-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Einblassystems zur Wasserstoffeinblasung, einen Druckregler für ein Einblassystem zur Wasserstoffeinblasung sowie ein Einblassystem für eine wasserstoffbetriebene Verbrennungsmaschine.
-
Derzeit besteht eine Vielzahl von technischen Lösungen zur Wasserstoffdirekteinblasung in den Brennraum. Dabei sind die Anforderungen an einen Injektor zur Wasserstoffdirekteinblasung, insbesondere bei niederen Drücken, hoch, aufgrund der erforderlichen Dichtquerschnitte und der damit verbundenen hohen Ventilhübe. Dadurch resultiert eine vergleichsweise lange Öffnungs- und Schließzeit des Injektors, was insbesondere bei hohen Drehzahlen von Motoren Herausforderungen schafft.
-
Der zunehmende Wettbewerb im Bereich der Wasserstofffahrzeuge sorgt auch für einen Kostendruck, sodass insbesondere günstigere Komponenten für Fahrzeuge stärker nachgefragt werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln eines Einblassystems zur Wasserstoffeinblasung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, weist gegenüber dem Bekannten den Vorteil auf, dass aufgrund der gezielten Druckregelstrategie und einer damit einhergehenden Variation des Systemdrucks ein kritischer Betriebsbereich des Injektors, insbesondere in der Mengenkennlinie, vermieden wird. Insbesondere weisen Injektoren in einem Übergangsbereich der Mengenkennlinie zwischen einer ballistischen Bewegung und einer Vollhubbewegung des Injektors erhöhte Exemplar- und Hub-zu-Hub-Streuungen auf. Diese können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden bzw. reduziert werden, sodass die Exemplar- und Hub-zu-Hub-Streuung der Injektoren für verschiedene Motorbetriebspunkte verbessert wird. Ferner kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Betriebspunkt mittels einer Druckerhöhung derart verschoben werden, dass der Betriebspunkt aus dem Übergangsbereich in den ballistischen Bereich verschoben wird, sodass gleichermaßen die gegenüber dem Übergangsbereich aufgetretene Instabilität der Mengenzumessung vermieden werden kann.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Verfahren zum Regeln eines Einblassystems zur Wasserstoffeinblasung die Schritte aufweist:
- - Erhalten eines Mengensignals, welches eine Menge an einzublasendem Kraftstoff angibt,
- - Erzeugen eines Einblassignals, basierend auf dem erhaltenen Mengensignal, welches einen vorbestimmten Druck des Kraftstoffes, eine Auslenkung einer Injektornadel und eine Einblasdauer des Injektors aufweist,
- - Anpassen des Einblassignals durch eine Anpassung des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes in Abhängigkeit der Auslenkung der Injektornadel und der Einblasdauer, sodass eine Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes im Wesentlichen linear ist.
-
In anderen Worten kann ein Motorsteuergerät das Mengensignal ausgeben, welches eine Menge an einzublasendem Kraftstoff beschreibt, wie beispielsweise Wasserstoff. Basierend auf dem erhaltenen Mengensignal kann ein Einblassignal erzeugt oder berechnet werden, welches einen vorbestimmten Druck im Kraftstoff bzw. im Kraftstoffsystem, eine Auslenkung der Injektornadel bzw. einen Injektorhub und eine Einblasdauer bzw. eine Dauer, wie lange der Injektor geöffnet ist, umfasst. Hierbei kann bestimmt werden, ob der Betriebspunkt des Injektors auf einer Mengenkennlinie, welche eine Veränderung der Einblasdauer zur Einblasmenge beschreibt, in einem Übergangsbereich liegt. Der Übergangsbereich kann in der Mengenkennlinie detektiert werden, da im Übergangsbereich die Veränderung der Einblasdauer zur Einblasmenge nicht linear ist. Wenn der Betriebspunkt in diesem Übergangsbereich liegt, kann ein Druck des einzublasenden Kraftstoffes erhöht werden, sodass der Betriebspunkt sich in einen ballistischen Bereich der Mengenkennlinie bewegt, wobei im ballistischen Bereich der Injektor eine ballistische Bewegung ausführt, oder der Druck verringert werden, sodass der Betriebspunkt sich in einem Vollhubbereich befindet, wobei im Vollhubbereich der Injektor eine maximale Auslenkung aufweist. Ferner kann dabei das erzeugte Einblassignal angepasst werden, d. h. insbesondere Werte des Einblassignals insbesondere des vorbestimmten Druckes der Auslenkung und/oder der Einblasdauer des Injektors verändert werden. Die Anpassung erfolgt insbesondere derart, dass eine Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes im Wesentlichen linear ist. Im Wesentlichen linear bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Veränderung in einem Bereich von ± 15 %, insbesondere ± 10 % und weiter insbesondere ± 5 %, umfasst ist. Dabei bildet sich insbesondere eine lineare Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes im ballistischen wie auch im Vollhubbereich der Mengenkennlinie aus. Dies wird ebenso in der 1 dargestellt und in der dazugehörigen Figurenbeschreibung detailliert erläutert.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Vorzugsweise weist der Schritt des Anpassens des Einblassignals ferner den Schritt auf:
- - Verringern des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes, sodass die Auslenkung der Injektornadel einen maximalen Wert erreicht.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass bei einem maximalen Wert der Auslenkung der Injektornadel, insbesondere einem Vollhub, die Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes im Wesentlichen linear ist und somit eine konstant bleibende Menge an einzublasendem Wasserstoff im Brennraum zur Verfügung gestellt werden kann.
