DE102023124041A1 - HYDROGEN COMBUSTION ENGINE - Google Patents
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Abstract
Wasserstoff-Verbrennungsmotor (100) mit zumindest einem geschlossenen Regelkreis (101), mit einem Sensor (103) zum Messen des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und/oder der NOx-Konzentration im Abgas (105), der stromabwärts zu einem Katalysator (107) angeordnet ist; und einer Steuereinheit (109) zum Steuern der zugeführten Kraftstoffmenge (111), des Zündwinkels, und /oder des Einlassluftmassenstroms auf Basis des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und/oder der NOx-Konzentration in dem geschlossenen Regelkreis (101).Hydrogen internal combustion engine (100) with at least one closed control loop (101), with a sensor (103) for measuring the relative air-fuel ratio and / or the NOx concentration in the exhaust gas (105), which is connected downstream to a catalytic converter (107 ) is arranged; and a control unit (109) for controlling the supplied fuel quantity (111), the ignition angle, and/or the intake air mass flow based on the measured air-fuel ratio and/or the NOx concentration in the closed control loop (101).
Description
Die Erfindung betrifft einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Regeln eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors.The invention relates to a hydrogen internal combustion engine and a method for controlling a hydrogen internal combustion engine.
Wasserstoff-Verbrennungsmotoren arbeiten häufig mit mageren Luft-/Kraftstoff-Verhältnissen, um die gewünschte Kraftstoffeffizienz zu erreichen. Bei einem magerem Motorbetrieb können jedoch Stickoxide (NOx) entstehen. Stickoxide werden herkömmlicherweise in Nachbehandlungsgeräten zu elementarem Stickstoff und Sauerstoff reduziert. Die Effizienz und Wirksamkeit dieser Nachbehandlungsgeräte hängt jedoch von den Betriebsbedingungen des Wasserstoff-Verbrennungsmotors ab. Eine Messung des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit einer Lambdasonde, die stromaufwärts im Abgas vor einem Katalysator angeordnet ist, ist bei diesen Wasserstoff-Verbrennungsmotoren nicht möglich, da die Messgenauigkeit durch den Wasserstoffgehalt im Abgas beeinflusst wird.Hydrogen combustion engines often operate on lean air/fuel ratios to achieve desired fuel efficiency. However, lean engine operation can produce nitrogen oxides (NOx). Nitrogen oxides are conventionally reduced to elemental nitrogen and oxygen in aftertreatment devices. However, the efficiency and effectiveness of these aftertreatment devices depend on the operating conditions of the hydrogen internal combustion engine. A measurement of the relative air-fuel ratio with a lambda sensor, which is arranged upstream in the exhaust gas in front of a catalytic converter, is not possible in these hydrogen combustion engines because the measurement accuracy is influenced by the hydrogen content in the exhaust gas.
Der erfindungsgemäße Wasserstoff-Verbrennungsmotor mit zumindest einem geschlossenen Regelkreis umfasst einen Sensor zum Messen des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und/oder der NOx-Konzentration im Abgas, der stromabwärts zu einem Katalysator angeordnet ist und eine Steuereinheit zum Steuern der zugeführten Kraftstoffmenge, des Zündwinkels und/oder des Einlassluftmassenstroms auf Basis des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und/oder der NOx-Konzentration in dem geschlossenen Regelkreis. Durch den Wasserstoff-Verbrennungsmotor wird der technische Vorteil erreicht, dass sichergestellt werden kann, dass das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem geschlossenen Regelkreis durch das Regeln der zugeführten Kraftstoffmenge beeinflusst werden kann und sich Stickoxidemissionen sowie das Risiko abnormaler Verbrennungsphänomene verringern lassen, wie beispielsweise ein Klopfbetrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors.The hydrogen internal combustion engine according to the invention with at least one closed control loop comprises a sensor for measuring the relative air-fuel ratio and/or the NOx concentration in the exhaust gas, which is arranged downstream of a catalytic converter, and a control unit for controlling the quantity of fuel supplied, the ignition angle and/or the intake air mass flow based on the measured air-fuel ratio and/or the NOx concentration in the closed loop. The hydrogen combustion engine achieves the technical advantage that it can be ensured that the relative air-fuel ratio in the closed control loop can be influenced by regulating the amount of fuel supplied and that nitrogen oxide emissions and the risk of abnormal combustion phenomena can be reduced, such as a knocking operation of the hydrogen combustion engine.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Sensor (103) eine Lambdasonde oder ein NOx-Sensor. