DE102008032105A1 - Wasserstoff verwendender Bikraftstoffmotor - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors offenbart, bei dem ein erster Kraftstoff, Wasserstoff, unter einer ersten Reihe von Motorbetriebsbedingungen zugeführt wird und ein zweiter Kraftstoff, beispielsweise Benzin, Benzin gemischt mit Alkohol oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, unter einer zweiten Reihe von Motorbetriebsbedingungen zugeführt wird. Die erste Reihe von Motorbetriebsbedingungen liegt unter einer Schwellen-BMEP und die zweite Betriebsbedingung liegt über der Schwellen-BMEP. Alternativ beruht die erste und die zweite Reihe von Betriebsbedingungen auf einer Temperatur eines mit dem Motor verbundenen Dreiwegekatalysators. Wenn seine Temperatur größer als seine Anspringtemperatur ist, wird der zweite Kraftstoff verwendet. Es wird ein Verfahren zum Vornehmen eines Wechsels der Kraftstoffversorgung eines Motors mit Wasserstoff auf einen anderen Kraftstoff offenbart. Dieser andere Kraftstoff kann zum Beispiel Benzin, ein Benzin- und Alkoholgemisch oder gasförmige Kraftstoffe sein. Der andere Kraftstoff hat aufgrund besserer Luftnutzung und da der andere Kraftstoff weniger Volumen des Brennraums einnimmt, die Fähigkeit, eine höhere BMEP als der Wasserstoff zu liefern. Da ein Solläquivalenzverhältnis zum Verbrennen von Wasserstoff bei 0,5 oder darunter liegt und ein Solläquivalenzverhältnis zum Verbrennen eines anderen Kraftstoffs bei 1,0 liegt, wird die dem Motor zugeführte Luftmenge gesenkt, um mehr Drehmoment vorzusehen und umgekehrt, wenn ...

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors offenbart, dem sowohl Wasserstoff-Kraftstoff als auch ein anderer Kraftstoff zugeführt werden.
  • Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • Kurzdarlegung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 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:
  • 1 ein Schemabild eines Motors mit zwei Kraftstoffversorgungen;
  • 2a–b Motorbetriebskennfelder von BMEP und Kolbengeschwindigkeit, die Betriebszonen für zwei Kraftstoffe zeigen;
  • 3 ein Motorbetriebskennfeld von BMEP und Katalysatortemperatur, das Betriebszonen für zwei Kraftstoffe zeigt; und
  • 4 und 5 Zeitlinien für Wechsel von Wasserstoff zu Benzin.
  • Eingehende Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (40)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, welches umfasst: Zuführen eines ersten Kraftstoffs zum Motor, wenn sich der Motor bei einer ersten Betriebsbedingung befindet, wobei der erste Kraftstoff im Wesentlichen 100% Wasserstoff ist; und Zuführen eines zweiten Kraftstoffs zum Motor, wenn sich der Motor bei einer zweiten Betriebsbedingung befindet, wobei der zweite Kraftstoff ein Kohlenwasserstoffkraftstoff ist, wobei die erste Betriebsbedingung unter einer Schwellen-MBEP liegt und die zweite Betriebsbedingung über der Schwellen-BMEP liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Saugmotor ist und dass die Schwellen-BMEP zwischen 3,5 und 5 bar liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor druckgeladen ist und die Schwellen-BMEP zwischen 6 und 8 bar liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsbedingung unter der Schwellen-BMEP und einer Schwellen-Kolbengeschwindigkeit liegt und die zweite Betriebsbedingung über der Schwellen-BMEP oder einer Schwellen-Kolbengeschwindigkeit liegt
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellen-Kolbengeschwindigkeit zwischen 12 und 16 m/s liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftstoff Benzin ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftstoff ein Gemisch aus Benzin und Alkohol ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftstoff Erdgas ist.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, welches umfasst: Zuführen von Wasserstoff zum Motor, wenn eine Temperatur eines mit dem Motorauslass verbundenen Dreiwegekatalysators unter einer Schwellentemperatur liegt; und Zuführen eines flüssigen Kraftstoffs zum Motor, nur wenn eine Temperatur des Dreiwegekatalysators über der Schwellentemperatur liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kraftstoff Benzin ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kraftstoff Alkohol enthält.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellentemperatur eine Anspringtemperatur des Dreiwegekatalysators ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kraftstoff dem Motor zugeführt wird, wenn eine Temperatur des Dreiwegekatalysators über der Schwellentemperatur liegt und der Motor mehr als eine Schwellen-BMEP erzeugt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Saugmotor ist und die Schwellen-BMEP zwischen 3,5 bis 5 bar liegt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor druckgeladen ist und die Schwellen-BMEP zwischen 6 und 8 bar liegt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbolader mit dem Motor verbunden ist, um Druckladung vorzusehen.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lader mit dem Motor verbunden ist, um Druckladung vorzusehen.
