CN115839273A - 用于控制氢内燃机的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制氢内燃机(10)的方法，其中当对于该氢内燃机(10)识别到瞬时运行状态时从静态的稀λ额定值(λSoll,stat)改变到动态的富λ额定值(λSoll,dyn)，其中实施额定λ值(λSoll)最大直到可预给定的阈值(S1)的连续/突然富化，其中该阈值(S1)的特征是，避免空气‑氢‑混合物的预点火或者燃烧爆震行为。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于用计算机程序来控制氢内燃机的方法。
背景技术
未来的氢发动机应尽可能很大程度上基于部件和发动机套件的市场上已经可用的技术方案得出。高自燃温度和低点火能量导致奥托发动机的燃烧过程具有均匀的混合物并且通过很大程度上传统的火花塞点火。氢气的可燃性非常好，在效率和氮氧化物的形成方面，允许有利地在过量空气的情况下运行(“稀运行”或“发动机稀薄混合气运行”)。
为了能够在高负载和转速下实现稀运行，需要废气涡轮增压。因此，使用具有汽油直喷技术的汽油机作为起点是有利的。
目前，汽油和燃气发动机以用于奥托发动机的软件运行，根据该软件，扭矩主要是由空气或λ控制的。
现代奥托发动机大多具有电子节气门，用于调节内燃机的空气质量流量。该电子节气门与油门踏板机械地解耦。因为相应的节气门调节机构具有有限的调节速度并且通过进气管中的空气路径动态而存在动态填充效应，所以对预给定的空气质量流量和由此产生的当前填充进行高度动态的设置是不可能的。
动态的最大力矩很大程度上取决于当前转速和当前填充度。所产生的实际扭矩可以近似无延迟地提高到该动态最大力矩。通过改变点火角度，可以在奥托发动机的情况下在均质运行中实现动态最大扭矩。
相反，柴油发动机中的运行策略相应于稀运行，其中扭矩受到量的控制。在柴油发动机中，喷射量的改变可以近似无延迟地改变所产生的实际扭矩，然而最大喷射量受到烟雾极限的限制并且从而受到当前填充度的限制。在具有增压装置(其经常在现代柴油发动机中采用)的系统中，当前填充度的改变动态同样受到该增压装置的动态的限制。
发明内容
本发明涉及一种用于控制氢内燃机的方法。此外，本发明涉及一种计算机程序，其设置用于实施上述方法之一。
在一个第一方面中，本发明涉及一种用于控制氢内燃机的方法，其中当对于该氢内燃机识别到瞬时运行状态时，从静态的稀λ额定值改变到动态的富λ额定值，其中实施额定λ值最大直到可预给定的阈值的连续/突然富化，其中该阈值的特征是，避免空气-氢-混合物的预点火或者燃烧爆震。有利的是，在给该阈值赋特征时考虑氮氧化物排放。
该方法具有的特别的优点是，在负载提高要求期间将额定λ连续匹配地富化直到非常规燃烧、也就是爆震和不受控的预点火的边界。该边界的作用类似于柴油发动机的烟雾或烟度边界。然而，该边界的特征并非是产生烟雾，而是非常规燃烧。由此，该方法允许在每个计算步骤中借助于发动机控制系统进行适配，直至该动态过程结束。
此外，当所述瞬时运行状态结束时，从动态的富λ额定值过滤地切换回到静态的稀λ额定值。
通过该过滤可以在静态和非静态运行点之间的切换过程中实现更高的舒适性。
此外，根据缸的相对空气填充度和氢内燃机的当前转速求取动态的富λ额定值。
此外，根据驾驶员期望识别瞬时运行状态，其中存在正的扭矩要求。
根据一个有利的构型，当识别到氢内燃机的爆震时，对于氢内燃机实施点火角延迟调节并且由此使得爆震停止。
此外，当识别到氢内燃机的预点火时，实施额定λ值的稀化，尤其直至以下时刻，在该时刻不再出现预点火。
有利地，氢内燃机的混合物的预点火通过爆震传感器和/或通过燃烧室压力传感器识别。
此外，当氢内燃机具有废气涡轮增压器时，可以在切换过程中实施点火角效率的可预给定的、时间上的降低以提高废气焓。由此可以更快速地提高涡轮转速、增压压力和扭矩。
此外，当氢内燃机具有主动式凸轮轴调节装置时，可以在切换过程中实施清除效应(Scavenging-Effekt)以提高废气焓。这具有的特别的优点是，由于清除时的阀重合，在正的负载要求时可以实现更多废气焓和更快的扭矩增加。
由此尤其在较低的废气涡轮增压器转速时也降低了惯性。
在另外的方面中，本发明涉及一种装置、尤其控制器和一种计算机程序，其设置、尤其编程用于实施上述方法之一。在另一方面中，本发明还涉及一种机器可读存储介质，在该机器可读存储介质存储有所述计算机程序。
