem
Verbrennungsmotor offenbart, wobei die Luftzufuhr wesentlich erhöht wird,
die Zufuhr von Wasserstoff eingeleitet wird und die Zufuhr eines
zweiten Kraftstoffs gesenkt wird, wobei alles in etwa bei Einleiten
des Wechsels erfolgt. Der Wechsel wird als Reaktion auf eine Forderung nach
einer Drehmomentabnahme unter eine Schwellen-BMEP eingeleitet, wobei
diese BMEP bei einem Saugmotor 3,5 bis 5 bar beträgt und bei
einem druckgeladenen Motor zwischen 6 und 8 bar liegt. Während des
Wechsels steigt die Luftzufuhr in dem Bereich von 30–60%. Die
Zufuhr von Wasserstoff zum Motor bei Einleiten von Wechsel lässt das Äquivalenzverhältnis nur
bezüglich
des Wasserstoffkraftstoffs bei mindestens 0,1 liegen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
hierin beschriebenen Vorteile werden durch Lesen eines Beispiels
einer Ausführungsform, bei
dem die Erfindung vorteilhaft genutzt wird und das hierin als eingehende
Beschreibung bezeichnet wird, unter Bezug auf die Zeichnungen besser
verständlich.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Schemabild eines Motors mit zwei Kraftstoffversorgungen;
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2a–b Motorbetriebskennfelder
von BMEP und Kolbengeschwindigkeit, die Betriebszonen für zwei Kraftstoffe
zeigen;
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3 ein
Motorbetriebskennfeld von BMEP und Katalysatortemperatur, das Betriebszonen
für zwei
Kraftstoffe zeigt; und
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4 und 5 Zeitlinien
für Wechsel
von Wasserstoff zu Benzin.
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Eingehende Beschreibung
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In 1 wird
beispielhaft ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor 10 gezeigt.
Dem Motor 10 wird durch einen Ansaugkrümmer 12 Luft zugeführt und
er lässt
durch einen Abgaskrümmer 14 verbrauchte
Gase ab. Ein Einlasskanal stromaufwärts des Ansaugkrümmers 12 enthält eine
Drosselklappe 32, die bei Betätigung die Luftstrommenge zum
Motor 10 steuert. Sensoren 34 und 36,
die im Ansaugkrümmer 12 eingebaut
sind, messen Lufttemperatur bzw. Luftmassenstrom (MAF). Ein Sensor 31,
der in dem Ansaugkrümmer 14 stromabwärts der
Drosselklappe 32 angeordnet ist, ist ein Krümmerunterdrucksensor
(MAP). Eine teilweise geschlossene Drosselklappe 32 bewirkt
verglichen mit dem Druck an der stromaufwärts liegenden Seite der Drosselklappe 32 eine
Druckabnahme im Ansaugkrümmer 12.
Wenn im Ansaugkrümmer 12 eine
Druckabnahme vorliegt, werden Abgase veranlasst, durch einen Kanal 19 zur Abgasrückführung (AGR)
zu strömen,
der den Abgaskrümmer 14 mit
dem Ansaugkrümmer 12 verbindet.
In dem AGR-Kanal 19 befindet sich ein AGR-Ventil 18,
das zum Steuern von AGR-Strömen betätigt wird.
Wasserstoffkraftstoff wird dem Motor 10 durch Kraftstoffeinspritzventile 30,
die direkt in Zylinder 16 einspritzen, und Kanaleinspritzventile 26,
die einen flüssigen
Kraftstoff in den Ansaugkrümmer 12 einspritzen,
zugeführt.
Diese Anordnung wird beispielhaft gezeigt und ist nicht einschränkend gedacht.
Andere Ausführungsformen
umfassen das Aufweisen von Kanaleinspritzventilen 26, die
Wasserstoffkraftstoff zuführen,
und Direkteinspritzventilen 30, die flüssigen Kraftstoff zuführen. Alternativ werden
beide Kraftstoffe durch Kraftstoffdirekteinspritzventile zugeführt. In
einer noch anderen Ausführungsform
werden beide Kraftstoffe durch Kanaleinspritzventile zugeführt. Der
Kraftstoff mit Ausnahme von Wasserstoff ist in einer anderen Ausführungsform
ein gasförmiger
Kohlenwasserstoffkraftstoff wie Methan. Jeder Zylinder 16 des
Motors 10 enthält
eine Zündkerze 28.
