Titel:

Verfahren und Steuereinheit zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors.

Stand der Technik

Wasserstoff bietet potenziell COj-freie Energie für mobile und stationäre Anwendungen. Neben Brennstoffzellen sind auch Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff als Kraftstoff bekannt, die für bestimmte Marktsegmente Vorteile aufweisen, etwa eine höhere Robustheit in Off-Highway-Anwendungen. Darüber hinaus werden etablierte Technologien verwendet, die in günstigeren Herstellungs- und Wartungskosten resultieren.

Um bei Wasserstoffmotoren eine Verbrennungsstabilität zu gewährleisten und gleichzeitig Stickoxid-Emissionen zu begrenzen, ist es sinnvoll, Wasserstoffmotoren in einem Magerbetrieb zu betreiben, d.h. mit einem hohem Luftüberschuss. Die hierfür gewählte Luftüberschusszahl ist idealerweise 2 oder größer. Dabei nimmt nur ein Teil der Frischluft an der Verbrennung teil, was zu Einbußen bei einer stationären Leistungsdichte und bei einem dynamischen Drehmomentaufbau führen kann. Der Wasserstoffmotor folgt daher dem Drehmomentwunsch nur mit Verzögerung, insbesondere im Vergleich mit dem Drehmomentaufbau eines modernen Diesel- oder Ottomotors. Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und/oder eine Steuerung für einen Wasserstoffmotor vorzuschlagen, um ein verbessertes Ansprechverhalten bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Es wird ein Verfahren zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff-Gemischs mit einem Luft-Wasserstoff- Verhältnis X größer 1 vorgeschlagen, wobei der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, stationäre Betriebszustände und transiente Betriebszustände einzunehmen, wobei Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen nach später verstellt werden als in den stationären Betriebszuständen.

Der betreffende Wasserstoffmotor weist einen oder mehrere Zylinder auf, die in einer gewünschten Weise in einem Motorblock angeordnet sind. In jedem Zylinder ist ein axial bewegbarer Kolben angeordnet und wird durch ein Wasserstoff-Luft-Gemisch, das in einer von dem Kolben begrenzten Kammer verdichtet und gezündet wird, bewegt. Der Zündzeitpunkt, in dem ein Zündfunke an einer Zündkerze ausgelöst wird, wird dabei von der Stellung des Kolbens abhängig gemacht und hängt generell von einer Flammausbreitungsgeschwindigkeit und verschiedenen Betriebs- und Umgebungsparametern des Wasserstoffmotors ab. Es ist üblich, den Zündzeitpunkt mit steigender Drehzahl in Richtung eines früheren Zeitpunkts zu verstellen, d.h. in Zeitpunkte nahe an einem oberen Totpunkt.

Es ist üblich, den Zündzeitpunkt für jeden Betriebszustand des Wasserstoffmotors derart einzustellen, dass ein optimaler Wirkungsgrad vorliegt. Dies könnte unter anderem eine Auswertung des sogenannte MFB50-Punktes („Mass Fraction Burned“) beinhalten, bei dem die Hälfte des Wasserstoffs verbrannt ist. Der Zündzeitpunkt kann in gewissen Grenzen verstellt werden, um die Verbrennung in einem momentanen Betriebszustand zu optimieren und sowohl Klopfen als auch Rückzündungen zu vermeiden. Bei Volllast könnte etwa durch zu frühe Zündzeitpunkte ein Klopfen entstehen, während bei zu späten Zündzeitpunkten eher Rückzündungen entstehen könnten. Hierdurch kann eine Art Zündzeitbereich definiert werden, in dem die Zündzeitpunkte liegen sollten. Der Zündzeitbereich kann von der Last abhängen und bei Teillast tendenziell früher liegen als bei Volllast.

