CN114508430A - 用于控制用于内燃机的氢气的喷入量的控制设备 - Google Patents

用于控制用于内燃机的氢气的喷入量的控制设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于包括内燃机的动力总成的控制设备，所述控制设备用于控制氢气的喷入量。根据本发明的用于包括内燃机的动力总成的控制设备，其中内燃机构成为氢气发动机，所述控制设备构成和设立为，执行如下步骤：‑基于负荷要求和当前的空气质量流求取所需的空气比；‑求取期望燃烧重心；‑在所求取的期望燃烧重心中在考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比的条件下，求取最小空气比；‑将所需的空气比和最小空气比进行比较；‑当所述比较得出，所需的空气比小于最小空气比时，确定燃烧重心的移动，并且‑基于所需的空气比或燃烧重心的所确定的移动来控制氢气的喷入量。

Description

用于控制用于内燃机的氢气的喷入量的控制设备
技术领域
本发明涉及一种用于包括内燃机的动力总成的控制设备，所述控制设备用于控制氢气的喷入量。
背景技术
从DE4344715 A1中已知一种用于控制借助于气态燃料来运行的发动机的空气比的系统。
发明内容
根据本发明的用于包括内燃机的动力总成的控制设备，其中内燃机构成为氢气发动机，所述控制设备构成和设立用于执行如下步骤：
-基于负荷要求和当前的空气质量流求取所需的空气比；
-求取期望燃烧重心；
-在考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比的条件下，在求取的期望燃烧重心时求取最小空气比；
-将所需的空气比和最小空气比进行比较；
-如果比较得出，在求取期望燃烧中心时所需的空气比小于最小空气比，确定燃烧重心的移动，并且
-基于所需的空气比或燃烧重心的所确定的移动控制氢气的喷入量。
控制设备基于所需的空气比或燃烧重心的所确定的移动控制氢气的喷入量，通过这种方式，本发明实现在考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比的条件下能够调整喷入量。这具有如下优点：控制设备在控制喷入量时能够在负荷要求、燃烧重心的确定的移动引起的效率变化以及NOx排放和/或H2/NOx排放之比之间进行权衡。
将期望燃烧重心理解为实现内燃机的有利的运行的燃烧重心。所述期望燃烧重心与当前的燃烧模式相关。在燃烧模式的效率控制的运行中，期望燃烧重心例如被限定为，使得达到尽可能高的效率。然而，在加热运行中，所述期望燃烧重心例如被限定为，使得能够提供有利的废气温度。
在此将在求取的期望燃烧重心时的最小空气比理解为如下空气比，对于所述空气比，在所求取的期望燃烧重心中，NOx排放小于NOx期望排放和/或H2/NOx排放之比大于H2/NOx排放的期望比。
在此将NOx排放理解为NOx原始排放，即在内燃机的废气再处理系统上游的NOx排放。在此也将H2/NOx排放之比理解为H2和NOx的原始排放的比。
在此将NOx期望排放限定为，使得关于动力总成的废气再处理系统下游的NOx排放能够遵守法律规定。在此，能够与动力总成的运行状态相关地限定NOx期望排放。
在此将H2/NOx期望比限定为，使得在废气中存在特定含量的氢气。氢气于是例如能够用于通过H2-SCR催化器进行废气的NOx还原，使得在动力总成的排气线路中不需要H2喷射器或者至少仅须将少量H2引入排气线路中。
在此将控制理解为具有打开的或有时闭合的作用路径的开环控制以及具有闭合的作用流程的闭环控制。
为了求取所需的空气比，控制设备优选基于负荷要求计算所需的氢气喷入量。负荷要求例如由动力总成的加速踏板的踏板位置得出。为了计算所需的喷入量，控制设备特别优选在考虑燃烧模式的条件下使用内燃机的效率模型。燃烧模式例如能够是内燃机的效率控制的运行、NOx控制的运行或加热运行。