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder die NOx-Konzentration im Abgas auf eine einfache und zuverlässige Methode bestimmt werden kann.In an advantageous embodiment, the sensor (103) is a lambda sensor or a NOx sensor. This enables the technical advantage that the relative air-fuel ratio and/or the NOx concentration in the exhaust gas can be determined in a simple and reliable method.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, eine zugeführte Kraftstoffmenge derart anzupassen, dass das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis oberhalb einer vorgegebenen Untergrenze liegt. Dieses Anpassen kann beispielsweise während einem positiven transienten Lastsprung des Wasserstoff-Verbrennungsmotors erfolgen. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass auf eine einfache Weise sichergestellt wird, dass die vorgegebene Untergrenze des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu keinem Zeitpunkt unterschritten wird. Dies verringert die NOx-Emissionen und das Risiko abnormaler Verbrennungsphänomene, wie beispielsweise ein Klopfen oder Frühzündungen des Wasserstoff-Verbrennungsmotors.In an advantageous embodiment, the control unit is designed to adjust a supplied amount of fuel such that the relative air-fuel ratio is above a predetermined lower limit. This adjustment can take place, for example, during a positive transient load jump of the hydrogen combustion engine. This enables the technical advantage of ensuring in a simple manner that the specified lower limit of the relative air-fuel ratio is never undershot. This reduces NOx emissions and the risk of abnormal combustion phenomena such as knocking or pre-ignition of the hydrogen combustion engine.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, einen Zündzeitpunkt und/oder eine zugeführte Kraftstoffmenge derart anzupassen, dass die NOx-Konzentration unterhalb einer vorgegebenen Obergrenze liegt. Dieses Anpassen kann beispielsweise während einem positiven transienten Lastsprung des Wasserstoff-Verbrennungsmotors erfolgen. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass auf eine einfache Weise sichergestellt wird, dass die vorgegebene Obergrenze der NOx-Konzentration zu keinem Zeitpunkt überschritten wird. So können die NOx-Emissionen überwacht und das Risiko abnormaler Verbrennungsphänomene, wie beispielsweise ein Klopfen oder Frühzündungen des Wasserstoff-Verbrennungsmotors, verringert werden.In a further advantageous embodiment, the control unit is designed to adapt an ignition point and/or a quantity of fuel supplied such that the NOx concentration is below a predetermined upper limit. This adjustment can take place, for example, during a positive transient load jump of the hydrogen combustion engine. This enables the technical advantage of ensuring in a simple manner that the specified upper limit of the NOx concentration is not exceeded at any time. This allows NOx emissions to be monitored and the risk of abnormal combustion phenomena, such as knocking or pre-ignition of the hydrogen combustion engine, to be reduced.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, einen Einlassluftmassenstrom derart anzupassen, dass das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einem Sollwert oder in einem Soll-Bereich liegt. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass auf eine einfache Weise der stationäre Sollwert des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eingestellt werden kann ohne dabei das Motordrehmoment deutlich zu beeinflussen.In a further advantageous embodiment, the control unit is designed to adapt an inlet air mass flow such that the relative air-fuel ratio is at a target value or in a target range. This enables the technical advantage that the stationary setpoint of the relative air-fuel ratio can be set in a simple manner without significantly influencing the engine torque.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, einen Einlassdruck oder einen Einlassluftstrom während dem positiven transienten Lastsprung zu erhöhen. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass ein stationärer Luftstrombedarf erreicht wird.In a further advantageous embodiment, the control unit is designed to increase an inlet pressure or an inlet air flow during the positive transient load jump. This enables the technical advantage of achieving a stationary airflow requirement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, eine maximale Kraftstoffmenge für den Zylinder auf Basis einer zugeführten Luftmenge und/oder einer Untergrenze des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berechnen. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass die Kraftstoffmenge auch am Anfang eines positiven transienten Lastsprungs auf eine einfache Weise begrenzt wird. Dies kann beispielsweise erfolgen, bevor die Lambdasonde oder der NOx-Sensor umfangreiche Messwerte des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder der NOx-Konzentration im Abgas gewonnen haben.In a further advantageous embodiment, the control unit is designed to calculate a maximum amount of fuel for the cylinder based on an amount of air supplied and/or a lower limit of the relative air-fuel ratio. This enables the technical advantage that the amount of fuel is limited in a simple manner even at the beginning of a positive transient load jump. This can be done, for example, before the lambda probe or the NOx sensor has obtained extensive measured values of the relative air-fuel ratio or the NOx concentration in the exhaust gas.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den Zündzeitpunkt und/oder eine Untergrenze des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus einer Obergrenze der NOx-Konzentration zu berechnen. Dies kann beispielsweise anhand eines inversen NOx-Modells erfolgen. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass die Obergrenze der NOx-Konzentration auch ohne Regelung im Zündzeitpunkt des Wasserstoffmotors sowie in der Untergrenze des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berücksichtigt wird.In a further advantageous embodiment, the control unit is designed to calculate the ignition point and/or a lower limit of the relative air-fuel ratio from an upper limit of the NOx concentration. This can be the case For example, using an inverse NOx model. This enables the technical advantage that the upper limit of the NOx concentration is taken into account even without regulation in the ignition timing of the hydrogen engine as well as in the lower limit of the relative air-fuel ratio.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, einen stationären Zustand zu erfassen, wenn der Einlassdruck, der Einlassluftstrom und/oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem vorgegebenen Bereich liegen, wie beispielsweise über einen vorgegebenen Zeitraum. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass der stationäre Zustand auf eine einfache Weise erkannt wird und die Steuerung schnell angepasst werden kann.In a further advantageous embodiment, the control unit is designed to detect a steady state when the inlet pressure, the inlet air flow and/or the air-fuel ratio are in a predetermined range, such as over a predetermined period of time. This enables the technical advantage that the stationary state is recognized in a simple manner and the control can be quickly adjusted.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, eine geschlossene Regelung oder Anpassung der Soll-Luftmasse auf Basis des gemessenen relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen. Dies kann beispielsweise im stationären Zustand des Wasserstoff-Verbrennungsmotors erfolgen. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass Abweichungen des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von seinem stationären Sollwert verringert werden.In a further advantageous embodiment, the control unit is designed to carry out a closed-loop control or adjustment of the target air mass based on the measured relative air-fuel ratio. This can be done, for example, in the stationary state of the hydrogen combustion engine. This enables the technical advantage of reducing deviations of the relative air-fuel ratio from its steady-state setpoint.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Wasserstoff-Verbrennungsmotor einen Drucksensor zum Messen des Einlassdruckes. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass der Drucksensor zur Steuerung verwendet werden kann, wenn kein Sensorsignal für das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die NOx-Konzentration verfügbar ist oder das gemessene Sensorsignal für das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die NOx-Konzentration zu hohe Schwankungen oder Ungenauigkeiten aufweist.In a further advantageous embodiment, the hydrogen internal combustion engine comprises a pressure sensor for measuring the inlet pressure. This enables the technical advantage that the pressure sensor can be used for control when no relative air-fuel ratio or NOx concentration sensor signal is available or the measured relative air-fuel ratio or NOx concentration sensor signal is available has excessive fluctuations or inaccuracies.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Wasserstoff-Verbrennungsmotor ein Magerwasserstoffmotor. Dies ermöglicht den technischen Vorteil, dass die Bildung von Stickoxiden bei Magerwasserstoffmotoren auf eine einfache Weise geregelt werden kann.In a further advantageous embodiment, the hydrogen combustion engine is a lean hydrogen engine. This enables the technical advantage that the formation of nitrogen oxides in lean hydrogen engines can be regulated in a simple manner.