-
Dabei kann der Druck des einzublasenden Kraftstoffes im Einblassystem reduziert, verringert oder minimiert werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Druckreglers erfolgen. Ferner kann auch der Systemdruck des Einblassystems ganzheitlich verringert oder reduziert werden.
-
Vorzugsweise weist der Schritt des Anpassens des Einblassignals ferner auf:
- - Erhöhen des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes, sodass die Auslenkung der Injektornadel in einem geringen, insbesondere ballistischen Bereich ist.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch die Erhöhung des Druckes eine geringere Auslenkung der Injektornadel notwendig ist und sich diese somit in einem geringen bzw. ballistischen Bereich befindet. In anderen Worten wird der Betriebspunkt des Injektors aus einem Übergangsbereich der Mengenkennlinie in einen ballistischen Bereich durch eine Druckerhöhung verschoben.
-
Weiter bevorzugt umfasst der Schritt des Anpassens des Einblassignals ferner:
- - Verlängern oder Verringern der Einblasdauer bei der Anpassung des Druckes, sodass eine Vermischung zwischen dem einzublasenden Kraftstoff und einem weiteren Fluid gesteigert wird.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch eine gezielte Anpassung der Einblasdauer bei der Anpassung des Druckes, insbesondere bei einer Druckerhöhung oder -reduzierung, die Einblasdauer so angepasst werden kann, dass eine möglichst optimale Vermischung zwischen dem einzublasenden Kraftstoff und einem weiteren Fluid, wie beispielsweise Luft, in der Brennkammer gesteigert werden kann. Dabei kann das Einblassignal derart angepasst werden, dass in einem ersten Schritt ein Druck des einzublasenden Kraftstoffes verändert wird und in einem zweiten Schritt die Einblasdauer verlängert oder verringert werden kann, um den Betriebspunkt des Injektors in der Mengenkennlinie in den Vollhubbereich oder in den ballistischen Bereich zu verlagern. Dabei kann zudem durch eine Anpassung der Einblasdauer die Vermischung zwischen dem einzublasenden Kraftstoff und dem weiteren Fluid gezielt eingestellt werden, insbesondere gesteigert werden.
-
Vorzugsweise weist das Verfahren die Schritte auf:
- - Erfassen einer Mengenkennlinie des Injektors, welche die Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes des Injektors beschreibt,
- - Bestimmen eines ballistischen Bereiches, eines Übergangsbereichs und eines Vollhubbereichs in der Mengenkennlinie des Injektors, wobei die Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes im ballistischen Bereich und im Vollhubbereich der Mengenkennlinie im Wesentlichen linear ist und die Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes im Übergangsbereich im Wesentlichen nicht linear ist,
wobei der Schritt des Anpassens des Einblassignals ferner den Schritt umfasst: - - Verringern des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes, wenn das erhaltene Mengensignal im Übergangsbereich liegt, sodass das angepasste Einblassignal im Vollhubbereich liegt oder Erhöhen des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes, wenn das erhaltene Mengensignal im Übergangsbereich liegt, sodass das angepasste Einblassignal im ballistischen Bereich liegt.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch das Erfassen der Mengenkennlinie und der Bestimmung des ballistischen, des Übergangs- und des Vollhubbereichs der Mengenkennlinie die Druckanpassung des einzublasenden Kraftstoffes weiter optimiert werden kann, um somit eine möglichst effiziente Wasserstoffeinblasung bereitzustellen. Die Mengenkennlinie beschreibt eine Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes und teilt sich in einen ballistischen Bereich, einen Übergangsbereich und einen Vollhubbereich in der Mengenkennlinie auf. Dabei kann die Mengenkennlinie spezifisch für einen Injektor erfasst werden oder eine Mengenkennlinie für eine Vielzahl von Injektoren übernommen werden. Somit schließt das Erfassen einer Mengenkennlinie auch