DE102019213132A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit interner Abgasrückführung, Motorsystem, Kraftfahrzeug und Computerprogrammprodukt - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit interner Abgasrückführung angegeben, bei dem ein wasserstoffhaltiger Kraftstoff in einem ersten Betriebszustand mit einem ersten Verbrennungsluftverhältnis λAin einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und in einem zweiten Betriebszustand mit einem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λBin einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 in einem Verbrennungsraum des Wasserstoffverbrennungsmotors verbrannt wird. Es erfolgt ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand, indem Abgas erzeugt und ein Teil des Abgases intern rückgeführt wird, wobei das rückgeführte Abgas nachfolgend als AGR bezeichnet wird, ein AGR-Anteil eines Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstanter Kraftstoffmenge in dem Verbrennungsraum derart geändert wird, dass bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich eingestellt wird. Eine Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum wird bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit interner Abgasrückführung, ein Motorsystem, ein Kraftfahrzeug, ein Computerprogrammprodukt sowie ein computerlesbares Medium.
  • Vollständig elektrisch betriebene Fahrzeuge, sog. batterieelektrische Fahrzeuge (engl. Battery Electric Vehicle, BEV), und Fahrzeuge mit Brennstoffzellen stellen zwei Möglichkeiten für kohlenstoffdioxidfreie Fahrzeuge dar, wobei sich die Kohlenstoffdioxidfreiheit auf den Versorgungsweg ab dem Fahrzeugtank bzw. der Fahrzeugbatterie bezieht.
  • Eine weitere Option kohlenstoffdioxidfreier Fahrzeuge bilden Fahrzeuge mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor, in dem ein wasserstoffhaltiger Kraftstoff verbrannt wird. Wasserstoff zeichnet sich durch eine sehr gute Oxidierbarkeit bzw. Verbrennbarkeit unter mageren Bedingungen aus, so dass der Verbrennungsmotor ohne Drosselung betrieben werden kann. Das Verbrennungsluftverhältnis λ korrespondiert mit der Motorlast, d. h., einer Änderung der Motorlast kann mit einer Qualitätsänderung des Kraftstoff-Luft-Gemischs begegnet werden.
  • Das bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff entstehende Abgas enthält als einzige Komponenten Wasser und Stickoxide. Daneben finden sich im Abgas auch Wasserstoff und Sauerstoff, falls die Verbrennung unvollständig abläuft.
  • Stickoxide stellen Luftschadstoffe dar und ihre Emission in die Umgebung sollte möglichst geringgehalten werden. Gilt λ ≤ 1, wird also ein fettes oder stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt, sodass folglich auch ein fettes bzw. stöchiometrisches Abgas erhalten wird, ist eine Nachbehandlung des Abgases zur Entfernung von Stickoxiden mit einem Katalysator möglich, der vergleichsweise geringe Kosten verursacht. Allerdings wird unter diesen Bedingungen der Kraftstoff nur unvollständig verbrannt und teilweise ungenutzt in die Umgebung abgegeben. Zusätzlich entstehen im Teillastbetrieb Drosselverluste, so dass die Energiebilanz schlecht ausfällt.
  • Erfolgt die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs mit Luftüberschuss bei ausreichend hohem Verbrennungsluftverhältnis, z. B. bei λ ≥ 2, werden während der Verbrennung aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperatur lediglich so wenig Stickoxide erzeugt, dass eine Abgasnachbehandlung zur Verringerung der Stickoxidemission nicht erforderlich ist. Allerdings ist bei λ = 2 die Leistungsdichte des Verbrennungsmotors im Vergleich zu λ = 1 lediglich halb so groß, da dem Verbrennungsmotor bei gleicher Luftmenge nur halb so viel Kraftstoff zugeführt wird.
  • Im einem zwischenliegenden Bereich von z. B. 1 < λ < 2 ist hingegen der Anteil an gebildeten Stickoxiden sehr hoch und diese können nicht mittels einfacher Abgasnachbehandlungseinrichtungen in ungiftige Substanzen umgewandelt werden.