Die (nicht dargestellte) Kurbelwelle des Motors 10 ist
mit einem Zahnrad 20 verbunden. Der proximal zum Zahnrad 20 angeordnete
Sensor 22 detektiert Drehung des Motors 10. Andere
Verfahren zum Detektieren von Kurbelwellenstellung können alternativ
eingesetzt werden.
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In
einer Ausführungsform
wird der Motor durch einen Verdichter 58 in dem Motoreinlass
druckgeladen. Durch Anheben der Dichte der dem Motor 10 zugeführten Luft
kann mehr Kraftstoff bei dem gleichen Äquivalenzverhältnis zugeführt werden.
Dadurch entwickelt der Motor 10 mehr Leistung. Der Verdichter 58 kann
ein Lader sein, der typischerweise von dem Motor angetrieben wird.
Alternativ ist der Verdichter 58 mittels einer Welle mit
einer Turbine 56 verbunden, die in dem Motorauslass angeordnet
ist. Die Turbine 56 ist wie in 1 gezeigt
eine Turbine veränderlicher
Geometrie; sie kann aber in einer alternativen Ausführungsform
eine nicht veränderliche Vorrichtung
sein. In einer anderen Ausführungsform ist
der Motor ein Saugmotor, wobei in der Ausführungsform auf die Elemente 56 und 58 verzichtet wird.
Stromabwärts
der Turbine 56 befindet sich ein Dreiwegekatalysator 66.
Der Dreiwegekatalysator 66 kann alternativ für schnelleres
Anspringen stromaufwärts
der Turbine 56 angeordnet sein. Alternativ ist der Katalysator 66 ein
Mager-NOx-Filter oder Mager-NOx-Katalysator mit der Fähigkeit,
NOx bei einem mageren Äquivalenzverhältnis zu
reduzieren.
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Zwei
Kraftstofftanks 60 und 64 liefern die beiden Kraftstoffe.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform
enthält
Tank 60 flüssigen
Kraftstoff und Tank 64 enthält Wasserstoff. Wie vorstehend
beschrieben erwägen
die Erfinder der vorliegenden Erfindung aber verschiedene mögliche Kraftstoffkombinationen,
wobei der geeignete Kraftstoffspeicherbehälter enthalten ist. Im Kraftstofftank
beaufschlagt eine Pumpe 62 flüssigen Kraftstoff mit Druck.
Der Kraftstofftank 64 steht unter hohem Druck. Typischerweise
ist keine Druckbeaufschlagung erforderlich, doch kann ein Druckregler
verwendet werden.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, Wechsel zwischen Motorbetriebsarten
auszuführen. Bei
Benzinmotoren mit Schichtladung stellen zum Beispiel Wechsel zwischen
magerem, geschichteten zu vorgemischtem stöchiometrischen Betrieb bekanntermaßen ein
Problem dar, da sich das Äquivalenzverhältnis abrupt
von mager zu fett ändert,
wobei der Kraftstoff konstant bleibt. In der vorliegenden Erfindung ändert sich
das Äquivalenzverhältnis bei Wechseln
von Kraftstoffen ebenfalls abrupt, da die beste Kombination von
Wasserstoffbetriebseigenschaften bei einem Äquivalenzverhältnis unter
0,5 erreicht wird; wogegen erwünschte
Kraftstoff- und Emissionsbetriebseigenschaften mit anderen Kraftstoffen
(Kohlenwasserstoffen, Alkoholen etc.) bei einem Äquivalenzverhältnis von
1,0 erreicht werden. Kraftstoffwechsel können in einem einzigen Zyklus erreicht
werden, wogegen Luft nachhinkt, wodurch Probleme während der
Wechsel hervorgerufen werden. Die vorliegende Erfindung unterscheidet
sich von vorbekannten Wechseln bei Schichtladungsmotoren, da sich
in der vorliegenden Erfindung der Kraftstoff und das Äquivalenzverhältnis ändern.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, Bikraftstoffmotoren zu betreiben,
bei denen Wechsel zwischen zwei Kraftstoffen vorgenommen werden, beispielsweise
zwischen Benzin und Propan oder zwischen Benzin und Ethanol. Die