Im Rahmen von Messungen an einem Motorprüfstand wurde überraschend festgestellt, dass eine Spätverstellung des Zündwinkels bei Wasserstoffmotoren Vorteile hinsichtlich der Stickoxid-Emissionen und der Stabilität der Verbrennung bietet. Hierdurch kann der vorgesehene Luftüberschuss verringert werden. Damit kann vorübergehend eine größere Menge an Wasserstoff in Wärme umgesetzt werden. Außerdem verbleibt durch eine solche Spätverstellung des Zündzeitpunkts grundsätzlich ein höherer Anteil der durch die Verbrennung freigesetzten Energie in dem aus dem Wasserstoffmotor strömenden Abgas. Durch eine damit einhergehende erhöhte Abgasenthalpie kann das Ansprechverhalten des im Abgaspfad angeordneten Turboladers, folglich des damit gekoppelten Verdichters zum Vergrößern des Luftmassenstroms und damit der gesamte Drehmomentaufbau des Motors verbessert werden.

Folglich können durch das erfindungsgemäße Verfahren transiente Betriebszustände deutlich verbessert werden und der durch dieses Verfahren geregelte Wasserstoffmotor kann deutlich dynamischer zur rascheren Erreichung eines Volllastbetriebs betrieben werden. Dies wird erfindungsgemäß sehr kosteneffizient durchgeführt, da praktisch keine Modifikationen an dem Wasserstoff motor notwendig sind.

Alternativen zur Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Wasserstoffmotors können alternative Strategien der Verbrennung und Maßnahmen zur Steigerung der Gasmasse in den Zylindern umfassen. Eine alternative Strategie der Verbrennung läge beispielsweise in einem stöchiometrischen Motorbetrieb, der jedoch insbesondere im höheriastigen Bereich, wie vorangehend erwähnt, mit einer Klopfneigung verbunden ist. Zudem ist im Vergleich zu mageren Brennverfahren der Kraftstoffverbrauch erhöht. Maßnahmen zur Steigerung der Gasmasse im Zylinder können beispielsweise eine elektrische Aufladung; eine Unterstützung mit einer separaten, elektrischen Maschine, eine Luft-Einblasung in einem Saugrohr des Motors und andere Maßnahmen umfassen. Diese könnten jedoch die System- Komplexität und die Herstellungskosten deutlich erhöhen.

Die Spätverstellung des Zündwinkels kann zwar temporär zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen. Da die Spätverstellung jedoch ausschließlich für transiente und folglich instationäre Betriebszustände vorgesehen ist, in denen eine erhöhte Drehmomentanforderung gewünscht ist, wird dieser Mehrverbrauch insgesamt deutlich begrenzt. Sobald der gewünschte Ladedruck in dem Wasserstoffmotor erreicht wird, kann der Zündwinkel wieder in einen Bereich für einen optimalen (mechanischen) Wirkungsgrad zurückverschoben werden.

Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X in den stationären Betriebszuständen kann auf einen größeren Wert eingestellt werden als in den transienten Betriebszuständen. Folglich können die Zylinder des Wasserstoffmotors in den transienten Betriebszuständen deutlich stärker befüllt werden, als in stationären Betriebszuständen. Dadurch wird eine erhöhte Abgasenthalpie und folglich ein zumindest kurzzeitig verbessertes Ansprechverhalten des Turboladers zur Erhöhung des Drehmoments erreicht.

Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X kann in den stationären Betriebszuständen in einem Bereich von 2 bis 4 liegen und in den transienten Betriebszuständen bei 2 oder niedriger, bevorzugt in einem Bereich von 1,7 bis 2. Hierdurch werden in den stationären Betriebszuständen eine sehr hohe Verbrennungsstabilität und geringe Stickoxidemissionen erreicht. Dort sind Forderungen nach einem raschen und deutlichen Drehmomentanstieg vergleichsweise gering und der Betrieb des Wasserstoffmotors ist weniger dynamisch. Dies ermöglicht jedoch den Betrieb in einem eher mageren Bereich. In transienten Betriebszuständen hingegen können zumindest kurzzeitig fettere Gemische eingesetzt werden. Ein Luft-Wasserstoff-Verhältnis unterhalb von etwa 1,5 bis 1,7 ist dabei jedoch zu vermeiden, um die Gefahr von eher unkontrollierten Verbrennungen noch weiter zu reduzieren. Es könnte sinnvoll sein, das Luft-Wasserstoff-Verhältnis nach unten auf beispielsweise 1,7 zu beschränken. Die Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen könnten in einem Bereich von 20° bis 45°, bevorzugt in einem Bereich von 38° bis 42° nach dem oberen Totpunkt liegen. Die Flammausbreitungsgeschwindigkeit von Wasserstoff ist deutlich größer als von Benzin oder Diesel, sodass die Zündzeitpunkte deutlich nach dem oberen Totpunkt liegen können. Je später der Zündzeitpunkt liegt, desto stärker kann der betreffende Zylinder mit einem Luft-Wasserstoff- Gemisch beladen werden. Es kann sich folglich anbieten, in transienten Betriebszuständen bei Forderung eines höheren Drehmomentanstiegs einen Zündzeitpunkt um bis zu 45° nach dem oberen Totpunkt zu verstellen.