附图说明
图1示出用于具有减压发动机制动器的商用车的氢内燃机的示意图，
图2示出用于控制氢内燃机的方法的第一实施例，
图3示出用于控制氢内燃机的方法的第二实施例，
图4示出用于控制氢内燃机的方法的第三实施例。
具体实施方式
图1以氢内燃机10的示意图示出氢内燃机10和废气管路70，该氢内燃机具有空气供应系统60，通过该空气供应系统给氢内燃机10供应空气50，通过所述废气管路将废气51沿流动方向从氢内燃机10排出。在此，该图示局限于对于该图示相关的部件。此外，该氢内燃机10具有未进一步示出的执行装置，用于将燃料计量到该氢内燃机10的每个缸中。由此，可以将燃料(H2)直喷到缸中，这也被称为H2-直喷。替换地，燃料也可以借助于H2-PFI-喷射器(pressurized fuel injection)喷射到节气门7下游和氢内燃机10上游的抽吸管中，优选在进气阀的位置附近。
在另一实施方式中，氢内燃机10可以具有用于调节进气阀和排气阀的凸轮调节装置(未进一步示出)。该氢内燃机10以本身公知的方式通过空气供应系统60供应环境空气并且通过废气系统70从缸中排出燃烧废气。该空气供应系统60通过进气阀(未示出)与氢内燃机10的缸以本身公知的方式连接。燃烧废气51通过所述缸的相应的排气阀(未示出)以本身公知的方式排到废气系统70中。
沿空气50的流动方向观察，在空气供应系统60中布置以下：空气过滤器1、热膜空气质量传感器(HFM)2、可选的废气涡轮增压器9的压缩机4、增压空气冷却器5、空气质量测量计、节气门7。在本实施方式中，新鲜空气50穿过空气过滤器1，其中该空气过滤器1在此将污物颗粒从流入的新鲜空气50中分离出。
缸中的相对空气质量rl的测量尤其通过热膜空气质量传感器2实施。替换地，代替该热膜空气质量传感器2，对于该求取也可以使用抽吸管压力传感器。该抽吸管压力传感器在此优选定位在增压空气冷却器5的下游和节气门7的上游。传感器信号优选有线地或无线地传送给控制器100。
在废气管路70中，从氢内燃机10出发沿废气51的流动方向布置以下：废气温度传感器26、废气涡轮增压器9的废气涡轮16、优选废气活门18和尤其废气再处理部件20如选择性催化系统(SCR)。所安装的废气再处理部件20的布局因车辆而异。废气温度传感器26在此求取废气温度Texhaust。这里所示的布局在此仅仅是示例性的。在一个替换的实施方式中，在废气侧51没有安装温度传感器26用于求取废气管路70内氢内燃机10下游的废气温度。废气涡轮增压器9可以构造为具有可变涡轮几何(VTG-variable Turbine Geometry)的废气涡轮增压器或替换地构造为排气泄压阀废气涡轮增压器。
信号和测量参量在此优选有线地或无线地传递给控制器100。
在一个优选的构型中，氢内燃机10具有高压废气回输系统。在废气涡轮增压器9的废气涡轮16的上游、也就是在废气管路70的高压侧，从废气管路70分支出一个废气回输管路35，其在上游在氢内燃机10前面并且在下游在节气门7后面通入到空气供应系统60中。在氢内燃机10的下游沿着废气回输管路设置高压废气回输阀34、高压废气回输冷却器32和优选具有旁通阀30的高压废气回输冷却器旁路31。该高压废气回输冷却器旁路31在此用于将废气51引导经过高压废气回输冷却器32。氢内燃机10在后面的实施例中构造为四缸氢内燃机。这四个缸分别包括至少一个图中未进一步示出的进气和排气阀。该方法也可以转用到具有其他数量的缸的氢内燃机上，尤其具有两个、三个、六个、八个和十二个缸的氢内燃机。
在图2中示出用于控制氢内燃机10的方法的第一示例性的流程。
在第一步骤200中，对于该方法检查释放条件。如果从氢内燃机10的静态运行状态起识别到向非静态运行状态的切换，则释放该用于控制氢内燃机10的方法。这尤其相应于动态识别。
优选地，氢内燃机10在静态运行状态中像奥托发动机/燃气发动机那样以稀运行工作。所需的扭矩在此优选通过空气量和空气燃料比λ来调节并且以公知的方式通过额定-实际-λ调整来实施。在此，根据静态综合特性曲线Kλ,stat借助于当前转速neng,Ist和缸的相对空气填充度rl求取静态的稀λ额定值λSoll,stat。静态综合特性曲线Kλ,stat在此包含λ额定值λSoll,stat，氢内燃机10像奥托发动机/燃气发动机那样在该λ额定值中以稀运行工作。存储在静态综合特性曲线Kλ,stat中的λ额定值λSoll,stat在此是以公知的方式提前在氢内燃机试验台上对于该氢内燃机10求取的并且紧接着应用性地存储在控制器100中。
