Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors für gasförmige Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors für gasförmige Kraftstoffe, insbesondere für Wasserstoff.

Stand der Technik

Verbrennungsmotoren können mit flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden. Die Kraftstoffe können dabei entweder direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht werden oder in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Bei fremdgezündeten Brennverfahren und der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen ist eine wichtige Regelgröße der sogenannte Lambda-Wert (X-Wert), der das Verhältnis von zur Verfügung stehendem Sauerstoff zur Kraftstoffmenge im Brennraum angibt. Ein Wert von Lambda von X = 1 bedeutet, dass genau die Menge Sauerstoff im Brennraum vorhanden ist, um den dort befindlichen Kraftstoff restlos zu verbrennen. Befindet sich weniger Sauerstoff im Brennraum, so ist der X-Wert kleiner als 1 und man spricht von einem fetten Gemisch. Befindet sich ein Sauerstoffüberschuss im Brennraum, so spricht man von einem mageren Gemisch (X > 1). Ist beispielsweise doppelt so viel Sauerstoff vorhanden, wie zur vollständigen Verbrennung des dort befindlichen gasförmigen Brennstoffs benötigt wird, so beträgt der X-Wert 2. Ein Beispiel für eine Regelung des X-Werts ist aus DE 10 2022 201 852 Al bekannt.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird stets ein X-Wert größer als 1 angestrebt, meist deutlich größer als 1. Dadurch kann zum einen der Verbrauch niedrig gehalten werden und zum anderen reduziert dies die Stickoxid-Emissionen. Allerdings kann auch bei niedriger Leistungsanforderung der X-Wert nicht beliebig groß sein, da sonst die Stabilität der Verbrennung nicht mehr gewährleistet ist. Diese Brennstabilitätsgrenze ist abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, also insbesondere von der Drehzahl und der zur Verfügung stehenden Menge an Wasserstoff, die sich momentan im Brennraum befindet. Die Brennstabilitätsgrenze liegt betriebspunktabhängig beispielsweise bei X = 4. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors muss deshalb ein Überschreiten diese Grenze vermieden werden.

Sehr hohe X-Werte können insbesondere auftreten, wenn der Verbrennungsmotor unter mittlerer oder starker Last betrieben wurde und dann die Leistungsanforderung des Verbrennungsmotors sehr rasch zurückgefahren wird. Es wird dann nur noch wenig Kraftstoff in den Brennraum eingebracht, während die Luftversorgung, die meistens über einen Turbolader läuft, eine gewisse Trägheit aufweist, sodass weiterhin relativ viel Sauerstoff in die Brennräume eingebracht wird. Das Problem tritt also hauptsächlich bei einem Wechsel in den Niederlastbetrieb auf, wenn der Motor vorher mit einer relativ hohen Last betrieben wurde. In diesem Fall liegt noch ein hoher Ladedruck im Luftsystem vor, der zuvor benötigt wurde, um die dort benötigen Wasserstoffmengen mit X-Werten größer als 1 verbrennen zu können.

Zur Vermeidung dieses Problems sind verschiedene Maßnahmen bekannt. So kann die Luftzufuhr gedrosselt werden, was jedoch nur mit einer gewissen Verzögerung den X-Wert in den gewünschten Bereich bringt. Weiter können bei mehrzylindrischen Verbrennungsmotoren einer oder mehrere Zylinder ausgeblendet werden, sodass der verbleibende Wasserstoff auf die verbleibenden Zylinder verteilt wird und so mehr Wasserstoff pro Zylinder eingebracht wird, was den X-Wert in diesen Brennräumen erniedrigt. Darüber hinaus kann auch die Abgasrückführung geändert werden, also mehr verbrannte Luft aus dem Abgastrakt wieder in den Frischluftbereich zurückgeführt werden, um den X-Wert in den gewünschten Bereich zu bringen. Eine weitere Maßnahme kann in der Verstellung des Zündwinkels auf einen späteren Zündwinkel sein, was zu einem schlechteren Wirkungsgrad führt.