Durch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor werden die gleichen technischen Vorteile wie durch den Wasserstoff-Verbrennungsmotor erreicht.A vehicle according to the invention with the hydrogen internal combustion engine achieves the same technical advantages as the hydrogen internal combustion engine.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors mit zumindest einem geschlossenen Regelkreis umfasst die Schritte eines Messens des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und/oder der NOx-Konzentration im Abgas mittels eines Sensors, der stromabwärts eines Katalysators angeordnet ist; und eines Steuerns der zugeführten Kraftstoffmenge, des Zündzeitpunktes und/oder des Einlassluftmassenstroms auf Basis des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und/oder der gemessenen NOx-Konzentration in dem geschlossenen Regelkreis. Durch dieses Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile wie durch den Wasserstoff-Verbrennungsmotor erreicht.The method according to the invention for controlling a hydrogen internal combustion engine with at least one closed control loop comprises the steps of measuring the relative air-fuel ratio and / or the NOx concentration in the exhaust gas by means of a sensor which is arranged downstream of a catalytic converter; and controlling the amount of fuel supplied, the ignition timing and/or the intake air mass flow based on the air-fuel ratio and/or the measured NOx concentration in the closed loop. This process achieves the same technical advantages as the hydrogen combustion engine.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors mit einem geschlossenen Regelkreis; -
2 eine graphische Darstellung verschiedener Betriebsparameter eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors; und -
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Steuern eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors mit einem geschlossenen Regelkreis.
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1 a schematic representation of a hydrogen internal combustion engine with a closed loop; -
2 a graphical representation of various operating parameters of a hydrogen internal combustion engine; and -
3 a schematic representation of a method for controlling a hydrogen internal combustion engine with a closed control loop.
Das entstandene Abgas 105 treibt einen Turbolader 127 mit variabler Geometrie (VGT - Variable-Geometry Turbocharger) an und wird durch den Katalysator 107 und einen Abluftschalldämpfer 129 zum Auspuff geleitet. Der Katalysator 107 ist beispielsweise durch einen Oxidationskatalysator (OC - Oxidation Catalyst), einen Drei-Wege-Katalysator (TWA - Three Way Catalyst) oder einen passiven NOx-Absorber (PNA - Passive NOx Absorber) gebildet. Der Turbolader 127 treibt einen Verdichter 131 an, die den Druck der zugeführten Luft auf das erhöhte Druckniveau bringt.The resulting
Das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ im Abgas wird mittels einer Lambdasonde 103 oder einem NOx-Sensor gemessen, der stromabwärts zu dem Katalysator 107 angeordnet ist. Die Lambdasonde 103 bestimmt den Restsauerstoffgehalt im Abgas mit dem Sauerstoffgehalt einer Referenz, meist der momentanen Außenluft. Daraus kann das Verbrennungsluftverhältnis λ (Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff) bestimmt und eingestellt werden. Entsprechende Messwerte für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis werden als Rückkopplungssignal an die Steuereinheit 109 geleitet. Ein NOx-Sensor kann neben dem relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zusätzlich die NOx-Konzentration im Abgas bestimmen und entsprechende Messwerte an die Steuereinheit 109 liefern.The relative air-fuel ratio λ in the exhaust gas is measured by means of a
Die elektronische Steuereinheit 109 verwendet die erhaltenen Messwerte zur Steuerung oder Anpassung der zugeführten Kraftstoffmenge 111, so dass eine im Voraus festgelegte Untergrenze des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während eines positiven transienten Lastsprungs des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 100, nicht unterschritten wird; und/oder zur Steuerung oder Anpassung des Zündzeitpunktes und der zugeführten Kraftstoffmenge, so dass eine im Voraus festgelegte Obergrenze der NOx-Konzentration nicht überschritten wird. Die Regelung oder Anpassung der zugeführten Kraftstoffmenge 111 und des Zündzeitpunktes beeinflussen wiederum das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die NOx-Konzentration im Abgas. Auf diese Weise werden der geschlossenen Regelkreis 101 auf Basis der Messwerte hergestellt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bleibt oberhalb der vorgegebenen Untergrenze und eine NOx-Konzentration bleibt unterhalb der vorgegebenen Obergrenze.The