meisten bekannten Kraftstoffe (gasförmige Kohlenwasserstoffe, flüssige Kohlenwasserstoffe
und Alkohole) haben aber ein Äquivalenzverhältnis mit
einem schmalen Bereich an Entflammbarkeit (etwa 0,65 magerer Grenzwert
und 1,7 fetter Grenzwert) verglichen mit Wasserstoffkraftstoff (etwa
0,10 magerer Grenzwert und 3 fetter Grenzwert). Da die meisten Kraftstoff
bei sehr mageren Äquivalenzverhältnissen
nicht stabil verbrennen können,
erfolgt ihr stabiler magerer Betrieb in einem Bereich, in dem hohes
NOx erzeugt wird. Somit werden die meisten Kraftstoffe mit Ausnahme von
Wasserstoff bei Stöchiometrie,
d. h. einem Äquivalenzverhältnis von
1, betrieben. Da sehr magere Wasserstoffgemische stabil verbrennen,
ist die erzeugte NOx-Menge klein, was einen solch mageren Betrieb
ohne große
Bedenken bezüglich
Emission erlauben kann. Auch wenn Wasserstoff in einem breiten Bereich
von Äquivalenzverhältnissen
verbrannt werden kann, wird er bei einem Verbrennungsmotor in dem Äquivalenzverhältnisbereich
von 0,15 bis 0,5 verwendet, da sich bei Betrieb bei einem fetteren Äquivalenzverhältnis als
0,5 eine raue Verbrennung und Selbstzündung des Wasserstoffs ergibt,
Bedingungen, die zu vermeiden sind. Somit erfolgt bei einem Bikraftstoffmotor,
bei dem einer der beiden Kraftstoffe Wasserstoff ist, bei Vornehmen
eines Wechsels von Wasserstoff zu Benzin ein Umstieg von einem Äquivalenzverhältnis von
etwa 0,5 oder magerer auf 1,0.
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Zusammenfassend
unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von vorbekannten Wechseln zwischen
geschichtetem Magerbetrieb und stöchiometrischem Betrieb, wie
vorstehend erläutert
wurde, da ein Wechsel sowohl des Äquivalenzverhältnisses als
auch der Kraftstoffart erfolgt. Die vorliegende Erfindung unterscheidet
sich von dem vorbekannten Bikraftstoffwechsel, da, wenn einer der
Kraftstoffe Wasserstoff ist, das Umsteigen zwischen Verbrennungsbetriebsarten
erfindungsgemäß zu einem
Anstieg sowohl der Kraftstoffart als auch des Äquivalenzverhältnisses
führt;
wogegen im Stand der Technik, bei der keiner der beiden Kraftstoffe
Wasserstoff ist, sich das Äquivalenzverhältnis nicht
wesentlich ändert,
wenn sich die Kraftstoffart ändert.
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Gasförmige Kraftstoffe,
die durch ein elektronisches Kraftstoffeinspritzventil zugeführt werden, können in
einem einzigen Zyklus zugeschaltet, abgeschaltet oder beliebig dazwischen
geschaltet werden, wobei das einzige transiente Problem der Vorrat an
Kraftstoff in dem Ansaugkrümmer
ist, wenn sich das Kraftstoffeinspritzventil in dem Ansaugkanal
befindet. Flüssige
Kraftstoffe, die direkt zum Brennraum befördert werden (direkteingespritzt),
können
in einem einzigen Zyklus betroffen sein. Flüssige Kraftstoffe, die in den
Einlasskanal befördert
werden (kanaleingespritzt), bringen aber aufgrund von Kraftstofffilmen,
die sich auf Kanalflächen
bilden, einige Schwierigkeiten mit sich. D. h. bei Aktivieren von
Einspritzventilen benetzt ein Teil des gespritzten Kraftstoffs Krümmerwände und
dringt nicht direkt in den Brennraum ein. Bei Deaktivieren von Flüssigkeitskanaleinspritzventilen
werden die Kraftstofffilme auf den Wänden, die an den Einlasskanalwänden verbleiben,
entfernt und werden in den Brennraum eingeleitet; es erfordert mehrere
Einlassvorgänge,
um diesen Kraftstoffvorrat zu leeren. Das abrupte Ändern der
in einen Zylinder eingeleiteten Luftmenge stellt ein Problem dar,
da ein Krümmer
mehrere Motorzyklen zum Füllen
oder Leeren benötigt.
