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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen der hier angesprochenen Art werden häufig mit Brenngasen als Brennstoff betrieben, welche ein Stoffgemisch von wenigstens zwei Brennsubstanzen aufweisen, von denen eine Brennsubstanz Wasserstoff ist. Dies ist insbesondere der Fall bei Brennkraftmaschinen, die mit Erdgas als Brennstoff betrieben werden. Dabei ist gemäß einer vorläufigen Norm prEN 16726 vorgesehen, dass in Zukunft ein Wasserstoffanteil von bis zu 20 % – zum Beispiel durch Beimischung von Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen – erlaubt sein soll. Infolgedessen ist zukünftig von einer erheblichen Fluktuation des Wasserstoffanteils im Brenngas für mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschinen auszugehen, die zu einer Veränderung des Brennverlaufs führt: Beispielsweise führt ein erhöhter Wasserstoffanteil zu höheren Brenngeschwindigkeiten und damit zu einer schnelleren Energiefreisetzung, wodurch Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine ansteigen. Zugleich ist die Methanzahl des Brenngases aufgrund des höheren Wasserstoffanteils reduziert, wodurch die Klopfneigung zunimmt. Der durch den variierenden Wasserstoffanteil veränderte Heizwert führt bei gleichem zugeführten Brenngas-Volumenstrom zu einer veränderten Motorleistung, welche zwar durch eine Leistungsregelung der Brennkraftmaschine korrigiert werden kann, wobei jedoch Reglerwerte für eine Gemischregelung und insbesondere für eine Einstellung eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnisses (Lambdawert) nicht mehr stimmen. Folglich ist auch der typischerweise in einem solchen Regler hinterlegte Zusammenhang zwischen dem Lambdawert und den Stickoxid-Emissionen aufgrund der veränderten Stoffeigenschaften des Brenngases nicht mehr gültig. Somit ist keine geeignete Regelung der Stickoxid-Emissionen mehr möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei eine Brennkraftmaschine mit einem Brenngas als Brennstoff betrieben wird, das eine erste Brennsubstanz und Wasserstoff als eine zweite, von der ersten Brennsubstanz verschiedene Brennsubstanz aufweist. Das Brenngas ist also ein Stoffgemisch, welches zumindest zwei Brennsubstanzen, nämlich die erste Brennsubstanz einerseits sowie Wasserstoff andererseits aufweist. Dabei kann insbesondere ein Wasserstoffanteil – insbesondere eine Wasserstoff-Konzentration oder ein Wasserstoff-Partialdruck – des Brenngases im Betrieb der Brennkraftmaschine variieren. Es wird wenigstens ein Brennparameter des Brenngases im Betrieb der Brennkraftmaschine ermittelt, wobei der wenigstens eine Brennparameter zur Bestimmung einer wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine zuzuführenden Brenngasmenge verwendet wird. Dabei ist vorgesehen, dass ein momentaner Wasserstoffanteil des Brenngases – insbesondere im Betrieb der Brennkraftmaschine – mittels eines Wasserstoffsensors ermittelt wird, wobei der wenigstens eine Brennparameter auf der Grundlage des mittels des Wasserstoffsensors ermittelten Wasserstoffanteils des Brenngases ermittelt wird. Mit Hilfe des Wasserstoffsensors ist es dabei möglich, insbesondere im Betrieb der Brennkraftmaschine eine möglichst genaue Kenntnis des momentanen Wasserstoffanteils am Brenngas zu erhalten, und so den wenigstens einen Brennparameter zuverlässig bestimmen zu können. Dies führt letztlich dazu, dass selbst bei fluktuierendem Wasserstoffanteil die Verbrennungseigenschaften des Brenngases hinreichend genau bekannt sind, sodass ein momentan gültiger Zusammenhang zwischen dem Lambdawert und den Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine ermittelbar ist. Somit wird trotz des fluktuierenden Wasserstoffanteils eine Regelung der Stickoxid-Emissionen möglich, sodass Emissionszertifizierungen der Brennkraftmaschine auch in Umgebungen mit schwankender Brenngasqualität hinsichtlich des Wasserstoffgehalts eingehalten werden können. Weiterhin ist eine verbrauchsoptimale Emissionsregelung und/oder eine Wirkungsgradsteigerung unter diesen Einsatzbedingungen möglich.