此外，控制设备为了求取所需的空气比检测在内燃机的进气线路中的当前的空气质量流。控制设备基于检测到的当前的空气质量流和计算出的所需的喷入量求取所需的空气比。
在此，在由控制设备程序进行求取时通过运行效率模型确定期望燃烧重心。替选地或补充地，控制设备能够在所求取的期望燃烧重心中使用特征曲线族。
在所求取的期望燃烧重心中在考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比的条件下求取最小空气比。优选地，控制设备求取最小空气比，使得能够满足NOx期望排放和/或H2/NOx期望比。这例如能够实现为，使得控制设备从特征曲线族中读取在所求取的期望燃烧重心中的最小空气比。特征曲线族在考虑NOx期望排放和/或H2/NOx期望比的条件下被校准。最小空气比能够与不同参数例如燃烧模式、废气再处理系统的状态和/或动力总成的运行点相关地保存在特征曲线族中。
基于所需的空气比和最小空气比的比较，控制设备能够引起两种不同的行动。当所需的空气比大于最小空气比时，可行的是，在遵守期望燃烧重心的条件下引入待基于负荷要求来提供的喷入量。因为控制设备在考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比的条件下求取最小空气比，所以也能够满足NOx期望排放和/或H2/NOx期望比。
如果在期望燃烧重心中所需的空气比小于最小空气比，那么控制设备确定燃烧重心的移动。因此，在遵守NOx期望排放和/或H2/NOx期望比的情况下能够实现较低的空气比。控制设备于是基于燃烧重心的所确定的移动来控制喷入量。
优选地，控制设备构成和设立用于，在确定燃烧重心的移动时考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比。
控制设备在确定燃烧重心的移动时考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比，通过这种方式本发明实现：通过燃烧重心的移动能够满足所需的空气比并且在此能够遵守小于NOx期望排放的NOx排放和/或大于H2/NOx期望比的H2/NOx排放之比。
为了在移动的情况下考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比，优选地，控制设备能够访问如下特征曲线族，燃烧重心的移动与所需的和最小的空气比之间的差相关地保存在所述特征曲线族中。由此，控制设备能够将燃烧重心移动为，使得能够遵守所需的空气比。在此，将特征曲线族校准为，使得针对所保存的燃烧重心的移动能够遵守NOx期望排放和/或H2/NOx期望比。
此外优选地，燃烧重心的移动附加地与内燃机的运行点和/或燃烧模式相关地保存在特征曲线族中。由此，控制设备能够与运行相关地确定燃烧重心的移动。
特别优选地，控制设备包括用于与空气比和燃烧重心相关地计算NOx排放和/或H2/NOx比的模型。与使用特征曲线族相比，模型的使用能够降低用于创建特征曲线族的校准耗费，尤其是当描绘瞬态条件时。
模型的使用尤其实现考虑在瞬态运行中相对于稳态运行的NOx排放的变化或H2/NOx排放之比的变化。
因此，控制设备能够在瞬态条件下求取最大NOx排放和/或最小H2/NOx比作为NOx期望排放和/或H2/NOx期望比。为此，所述控制设备例如根据特征曲线族求取在稳态条件下的NOx排放和/或H2/NOx比。通过将稳态的NOx排放和/或稳态的H2/NOx比与系数相乘或通过给稳态的NOx排放和/或稳态的H2/NOx比添加偏移值，控制设备能够求取最大的瞬态NOx排放和/或最小的瞬态H2/NOx比。通过倒转模型，控制设备于是能够在所求取的期望燃烧重心中在考虑瞬态NOx期望排放和/或瞬态H2/NOx期望比的情况下求取最小空气比。关于求取瞬态NOx期望排放，系数在此优选大于1，而关于求取瞬态H2/NOx期望比，系数优选小于1。关于求取瞬态NOx期望排放，偏移值优选大于零，而关于求取瞬态H2/NOx期望比，偏移值优选小于零。