Das Abgas hinter dem Katalysator 107 ist frei von Wasserstoff, so dass die Lambdasonde oder der NOx-Sensor 103 für die Regelung stromabwärts zu dem Katalysator 107 geeignet ist. Durch diese Anordnung der Lambdasonde oder des NOx-Sensors 103 kann eine höhere Messgenauigkeit der Lambdasonde oder des NOx-Sensors sichergestellt werden.The exhaust gas behind the
Der stationäre Betriebszustand liegt vor, wenn kein zusätzliches Drehmoment angefordert wird. Das angeforderte Drehmoment 141 und das erzeugte Drehmoment 133 stimmen in diesem Fall überein. Der Antrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 100 erfolgt mit konstanter Drehzahl. Der stationäre Betriebszustand liegt beispielsweise vor, wenn ein Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fährt.The steady-state operating state occurs when no additional torque is requested. The requested
Im stationären Betriebszustand ist der Verlauf 135 des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas konstant. Im stationären Betriebszustand kann dann eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit geöffnetem Regelkreis zur Anpassung der zugeführten Kraftstoffmenge 101 auf Basis eines vorgegeben stationären Sollwertes 143 durchgeführt werden. Bei mageren relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen, die beispielsweise größer als 2 sind, sind die NOx-Emissionen niedriger und die Anforderungen an eine Genauigkeit der Regelung des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dementsprechend geringer. Darüber hinaus kann der Sollwert 143 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis je nach Betriebssituation des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 100 angepasst werden und sich daher im zeitlichen Verlauf unterscheiden.In the stationary operating state, the
Im stationären Betriebszustand ist der zeitliche Verlauf 137 der zugeführten Luftmasse ebenfalls konstant und entspricht einem vorgegebenen Sollwert 145 für die zugeführte Luftmasse. Auch der Sollwert 145 für die zugeführte Luftmasse kann je nach Betriebssituation des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 100 angepasst werden und sich daher ebenfalls im zeitlichen Verlauf unterscheiden. Gleiches gilt für den zeitlichen Verlauf 139 der zugeführten Kraftstoffmasse und den Sollwert 147 für die Kraftstoffmasse.In the stationary operating state, the
Im dynamischen Betriebszustand, der zwischen den beiden stationären Betriebszuständen liegt, wird sprunghaft ein Drehmoment angefordert. Dadurch wird ein positiver transienter Lastsprung erzeugt. Das angeforderte Drehmoment 141 und das erzeugte Drehmoment unterscheiden sich in diesem Fall und die Drehzahl des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 100 erhöht sich, bis das angeforderte Drehmoment 141 und das erzeugte Drehmoment wieder übereinstimmen (Bereich B in
Da in dem dynamischen Betriebszustand während dem positiven transienten Lastsprung das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufgrund einer Erhöhung der zugeführten Kraftstoffmenge sprunghaft abfällt, führt die Steuereinheit 109 eine Regelung der zugeführten Kraftstoffmenge 111 auf Basis des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nun mit geschlossenem Regelkreis 101 durch. Dabei wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so geregelt, dass dieses eine vorgegebenen Untergrenze 113 nicht unterschreitet. Mit einem NOx-Sensor kann zusätzlich eine Regelung oder Anpassung des Zündzeitpunktes und der zugeführten Kraftstoffmenge 111 auf Basis der gemessenen NOx-Konzentration erfolgen, um eine vorgegebene Obergrenze nicht zu überschreiten.Since in the dynamic operating state during the positive transient load jump the relative air-fuel ratio drops suddenly due to an increase in the amount of fuel supplied, the
Zu Beginn des dynamischen Betriebszustands können zudem der Sollwert 143 für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, der Sollwert 145 für die zugeführte Luftmasse und der Sollwert 147 für die zugeführte Kraftstoffmasse durch die Steuereinheit 109 geändert werden. Dementsprechend steigt auch der zeitliche Verlauf 137 der zugeführten Luftmasse und der zeitliche Verlauf 139 der zugeführten Kraftstoffmasse im dem dynamischen Betriebszustand.At the beginning of the dynamic operating state, the