Somit erfordert der Wechsel von einem Kraftstoff zum anderen mindestens
mehrere Motorzyklen. In einer Ausführungsform wird ein Umschalten
zwischen Kraftstoffen über zehn
Zyklen verwirklicht.
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In
einer Ausführungsform
werden beide Kraftstoffe während
des Wechselzeitraums zugeführt,
während
die zugeführte
Luft auf die neue Betriebsbedingung angepasst wird. Dem Fachmann
ist bekannt, dass Wasserstoff bei Verwendung als Ergänzung von
Benzin (oder einem anderen Kohlenwasserstoffkraftstoff) die Verbrennung
bei einem wesentlich magereren Äquivalenzverhältnis erleichtern kann,
als mit Benzin allein möglich
wäre.
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In 2a wird
gezeigt, dass Kraftstoff 2 verwendet wird, wenn die Schwellen-BMEP überschritten
wird. Diese Schwelle ist mit einem Äquivalenzverhältnis des
Wasserstoffs verbunden, das größer als ein
Sollwert ist, z. B. 0,5. D. h. um mehr als die Schwellen-BMEP zu erzeugen,
würde das Äquivalenzverhältnis von
Wasserstoff 0,5 übersteigen.
In 2b wird eine zusätzliche Auflage beim Wasserstoffbetrieb
gemacht, da, wenn die Kolbengeschwindigkeit eine bestimmte Schwelle übersteigt,
der Motor zu Kraftstoff 2 wechselt.
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Wenn
er kalt ist, startet der Motor mit Wasserstoffkraftstoff, der keine
Kaltstart-Verdampfungs- und
Mischprobleme wie flüssiger
Kraftstoff mit sich bringt. In 3 wird Kraftstoff 2 nur
verwendet, wenn sowohl der Katalysator seine Anspringtemperatur
erreicht hat als auch die Schwellen-BMEP überschritten wurde.
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In 4 wird
eine Ausführungsform
eines Wechsels von Wasserstoff zu Benzin in einer Zeitlinie gezeigt.
Vor dem Wechsel wird Wasserstoff verwendet; nach dem Wechsel wird
Benzin verwendet; und während
des Wechsels wird eine Kombination der beiden Kraftstoffe verwendet.
In der oberen Kurve a steigt ein Drehmoment an. In der unteren Kurve
e ist das Äquivalenzverhältnis Φ vor dem
Wechsel kleiner als 0,5. Wie vorstehend erläutert ist ein Wechsel von Wasserstoff
zu Benzin erwünscht,
wenn sich das Wasserstoffäquivalenzverhältnis 0,5
nähert;
somit wird der Wechsel eingeleitet. In der Kurve c steigt die vorgesehene
Wasserstoffmenge vor dem Wechsel, um das vermehrte Drehmoment von
Kurve a vorzusehen. Vor dem Wechsel bleibt die Luftzufuhrrate dma/dt von Kurve b konstant, wobei das zusätzliche Drehmoment
durch Anheben von Wasserstoff vorgesehen wird. Bei Einleiten von
Wechsel wird die Drossel teilweise geschlossen und die Luftmenge
gesenkt. Die Luftzufuhr steigt an, so dass die bis zum Ende des
Wechsels zugeführte
Luft die zum Vorsehen von Φ =
1,0 erforderliche Luft ist, was das Solläquivalenzverhältnis für alle Kraftstoffe
mit Ausnahme von Wasserstoff ist. Einer der Gründe, dass es einen Wechselzeitraum
gibt, liegt darin, dass die Luftzufuhr nicht in einem Motorzyklus
geändert
werden kann. Selbst wenn die Drossel schnell geöffnet wird, erfordert es stattdessen
mehrere Motorzyklen, bis sich der Krümmer füllt und dem Motor die Sollluftmenge
geliefert wird. Da die Luft kurz nach dem Start des Wechsels über dem
Sollwert liegt, wird die Wasserstoffzufuhr fortgesetzt. Dem Fachmann
ist bekannt, dass durch Ergänzen
eines herkömmlichen
Kraftstoffs mit Wasserstoff der herkömmliche Kraftstoff stabil bei
einem Äquivalenzverhältnis verbrennen
kann, bei dem er dies ohne das Vorhandensein von Wasserstoff nicht
könnte.