  • Die US 7 281 531 B1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors, bei dem Abgas in den Verbrennungsraum zurückgeführt wird, um stets stöchiometrische Bedingungen, d. h. ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 einzustellen. Neben einer Stabilisierung der Verbrennungsbedingungen lässt sich dadurch eine Reduzierung der Stickoxidemission erreichen, indem zur Abgasnachbehandlung ein herkömmlicher 3-Wege-Katalysator zur Reduktion der Stickoxide eingesetzt werden kann und außerdem weniger Sauerstoff für die Bildung von Stickoxiden während des Verbrennungsvorgangs zur Verfügung steht. Außerdem tragen eine verringerte Verbrennungstemperatur und eine verringerte Flammengeschwindigkeit zur Reduzierung der Stickoxidbildung bei. Aufgrund des stöchiometrischen Betriebs des Verbrennungsmotors ist eine Abgasnachbehandlung aufgrund der erhöhten Stickoxidbildung bei λ = 1 jedoch stets notwendig.
  • Weiterführend zu dem aus der US 7 281 531 B1 bekannten Verfahren beschreibt die WO 2008/ 048 909 A2 ein Verfahren, bei dem ebenfalls Wasserstoff stets unter stöchiometrischen Bedingungen verbrannt wird, die durch Variation der zugeführten Mengen an Frischluft, rückgeführtem Abgas und Wasserstoff eingestellt werden. Außerdem werden die entsprechenden Durchflussmengen derart eingestellt, dass das gewünschte Drehmoment bereitgestellt wird. Folglich ist auch bei diesem Verfahren aufgrund der erhöhten Stickoxidbildung bei λ = 1 in jedem Fall eine katalytische Abgasnachbehandlung erforderlich.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, mit denen ein Wasserstoffverbrennungsmotor bei geringer Stickoxidemission in die Umgebung effektiv betrieben werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, Maßnahmen zu ergreifen, mit denen ein Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors in einem Verbrennungsluftverhältnisbereich mit erhöhter Stickoxidemission, z. B. im Bereich 1 < λ < 1,3, vermieden werden kann. Um trotzdem die in diesem Bereich erreichbare Motorleistung nutzen und den Verbrennungsmotor effektiv betreiben zu können, wird ein Wechsel zwischen λ ≤ 1 und λ ≥ 1,3 vorgeschlagen. Das Verbrennungsluftverhältnis wird dabei durch Änderung des Anteils an intern rückgeführtem Abgas (AGR-Anteil) eingestellt.
  • Ein Momentenstoß kann verhindert werden, d. h. der Wechsel zwischen λ ≤ 1 und λ ≥ 1,3 kann möglichst ruckfrei erfolgen, indem die Menge des im Verbrennungsraum verbrannten Kraftstoff-Luft-AGR-Gemischs entsprechend variiert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit interner Abgasrückführung wird wasserstoffhaltiger Kraftstoff in einem ersten Betriebszustand mit einem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA in einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und einem zweiten Betriebszustand mit einem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 in einem Verbrennungsraum des Wasserstoffverbrennungsmotors verbrannt. Der Verbrennungsraum wird durch das von Zylinder, Kolben und Zylinderkopf eingeschlossene Volumen gebildet.
  • Optional kann die untere Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs höher gewählt sein, d. h. der zweite Verbrennungsluftverhältnisbereich kann bevorzugt λ ≥ 1,5, weiter bevorzugt λ ≥ 1,8 und besonders bevorzugt λ ≥ 2 sein. Damit kann auf motor- und kraftstoffspezifische Eigenheiten reagiert werden, indem der sich zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich befindliche „verbotene Verbrennungsluftverhältnisbereich“ an die konkreten Bedingungen angepasst werden kann. Es erfolgt ein sprunghafter Übergang zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3, bevorzugt λ ≥ 1,5, weiter bevorzugt λ ≥ 1,8 und besonders bevorzugt λ ≥ 2.
  • Mit anderen Worten wird der Wasserstoffverbrennungsmotor in einer Ausführungsvariante nicht in einem Betriebszustand mit einem Verbrennungsluftverhältnis λx betrieben, bei dem das Verbrennungsluftverhältnis λx weder im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich noch im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich liegt. Die mit einem solchen Verbrennungsluftverhältnis verbundene hohe Stickoxidemission kann vorteilhaft vermieden werden.
  • Unter einem Wasserstoffverbrennungsmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Während des dafür nötigen Verbrennungsvorgangs wird Abgas gebildet, das in einen sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgasstrang eingeleitet wird. Die für den Verbrennungsvorgang benötigte Frischluft wird dem Verbrennungsmotor über einen Zuluftstrang von außen zugeführt. Der Verbrennungsmotor ist zur internen Abgasrückführung ausgebildet, so dass ein Anteil des erzeugten Abgases nach der Verbrennung im Verbrennungsraum zurückbleibt und im Verbrennungsraum ein Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemisch gebildet wird. Das AGR enthält je nach Verbrennungsluftverhältnis während des Verbrennungsvorgangs neben den Verbrennungsprodukten, wie z. B. CO2, H2O, NOx etc., auch einen gewissen Anteil nicht verbrauchter Luft.
  • Bei dem Wasserstoffverbrennungsmotor kann es sich um den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, z. B. eines Personen- oder Lastkraftwagens, handeln. Der Wasserstoffverbrennungsmotor kann als 4-Takt-Motor ausgebildet sein.
  • Das Verbrennungsluftverhältnis λ beschreibt das Verhältnis der tatsächlich für die Kraftstoffverbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse, die für eine vollständige Verbrennung theoretisch benötigt wird. λ = 1 bedeutet, dass ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis vorliegt. λ < 1 bedeutet, dass Luftmangel vorherrscht und ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt. λ > 1 bedeutet, dass Luftüberschuss vorherrscht und ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt. Der Begriff „Luft“ der vorstehenden Definition schließt im AGR enthaltene Luft mit ein.
  • Der verwendete Kraftstoff enthält Wasserstoff oder besteht aus Wasserstoff, d. h. als Kraftstoff kann reiner Wasserstoff oder ein Wasserstoffgemisch, z. B. ein Gemisch aus Wasserstoff und Methan, eingesetzt werden. Bevorzugt kann ein Kraftstoff eingesetzt werden, der bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 mit ausreichender, d. h. einer für das Betreiben des Verbrennungsmotors ausreichenden, Reaktionsgeschwindigkeit verbrannt werden kann und einen Motorbetrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß erfolgt ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand, vorzugsweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen des Wasserstoffverbrennungsmotors, d. h. bei einem 4-Takt-Verbrennungsmotor nach Ablauf von jeweils vier aufeinanderfolgenden Takten, also einem Kreisprozessumlauf (Motorzyklus). Mit anderen Worten kann zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand, also dem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB zyklussynchron umgeschaltet werden.
  • Der Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand erfolgt, indem eine der AGR-Anteil des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstanter Kraftstoffmenge im Verbrennungsraum derart geändert wird, dass bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich eingestellt wird, und eine Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht wird.
  • Mit anderen Worten erfolgt ein Umschalten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand, indem bei konstanter Kraftstoffmenge der AGR-Anteil im Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemisch derart verringert wird, dass ein Verbrennungsluftverhältnis λB ≥ 1,3 erreicht wird (Qualitätsregelung). Außerdem wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis im Verbrennungsraum verringert, sodass weniger Kraftstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht (Quantitätsregelung).
  • Das Umschalten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand kann erfolgen, falls eine Drehmomentanforderung vorliegt, die bei einer alleinigen Qualitätsregelung zu einem Verbrennungsluftverhältnis λx im Bereich 1 < λx < 1,3 führen würde. Dies kann z. B. der Fall sein, falls der Wasserstoffverbrennungsmotor im Volllastbereich im ersten Betriebszustand betrieben wird und sich das angeforderte Drehmoment verringert.
  • Ein Umschalten vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erfolgt, indem bei konstanter Kraftstoffmenge der AGR-Anteil im Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemisch derart erhöht wird, dass ein Verbrennungsluftverhältnis λA ≤ 1,3 erreicht wird (Qualitätsregelung). Außerdem wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis im Verbrennungsraum erhöht, sodass mehr Kraftstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht (Quantitätsregelung).
  • Das Umschalten vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand kann erfolgen, falls eine Drehmomentanforderung vorliegt, die bei einer alleinigen Qualitätsregelung zu einem Verbrennungsluftverhältnis λx im Bereich 1 < λx < 1,3 führen würde. Dies kann z. B. der Fall sein, falls der Wasserstoffverbrennungsmotor im Teillastbereich im zweiten Betriebszustand betrieben wird und sich das angeforderte Drehmoment erhöht.
  • Folglich kann die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum derart korrespondierend zum jeweiligen Verbrennungsluftverhältnis variiert werden, dass das gewünschte Drehmoment ruckfrei erhalten wird.