如果所需的空气比和最小空气比的比较得出，所需的空气比小于最小空气比，那么控制设备能够基于模型将燃烧重心的变化确定为，使得能够满足所需的空气比并且能够遵守瞬态NOx期望排放和/或瞬态H2/NOx期望比。为此，控制设备也将模型倒转，使得所述模型能够在考虑所需的空气比和瞬态NOx期望排放和/或瞬态H2/NOx期望比作为模型输入的条件下计算燃烧重心的移动。
优选地，控制设备构成和设立用于考虑燃烧重心的所确定的移动的限制，其中所述限制与燃烧稳定性和/或废气温度相关。
控制设备考虑燃烧重心的所确定的移动的限制，通过这种方式，本发明实现：避免不稳定的燃烧或至少能够避免出现不稳定的燃烧的可能性和/或能够提供对于废气再处理有利的温度。如果其一方面温度足够高以便使动力总成的废气再处理系统实现充分的转换速率而另一方面足够低以便防止因废气温度过高造成构件损坏或至少降低其可能性，那么提供有利的温度。
在此将限制理解为在随后的时间点所确定的移动的限制以及在较早的时间点所确定的移动的限制。燃烧稳定性在此例如包括爆震燃烧、预点火、最大温度和/或断火。
优选地，控制设备构成和设立用于在控制喷入量时基于燃烧重心的所确定的移动的限制考虑喷入量的限制。
控制设备在控制喷入量时基于燃烧重心的所确定的移动的限制考虑喷入量的限制，通过这种方式，本发明实现：能够遵守NOx期望值和/或H2/NOx期望比，即使燃烧重心的移动被限制时也如此。
优选地，控制设备构成和设立用于在求取期望燃烧重心时考虑燃烧稳定性。
控制设备构成和设立用于在求取期望燃烧重心时考虑燃烧稳定性，通过这种方式，本发明实现：控制设备在求取期望燃烧重心时已经例如能够考虑爆震、预点火、最大温度和/或断火。
优选地，动力总成包括废气再处理系统，并且控制设备构成和设立用于基于废气再处理系统的状态、基于燃烧模式、基于NOx排放的变化和/或基于H2/NOx排放之比的变化来确定最小空气比。
控制设备基于废气再处理系统的状态、基于燃烧模式，基于NOx排放的变化和/或基于H2/NOx排放之比的变化来确定最小空气比，通过这种方式，本发明实现：以对于废气再处理、燃烧、NOx排放和/或H2/NOx排放之比有利的空气比来运行内燃机。
在下文中描述本发明的其他有利的实施方式。
附图说明
根据下面的附图详细阐述优选的实施例。在此示出
图1示出具有控制设备的动力总成的一个实施例；
图2示出用于控制氢气的喷入量的由控制设备执行的步骤的一个实施例；
图3示出用于控制氢气的喷入量的由控制设备执行的步骤的一个替选的实施例；
图4示出用于确定燃烧重心的移动的由控制设备执行的步骤的一个实施例；以及
图5示出用于确定燃烧重心的移动的由控制设备执行的步骤的一个替选的实施例。
具体实施方式
图1示出用于车辆的动力总成2。动力总成2包括进气线路9、内燃机3、废气线路10以及第一废气回导线路11和第二废气回导线路12。在此，进气线路9设置在内燃机3上游。废气线路10设置在内燃机3下游并且包括废气清洁系统4。
内燃机3构成为具有四个缸13的充电的、直接喷入的且外部点火的氢气发动机。为此，内燃机3包括废气涡轮增压机14。废气涡轮增压机14包括设置在进气线路9中的压缩机15和设置在废气线路10中的涡轮机16。涡轮机16和压缩机15彼此耦联，使得由涡轮机16从废气中吸收的能量能够被压缩机15利用，以便将新鲜气体压缩至提高的压力水平。
为了将氢气引入缸13中，内燃机3包括喷入设备30。喷入设备30包括针对每个缸13的喷射器、引入管线和燃料供应装置。