Somit wird Wasserstoff durch den Wechselzeitraum weiter zugeführt, bis
das Äquivalenzverhältnis die
erwünschten
1,0 erreicht, zu welchem Zeitpunkt die Wasserstoffzufuhr eingestellt wird.
Wenngleich dies in der Figur nicht gezeigt ist, könnte die
Wasserstoffzufuhr alternativ eingestellt werden, wenn das Äquivalenzverhältnis ein
Verhältnis
erreicht, das der herkömmliche
Kraftstoff, z. B. Benzin, stabil verbrennen kann, beispielsweise über 0,8.
Die Benzinzufuhr wird zu Beginn des Wechsels eingeleitet. Da aber
wie vorstehend erläutert
die Luft nicht so schnell wie erwünscht verringert werden kann,
wird der Wasserstoff in den Wechselzeitraum hinein weiter zugeführt, um
die Verbrennung sicherzustellen. Während des Wechselzeitraums
wird das Benzin angehoben und der Wasserstoff gesenkt, wobei auch
die Luft gesenkt wird, so dass bis zum Ende des Wechselzeitraums
der Benzinbetrieb ohne Wasserstoffunterstützung übernimmt.
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In 5 wird
eine alternative Ausführungsform
gezeigt, bei der der anfängliche
Teil des Wechsels dem in 4 gezeigten ähnelt. An einem Punkt während des
Wechsels wird das Äquivalenzverhältnis aber
auf 1,0 hochgetrieben und für
den Rest des Wechsels bei 1,0 gehalten. Dies erfolgt, um den hohen
NOx-Bereich von 0,85–0,90
phi zu vermeiden. Während
dieses Wechselzeitraums des Äquivalenzverhältnisses
1,0 wird aber die Wasserstoffzufuhr kontinuierlich gesenkt und die
Benzinzufuhr angehoben. Am Ende des Wechsels endet die Wasserstoffzufuhr.
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Bei
der vorstehenden Erläuterung
wird ein Wechsel von Wasserstoff zu Benzin beschrieben. Der Verweis
auf Benzin erfolgt aber beispielhaft und ist nicht einschränkend gedacht.
Ferner ist der bei Φ =
0,5 erfolgende Wechsel auch beispielhaft. Der tatsächliche
Wechsel kann bei etwas niedrigeren oder höheren Äquivalenzverhältnissen
als genau 0,5 erfolgen.
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Ein
Wechsel von einem höheren
Drehmoment zu einem niedrigeren Drehmoment, bei dem ein Benzinbetrieb
(oder anderer Kraftstoffbetrieb) in Wasserstoffbetrieb überführt wird,
kann in umgekehrter Reihenfolge zu dem in 4 und 5 gezeigten erfolgen.
Wenn der Kraftstoff mit Ausnahme von Wasserstoff ein flüssiger Kraftstoff
ist und kanaleingespritzt wird, wird der Kraftstoffvorrat im Ansaugkrümmer genutzt,
um den Sollkraftstoff in den Brennraum vorzusehen.
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Während mehrere
Methoden zum Ausführen der
Erfindung näher
beschrieben wurden, wird der Fachmann, an den sich diese Erfindung
richtet, alternative Auslegungen und Ausführungsformen zum Praktizieren
der Erfindung erkennen. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
sollen die Erfindung veranschaulichen, die innerhalb des Schutzumfangs
der folgenden Ansprüche
abgewandelt werden kann.