Die Zündzeitpunkte könnten in den stationären Betriebszuständen in einem Bereich von 0° bis 25°, bevorzugt in einem Bereich von 5° bis 20° nach dem oberen Totpunkt liegen. Hierdurch wird eine optimale Verbrennung mit geringer Stickoxidentstehung realisiert.

Die Zündzeitpunkte könnten in den transienten Betriebszuständen mit größer werdendem Drehmomentanstieg nach später verstellt werden. Folglich könnte, je größer der geforderte Anstieg des Drehmoments ist, der Zündzeitpunkt später liegen. Damit kann die Abgasenthalpie bedarfsgerecht zum verbesserten Ansprechen des Turboladers und damit eines mit dem Turbolader gekoppelten Verdichters zur Vergrößerung des Luftmassenstroms erhöht werden, in stationären Phasen jedoch Verbrauchs- und emissionsoptimiert erzeugt werden. Es wäre denkbar, eine Drehmomentanstiegsforderung linear in eine Zündzeitpunktverstellung umzusetzen. Denkbar ist weiterhin, diesen Zusammenhang ausschließlich bei Drehmomentanstiegsforderungen durchzuführen, die in einem Bereich von 25 % bis 100 % und bevorzugt von 50 % bis 100 % einer theoretischen, maximalen Drehmomentanstiegsforderung liegen. Weiterhin ist denkbar, erst ab Erreichen eines Schwellenwerts für einen gewünschten Drehmomentanstieg den Zündzeitpunkt entsprechend nach spät zu verstellen.

Die Zündzeitpunkte könnten weiterhin bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks an einem mit dem Turbolader des Wasserstoffmotors gekoppelten Verdichters in den Bereich stationärer Betriebszustände zurückverstellt werden. Da die Maßnahme zur Verbesserung des Ansprechverhaltens nur in den transienten Betriebszuständen erforderlich ist, kann der Zündzeitpunkt folglich unmittelbar dann wieder in den optimalen Bereich verstellt werden, wenn der gewünschte Ladedruck erreicht wird. Der Wirkungsgrad ist dann wieder in dem optimalen Bereich.

Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X in den transienten Betriebszuständen könnte durch Erhöhung einer in den Wasserstoffmotor eingespritzten Wasserstoffmenge gesenkt werden. Die Abgasenthalpie wird dadurch erhöht und der Turbolader entsprechend kurzzeitig mechanisch deutlich stärker beaufschlagt. Temporär bleibt aufgrund der Massenträgheit der Kombination aus Turbolader und Verdichter der Luftmassenstrom für die Verbrennung zunächst weitgehend konstant bzw. steigt anfänglich nur schwach an.

Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff- Gemischs, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das vorangehend dargestellte Verfahren auszuführen.