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Unter einem Brenngas wird insbesondere ein Brennstoff verstanden, der unter Normalbedingungen, das heißt insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um Erdgas, verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas – LNG), verdichtetes Erdgas (Compressed Natural Gas – CNG) oder ein anderes geeignetes Brenngas handeln. Insbesondere kann das Brenngas als erste Brennsubstanz Methan und als zweite Brennsubstanz Wasserstoff aufweisen. Es ist möglich, dass das Brenngas weitere brennbare und/oder nicht brennbare Substanzen aufweist.
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Der wenigstens eine Brennparameter des Brenngases wird im Betrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt fortlaufend oder periodisch ermittelt, besonders bevorzugt in Echtzeit, sodass vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt – oder zumindest in relevanten Zeitabständen – aktuelle Informationen über den Brennparameter gewonnen werden. Entsprechend wird auch der momentane Wasserstoffanteil des Brenngases bevorzugt fortlaufend oder periodisch, insbesondere in Echtzeit, ermittelt, wobei besonders bevorzugt der wenigstens eine Brennparameter stets auf der Grundlage des aktuellsten ermittelten Wasserstoffanteils neu ermittelt wird.
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Unter einer dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine zuzuführenden Brenngasmenge wird insbesondere ein Brenngas-Massenstrom oder ein Brenngas-Volumenstrom bezeichnet, welcher – gegebenenfalls mit Verbrennungsluft vorgemischt – dem wenigstens einen Brennraum bestimmungsgemäß zugeführt wird. Insbesondere wird unter der dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine zuzuführenden Brenngasmenge bevorzugt ein Soll-Brenngasmassenstrom verstanden, welcher einer Zumischeinrichtung zugeführt wird, die eingerichtet ist, um ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zu erzeugen, welches anschließend über einen Ladepfad dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dass die zuzuführende Brenngasmenge auf der Grundlage des wenigstens einen Brennparameters bestimmt wird, bedeutet insbesondere, dass der wenigstens eine Brennparameter herangezogen wird, um die dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine zuzuführenden Brenngasmenge festzulegen und/oder einzustellen, insbesondere um die Zumischeinrichtung anzusteuern.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als der wenigstens eine Brennparameter der Heizwert, insbesondere der untere Heizwert, das heißt insbesondere die bei einer Verbrennung des Brenngases maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Verbrennungsabgas enthaltenen Wasserdampfs kommt, bezogen auf die Menge des eingesetzten Brenngases, für das Brenngas ermittelt wird. Der Heizwert hängt stark von dem Wasserstoffanteil im Brenngas ab und steht insbesondere in Zusammenhang mit dem Lambdawert und den Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine.
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Alternativ oder zusätzlich wird als der wenigstens eine Brennparameter bevorzugt die korrigierte Gaskonstante des Brenngases bestimmt. Es handelt sich dabei bevorzugt um die spezifische oder individuelle Gaskonstante des Brenngases, welche auf die molare Masse des Brenngases bezogen ist, die wiederum von dem Wasserstoffanteil abhängt.
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Alternativ oder zusätzlich wird als der wenigstens eine Brennparameter bevorzugt der stöchiometrische Luftbedarf des Brenngases ermittelt. Dieser hängt ebenfalls von dem Wasserstoffanteil im Brenngas ab und steht in Zusammenhang mit dem Lambdawert und den Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine.
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Besonders bevorzugt werden sowohl der Heizwert als auch die korrigierte Gaskonstante und der stöchiometrische Luftbedarf des Brenngases als Brennparameter auf der Grundlage des mittels des Wasserstoffsensors ermittelten Wasserstoffanteils des Brenngases ermittelt. Es können so umfassende Informationen über die aktuellen Brenneigenschaften des Brenngases erhalten werden, die insbesondere für eine funktionsfähige und gültige Stickoxid-Emissionsregelung herangezogen werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Brennparameter ermittelt wird, in dem ein gemessenes Leistungssignal mit einem auf der Grundlage des wenigstens einen Brennparameters berechneten Leistungssignal verglichen wird, wobei das berechnete Leistungssignal durch Variation des wenigstens einen Brennparameters dem gemessenen Leistungssignal angenähert wird, wobei als Wert des wenigstens einen Brennparameters bevorzugt derjenige Wert verwendet wird, für den eine Abweichung zwischen dem gemessenen Leistungssignal und dem berechneten Leistungssignal minimal wird.