  • Der AGR-Anteil des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs kann bei konstanter Kraftstoffmenge dadurch geändert werden, dass a) bei konstanter Luftmenge die AGR-Menge geändert wird, b) bei konstanter AGR-Menge die Luftmenge geändert wird oder c) sowohl die Luftmenge als auch die AGR-Menge geändert werden. Bevorzugt ist Variante a), da sich die AGR-Menge einfach und schnell durch zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts ändern lässt.
  • Die Variation des Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen den beiden Betriebszuständen ermöglicht ein stickoxidemissionsarmes Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors, da im ersten Betriebszustand gebildete Stickoxide ausreichend nachbehandelt und in unschädliche Substanzen umgewandelt werden könne, z. B. mittels eines 3-Wege-Katalysators. Im zweiten Betriebszustand werden hingegen kaum Stickoxide bei der Kraftstoffverbrennung gebildet, so dass die Stickoxidemission in die Umgebung insgesamt sehr niedrig ist. Zusätzlich bewirkt die interne Abgasrückführung eine Verringerung der Verbrennungstemperatur, was zu einer Reduzierung der Stickoxidbildung führt.
  • Dies ermöglicht die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorschriften hinsichtlich der Luftschadstoffem ission.
  • Darüber hinaus ermöglicht die Variation des Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen den beiden Betriebszuständen außerdem auch ein effektives Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors, indem der Motorleistungsbereich zwischen 1 < λ < 1,3 durch entsprechende Änderung des AGR-Anteils und der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs nachgebildet wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten wird der Kraftstoff dem Verbrennungsraum direkt zugeführt. Mit anderen Worten kann eine Direkteinspritzung mit innerer Gemischbildung erfolgen. Dies ermöglicht eine Änderung des AGR-Anteils unabhängig von der Kraftstoffmenge. Zum Verringern bzw. Erhöhen der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum werden die Kraftstoffmenge, die Frischluftmenge und die AGR-Menge miteinander korrespondierend verringert bzw. erhöht, wobei das Verbrennungsluftverhältnis konstant bleibt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten wird vor dem Ändern des AGR-Anteils eine Menge des Kraftstoffs bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ = 1 verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ, das der unteren Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs entspricht, erhöht.
  • Mit anderen Worten erfolgt zunächst eine Qualitätsregelung bis zum Erreichen der Grenze des „verbotenen Verbrennungsluftverhältnisbereichs“, bevor der AGR-Anteil und die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum geändert werden. Dadurch kann der Wasserstoffverbrennungsmotor noch effektiver betrieben werden, da der Einfluss der Quantitätsregelung möglichst geringgehalten wird.
  • In verschiedenen Ausführungsvarianten kann der AGR-Anteil mittels zeitlicher Verschiebung eines Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils geändert werden. Beispielsweise können die Ventilöffnungszeiten derart geändert werden, dass sie sich überschneiden.
  • Eine Erhöhung der AGR-Menge und folglich des AGR-Anteils kann beispielsweise erreicht werden, indem der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen früheren Zeitpunkt, z. B. einen Zeitpunkt vor Erreichen des oberen Totpunkts, vorverlegt wird (Frühverschiebung).
  • Eine Verringerung der AGR-Menge und folglich des AGR-Anteils kann beispielsweise erreicht werden, indem der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen späteren Zeitpunkt verlegt wird (Spätverschiebung). Die zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventils kann beispielsweise gemäß einem sog. „Boot Lift Profil“ oder einem „Multi Lift Profil“ erfolgen, wobei bei einem „Multi Lift Profil“ das Einlassventil zwei voneinander unabhängige Ventilhübe während eines Arbeitsspiels durchführt, von denen der erste Ventilhub vor dem oberen Totpunkt stattfindet.
  • Es kann also beispielsweise das Verbrennungsluftverhältnis λ von λB ≥ 2 auf λA ≤ 1 verringert werden, indem der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen früheren Zeitpunkt vorverlegt wird oder ein zweiter Ventilhub vor dem eigentlichen Ventilhub des Einlassventils durchgeführt wird. Zur Erhöhung des Verbrennungsluftverhältnisses λ von λA ≤ 1 auf λB ≥ 2 kann der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen späteren Zeitpunkt verlegt wird oder ein zuvor durchgeführter zweiter Ventilhub vor dem eigentlichen Ventilhub des Einlassventils kann entfallen.