das Abfragen einer Mengenkennlinie aus einem Speichermedium oder Ähnlichem ein. Dabei ist der Verlauf der Mengenkennlinie im ballistischen Bereich und im Vollhubbereich insbesondere linear, sodass eine Veränderung der Einblasdauer zur Menge des einzublasenden Kraftstoffes eine konstante Steigerung aufweist. Im Wesentlichen linear bedeutet in diesem Zusammenhang, eine Abweichung von ± 15 %, insbesondere ± 10 % und weiter insbesondere ± 5 %. Ferner kann das Einblassignal derart angepasst werden, dass, wenn der Betriebspunkt des Injektors im Übergangsbereich liegt, beim erhaltenen Mengensignal der Druck des einzublasenden Kraftstoffes verringert wird, sodass sich der Betriebspunkt aus dem Übergangsbereich in den Vollhubbereich verschiebt. Ferner kann, wenn der Betriebspunkt des Injektors in dem Übergangsbereich liegt, der Druck des einzublasenden Kraftstoffes erhöht werden, sodass sich der Betriebspunkt des Injektors aus dem Übergangsbereich in den ballistischen Bereich verschiebt. Beispielsweise kann ein Entscheidungskriterium sein, ob der Druck erhöht oder verringert wird, ob sich der Betriebspunkt im Übergangsbereich näher zum Bereich des ballistischen Bereiches oder näher zum Bereich des Vollhubbereiches befindet, wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist und in der dazugehörigen Figurenbeschreibung erläutert wird.
-
Weiter bevorzugt liegt die Anpassung des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes in einem Bereich von 0,5 MPa bis 3 MPa.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass insbesondere im Niedrigdruckeinblasbereich mithilfe der Anpassung des Druckes die gezielte Kraftstoffmenge mit einer erhöhten Effektivität eingeblasen werden kann.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Druckregler für ein Einblassystem zur Wasserstoffeinblasung, aufweisend:
- - eine Schnittstelle, welche dazu eingerichtet ist, ein angepasstes Einblassignal zu empfangen, welches nach einem Verfahren, wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, erstellt wurde,
- - zumindest einen Aktuator, welcher dazu eingerichtet ist, einen Druck eines einzublasenden Kraftstoffes gemäß des angepassten Einblassignals in dem Einblassignal zu verringern oder zu erhöhen.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mithilfe der gezielten Druckeinstellung des einzublasenden Kraftstoffes eine Hub-zu-Hub-Streuung des Injektors verringert werden kann und somit eine Menge des einzublasenden Kraftstoffes an einen Zielwert anzunähern.
-
Dabei kann der Druckregler insbesondere eine Schnittstelle aufweisen, welche beispielsweise eine Schnittstelle zu einem Motorsteuergerät oder Ähnlichem ist. Dabei kann der Druckregler über die Schnittstelle ein angepasstes Einblassignal empfangen, welches zumindest einen Druck des einzublasenden Fluids umfasst. Ferner kann der Druckregler über einen Aktuator verfügen, welcher den Druck zwischen einem Gastank und einem Injektor steuern kann. Dabei kann der Aktuator insbesondere den Druck in diesem Leitungssystem derart anpassen, dass der Druck des einzublasenden Kraftstoffes dem Wert des angepassten Einblassignals entspricht. Dabei kann der Druckregler insbesondere einen Druck des einzublasenden Kraftstoffes in der Leitung des Kraftstoffes, insbesondere zwischen dem Druckregler und dem Injektor, verringern bzw. reduzieren und/oder erhöhen bzw. steigern.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Einblassystem für eine wasserstoffbetriebene Verbrennungsmaschine, aufweisend:
- - einen Gastank zum Speichern von Wasserstoff,
- - einen Druckregler, wie voranstehend und nachfolgend beschrieben,
- - einen Injektor zum Einblasen von Wasserstoff in eine Brennkammer,
wobei Wasserstoff vom Gastank durch den Druckregler in den Injektor leitbar ist, wobei der Injektor dazu eingerichtet ist, ein angepasstes Einblassignal zu empfangen und eine Auslenkung der Injektornadel sowie eine Ausblasdauer entsprechend dem angepassten Einblassignal einzustellen.