  18. Verbrennungsmotor mit einer ersten und zweiten Kraftstoffzufuhranlage, welcher umfasst: ein mit der ersten und zweiten Kraftstoffzufuhranlage elektronisch verbundenes elektronisches Steuergerät, wobei das elektronische Steuergerät anordnet, dass ein erster Kraftstoff zugeführt wird, wenn eine erste Motorbetriebsbedingung auftritt, und anordnet, dass ein zweiter Kraftstoff zugeführt wird, wenn eine zweite Motorbetriebsbedingung auftritt, wobei der erste Kraftstoff Wasserstoff ist und der zweite Kraftstoff ein flüssiger Kraftstoff ist, die erste Betriebsbedingung eine BMEP unter einer Schwellen-BMEP aufweist und die zweite Betriebsbedingung eine BMEP über der Schwellen-BMEP aufweist.
  19. Motor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsbedingung auch bezüglich der Kolbengeschwindigkeit beschränkt ist, so dass die erste Betriebsbedingung angeordnet wird, wenn die Kolbengeschwindigkeit unter einer Schwellen-Kolbengeschwindigkeit liegt und BMEP unter der Schwellen-BMEP liegt, ansonsten die zweite Betriebsbedingung angeordnet wird.
  20. Motor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellengeschwindigkeit in dem Bereich von 12 und 16 m/s liegt.
  21. Verfahren zum Wechseln von einer ersten zu einer zweiten Betriebsart in einem Verbrennungsmotor, welches umfasst: wesentliches Senken einer Luftzufuhr, wobei das Senken bei Einleiten eines Wechsels beginnt; Senken einer dem Motor zugeführten ersten Kraftstoffmenge bei Einleiten von Wechsel; und Einleiten einer Zufuhr eines zweiten Kraftstoffs zum Motor bei Einleiten von Wechsel
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstoff im Wesentlichen 100% Wasserstoff ist und der zweite Kraftstoff vorrangig aus Kohlenwasserstoffen besteht.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, welches weiterhin umfasst: kontinuierliches Senken einer zugeführten Menge des ersten Kraftstoffs während des Wechsels, wobei bei Beendigung des Wechsels der erste Kraftstoff nicht länger dem Motor zugeführt wird; und Anheben einer zugeführten Menge des zweiten Kraftstoffs während des Wechsels koordiniert mit dem Senken des ersten Kraftstoffs.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftstoff ein flüssiger Kraftstoff ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftstoff Wasserstoff ist und der Wechsel als Reaktion auf eine Forderung nach einer Drehmomentsteigerung eingeleitet wird, wenn das Äquivalenzverhältnis des Wasserstoffs und von Luft in etwa 0,5 ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhrabnahme durch Schließen einer in einem Motoreinlass angeordneten Drosselklappe verwirklicht wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr während des Wechsels um 30–60% gesenkt wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel als Reaktion auf eine einen Grenzwert übersteigende Motorkolbengeschwindigkeit eingeleitet wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel als Reaktion auf eine einen Grenzwert überschreitende BMEP-Forderung eingeleitet wird.
  30. Verfahren zum Wechseln zwischen zwei Betriebsarten in einem Verbrennungsmotor, welches umfasst: wesentliches Anheben einer Luftzufuhr, wobei die Anhebung bei Einleiten des Wechsels beginnt; Einleiten der Zufuhr eines ersten Kraftstoffs, Wasserstoff, zum Motor bei Einleiten des Wechsels; und Senken einer Zufuhrmenge eines zweiten Kraftstoffs zum Motor bei Einleiten von Wechsel.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel als Reaktion auf eine Forderung nach einer Drehmomentsenkung unter eine Schwellen-BMEP eingeleitet wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Saugmotor ist und dass die Schwellen-BMEP zwischen 3,5 bis 5 bar liegt.
  33. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor druckgeladen ist und die Schwellen-BMEP zwischen 6 und 8 bar liegt.
  34. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr während des Wechsels um 30–60% angehoben wird.
  35. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasserstoff zum Motor bei Einleiten von Wechsel das Äquivalenzverhältnis bezüglich nur des Wasserstoffkraftstoffs bei mindestens 0,1 liegen lässt.
  36. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftstoff eine Flüssigkeit ist.
  37. Verfahren zum Wechseln von einer ersten zu einer zweiten Betriebsart in einem Verbrennungsmotor, welches umfasst: Befehlen einer Drosselklappe hin zu einer geschlossenen Stellung bei Einleiten des Wechsels; Senken einer dem Motor zugeführten Menge an Wasserstoff bei Einleiten des Wechsels; und Einleiten einer Zufuhr von flüssigem Kraftstoff zum Motor bei Einleiten des Wechsels.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel beruhend auf einer Forderung nach erhöhter BMEP eingeleitet wird, was das Wasserstoffäquivalenzverhältnis einen Grenzwert übersteigen lässt.
  39. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass während des Wechsels die Wasserstoffzufuhr nur bezüglich des Wasserstoffkraftstoffs ein Äquivalenzverhältnis von mindestens 0,1 aufweist.
  40. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel beruhend auf einem Fallen einer Motorkolbengeschwindigkeit unter eine Schwellenkolbengeschwindigkeit eingeleitet wird.
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