为了点燃氢气-空气混合物，内燃机包括点火设备40。所述点火设备40包括针对每个缸13的火花塞和与火花塞连接的点火设施。
废气清洁系统4包括H2-SCR催化器5、NH3-SCR系统和氨逃逸催化器(ASK)7。H2-SCR催化器5构成为利用H2降低氧化氮排放。
NH3-SCR系统设置在H2-SCR催化器5上游并且包括NH3-SCR催化器6、计量单元19和混合器20。计量单元19构成和设立用于将氨(NH3)在NH3-SCR催化器6上游引入废气线路10中。在设置在计量单元19和NH3-SCR催化器6之间的混合器20中，将所引入的氨和废气混合。NH3-SCR催化器6构成和设立用于利用氨降低NOx排放。
为了检测NOx排放，将NOx传感器22设置在废气再处理系统4下游。
第一废气回导线路11设置在废气清洁系统4上游并且构成用于将废气涡轮增压机14的涡轮机16上游的废气从废气线路10中导出并且输送给废气涡轮增压机14的压缩机下游的进气线路9。第二废气回导线路12构成为，将H2-SCR催化器5下游的废气从废气线路10导出并且在废气涡轮增压机14的压缩机上游输送给进气线路9。通过第一废气回导线路11和第二废气回导线路12能够为内燃机3的运行提供优选的废气回导率并且实现内燃机3的尽可能有效的运行。
动力总成2包括控制设备1。控制设备1构成和设立用于执行控制程序。控制程序包括执行在图2中示出的步骤的命令：
-基于负荷要求和当前的空气质量流求取S11所需的空气比(λerf)；
-求取S12期望燃烧重心；
-在所求取S12的期望燃烧重心中在考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比的条件下，求取S13最小空气比(λmin)；
-将所需的空气比(λerf)S11和最小空气比(λmin)S13进行比较S20；
-当所述比较S20得出，所需的空气比(λerf)S11小于最小空气比(λmin)S13时，确定燃烧重心的移动S30，并且
-基于所需的空气比(λerf)S11或所确定的燃烧重心的移动S30来控制S40氢气的喷入量。
图3示出用于控制S40氢气的喷入量的由控制程序执行的步骤的一个替选的实施例。控制程序通过运行内燃机3的效率模型在上游的步骤01中首先基于负荷要求M和当前的燃烧模式VM计算所需的氢气的喷入量mH2,erf。
控制程序包括如下命令，所述命令基于所需的喷入量mH2,erf和当前的空气质量流mL,akt求取S11所需的空气比(λerf)。控制程序经由空气路径模型结合空气量测量计17的信息确定当前的空气质量流mL,akt。
控制程序通过运行效率模型附加地计算S12期望燃烧重心(Sα)。所述期望燃烧重心与燃烧模式VM和负荷要求M相关地描述有利的燃烧重心。根据燃烧模式VM，所期望的效率、所期望的排放或者所期望的废气温度例如能够是有利的。
控制程序包括如下命令，所述命令在考虑废气再处理系统4和燃烧模式VM的条件下求取S13最小空气比(λmin)。因此，控制程序例如能够考虑加热需求或对原始排放的限制。
在下一步骤S20中，控制程序将所需的空气比(λerf)与最小空气比(λmin)比较。如果比较S20得出：所需的空气比λerf大于最小空气比λmin S13，那么控制程序基于所需的空气比(λerf)S11控制S40氢气的喷入量，其方式为：以所需的喷入量mH2,erf启动喷入设备30和通过点火角度αign启动点火设备40。
控制程序通过运行燃烧模型来计算S41点火角度αign，所述燃烧模型基于期望燃烧重心Sα和燃烧重心的移动Δα确定点火角度αign。因为针对所需的空气比(λerf)大于最小空气比(λmin)的情况所述移动Δα是不需要的，所以燃烧模型基于期望燃烧重心Sα计算点火角度αign。