-
Ein Vorteil kann sein, dass mithilfe der gezielten Druckanpassung des einzublasenden Kraftstoffes mittels des Druckreglers sowie der gezielten Steuerung des Injektors hinsichtlich der Einblasdauer und der Auslenkung der Injektornadel die tatsächlich eingeblasene Menge Kraftstoff an eine gewünschte Menge Kraftstoff angenähert werden kann und somit Toleranzen und Streuungen des Einblassystems bzw. des Injektors ausgeglichen werden können.
-
Das Einblassystem umfasst dabei einen Gastank, welcher Wasserstoff speichern und lagern kann. Dabei kann der Gastank den Wasserstoff insbesondere bei sehr hohen Drücken lagern, sodass ein geringes Volumen für den Gastank erforderlich ist. Ferner kann der Druckregler dazu eingerichtet sein, den Wasserstoff aus dem Gastank in seinem Druck in einem ersten Schritt zu reduzieren und in einem zweiten Schritt an ein Einblassignal gezielt anzupassen. Ferner können der Druckregler und der Injektor fluidleitend verbunden sein, sodass ein Gas, welches den Injektor erreicht, bereits den angepassten Druck des einzublasenden Kraftstoffes gemäß dem angepassten Einblassignal aufweisen kann. Ferner kann der Injektor über eine Schnittstelle verfügen, um beispielsweise ein angepasstes Einblassignal wie bspw. von einem Motorsteuergerät zu empfangen und in die Auslenkung der Injektornadel sowie die Einblasdauer des Injektors entsprechend des angepassten Einblassignals einzustellen.
-
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Fahrzeug, welches ein Einblassignal wie voranstehend und nachfolgend beschrieben aufweist.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind:
- 1 eine schematische Darstellung einer Mengenkennlinie,
- 2 eine schematische Übersicht des Einblassystems,
- 3 eine schematische Darstellung mehrerer Mengenkennlinien bei unterschiedlichen Drücken,
- 4 ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten des Verfahrens, und
- 5 ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten des Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein Verfahren 1 zum Regeln eines Einblassystems 2 zur Wasserstoffeinblasung, ein Druckregler 14 und ein Einblassystem 2 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
-
1 zeigt eine Mengenkennlinie 6 eines Injektors 4. Die Mengenkennlinie 6 weist auf der x-Achse die Einblasdauer t auf sowie auf der y-Achse die Menge V des einzublasenden Kraftstoffes. Dabei teilt sich die Mengenkennlinie 6 in einen ballistischen Bereich 8, in einen Übergangsbereich 10 sowie einen Vollhubbereich 12 auf.
-
Basierend auf dem erhaltenen Mengensignal wird ein Einblassignal erzeugt, welches einen vorbestimmten Druck des Kraftstoffes, eine Auslenkung der Injektornadel und eine Einblasdauer t des Injektors 4 aufweist. Das erzeugte Einblassignal beschreibt somit einen Betriebspunkt des Injektors 4 auf der Mengenkennlinie 6. Befindet sich der Betriebspunkt des Injektors 4 im Übergangsbereich 10 der Mengenkennlinie 6, kann ein angepasstes Einblassignal erzeugt werden, welches eine Druckverringerung umfasst, sodass sich der Betriebspunkt aus dem Übergangsbereich 10 in den Vollhubbereich 12 verschiebt. Sollte der Betriebspunkt im Übergangsbereich 10 der Mengenkennlinie 6 liegen, kann der Druck des einzublasenden Kraftstoffes erhöht werden, sodass sich der Betriebspunkt des Injektors 4 in den ballistischen Bereich 8 der Mengenkennlinie 6 verschiebt. Somit kann eine Hub-zu-Hub-Streuung des Injektors 4 minimiert werden.
-
2 zeigt ein schematisches Schaubild des Einblassystems 2. Das Einblassystem 2 umfasst dabei einen Gastank 22, welcher Wasserstoff speichern kann. Ferner umfasst das Einblassystem den Druckregler 14, welcher fluidleitend mit dem Gastank 22 verbunden ist. Der Druckregler 14 weist dabei eine Schnittstelle 18 auf, welche ein angepasstes Einblassignal, beispielsweise von einem Motorsteuergerät, empfangen kann. Ferner weist der Druckregler 14 einen Aktuator 20 auf, der dazu eingerichtet ist, einen Druck des einzublasenden Kraftstoffes gemäß des angepassten Einblassignals, welches beispielsweise über die Schnittstelle 18 empfangen wurde, anzupassen, insbesondere zu verringern und/oder zu erhöhen. Ferner ist der Druckregler 14 fluidleitend mit dem Injektor 4 verbunden. Der Injektor 4 ist dazu eingerichtet, den einzublasenden Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, in die Brennkammer 24 einzublasen. Dabei kann der Injektor 4 die Menge des einzublasenden Kraftstoffes mittels einer Veränderung des Injektorhubs sowie der Dauer des geöffneten Injektors gezielt einstellen.