Alle diese Maßnahmen weisen spezifische Vor- und Nachteile auf und können mit den existierenden Funktionalitäten im Steuergerät nur in begrenztem Ausmaß beziehungsweise nicht hinreichend zielgerichtet voneinander abgegrenzt werden. Das heißt, dass nur schwer zu entscheiden ist, welche Maßnahme einzeln oder in Kombination den X-Wert schnell in den gewünschten Bereich zurückbringt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors weist den Vorteil auf, dass abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors rasch die richtige Maßnahme eingeleitet werden kann, um den X-Wert des Verbrennungsmotors in einen gewünschten Bereich zu bringen. Dazu wird das Verfahren mit folgenden Schritten ausgeführt: Zuerst wird ein maximaler X-Wert bestimmt basierend auf den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, insbesondere der Drehzahl und dem angeforderten Drehmoment, der gerade noch die Brennstabilitätsgrenze erfüllt (XMax-Wert). Anschließend wird ein X- Sollwert bestimmt, der sich aus der aktuellen Luftfüllung und der Kraftstoffmenge ergibt, die dem momentanen Fahrerwunsch entspricht. Würde sich bei einer Umsetzung des Fahrerwunsches ein X-Wert größer als XMax ergeben, so werden Aktivierungssignale für eine Vielzahl von Steuerungsmaßnahmen berechnet, basierend auf dem XMax-Wert, den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und dem X-Sollwert. Anschließend werden die Steuerungsmaßnahmen priorisiert anhand der Aktivitätssignale und schließlich Steuerungsmaßnahmen abhängig von der Priorisierung am Verbrennungsmotor umgesetzt.

Die Steuerungsmaßnahmen sind Eingriffe in die Steuerung des Verbrennungsmotors, um den X-Wert auf den gewünschten Wert zu bringen bzw. in einem gewünschten Bereich zu halten. Dazu sind verschiedene Steuerungsmaßnahmen möglich: Eine Abschaltung von einem oder mehreren Zylindern (wenn der Verbrennungsmotor über mehrere Zylinder verfügt), die Verstellung des Zündzeitpunkts oder eine Veränderungen der Luftzufuhr zu den Brennräumen. Zur Veränderung der Luftzufuhr zählt auch die Veränderung der Abgasrückführung, also des Anteils der verbrannten Verbrennungsluft, die aus dem Abgastrakt wieder in die Frischluftzufuhr des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird. Durch die Berücksichtigung der Aktivierungssignale lässt sich die Steuerungsmaßnahme bestimmen, welche den X-Wert am effektivsten in den gewünschten Bereich bringt. Dies ist wichtig bei Lastwechseln des Verbrennungsmotors, insbesondere, wenn von einer relativ hohen Last auf eine niedrige Last und anschließend wieder auf eine hohe Last gewechselt werden soll. Dabei können auch bestimmte Steuerungsmaßnahmen von vorne herein höher priorisiert werden im Zuge einer Applikation des Verbrennungsmotors. Durch die Steuerungsmaßnahmen kann auch das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors verbessert werden, insbesondere nach schnellen Lastwechseln.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung werden die Aktivierungssignale in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem angeforderten Drehmoment des Verbrennungsmotors bestimmt. Je nach Zustand des Verbrennungsmotors können einzelne Steuermaßnahmen mehr oder weniger effektiv eingesetzt werden, um den X-Wert in den gewünschten Bereich zu bringen. Dies wird durch das berechnete Aktivierungssignal berücksichtigt, das ein Maß für die Wirksamkeit ist, so dass die Wirkungsvollste Maßnahme erkannt und umgesetzt werden kann. Die Abfolge der Maßnahmen kann auch durch eine Applikation des Verbrennungsmotors beeinflusst werden, so dass einzelne Maßnahmen von vorne herein bevorzugt eingeleitet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Aktivierungssignale der Steuerungsmaßnahmen normiert. Dadurch lässt sich ein Vergleich der Aktivierungssignale der einzelnen Steuerungsmaßnahmen durchführen und zuverlässig die effektivste Steuerungsmaßnahmen ermitteln.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerungsmaßnahme eine Abschaltung von Zylindern bei Mehrzylindermotoren. Werden einer oder mehrere Zylinder nicht mehr mit Kraftstoff versorgt, d.h. abgeschaltet, so verteilt sich der zugeführte Kraftstoff - beispielsweise Wasserstoffgas oder ein anderer gasförmiger Kraftstoff - auf die verbleibenden Zylinder. Bei gleichbleibender Luftversorgung ergibt sich so eine Erniedrigung des X-Werts, so dass von der X _Ma x-Grenze Abstand genommen wird und der Motor weiter in einem optimalen Bereich läuft.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerungsmaßnahme eine Veränderung des Ladedrucks. Der Ladedruck kann beispielsweise durch Veränderungen des Turboladers oder auch durch Veränderungen der Drosselklappe beeinflusst werden. Dadurch gelangt weniger Luft in die Brennräume, was den X- Wert ebenfalls erniedrigt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Abgasrückführung verändert, indem das Abgasrückführungskennfeld entsprechend angepasst wird. Dadurch kann mehr oder weniger Abgas wieder zurück in den Brennraum geleitet werden, so dass so die Sauerstoffbelegung des Brennraums verringert wird, um den X-Wert rasch in den gewünschten Bereich zu bringen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Steuerungsmaßnahme der Zündzeitpunkt verändert. Dadurch kann das Solldrehmoment des Verbrennungsmotors bei einer ordnungsgemäßen Verbrennung und bei einem geeigneten X- Wert erreicht werden.