Dabei kann eine maximale Obergrenze 149 für die zugeführte Kraftstoffmasse durch die Steuereinheit 109 aus dem Grenzwert für die Untergrenze 113 des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der tatsächlich zugeführten Luftmasse berechnet werden. Die tatsächlich zugeführte Luftmasse kann aus einem Füllungsmodel unter Verwendung eines Einlassdrucksensors berechnet werden. Zu Beginn des transienten Lastsprungs begrenzt dieser Wert die Kraftstoffmasse und wird angepasst, sobald die Regelungen für das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis und/oder der NOx-Konzentration aktiv sind.A maximum
Während dem transienten Lastsprung werden der Einlassdruck und/oder der Einlassluftstrom erhöht, beispielsweise durch Öffnen der Drosselklappe 117 (De-Throttling oder Boosting), um den stationären Soll-Einlassluftstrom zu erreichen. Der Soll-Einlassluftstrom ist durch die stationäre Soll-Kraftstoffmasse und das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt. Da der Einlassdruck und der Einlassluftstrom nicht verwendet werden können, um das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis während dem transienten Lastsprung zu steuern, wird hierzu die Kraftstoffmasse als Steuervariable verwendet. Dadurch kann der Grenzwert für die Untergrenze 113 des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sichergestellt werden. Dabei wird das Rückkopplungssignal der Lambdasonde oder des NOx-Sensors 103 verwendet.During the transient load jump, the intake pressure and/or the intake airflow are increased, for example by opening the throttle valve 117 (de-throttling or boosting), to achieve the steady-state target intake airflow. The target intake airflow is determined by the target steady-state fuel mass and the relative air-fuel ratio. Since the inlet pressure and the inlet air flow cannot be used to control the relative air-fuel ratio during the transient load jump, the fuel mass is used as a control variable. Thereby, the limit value for the
Die Regelungen der zugeführten Kraftstoffmenge und des Zündzeitpunktes zur Einhaltung des Luft-Verhältnisses und/oder der NOx-Konzentration können dauerhaft oder nur während einem transienten Lastsprung aktiviert werden.The controls for the amount of fuel supplied and the ignition timing to maintain the air ratio and/or the NOx concentration can be activated permanently or only during a transient load jump.
Im Falle des transienten Lastsprungs kann der Regelkreis 101 für eine vorgegebene Zeit nach einer Lastanforderung aktiviert, die den Grenzwert für die Untergrenze 113 erreicht oder wenn ein gemessenes relatives Luft-Kraftstoff-Verhältnis den Grenzwert für die Untergrenze 113 erreicht. Das Signal für den Regelkreis 101 wird entweder durch die Lambdasonde oder den NOx-Sensor 103 im Abgas des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 100 erzeugt.In the case of the transient load jump, the
Der Regelkreis 101 kann deaktiviert werden, wenn von der Steuereinheit 109 erkannt wird, dass der tatsächliche Einlassdruck, der Einlassluftstrom oder das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis den stationären Bereich erreichen. Die Steuervorrichtung 109 erkennt dies beispielsweise, wenn die Werte nach einem positiven transienten Lastsprung erneut einen konstanten Verlauf annehmen und über eine vorgegebene Zeit in einem vorgegebenen Bereich liegen.The
Dauerhaft oder im stationären Zustand des Wasserstoff-Verbrennungsmotors kann hingegen durch die Steuereinheit eine geschlossene Regelung oder Anpassung der Soll-Luftmasse auf Basis des gemessenen relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aktiviert werden. Die Verwendung des Einlassluftstroms zum Regeln des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hat im Vergleich zur Verwendung des Kraftstoffstroms eine geringere Auswirkung auf das Motordrehmoment und wird daher von einem Bediener weniger stark wahrgenommen. Die Anpassung des Sollwertes für den Einlassluftstrom ist durch die zu erwartenden Toleranzen bei der Erfassung des Einlassluftstroms begrenzt. Hierzu kann eine Plausibilitätsprüfung des Einlassluftstroms und einer Abgasrückführung (EGR - Exhaust Gas Recirculation) mit einem Modell- und Sensortoleranzen durchgeführt werden.On the other hand, permanently or in the stationary state of the hydrogen combustion engine, the control unit can activate a closed control or adjustment of the target air mass based on the measured relative air-fuel ratio. Using intake airflow to control the relative air-fuel ratio has a smaller impact on engine torque compared to using fuel flow and is therefore less noticeable to an operator. The adjustment of the setpoint for the inlet air flow is limited by the expected tolerances when detecting the inlet air flow. For this purpose, a plausibility check of the inlet air flow and exhaust gas recirculation (EGR) can be carried out with a model and sensor tolerances.