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Dabei macht man sich zunutze, dass die tatsächliche Leistung der Brennkraftmaschine von dem wenigstens einen Brennparameter des Brenngases abhängt, wobei wiederum der Wert des berechneten Leistungssignals von dem der Berechnung zugrundeliegenden Wert des Brennparameters abhängt. Stimmt also der angenommene Wert des wenigstens einen Brennparameters nicht mit dessen momentan vorliegenden, tatsächlichen Wert überein, kann auch das berechnete Leistungssignal nicht mit dem gemessenen Leistungssignal übereinstimmen. Durch Variation des angenommenen Wertes des Brennparameters zur Berechnung des Leistungssignals kann dieser daher dem wahren, momentanen Wert angenähert werden, wenn das berechnete Leistungssignal dem gemessenen Leistungssignal angenähert wird. Dies erfolgt bevorzugt iterativ. Als gemessenes Leistungssignal wird vorzugsweise ein gemessenes Drehmoment der Brennkraftmaschine verwendet. Dieses kann an der Brennkraftmaschine selbst, insbesondere an einer Kurbelwelle oder einem Schwungrad derselben, oder an einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Maschine, beispielsweise einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Generator, gemessen werden. Als gemessenes Leistungssignal kann insbesondere auch eine elektrische Leistung einer elektrischen Maschine, welche von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, herangezogen werden, wobei bevorzugt auch hieraus ein momentanes Drehmoment der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Entsprechend wird bevorzugt als berechnetes Signal ein Drehmoment der Brennkraftmaschine berechnet, welches mit dem gemessenen Drehmoment verglichen wird. In für sich genommen bekannter Weise steht das momentane Drehmoment der Brennkraftmaschine mit deren momentaner Leistung über die momentane Drehzahl in Zusammenhang.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das berechnete Leistungssignal auf das gemessene Leistungssignal geregelt wird. Dabei wird der wenigstens eine Brennparameter als Stellgröße verwendet. Dies stellt eine ebenso elegante wie einfache Ausgestaltung zur Ermittlung eines momentanen Wertes des Brennparameters dar, indem durch die Regelung eine Regelabweichung zwischen dem als Sollwert verwendeten, gemessenen Leistungssignal und dem als Istwert verwendeten, berechneten Leistungssignal minimiert wird, wodurch die verwendete Regelstruktur zugleich den Brennparameter als Stellgröße dem aktuell vorliegenden, wahren Wert des Brennparameters annähert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Brennparameter in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem gemessenen Leistungssignal und dem berechneten Leistungssignal aus einem Kennfeld ausgelesen und/oder von wenigstens einer Kennlinie abgelesen wird. Dabei wird der mittels des Wasserstoffsensors ermittelte Wasserstoffanteil zur Korrektur des Kennfeldes und/oder der wenigstens einen Kennlinie verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird der mittels des Wasserstoffsensors ermittelte Wasserstoffanteil zur Bestimmung eines momentanen Ortes oder Bereichs in dem Kennfeld und/oder auf der wenigstens einen Kennlinie verwendet. Diese Vorgehensweise berücksichtigt, dass eine Variation des Wasserstoffanteils im Brenngas dazu führt, dass die Bestimmung des wenigstens einen Brennparameters aus dem Kennfeld oder der Kennlinie nichtlinear verfälscht wird, sodass die für die Bestimmung des Brennparameters maßgeblichen Beziehungen zumindest lokal nicht mehr gültig sind. Dabei werden die Stoffwerte des Brenngases bei einer Variation des Wasserstoffanteils derart stark nichtlinear beeinflusst, dass eine entsprechende Korrektur selbst mit einer Druckindizierung von einem oder mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine und einer entsprechenden Auswertung nicht mehr möglich ist.