  • Außerdem kann die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum mittels einer mit der Kraftstoffmenge und der Frischluftmenge korrespondierenden Änderung der AGR-Menge durch zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventils verringert bzw. erhöht werden.
  • Dies ermöglicht vorteilhaft eine genaue und schnelle Einstellung des AGR-Anteils und ein möglichst ruckfreies Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand.
  • In verschiedenen Ausführungsvarianten kann die zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventils mittels einer vollvariablen Ventilsteuerung erfolgen, d. h. mittels einer Ventilsteuerung, die eine Änderung der Ventilöffnungszeitdauer und des Ventilhubs ermöglicht. Bevorzugt kann die vollvariable Ventilsteuerung elektrohydraulisch betrieben werden.
  • Eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung ermöglicht vorteilhaft eine besonders schnelle Änderung der zeitlichen Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts, so dass eine Änderung von einem Arbeitsspiel zum darauffolgenden Arbeitsspiel ermöglicht wird.
  • Ein erfindungsgemäßes Motorsystem weist einen Wasserstoffverbrennungsmotor und Mittel auf, die geeignet sind, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen. Insofern wird auf die obige Erläuterung des Verfahrens sowie auf die mit dem Verfahren verbundenen Vorteile verwiesen, die folglich auch mit dem erfindungsgemäßen Motorsystem verbunden sind.
  • In verschiedenen Ausführungsvarianten weist das Motorsystem einen Wasserstoffverbrennungsmotor mit mehreren, z. B. vier, Zylindern auf und ist als 4-Takt-Motor ausgebildet. Dem Wasserstoffverbrennungsmotor ist eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung zugeordnet, mit der der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel zeitlich verschoben werden kann.
  • Mit der vollvariablen elektrohydraulischen Ventilsteuerung ist eine Steuereinheit signalübertragend verbunden oder in diese integriert, um Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkte festzulegen und entsprechende Steuersignale an die vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung auszugeben. Die Steuereinheit ist außerdem dazu ausgebildet und eingerichtet, eine dem Verbrennungsraum direkt zugeführte Kraftstoffmenge zu steuern.
  • Während des Betreibens des Wasserstoffverbrennungsmotors erfolgt ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand, bevorzugt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen. Hierfür werden mittels der Steuereinheit entsprechende Steuersignale an die vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung ausgegeben, um mittels zeitlicher Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventilseinen Wechsel zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 herbeizuführen.
  • Außerdem werden die dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge, AGR-Menge und Kraftstoffmenge bei gleichbleibendem Verbrennungsluftverhältnis zueinander korrespondierend geändert. Das erzeugte Drehmoment kann trotz Wechsel des Verbrennungsluftverhältnisses λ im Wesentlichen konstant bleiben oder einem erwarteten Verlauf entsprechen, d. h. für den Fahrer eines mit dem Wasserstoffverbrennungsmotor ausgestatteten Fahrzeugs ist keine bzw. die gewünschte Drehmomentänderung wahrnehmbar.
  • Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein Motorsystem gemäß vorstehender Beschreibung auf.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen des erfindungsgemäßen Motorsystems. Darüber hinaus wirkt sich die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft aus, da sie die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Emission von Luftschadstoffen ermöglicht.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die bewirken, dass das vorstehend beschriebene Motorsystem ein Verfahren gemäß vorstehender Beschreibung ausführen kann.
  • Unter einem Computerprogrammprodukt ist ein auf einem geeigneten Medium gespeicherter und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode zu verstehen. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise ein in einem Steuergerät verbauter nichtflüchtiger Speicher, eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk erfolgen.
  • Auf einem erfindungsgemäßen computerlesbaren Medium ist ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Übersichtsdiagramm zur Abhängigkeit der Stickoxidrohemission vom Verbrennungsluftverhältnis eines Wasserstoffverbrennungsmotors;
    • 2 und 3 Ablaufschemata eines beispielhaften Verfahrens;
    • 4 und 5 Ablaufschemata eines weiteren beispielhaften Verfahrens;
    • 6a beispielhafte Standardventilhubverlauf;
    • 6b beispielhafter Ventilhubverlauf im „Boot Lift Profil“; und
    • 6c beispielhafter Ventilhubverlauf im „Multi Lift Profil“.