Schließlich betrifft die Erfindung einen Wasserstoffmotor, aufweisend mindestens einen Zylinder, einen Turbolader, einen Verdichter und die vorangehend erwähnte Steuereinheit. Diese ist betriebsmäßig mit den Komponenten des Wasserstoffmotors gekoppelt und dazu ausgebildet, den Betrieb des Wasserstoff motors zu regeln.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Zeichnung

Es zeigen Figur 1 eine schematische, blockbasierte Darstellung eines Wasserstoffmotors und

Figur 2a und 2bVerbrennungs- und Drehmomentdiagramme.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen Wasserstoffmotor 2, der mehrere Zylinder 6 aufweist, in denen ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch Zündkerzen 4 gezündet wird. Der Wasserstoffmotor weist einen Lufteingang 8 und einen Wasserstoffeingang 10 auf. Ein Turbolader 12 ist vorgesehen, der von Abgas durchströmt wird, das aus einem Abgasauslass 14 austritt. Der Turbolader 12 ist mit einem Verdichter 13 gekoppelt, der Luft verdichtet und Luft in den Lufteingang 8 fördert. Die Darstellung ist hier sehr schematisch ausgeführt und kann durch übliche Leitungs- und Ventilanordnungen ergänzt werden.

Eine Steuereinheit 16 ist mit dem Wasserstoffmotor 2 gekoppelt und kann unter anderem die Zündung der Zündkerzen 4 veranlassen, wobei die Zündung im Allgemeinen mit einer Drehwinkelstellung einer Motorwelle (nicht gezeigt) korreliert wird. Es sind mehrere Sensoren vorgesehen, die hier nicht dargestellt sind und die es der Steuereinheit 16 ermöglichen, einen momentanen Betriebszustand des Wasserstoffmotors 2 zu erkennen. Dies könnten etwa Temperatur-, Druck- und Massenstromsensoren sein, die an unterschiedlichen Stellen des Wasserstoffmotors 2 angeordnet sein können.

Die Steuereinheit 16 ist dazu ausgebildet, ein Verfahren zum Steuern des Wasserstoffmotors 2 zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff-Gemischs mit einem Luft-Wasserstoff-Verhältnis X größer als 1 auszuführen, wobei der Wasserstoffmotor 2 dazu ausgebildet ist, stationäre Betriebszustände und transiente Betriebszustände einzunehmen. Die Steuereinheit 16 ist dabei so ausgebildet, dass Zündzeitpunkte in transienten Betriebszuständen später liegen als in stationären Betriebszuständen. Der Turbolader 12 kann dann mit einer deutlich größeren Abgasenthalpie beaufschlagt werden und den Drehmomentaufbau des Wasserstoffmotors 2 durch stärkere Beschleunigung des Verdichters 13 unterstützen. Die Zündzeitpunkte können bei stärkerer geforderter Dynamik bis zu einem Maximum von etwa 40° - 45° nach dem oberen Totpunkt (OT) verstellt werden. Ist der gewünschte Drehmomentaufbau durch den Wasserstoffmotor 2 zumindest annähernd erfolgt, bzw. liegt ein gewünschter Druck an dem Verdichter 13 an, kann der Zündzeitpunkt wieder in den optimalen Bereich, d.h. wieder in Richtung des oberen Totpunktes, verschoben werden.

Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X wird in den stationären Betriebszuständen auf einen größeren Wert eingestellt wird als in den transienten Betriebszuständen, etwa in einem Bereich von 3 bis 4. In den transienten Betriebszuständen liegt das Luft-Wasserstoff-Verhältnis indes unterhalb von 3, bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 2,5. Dies kann insbesondere durch eine temporär stärkere Befüllung der Zylinder 6 mit Wasserstoff erreicht werden.

Fig. 2a und 2b zeigen zwei Diagramme, in denen die Optimierung der Verbrennung in dem Wasserstoffmotor 2 dargestellt wird.