控制程序基于针对动力总成2的稳态运行状态的NOx期望排放SNOx，st求取NOx期望排放SNOx，其中NOx期望排放SNOx，st以对于控制程序而言可调用的方式保存在控制设备中。控制程序将NOx期望排放SNOx,st与同样与运行点相关地限定的系数相乘进而求取针对动力总成2的瞬态运行状态的NOx期望排放SNOx,tr。NOx期望排放SNOx对应于NOx期望排放SNOx,tr。通过校准NOx期望排放SNOx,st和系数，将NOx期望排放SNOx限定为，使得能够满足针对NOx排放的法律规定。NOx期望排放SNOx,st、SNOx,tr和SNOx在图4中示例性地示出。
控制程序包括如下命令，当比较S20得出所需的空气比(λerf)小于最小空气比(λmin)S13时，所述命令确定S30燃烧重心(Sα)的移动。
图4示出移动S30燃烧重心的一个实施例。在此，所需的空气比λerf小于最小空气比λmin。因此，在所需的空气比λerf中，针对期望燃烧重心，NOx期望排放被超过。在图4中示出的SNOx表示在瞬态的条件下的最大允许的NOx排放SNOx,tr。因此，为了遵守NOx期望排放SNOx，控制程序在之后的时间点移动S30燃烧重心Sα。控制程序将所确定的移动Δα选择为，使得遵守NOx期望排放SNOx并且满足所需的空气比λerf。
控制程序基于移动Δα和期望燃烧重心Sα在步骤S41中计算点火角度αign，点火装置40通过所述点火角度启动。基于所述移动Δα，所述控制程序在步骤S42中通过重新运行效率模型来计算氢气的喷入量的变化Δm,H2，使得负荷要求M即使在燃烧重心移动时也通过减小的燃烧效率来满足。在所需的氢气的喷入量mH2,erf成为经修改的氢气的喷入量mH2,mod的情况下，控制程序计算氢气的喷入量的变化Δm,H2。
控制程序包括如下命令，所述命令在移动S30时考虑对燃烧重心的所确定的移动Δα的限制Lα。限制Lα考虑内燃机3的燃烧稳定性并且在图4中由阴影区域示出。控制程序在步骤S43中将从限制Lα中得出的最大移动αlim用于计算针对空气比的限制λlim。控制程序在步骤S44中基于针对空气比的限制λlim和当前的空气质量流mL,akt计算氢气的最大喷入量mH2,max。
在步骤S45中，控制程序最后基于氢气的经修改的喷入量mH2,mod和最大喷入量mH2,max计算待由喷入设备30引入内燃机中的喷入量mH2,inj。
在另一替选的实施例中，控制程序除了NOx排放外还考虑H2/NOx排放之比。由此，能够在废气中提供所期望的H2含量，其实现NOx原始排放通过H2-SCR催化器5的转换，而不需要将H2引入废气线路中。
在此，控制程序在期望燃烧重心Sα中在考虑H2/NOx排放之比的条件下求取最小空气比λmin。在此，为了在瞬态条件下也实现闭环控制，通过运行模型确定最小空气比，所述模型计算NOx和H2的原始排放。通过运行模型，在随后的步骤S30中也执行燃烧重心的移动的确定。
附加地，在此如果进行燃烧重心的移动S30，那么控制程序修正经修改的喷入量。为此，控制程序重复地基于经修改的喷入量mH2,mod执行步骤S11、S30、S40和S42。当所需的空气比λerf和从经修改的喷入量mH2,mod中得出的空气比之间的差小于预设的公差时，终止修正。经由公差能够设定修正的精度。
图5示出用于移动S30燃烧重心的一个替选的实施例。在此，控制程序在移动S30的情况下除了限制Lα外还考虑燃烧重心的所确定的移动Δα的限制Lβ。限制Lβ在此尤其考虑内燃机3的基于爆震或预点火的燃烧稳定性并且在图5中通过左侧上的阴影区域表示。控制程序在此基于限制Lα和Lβ求取最大移动αlim，其中在图5中示出的实施例中限制Lα和NOx期望排放SNOx限定最大移动αlim。针对其他运行点能够相应地产生另一最大移动αlim。在另外的未示出的实施例中，控制程序替选地或补充地包括如下命令，所述命令用于在求取期望燃烧重心S12时直接考虑限制Lβ，使得在求取期望燃烧重心S12时能够考虑由于爆震或预点火所引起的燃烧稳定性。