  • In der 1 sind die Abhängigkeiten der Stickoxidrohemission, der maximalen Temperatur und der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsraum vom Verbrennungsluftverhältnis λ graphisch dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Stickoxidrohemission bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 2 deutlich bis zu einem Maximum bei ungefähr λ ~ 1,3 ansteigt und anschließend mit abnehmendem Verbrennungsluftverhältnis λ wieder abfällt. Unterhalb von λ = 1 kann ein Katalysator genutzt werden, so dass die zunächst emittierten Stickoxide nachbehandelt werden können und nicht in die Umgebung gelangen.
  • Zwischen 1 < λ < 2 befindet sich jedoch ein kritischer Bereich, in dem eine katalytische Behandlung der Stickoxide nicht mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Daher sollte dieser Bereich beim Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors vermieden werden.
  • Im 1 ist weiterhin ersichtlich, dass die Sauerstoffkonzentration mit zunehmenden Verbrennungsluftverhältnis λ ansteigt, während die maximale Temperatur im Verbrennungsraum absinkt. Die genannten Effekte bedingen sich zumindest teilweise gegenseitig. So ist beispielsweise die Bildung von Stickoxiden während der Kraftstoffverbrennung temperaturabhängig.
  • Die 2 und 3 zeigen Ablaufschemata eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit interner Abgasrückführung. Beispielsweise kann es sich um einen mit reinem Wasserstoff betriebenen 4-Takt-Vierzylindermotor handeln. Dem Wasserstoffverbrennungsmotor ist eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung zugeordnet, mit der der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils zeitlich verschoben werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel weist der zweite Betriebszustand ein zweites Verbrennungsluftverhältnis λB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 2 auf. Wie bereits beschrieben, kann die untere Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs abweichend festgelegt sein, z. B. bei 1,3, 1,5 oder 1,8.
  • 2 betrachtet den Fall, dass eine Drehmomentverringerung angefordert wird und ein Wechsel von dem ersten in den zweiten Betriebszustand erfolgt. Dieser Fall wird nachstehend erläutert.
  • Nach dem Start des Verfahrens wird im Schritt S1 geprüft, ob eine Anforderung einer Drehmomentverringerung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird das Vorliegen einer Anforderung einer Drehmomentverringerung erneut geprüft, z. B. fortlaufend oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen.
  • Liegt eine Anforderung einer Drehmomentverringerung vor, geht das Verfahren weiter zu Schritt S2. Im Schritt S2 wird geprüft, ob das Verbrennungsluftverhältnis λ ≤ 1 ist, d. h. ob der Wasserstoffverbrennungsmotor im ersten Betriebszustand betrieben wird.
  • Ist dies nicht der Fall, bedeutet dies, dass der Wasserstoffverbrennungsmotor bereits im zweiten Betriebszustand betrieben, da bei Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors in einem Verbrennungsluftverhältnisbereich zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich und den zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich vermieden wird. Da sich der Wasserstoffverbrennungsmotor also bereits im zweiten Betriebszustand befindet, kann das Drehmoment im Schritt S3 wie üblich durch Verringerung der Kraftstoffmenge (Qualitätsregelung) oder Verringerung der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs (Quantitätsregelung) reduziert werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S1.
  • Wird im Schritt S2 hingegen festgestellt, dass das Verbrennungsluftverhältnis λ ≤ 1 ist, d. h. der Wasserstoffverbrennungsmotor im ersten Betriebszustand betrieben wird, geht das Verfahren weiter zu Schritt S4.
  • Im Schritt S4 wird auf ein zweites Verbrennungsluftverhältnis λB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 2 mittels der variablen Ventilsteuerung umgeschaltet, indem der AGR-Anteil des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstanter Kraftstoffmenge verringert wird.
  • Im Schritt S5 wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis λB im Verbrennungsraum verringert, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Luftmenge, die AGR-Menge und die dem Verbrennungsraum zugeführte Kraftstoffmenge zueinander korrespondierend verringert werden. Die Kraftstoffmenge wird dabei so gewählt, dass das angeforderte Drehmoment resultiert. Die Frischluftmenge kann beispielsweise durch Verringerung des Ventilhubs und/oder Verkürzung der Ventilöffnungszeitdauer des Einlassventils verringert werden. Die Schritte S4 und S5 können auch gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S1.