In einem ersten Diagramm in Fig. 2a sind verschiedene Betriebspunkte von Verbrennungsmotoren als Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses X auf der vertikalen Achse und des Zündzeitpunkts in Grad nach dem oberen Totpunkt (OT) auf der waagrechten Achse eingezeichnet. Als Vergleich zu dem Wasserstoff motor 2 sind ein erster Betriebspunkt 18, ein zweiter Betriebspunkt 20 und ein dritter Betriebspunkt 22 eines Dieselmotors mit einer strichpunktierten Linie dargestellt. Der erste Betriebspunkt 18 liegt bei einem Luft- Brennstoff- Verhältnis X von über 4 und entspricht einem Teillastbetrieb. Ein Volllastbetrieb ist hingegen durch den dritten Betriebspunkt 22 repräsentiert. Der zweite Betriebspunkt 20 wird auf dem Weg zum dritten Betriebspunkt 22 durchlaufen. Bei einem schnellen Drehmomentaufbau des Dieselmotors reagiert zunächst lediglich ein Einspritzsystem, da das luftzuführende Luftsystem zu träge für den sofortigen Aufbau eines höheren Luftmassenstroms ist. Der dabei durchlaufene zweite Betriebspunkt 20 kann dabei an der Rauchgrenze des Motors liegen. Der zweite Betriebspunkt 20 ist transient, während der erste Betriebspunkt 18 und der dritte Betriebspunkt 22 stationär sind. In dem dritten Betriebspunkt 22 ist ein Ladedruck ausreichend, um einen größeren Luftmassenstrom in den Motor einzuleiten. Zündzeitpunkte werden bei dem Übergang von dem ersten Betriebspunkt 18 zu dem dritten Betriebspunkt 22 kontinuierlich später gestellt.

Auf ähnliche Weise wird ein herkömmlicher Wasserstoffmotor geregelt. Hier werden analog zu dem Dieselmotor drei Betriebszustände 24, 26 und 28 gezeigt, die dem Teillastbetrieb, einem transienten Zustand und dem Volllastbetrieb entsprechen. Die Zündzeitpunkte werden kontinuierlich später verstellt. Das Luft- Wasserstoffverhältnis X sinkt dabei von etwa 4 auf etwas über 2 ab. Der Verlauf zwischen diesen drei Betriebszuständen 24, 26 und 28 wird mit durchgezogenen Linien gezeigt.

Die erfindungsgemäße Regelung wird durch die gestrichelte Linie angedeutet. Hier werden der erste Betriebszustand 24, ein zweiter Betriebszustand 30 und der dritte Betriebszustand 26 nacheinander eingenommen. Im Gegensatz zu dem zweiten Betriebszustand des herkömmlichen Wasserstoffmotors liegt der zweite Betriebspunkt 30 bei der erfindungsgemäßen Regelung an einer deutlich abweichenden Stelle in dem Diagramm der Fig. 2a. Hier ist der Zündzeitpunkt deutlich über den Zündzeitpunkt des dritten Betriebszustands 28 hinaus nach spät verstellt, sodass der Zündzeitpunkt in dem transienten Betriebszustand deutlich höher ist als in den stationären Betriebszuständen 24 und 28. Damit kann die Abgasenthalpie deutlich erhöht und der Ladedruck rascher aufgebaut werden, sodass ein stärkerer Luftmassenstrom in kürzester Zeit aufbaubar ist. Beispielhaft liegt der Zündzeitpunkt in dem zweiten Betriebszustand 30 bei etwa 40° nach dem oberen Totpunkt, während er im Volllastbetrieb, d.h. im dritten Betriebszustand 28, bei etwa 20° nach OT liegt.

Betriebsgrenzen des Wasserstoffmotors 2 werden durch schraffierte Bereiche eingegrenzt. Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X kann bei früheren Zündzeitpunkten etwa zwischen 2 und 4 liegen, wobei sich diese Grenzen mit späteren Zündzeitpunkten nach später etwas verringern und bei Zündzeitpunkten von etwa 40° nach dem oberen Totpunkt zwischen etwa 1,5 und 3,5 liegen.

Fig. 2b zeigt die korrespondierenden Verläufe des Drehmoments T des herkömmlichen Wasserstoffmotors und des erfindungsgemäß geregelten Wasserstoffmotors 2 in einem Diagramm. Hier liegt das Drehmoment in dem zweiten Betriebszustand 30 des erfindungsgemäß geregelten Wasserstoffmotors 2 deutlich oberhalb des Drehmoments des auf herkömmliche Weise geregelten Wasserstoff motors in dessen zweiten Betriebszustand 26, sodass der dritte Betriebszustand 28 bei dem erfindungsgemäß geregelten Wasserstoffmotor 2 deutlich schneller erreicht wird, als bei dem auf herkömmliche Weise geregelten

Wasserstoffmotor. Die Zunahme der Dynamik wird durch die zeitliche Differenz At angedeutet.