如果例如转速改变和/或空气质量流改变和/或发动机力矩改变和/或油门踏板位态改变在预给定的时间段内基本上不变，则存在静态或准静态状态。氢内燃机10的非静态或动态运行状态的识别在此优选通过转速改变和/或空气质量流改变和/或发动机力矩改变和/或油门踏板位态改变在预给定的时间段内基本上改变或强烈改变。在此，该识别借助于控制器100进行，该控制器连续地接收并且紧接着评估转速Neng和/或油门踏板位态Wpedal和/或空气质量流
和/或扭矩M。
替换地，动态识别也可以通过在DE 10 2014 218 221 A1中描述的方法基本上通过增压压力调节系统来实施。
如果识别到非静态运行状态，则释放该方法并且在步骤210中继续。
在步骤210中，从静态综合特性曲线Kλ,stat切换到动态综合特性曲线Kλ,dyn，其中仍然根据当前转速neng,Ist和缸的相对空气填充度rl求取动态的富λ额定值λSoll,dyn。动态综合特性曲线Kλ,dyn在此包含λ额定值(λSoll,dyn)，氢内燃机10像柴油发动机那样在该λ额定值中运行，其中连续地或突然地进行额定λ值的富化。在此存储在控制器100中的动态的富λ额定值λSoll,dyn优选提前在氢内燃机试验台上对于氢内燃机10求取并且紧接着存储在控制器100中。在此，λ值的富化一直进行到可预给定的阈值S1，其中该阈值相应于边界，在该边界时不发生非常规的燃烧过程，例如喷入的空气燃料混合物的不受控的预点火或燃烧爆震特性。
可预给定的阈值S1在此优选在发动机试验台上提前对于氢内燃机10测量并且紧接着应用性地存储在控制器100中。
紧接着，该方法在步骤220中继续。
在步骤220中，将在步骤210中求取的动态的富λ额定值λSoll,dyn对于存储在控制器100上的额定-实际-λ调整使用并且对于该氢内燃机10实施。
紧接着，对于氢内燃机10检验是否仍然存在非静态或动态的运行状态。如果仍存在非静态或动态的运行状态，则该方法在步骤210中重复或者继续通过动态综合特性曲线Kλ,dyn求取额定-λ值λSoll。
相反，如果对于氢内燃机10确定静态的运行状态，则该方法在步骤230中继续。
在步骤230中，额定-实际-λ调整切换回到静态综合特性曲线Kλ,stat并且该静态或准静态运行状态再次借助于静态的稀λ额定值λsoll,stat运行。
接着，该方法可以结束或者重新在步骤200中从头开始。
在图3中示出用于控制氢内燃机10的方法的第二示例性的流程。
在第一步骤300中对于该方法检查释放条件。如果从氢内燃机10的静态运行状态起识别到向非静态运行状态的切换，则释放该用于控制氢内燃机10的方法。这尤其相应于动态识别。
优选地，氢内燃机10在静态运行状态中像奥托发动机/燃气发动机那样以稀运行工作。所需的扭矩在此优选通过空气燃料比λ来调节并且以公知的方式通过额定-实际-λ调整来实施。在此，根据静态综合特性曲线Kλ,stat借助于当前转速neng,Ist和缸的相对空气填充度rl求取静态的稀λ额定值λSoll,stat。静态综合特性曲线Kλ,stat在此包含λ额定值λSoll,stat，氢内燃机10像奥托发动机/燃气发动机那样在该λ额定值中以稀运行工作。存储在静态综合特性曲线Kλ,stat中的λ额定值λSoll,stat在此是以公知的方式提前在氢内燃机试验台上对于该氢内燃机10求取的并且紧接着应用性地存储在控制器100中。
如果例如转速改变和/或空气质量流改变和/或发动机力矩改变和/或油门踏板位态改变在预给定的时间段内基本上不变，则存在静态或准静态状态。氢内燃机10的非静态或动态运行状态的识别在此优选通过转速改变和/或空气质量流改变和/或发动机力矩改变和/或油门踏板位态改变在预给定的时间段内实施。在此，该识别借助于控制器100进行，该控制器连续地接收并且紧接着评估转速Neng和/或油门踏板位态Wpedal和/或空气质量流
和/或扭矩M。
替换地，动态识别也可以通过在DE 10 2014 218 221 A1中描述的方法基本上通过增压压力调节系统来实施。
如果识别到非静态运行状态，则释放该方法并且在步骤310中继续。