  • 3 betrachtet den Fall, dass eine Drehmomenterhöhung angefordert wird und ein Wechsel von dem zweiten in den ersten Betriebszustand erfolgt. Dieser Fall wird nachstehend erläutert.
  • Nach dem Start des Verfahrens wird im Schritt S6 geprüft, ob eine Anforderung einer Drehmomenterhöhung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird das Vorliegen einer Anforderung einer Drehmomenterhöhung erneut geprüft, z. B. fortlaufend oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen.
  • Liegt eine Anforderung einer Drehmomenterhöhung vor, geht das Verfahren weiter zu Schritt S7. Im Schritt S7 wird geprüft, ob das Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 ist, d. h. ob der Wasserstoffverbrennungsmotor im zweiten Betriebszustand betrieben wird.
  • Ist dies nicht der Fall, bedeutet dies, dass der Wasserstoffverbrennungsmotor bereits im ersten Betriebszustand betrieben, da bei Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors in einem Verbrennungsluftverhältnisbereich zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich und den zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich vermieden wird. Da sich der Wasserstoffverbrennungsmotor also bereits im ersten Betriebszustand befindet, kann das Drehmoment im Schritt S8 wie üblich durch Erhöhung der Kraftstoffmenge (Qualitätsregelung) oder Erhöhung der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs (Quantitätsregelung) erhöht werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S6.
  • Wird im Schritt S7 hingegen festgestellt, dass das Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 ist, d. h. der Wasserstoffverbrennungsmotor im zweiten Betriebszustand betrieben wird und dass eine Drehmomenterhöhung auf den Zielwert nicht bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 möglich ist, geht das Verfahren weiter zu Schritt S9.
  • Im Schritt S9 wird auf ein erstes Verbrennungsluftverhältnis λA in einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 mittels der variablen Ventilsteuerung umgeschaltet, indem der AGR-Anteil des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstanter Kraftstoffmenge erhöht wird.
  • Im Schritt S10 wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis λA im Verbrennungsraum erhöht, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Luftmenge, die AGR-Menge und die dem Verbrennungsraum zugeführte Kraftstoffmenge zueinander korrespondierend erhöht werden. Die Kraftstoffmenge wird dabei so gewählt, dass das angeforderte Drehmoment resultiert. Die Frischluftmenge kann beispielsweise durch Vergrößerung des Ventilhubs und/oder Verlängerung der Ventilöffnungszeitdauer des Einlassventils erhöht werden. Die Schritte S9 und S10 können auch gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S6.
  • Die 4 und 5 zeigen Ablaufschemata eines weiteren beispielhaften Verfahrens.
  • Das in 4 gezeigte Teilverfahren ist im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Teilverfahren modifiziert. Wird im Schritt S2 festgestellt, dass λ ≤ 1 gilt, wird in einem Schritt S11 geprüft, ob λ = 1 ist. Ist dies der Fall, so geht das Verfahren wie zu 2 beschrieben mit Schritt S4 weiter.
  • Wird im Schritt S11 hingegen festgestellt, dass λ = 1 nicht gilt und folglich λ < 1 ist, wird ein zusätzlicher Schritt S12 eingefügt. Im Schritt S12 wird die Kraftstoffmenge verringert, bis λ = 1 gilt. Anschließend geht das Verfahren weiter mit Schritt S4 wie zu 2 beschrieben.
  • Analog kann auch das bezugnehmend auf 3 beschriebene Teilverfahren entsprechend modifiziert werden, wie in 5 gezeigt. Wird im Schritt S7 festgestellt, dass λ ≥ 1 gilt, wird in einem Schritt S13 geprüft, ob λ = 2 ist. Ist dies der Fall, so geht das Verfahren wie zu 3 beschrieben mit Schritt S9 weiter.
  • Wird im Schritt S13 hingegen festgestellt, dass λ = 2 nicht gilt und folglich λ > 2 ist, wird ein zusätzlicher Schritt S14 eingefügt. Im Schritt S14 wird die Kraftstoffmenge erhöht, bis λ = 2 gilt. Anschließend geht das Verfahren weiter mit Schritt S9 wie zu 3 beschrieben.
  • Die beschriebenen Teilverfahren können auch miteinander kombiniert werden.