Zeichnung

In Fig. 1 ist ein Verlauf des X-Werts und des Ladedrucks bei einem Lastwechsel des Verbrennungsmotors dargestellt, Fig. 2 zeigt das zugehörige Drehmoment des Verbrennungsmotors und Fig. 3 ein Flussdiagrammen der erfindungsgemäßen Steuerung des Verbrennungsmotors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Verbrennungsmotoren für gasförmige Kraftstoffe arbeiten üblicherweise mit einem Luftüberschuss im Brennraum, d.h. es ist mehr Sauerstoff vorhanden, als für die Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs benötigt wird. Dies erniedrigt die Stickoxidemissionen und verbessert die Verbrennung, insbesondere bei Verbrennungsmotoren, die mit gasförmigem Wasserstoff betrieben werden. Beim Übergang von einer mittleren oder hohen Last zu einer niedrigen Last, also wenn aufgrund des Fahrerwunsches die Kraftstoffzufuhr sehr schnell abdrosselt wird, ergibt sich ein hoher Luftüberschuss im Brennraum, da die Regelung zur Versorgung des Brennraums bzw. der Brennräume mit Luftsauerstoff relativ träge ist und nach Senkung der Wasserstoffmenge noch einige Zeit weiterläuft, insbesondere, wenn die Luftzufuhr über einen Turbolader erfolgt. Dadurch kommt es zu einem deutlichen Anstieg des X-Werts, also dem Verhältnis von Brennstoff zu Luftsauerstoff im Brennraum. Ein X-Wert von 1 entspricht genau der Sauerstoffmenge, die für eine vollständige Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs benötigt wird. Ist mehr Sauerstoff vorhanden, so ist der X-Wert größer als 1 (mageres Gemisch). Der X-Wert kann jedoch nicht beliebig erhöht werden: Bei einem bestimmten maximalen X-Wert (ÄMax) wird die Brennstabilitätsgrenze erreicht, bis zu der eine normale Verbrennung ablaufen kann. Eine weitere Erhöhung des X-Werts, d.h. ein noch höherer Sauerstoffüberschuss im Brennraum, führt zu einer instabilen Verbrennung, bei der der Verbrennungsmotor nur noch ein unzureichendes Drehmoment entwickelt oder gar nicht mehr zündet. In Fig. 1 ist dazu ein Verlauf des X- Werts über der Zeit abgetragen, wie er bei einem Lastwechsel auftritt. Zu beachten ist, dass der X-Wert in dieser Darstellung von oben nach unten zunimmt. Bedingt durch eine Verminderung der H ₂ -Zufuhr zu den Brennräumen durch den geänderten Fahrerwunsch steigt der X-Wert zum Zeitpunkt ti von 2 auf 4 rasch an. Durch entsprechende Eingriffe in den Verbrennungsmotor wird sichergestellt, dass die Brennstabilitätsgrenze - in diesem Beispiel X = 4 - nicht überschritten wird und so die Verbrennung stabil bleibt. Der Ladedruck p des Motors nimmt demgegenüber erst verzögert ab, wie an der Kurve pi in Fig. 1 ersichtlich ist. Der Ladedruck nimmt in dieser Darstellung von unten nach oben zu, wie auf der p- Achse rechts dargestellt. Fordert der Fahrer zu einem Zeitpunkt t ₂ wieder mehr Leistung an, so sinkt der X-Wert und erreicht rasch wieder den optimalen Bereich bei X = 2. Der Ladedruck p steigt auch hier verzögert an und erreicht schließlich wieder den Ausgangswert.