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Ist aber der Wasserstoffanteil in dem Brenngas aufgrund der Messung mittels des Wasserstoffsensors bekannt, kann eine Ortsbestimmung innerhalb des Kennfeldes und/oder auf der Kennlinie erfolgen, oder es kann eine Korrekturfunktion für das Kennfeld und/oder die Kennlinie erstellt werden, sodass eine Korrektur der Brenngas-Eigenschaften möglich wird. Dies erlaubt dann eine zuverlässige Bestimmung des wenigstens einen Brennparameters, und aus diesem wiederum eine zuverlässige Berechnung des anwendbaren Lambdawerts so wie der Stickoxid-Emissionen.
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Die Bestimmung der dem wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine zuzuführenden Brenngasmenge erfolgt bevorzugt abhängig von einem – vorzugsweise betriebspunktabhängig aus einem Kennfeld ausgelesenen – Sollwert für die Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine. Anhand dieses Sollwerts und des wenigstens einen Brennparameters, der insbesondere aus dem momentanen Wasserstoffanteil des Brenngases und damit aus dessen Zusammensetzung resultiert, wird bevorzugt ein Soll-Lambdawert für das Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis bestimmt, aus dem dann wiederum ein der Zumischeinrichtung, die eingerichtet ist zur Zumischung des Brenngases zu dem Brennraum zugeführter Verbrennungsluft, zuzuführender Soll-Brenngasmassenstrom berechnet wird. Vorzugsweise wird die Zumischeinrichtung derart angesteuert, dass ein entsprechender Brenngas-Massenstrom der Verbrennungsluft zugemischt wird, wobei dann dem wenigstens einen Brennraum ein entsprechendes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch mit einem mit dem Soll-Lambdawert korrespondierenden Lambdawert entlang eines Ladepfads der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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In die Berechnung des Soll-Brenngasmassenstroms geht vorzugsweise ein – bevorzugt um eine Totzeit einer Ansaugstrecke der Brennkraftmaschine korrigierter – Gemisch-Massenstrom ein, der in folgender Weise bestimmt wird: Anhand einer momentanen Drehzahl sowie momentaner Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine wird ein Luftaufwand oder Liefergrad berechnet, der vorzugsweise noch anhand eines momentanen Ladedrucks der Brennkraftmaschine korrigiert wird. Aus dem vorzugsweise bezüglich des Ladedrucks korrigierten Luftaufwand oder Liefergrad wird in Abhängigkeit von der korrigierten Gaskonstante des Brenngases sowie einem Hubvolumen des wenigstens einen Brennraums, einer momentanen Drehzahl, dem momentanen Ladedruck und der momentanen Ladetemperatur der Gemisch-Massenstrom berechnet. Dessen Totzeitkorrektur erfolgt bevorzugt abhängig von einer momentanen Leistung der Brennkraftmaschine. Der Soll-Brenngasmassenstrom wird schließlich vorzugsweise aus dem – insbesondere totzeitzeitkorrigierten – Gemisch-Massenstrom einerseits und dem wie zuvor erläutert berechneten Soll-Lambdawert bestimmt.
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Eine Leistungsregelung der Brennkraftmaschine erfolgt bevorzugt in für sich genommen bekannter Weise durch Variation der Klappensstellung einer Drosselklappe, oder mittels eines variablen Ventiltriebs, insbesondere eines vollvariablen Ventiltriebs, das heißt bevorzugt durch Variation der Steuerzeiten für wenigstens ein Einlassventil des wenigstens einen Brennraums.
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Die Stellung der Drosselklappe und/oder die Ventilsteuerzeiten für das wenigstens eine Einlassventil bestimmen dabei insbesondere die dem wenigstens einen Brennraum in einem Saugtakt zugeführte Gemischmasse. Die Zumischeinrichtung ist demnach bevorzugt stromaufwärts der Drosselklappe und/oder stromaufwärts des wenigstens einen Einlassventils angeordnet.