在步骤310中，从静态综合特性曲线Kλ,stat切换到动态综合特性曲线Kλ,dyn，其中仍然根据当前转速neng,Ist和缸的相对空气填充度rl求取动态的富λ额定值λSoll,dyn。动态综合特性曲线Kλ,dyn在此包含λ额定值λSoll,dyn，氢内燃机10像柴油发动机那样在该λ额定值中运行，其中连续地或突然地进行额定λ值的富化。在此存储在控制器100中的动态的富λ额定值λSoll,dyn优选提前在氢内燃机试验台上对于氢内燃机10求取并且紧接着存储在控制器100中。在此，λ值的富化一直进行到可预给定的阈值S1，其中该阈值相应于边界，在该边界时不发生非常规的燃烧过程，例如喷入的空气燃料混合物的不受控的预点火或燃烧爆震特性。
可预给定的阈值S1在此优选在发动机试验台上提前对于氢内燃机10测量并且紧接着应用性地存储在控制器100中。
附加地，在从静态综合特性曲线Kλ,stat切换到动态综合特性曲线Kλ,dyn的同时可以对于具有H2直喷的氢内燃机10借助于凸轮轴调节装置对于燃烧实施公知的清除(或扫气)方法。在此，进气和排气阀的控制通过控制装置100以公知的方式实施。在此，以公知的方式通过凸轮轴调节装置实施进气和排气阀的打开时间的重合，从而可以通过更高的废气焓实现废气涡轮增压器9的更好的控制并且从而实现更好的空气填充。由此，可以使得氢-空气比或空气-燃料比λ更快地稀薄或者更快地建立扭矩。
在另一有利的实施方式中，在从静态综合特性曲线Kλ,stat切换到动态综合特性曲线Kλ,dyn的同时可以通过公知的点火角调整系统对于氢内燃机10实施点火角效率的降低或向后调节点火角(或点火角延迟调节)。用于点火角调节的调整在此通过控制器100实施。在此，额定点火角效率ZWSoll的降低对于可预给定的时间根据额定增压压力和实际增压压力之间的偏差实施。替换地，所述可预给定的时间也可以根据额定新鲜空气填充度和实际新鲜空气填充度之间的偏差或额定扭矩与实际扭矩之间的偏差来实施。该偏差优选相应于差形成。
在经过了可预给定的时间之后，点火角效率突然或优选过滤地提高。
接着，该方法在步骤320中继续。
在步骤320中，将在步骤310中求取的动态的富λ额定值λSoll,dyn对于存储在控制器100上的额定-实际-λ调整使用并且对于该氢内燃机10实施。
紧接着，对于氢内燃机10检验是否仍然存在非静态或动态的运行状态。如果仍存在非静态或动态的运行状态，则该方法在步骤310中重复或者继续通过动态综合特性曲线Kλ,dyn求取额定-λ值λSoll。
相反，如果对于氢内燃机10确定静态的运行状态，则该方法在步骤330中继续。
在步骤330中，额定-实际-λ调整切换回到静态综合特性曲线Kλ,stat并且该静态或准静态运行状态再次借助于静态的稀λ额定值λsoll,stat运行。
接着，该方法可以结束或者重新在步骤300中从头开始。
在图4中示出用于控制氢内燃机10的方法的第三示例性的流程。
在该有利的构型中不进行λ额定值λSoll,stat从静态综合特性曲线Kλ,stat和动态综合特性曲线Kλ,dyn的直接切换，而是计算从静态综合特性曲线Kλ,stat和动态综合特性曲线Kλ,dyn求取的λ额定值λSoll,stat之间的权重。
因为用于氢燃烧软件的参考参量基于缸的相对空气填充度rl，所以在该优选的构型中插入动态指标值rdyn，其在物理上通过伯努利方程与该参考参量相关。为此，继续使用节气门7下游和氢内燃机10上游的空气压力p21，尤其在靠近节气门7下游的位置处。这具有改善动态反应时间的结果，从而通过节气门7的效应补偿延迟时间。
在存在动态的期望力矩改变时的静态和动态运行状态之间的切换可以借助于连续加权的平均值实现。为了对平均值加权，使用动态指标值rdyn，其基于节气门7前面的位置处的额定和实际增压压力p21,Soll；p21,Ist之间的归一化偏差。建议将当前的发动机转速neng,Ist作为用于计算动态指标rdyn的附加输入参量。建议将0和1之间的范围作为用于动态指标rdyn的值范围。零值相当于没有检测到动态，由此将静态的稀λ额定值λSoll,stat用于额定-实际-λ调整。在全动态的情况下(其相应于指标值rdyn为1)，将动态的富λ额定值λSoll,dyn用于额定-实际-λ调整，在0和1之间使用静态的稀λ额定值λSoll,stat和动态的富λ额定值λSoll,dyn之间的相应加权的值。