Das zugehörige Drehmoment M zu diesem Beispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Zum Zeitpunkt ti sinkt das Drehmoment M durch die gedrosselte Wasserstoffzufuhr, bis es ein deutlich niedrigeres Niveau erreicht. Zum Zeitpunkt e steigt das Drehmoment M wegen der erhöhten Zufuhr von H ₂ wieder an (Kurve I), bis wieder der Ausgangswert erreicht ist. Die Leistung beziehungsweise das Drehmoment steigt allerdings wegen der trägen Luftregelung nicht instantan an. Durch die eingeleiteten Maßnahmen kann auch der Aufbau des Drehmoments nach einer Reduzierung der Leistung verbessert werden, wie die Kurven p ₂ in Fig. 1 und Kurve II Fig. 2 zeigen. Der Ladedruck fällt nicht soweit ab wie bei der normalen Steuerung, was den Leistungsaufbau zum Zeitpunkt t ₂ beschleunigt. Dies ist vor allem bei schnellen Wechseln der Leistungsanforderung vorteilhaft.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Regelung des X-Werts so erreicht werden, so dass der X-Wert nicht die Brennstabilitätsgrenze erreicht oder überschreitet. Die Brennstabilitätsgrenze hängt dabei vom Zustand der Brennkraftmaschine ab, insbesondere von der Drehzahl und dem momentan anliegenden Drehmoment des Verbrennungsmotors. Mit diesen Werten kann die momentane Brennstabilitätsgrenze bestimmt werden (XMax) und mit einem X-Sollwert (X _S0 n) verglichen werden. Der X-Sollwert ist dabei der X-Wert, der sich aus dem aktuellen Fahrerwunsch (Pedalstellung), der momentanen Luftfüllung der Brennräume bzw. des Ansaugtrakts und aus weiteren Anforderern, wie beispielsweise Getriebe- oder ESP- Eingriff, ergibt.

Der ÄMax-Wert und der X-Sollwert werden zusammen mit den momentanen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, also der Drehzahl des Motors, dem anliegenden Drehmoment und evt. weiteren Größen, z.B. Temperatur der Ansaugluft, verwendet, um die Vielzahl der möglicher Eingriffe am Verbrennungsmotor zu priorisieren. Jeder der möglichen Maßnahmen wird daraus ein Aktivierungssignal zugeordnet, der die Wirksamkeit hinsichtlich der Beeinflussung des X-Werts angibt, um diesen im gewünschten Bereich diesseits der Brennstabilitätsgrenze zu halten.

Die möglichen Maßnahmen, wie Zündwinkelverstellung, Luftsystem- Eingriff (Drosselklappenstellung) oder Zylinderausblendung, werden anhand des Aktivierungssignals priorisiert, um schließlich eine oder mehrere Maßnahmen auszuwählen. Ist für den momentanen Zustand und unter Berücksichtigung der Brennstabilitätsgrenze XMax beispielsweise eine Zylinderausblendung am höchsten priorisiert, so wird die entsprechende Anzahl an Zylindern ausgeblendet und nicht mehr mit Brennstoff versorgt. Der verbleibende Brennstoff verteilt sich so auf die übrigen Zylinder, was den X-Wert dort senkt und eine optimale Verbrennung sicherstellt. Es können auch gleichzeitig mehrere Maßnahmen eingeleitet werden, etwa eine Zylinderabschaltung und eine Änderung des Zündzeitpunkts, wenn dies aufgrund der Priorisierung durch das Steuergerät ermittelt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 3 als Flussdiagramm dargestellt. Die Zustandsgrößen li, h, ... kennzeichnen den Zustand des Verbrennungsmotors, wie das anliegende Drehmoment, den aktuellen Fahrerwunsch und die Drehzahl. Daraus wird die Brennstabilitätsgrenze XMax bestimmt, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors nicht überschritten werden soll. Der X-Sollwert (X _S0 n) wird aus dem aktuellen Fahrerwunsch - also der Pedalstellung - und der momentanen Luftfüllung im Ansaugtrakt bestimmt. Auch weitere Anforderungen, wie Getriebeoder ESP- Eingriffe, werden hier berücksichtigt. Mit diesen beiden X-Werten (Ä. _so ii, ÄMax) werden dann die Aktivierungssignale im Steuergerät P berechnet und priorisiert und schließlich eine oder mehrere der Maßnahmen A, B oder C eingeleitet.

Durch die eingeleiteten Maßnahmen kann auch der Aufbau des Drehmoments nach einer Reduzierung der Leistung verbessert werden, wie die Kurven P2 in Fig. 1 und Kurve II Fig. 2 zeigen. Der Ladedruck fällt nicht soweit ab wie bei der normalen Steuerung, was den Leistungsaufbau zum Zeitpunkt ts beschleunigt. Dies ist vor allem bei schnellen Wechseln der Leistungsanforderung vorteilhaft.