  • Die 6a bis 6c zeigen beispielhafte Ventilhubverläufe, wobei der gestrichelt dargestellte Verlauf jeweils einen idealen Verlauf des Auslassventilhubs (links, Maximum bei ca. 250 °) und des Einlassventilhubs (rechts, Maximum bei ca. 470 °) im Standardmodus darstellt. Die dargestellten Ventilhubverläufe lassen sich mittels einer vollvariablen Ventilsteuerung realisieren.
  • 6a zeigt einen tatsächlichen Standardverlauf eines Ventilhubs eines Einlassventils im Vergleich zum idealen Verlauf. Der Ventilöffnungszeitpunkt ist bei ca. 345 °, der Ventilschließzeitpunkt bei ca. 565 °.
  • 6b zeigt einen tatsächlichen Verlauf eines Ventilhubs eines Einlassventils im Vergleich zum idealen Verlauf in einem „Boot Lift Profil“. Der Ventilöffnungszeitpunkt ist bei ca. 270 °, der Ventilschließzeitpunkt bei ca. 540 °, d. h. es erfolgte eine Verschiebung auf einen früheren Zeitpunkt (Frühverschiebung), so dass eine Überschneidung der Ventilöffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil resultiert. Folglich verbleibt im Verbrennungsraum ein gewisser Anteil an AGR und die AGR-Menge ist im Vergleich zu 6a erhöht.
  • 6c zeigt einen tatsächlichen Verlauf eines Ventilhubs eines Einlassventils im Vergleich zum idealen Verlauf in einem „Multi Lift Profil“, d. h. es finden voneinander unabhängig zwei Ventilhübe statt. Ein erster kurzer Ventilhub erfolgt zwischen ca. 235° und 330°. Danach wird das Einlassventil für kurze Zeit wieder vollständig geschlossen, bevor es bei ca. 360 ° erneut geöffnet und bei ca. 540 ° wieder geschlossen wird. Auch hier kommt es zu einer Überschneidung der Ventilöffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil resultiert. Auch hier verbleibt im Verbrennungsraum ein gewisser Anteil an AGR und die AGR-Menge ist im Vergleich zu 6a erhöht.
  • Bezugszeichenliste
    • λ
    Verbrennungsluftverhältnis
    λA
    erstes Verbrennungsluftverhältnis
    λB
    zweites Verbrennungsluftverhältnis
    λX
    „verbotenes“ Verbrennungsluftverhältnis
    S1 bis S14
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7281531 B1 [0008, 0009]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit interner Abgasrückführung, bei dem ein wasserstoffhaltiger Kraftstoff in einem ersten Betriebszustand mit einem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA in einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und in einem zweiten Betriebszustand mit einem zweiten Verbrennungsluftverhältnis AB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 in einem Verbrennungsraum des Wasserstoffverbrennungsmotors verbrannt wird, wobei ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand erfolgt, indem - Abgas erzeugt und ein Teil des Abgases intern rückgeführt wird, wobei das rückgeführte Abgas nachfolgend als AGR bezeichnet wird, - ein AGR-Anteil eines Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstanter Kraftstoffmenge in dem Verbrennungsraum derart geändert wird, dass bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich eingestellt wird und - eine Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Verbrennungsluftbereich λ ≥ 1,5, bevorzugt λ ≥ 1,8 und weiter bevorzugt λ ≥ 2, ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen des Wasserstoffverbrennungsmotors erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoff dem Verbrennungsraum direkt zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vor dem Ändern des AGR-Anteils eine Menge des Kraftstoffs bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ = 1 verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ, das der unteren Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs entspricht, erhöht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der AGR-Anteil mittels zeitlicher Verschiebung eines Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils geändert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventils mittels einer vollvariablen Ventilsteuerung, bevorzugt einer elektrohydraulisch betriebenen vollvariablen Ventilsteuerung, erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoffverbrennungsmotor nicht in einem Betriebszustand mit einem Verbrennungsluftverhältnis λX betrieben wird, bei dem das Verbrennungsluftverhältnis λX weder im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich noch im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich liegt.
  9. Motorsystem, aufweisend einen Wasserstoffverbrennungsmotor und Mittel, die geeignet sind, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Motorsystem nach Anspruch 9.
  11. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Motorsystem des Anspruchs 9 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.
  12. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.
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