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Die Bestimmung des der Zumischeinrichtung zuzuführenden Soll-Brenngasmassenstroms erfolgt bevorzugt verbrauchsoptimiert, wobei insbesondere der Brenngasverbrauch unter der Randbedingung der einzuhaltenden Stickoxid-Emissionen minimiert wird. Dies erfolgt bevorzugt über wenigstens ein Kennfeld, insbesondere in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Stickoxid-Emissionen, dem Soll-Lambdawert und bevorzugt unter Variation eines Zündzeitpunkts für den wenigstens einen Brennraum.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche wenigstens einen Brennraum aufweist, dem ein Brenngas als Brennstoff zuführbar ist, das eine erste Brennsubstanz und Wasserstoff als eine zweite, von der ersten Brennsubstanz verschiedene Brennsubstanz aufweist. Die Brennkraftmaschine weist außerdem ein Steuergerät auf, das eingerichtet ist, um im Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens einen Brennparameter des Brenngases zu ermitteln, und um eine dem wenigstens einen Brennraum zuzuführende Brenngasmenge anhand des wenigstens einen Brennparameters zu bestimmen. Die Brennkraftmaschine weist einen Wasserstoffsensor auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um einen momentanen Wasserstoffanteil des Brenngases – insbesondere im Betrieb der Brennkraftmaschine – zu ermitteln. Das Steuergerät, das bevorzugt mit dem Wasserstoffsensor wirkverbunden ist, ist eingerichtet, um den wenigstens einen Brennparameter auf der Grundlage des mittels des Wasserstoffsensors ermittelten Wasserstoffanteils des Brenngases zu ermitteln. Die Brennkraftmaschine ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserstoffsensor in oder an einer Brenngasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Wasserstoffsensor in oder an einer Verbrennungsluft-Brenngas-Gemischleitung, insbesondere also in oder an einem Ladepfad der Brennkraftmaschine, angeordnet ist. Dabei ist es mithilfe des Wasserstoffsensors an beiden Einbaupositionen möglich, den Wasserstoffanteil im Brenngas zu bestimmen, insbesondere wenn der Lambdawert einerseits und der Brenngas-Massenstrom sowie der Gemisch-Massenstrom andererseits bekannt sind. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung des Wasserstoffsensors in Abhängigkeit von dessen Messbereichsgrenze. Dabei zeigt sich, dass der Wasserstoffsensor einen kleineren Messbereich aufweisen kann, wenn die Messung an dem Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch durchgeführt wird, während ein Wasserstoffsensor mit einem größeren Messbereich, das heißt insbesondere einem zu größeren Wasserstoffanteilen verschobenen Messbereich, bevorzugt so angeordnet wird, dass die Messung im reinen Brenngas durchgeführt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserstoffsensor ein Sensor auf Metallhydrid-Basis ist. Ein solcher Sensor beruht insbesondere auf dem Prinzip, dass Metallhydride Wasserstoff einlagern können, wobei sich deren physikalische Eigenschaften, insbesondere der Leitwert, eine elektrochemische Spannung oder der Widerstand, mit dem Wasserstoffgehalt ändern. Demnach ist ein an dem Metallhydrid messbarer Leitwert, ein Widerstand oder eine elektrochemische Spannung abhängig vom Wasserstoffpartialdruck in der Umgebung des Metallhydrid-Sensors. Dieser kann verwendet werden, um den Wasserstoffpartialdruck und damit den Wasserstoffanteil in dem Brenngas zu bestimmen. Solche Sensoren sind vergleichsweise kostengünstig, sodass es möglich ist, einen Wasserstoffsensor auch bei einer Serien-Brennkraftmaschine einzusetzen. Bislang wurden Wasserstoffsensoren aufgrund der bisher sehr teuren Messtechnik nur bei Prüfständen, nicht jedoch in Serie eingesetzt. Demnach ermöglicht die vergleichsweise kostengünstige Metallhydrid-Technologie zur Sensierung von Wasserstoff erstmals einen Einsatz einer solchen Sensorik am Serienmotor, was wiederum die Einhaltung der Emissionszertifizierungen auch in Umgebungen mit schwankender Brenngasqualität hinsichtlich des Wasserstoffgehalts, sowie eine verbrauchsoptimale Emissionsregelung und/oder Wirkungsgradsteigerungen auch unter solchen Einsatzbedingungen ermöglicht.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
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2 eine schematische Darstellung eines ersten Details einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, und