替换地，代替额定和实际增压压力p21,Soll；p21,Ist之间的偏差也可以使用缸中的额定和实际新鲜空气填充度之间的偏差来表示当前的发动机运行的动态。
动态指标rdyn的计算在此优选根据额定和实际增压压力p21,Soll；p21,Ist如下实施：
其中rdyn∈[0,1]，p21,Soll是额定增压压力，p21,Ist是实际增压压力，并且neng,Ist是当前转速。
在第一步骤400中分别根据当前转速neng,Ist和缸的相对空气填充度rl从静态综合特性曲线Kλ,stat求取静态的稀λ额定值λSoll,stat并且从动态综合特性曲线Kλ,dyn求取动态的富λ额定值λSoll,dyn。
接着，在步骤410中求取所求取的动态的富λ额定值λSoll,dyn和所求取的稀λ额定值λSoll,stat之间的差D1。
在步骤420中，将所述差D1与所述动态指标rdyn相乘并且得到λ动态分量λdyn。动态指标rdyn的计算在此优选根据额定和实际增压压力p21,Soll；p21,Ist如下实施：
其中rdyn∈[0,1]是动态指标，p21,Soll是额定增压压力，p21,Ist是实际增压压力，并且neng,Ist是当前转速。
在步骤430中，将在步骤400中求取的静态的稀λ额定值λSoll,stat与求取的λ动态分量λdyn1相加并且得到期望的额定λ值λSoll，其接着提供给存储在控制器100上的额定-实际-λ调整。
接着，该方法可以在步骤400中从头开始。
Claims (12)
1.一种用于控制氢内燃机(10)的方法，其中当对于该氢内燃机(10)识别到瞬时运行状态时，从静态的稀λ额定值(λSoll,stat)改变到动态的富λ额定值(λSoll,dyn)，其中实施额定λ值(λSoll)最大直到可预给定的阈值(S1)的连续/突然富化，其中该阈值(S1)的特征是，避免空气-氢-混合物的预点火或者燃烧爆震行为。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述瞬时运行状态结束时，从动态的富λ额定值(λSoll,dyn)过滤地切换回到静态的稀λ额定值(λSoll,stat)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据缸的相对空气填充度(rl)和氢内燃机(10)的当前转速(neng)求取动态的富λ额定值(λSoll,dyn)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据驾驶员期望识别瞬时运行状态，其中存在正的扭矩要求。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当识别到氢内燃机(10)的爆震行为时，对氢内燃机(10)实施点火角延迟调节。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当识别到氢内燃机(10)的预点火时，实施额定λ值(λSoll)的稀化，尤其直至不再出现预点火的时刻。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，氢内燃机的燃烧的混合物的预点火通过爆震传感器和/或通过燃烧室压力传感器识别。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当氢内燃机(10)具有废气涡轮增压器(9)时，在切换过程中实施点火角效率的可预给定的时间上的降低以提高废气焓。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当氢内燃机(10)具有主动式凸轮轴调节装置时，在切换过程中实施清除效应以提高废气焓。
10.一种计算机程序，其设置用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
11.一种电子存储介质，其具有根据权利要求10所述的计算机程序。
12.一种装置、尤其控制器(100)，其设置用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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