Falls ein Regelfehler des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses höher ist als dies durch die Toleranzen zu erwarten wäre und nicht durch Ungenauigkeiten des Luftwegs verursacht sein kann, kann die zugeführte Kraftstoffmasse 111 angepasst werden, um den stationären Bereich zu erreichen. Zudem kann festgestellt werden, ob ein allgemeiner Kraftstofffehler der Injektoren vorliegt, wenn zusätzlich angenommen wird, dass ein gültiges Signal der Lambdasonde oder des NOx-Sensors 103 vorliegt. Dies kann durch Verwenden einer zweiten Lambdasonde oder NOx-Sensors 103 festgestellt werden, der weiter stromabwärts im Nachbehandlungssystem angeordnet ist.If a control error in the relative air-fuel ratio is higher than would be expected from the tolerances and cannot be caused by inaccuracies in the air path, the
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 100 korrigiert Fehler der zugeführten Kraftstoffmenge und des tatsächlichen Ist-Einlassluftstroms, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die NOx-Emissionen sicherzustellen. Im transienten Betrieb werden die zugeführte Kraftstoffmenge und/oder der Zündzeitpunkt angepasst und im stationären Betrieb wird der Einlassluftstrom oder ein Model für den Einlassluftstrom im Zylinder, das zur Berechnung des maximalen Grenzwerts verwendet wird, entsprechend korrigiertThe hydrogen
Das Verfahren ermöglicht den Vorteil, dass sichergestellt werden kann, dass das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf eine einfache Weise oberhalb einer vorgegebenen kritischen Untergrenze 113 gehalten werden kann. Ein Abfall unter diese Untergrenze 113 kann hohe NOx-Emissionen erzeugen, die eine mögliche Harnstoffdosierung und Umwandlungsfähigkeit des SCR-Nachbehandlungssystems überschreiten. Ein ähnlicher und zusätzlicher Regelkreis zur Anpassung des Zündzeitpunktes und der Kraftstoffmenge auf Basis der gemessenen NOx-Konzentration kann sicherstellen, dass die NOx-Emissionen eine vorgegebene kritischen Obergrenze nicht überschreiten.The method enables the advantage of ensuring that the relative air-fuel ratio can be maintained above a predetermined critical
Das Verfahren vermindert ungewöhnliche Verbrennungsphänomene, wie beispielsweise ein Klopfen und frühzeitige Zündung und begrenzt NOx-Emissionen. Eine anormale Verbrennung im dynamischen Betriebszustand wird verringert, beispielsweise bei einem positiven transienten Lastsprung. Ferner können entstehende Motortoleranzen über eine Lebensdauer des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 100 durch Regelung des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausgeglichen werden. Durch dieses Verfahren kann der stationäre Zustand des relativen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch eine Steuerung oder Anpassung des Einlassluftstroms ermöglicht werden, beispielsweise durch Einstellen des Einlassdruckes, der Füllung des Zylinders oder der Mischung über die Drosselklappe. Eine Steuerung kann auch auf Basis des Turboladers 127 mit variabler Geometrie (VGT), einer Abgasrückführung (EGR), einer variablen Ventilsteuerung (WT - Variable Valve Timing) und/oder einem variablen Ventilhub (WL - Variable Valve Lift) erfolgen.The process reduces unusual combustion phenomena such as knocking and pre-ignition and limits NOx emissions. Abnormal combustion in dynamic operating conditions is reduced, for example in the event of a positive transient load jump. Furthermore, resulting engine tolerances can be compensated for over the service life of the hydrogen
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.All features explained and shown in connection with individual embodiments of the invention can be provided in different combinations in the object according to the invention in order to simultaneously realize their advantageous effects.
Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.All method steps can be implemented by devices that are suitable for carrying out the respective method step. All functions that are carried out by physical features can be a procedural step of a process.
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| WO2025242368A1 (en) * | 2024-05-24 | 2025-11-27 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a hydrogen internal combustion engine, and hydrogen internal combustion engine |
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