-
3 zeigt eine Vielzahl von Mengenkennlinien. Dabei weist 3 eine Legende auf, welche die Mengenkennlinien zu unterschiedlichen Drücken darstellt. Die erste Mengenkennlinie 26 zeigt eine Veränderung der Einblasdauer t zu der Einblasmenge V bei einem Druck des einzublasenden Kraftstoffes von 8 bar bzw. 0,8 MPa. Die zweite Mengenkennlinie 28 zeigt die Veränderung der Einblasdauer t zur Menge V bei einem Druck des einzublasenden Kraftstoffes bei 12 bar bzw. 1,2 MPa. Die dritte Mengenkennlinie 30 zeigt eine Veränderung der Einblasdauer t zur Einblasmenge V bei einem Druck von 15 bar bzw. 1,5 MPa. Die vierte Mengenkennlinie 32 zeigt die oben beschriebene Veränderung bei einem Druck des einzublasenden Kraftstoffes von 17 bar bzw. 1,7 MPa. Die fünfte Mengenkennlinie 34 zeigt die Veränderung in der Einblasdauer t zur Menge V bei einem Druck von 20 bar bzw. 2 MPa. Die sechste Mengenkennlinie 36 zeigt eine Veränderung der Einblasdauer t zur Menge V bei einem Druck von 22 bar bzw. 2,2 MPa. Die Mengenkennlinien 26 bis 36 weisen jeweils einen ballistischen Bereich auf, wobei die Veränderung der Einblasdauer zur Einblasmenge im Wesentlichen linear ist, einen Übergangsbereich, welcher im Wesentlichen nicht linear ist sowie einen Vollhubbereich, bei dem die Veränderung der Einblasdauer zur Einblasmenge im Wesentlichen linear ist.
-
4 zeigt das Verfahren 1 zum Regeln eines Einblassystems 2 zur Wasserstoffeinblasung, welches den Schritt umfasst Erhalten S1 eines Mengensignals, welches eine Menge V eines einzublasenden Kraftstoffes angibt. Ferner umfasst das Verfahren 1 den Schritt Erzeugen S2 eines Einblassignals basierend auf dem erhaltenen Mengensignal, welches einen vorbestimmten Druck des Kraftstoffes, eine Auslenkung eines Injektors 4 und eine Einblasdauer t des Injektors 4 aufweist. Darüber hinaus umfasst das Verfahren 1 den Schritt Anpassen S3 des Einblassignals durch eine Anpassung des Drucks des einzublasenden Kraftstoffes in Abhängigkeit der Auslenkung der Injektornadel und der Einblasdauer t, sodass eine Veränderung der Einblasdauer t zur Menge V des einzublasenden Kraftstoffes im Wesentlichen linear ist.
-
5 zeigt das weitere Verfahren 38, welches die Schritte S1 bis S3, wie bereits dargestellt, umfasst. Ferner umfasst das weitere Verfahren 38 den Schritt Verringern S4 des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes. Zudem umfasst das weitere Verfahren 38 den Schritt Erhöhen S5 des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes. Zudem weist das weitere Verfahren 38 den Schritt Verlängern oder Verringern S6 der Einblasdauer t bei der Anpassung des Druckes auf. Darüber hinaus umfasst das weitere Verfahren 38 den Schritt Erfassen S7 einer Mengenkennlinie 6 des Injektors 4. Zudem umfasst das weitere Verfahren 38 den Schritt Bestimmen S8 eines ballistischen Bereiches 8, eines Übergangsbereiches 10 und eines Vollhubbereiches 12 in der Mengenkennlinie 6 des Injektors 4. Darüber hinaus umfasst das weitere Verfahren 38 den Schritt S9 Verringern des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes, wenn das erhaltene Mengensignal im Übergangsbereich 10 liegt, sodass das angepasste Einblassignal im Vollhubbereich 12 liegt, oder Erhöhen des Druckes des einzublasenden Kraftstoffes, wenn das erhaltene Mengensignal im Übergangsbereich 10 liegt, sodass das angepasste Einblassignal im ballistischen Bereich 8 liegt.