在另一替选的实施例中，控制程序包括如下命令，所述命令在闭合的闭环控制回路中对氢气的喷入量进行闭环控制。为此，动力总成2包括设置在缸13中的缸压力传感器。经由缸压力传感器，控制程序求取感应引起的中间压力和燃烧重心。感应引起的中间压力用作为负荷的指示器。
控制程序在确定燃烧重心的移动Δα时使用经由缸压力传感器求取的燃烧重心、所求取的感应引起的中间压力来修正经修改的喷入量mH2,mod。由此能够实现喷入量mH2,inj的更准确的且更加鲁棒的控制S40。

Claims (9)

1.一种用于包括内燃机(3)的动力总成(2)的控制设备(1)，其中所述内燃机(3)构成为氢气发动机，并且其中所述控制设备(1)构成和设立为，执行如下步骤：
-基于负荷要求和当前的空气质量流求取所需的空气比(S11、λerf)；
-求取(S12)期望燃烧重心；
-在考虑H2/NOx排放之比和/或NOx排放的条件下，在所求取(S12)的期望燃烧重心中求取最小空气比(S13、λmin)；
-将所述所需的空气比(S11、λerf)和所述最小空气比(S13、λmin)进行比较(S20)；
-当所述比较(S20)得出，所述所需的空气比(S11、λerf)小于所述最小空气比(S13、λmin)时，确定所述燃烧重心的移动(S30)，并且
-基于所述所需的空气比(S11、λerf)或所述燃烧重心的所确定的移动(S30)来控制(S40)氢气的喷入量。
2.根据权利要求1所述的控制设备(1)，其中所述控制设备(1)构成和设立为，在确定所述燃烧重心的移动(S30)时考虑NOx排放和/或H2/NOx排放之比。
3.根据权利要求1或2所述的控制设备(1)，其中所述控制设备(1)构成和设立为，考虑所述燃烧重心的所确定的移动(S30)的限制，并且其中所述限制与燃烧稳定性和/或废气温度相关。
4.根据权利要求3所述的控制设备(1)，其中所述控制设备(1)构成和设立为，在控制(S40)所述喷入量时基于对所述燃烧重心的所确定的移动(S30)的限制来考虑对所述喷入量的限制。
5.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备(1)，其中所述控制设备(1)构成和设立为，在求取(S12)所述期望燃烧重心时考虑燃烧稳定性。
6.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备(1)，其中所述动力总成(2)包括废气再处理系统(4)，并且其中所述控制设备(1)构成和设立为，基于所述废气再处理系统(4)的状态、基于燃烧模式、基于H2/NOx排放之比的变化和/或基于NOx排放的变化，确定所述最小空气比(S13、λmin)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备(1)，其中所述控制设备(1)构成和设立为，运行用于确定NOx和/或H2排放的模型，并且基于所述模型的结果来求取所述最小空气比(S13、λmin)和/或确定所述燃烧重心的移动(S30)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备(1)，其中所述内燃机(3)包括点火设备(40)，并且其中所述控制设备(1)构成和设立为，基于所述燃烧重心的所确定的移动(S30)确定点火时间点，并且基于所确定的点火时间点启动所述点火设备(40)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备(1)，其中所述控制设备(1)构成和设立为，在控制(S40)所述喷入量时执行所述喷入量的修正。
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