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3 ein zweites Detail der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 2.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit wenigstens einem Brennraum 3, dem ein Brenngas 5 als Brennstoff zuführbar ist, wobei das Brenngas 5 eine erste Brennsubstanz, vorzugsweise Methan, und eine von der ersten Brennsubstanz verschiedene, zweite Brennsubstanz, nämlich Wasserstoff aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem ein Steuergerät 7 auf, das eingerichtet ist, um im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wenigstens einen Brennparameter des Brenngases 5 zu ermitteln, und um eine dem wenigstens einen Brennraum 3 zuzuführende Brenngasmenge des Brenngases 5 anhand des wenigstens einem Brennparameters zu bestimmen.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem einen Wasserstoffsensor 9 auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um einen momentanen Wasserstoffanteil des Brenngases 5 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zu ermitteln. Das Steuergerät 7 ist mit dem Wasserstoffsensor 9 wirkverbunden und eingerichtet, um den wenigstens einen Brennparameter auf der Grundlage des mittels des Wasserstoffsensors 9 ermittelten Wasserstoffanteils des Brenngases 5 zu ermitteln. Somit ist es möglich, den Wasserstoffanteil in dem Brenngas 5 auch bei zeitlicher Variation oder Fluktuation desselben zu kennen, und so stets einen gültigen Zusammenhang zwischen den Brenneigenschaften des Brenngases 5 und somit insbesondere zwischen einem Lambdawert und den Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine 1 zu erhalten, sodass diese zur Einhaltung von Emissionsvorschriften geregelt werden können.
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Der Wasserstoffsensor 9 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 an einer nur schematisch dargestellten Brenngasleitung 11 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Es ist alternativ auch möglich, dass der Wasserstoffsensor 9 an einer Gemischleitung 13 angeordnet ist, die im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ein Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch führt.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Wasserstoffsensor 9 um einen Sensor auf Metallhydrid-Basis. Ein solcher Sensor ist insbesondere kostengünstig erhältlich, sodass er auch in Serienmotoren einsetzbar ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist dementsprechend besonders bevorzugt als Serienmotor und nicht etwa als Prüfstandsmotor ausgebildet.
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Dem Brennraum 3 ist ein Ladepfad 15 zugeordnet, entlang dessen dem Brennraum 3 über ein Einlassventil 17 das Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch zuführbar ist. Das Gemisch wird in einer Zumischeinrichtung 19 erzeugt, die insbesondere eingerichtet ist, um einen Soll-Brenngasmassenstrom aus der Brenngas Leitung 11 zu Verbrennungsluft 21 zu dosieren. Das Steuergerät 7 ist dabei insbesondere mit der Zumischeinrichtung 19 wirkverbunden, um den Soll-Brenngasmassenstrom vorzugeben.
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Dem Brennraum 3 ist außerdem ein Abgaspfad 23 zugeordnet, durch den über ein Auslassventil 25 Abgas aus dem Brennraum 3 abgeführt werden kann. Außerdem ist dem Brennraum 3 eine Zündeinrichtung 27 zugeordnet, über die ein in dem Brennraum 3 angeordnetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch fremdgezündet werden kann. Dabei ist die Zündeinrichtung 27 insbesondere zur Vorgabe eines Zündzeitpunkts mit dem Steuergerät 7 wirkverbunden.
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Eine Leistungsregelung der Brennkraftmaschine 1 erfolgt bevorzugt über eine in der Gemischleitung 13 angeordnete Drosselklappe 29, und/oder über eine variable, insbesondere vollvariable Ansteuerung des Einlassventils 17, wobei über beide Einrichtungen, nämlich die Drosselklappe 29 und das Ventil 17, jeweils für sich genommen oder in Kombination miteinander bekannterweise eine dem Brennraum 3 zugeführte Gemischmasse eingestellt werden kann. Die Drosselklappe 29 und/oder das Einlassventil 17 sind hierzu bevorzugt mit dem Steuergerät 7 wirkverbunden.
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In 1 ist der einfacheren Darstellung wegen nicht dargestellt, dass die Brennkraftmaschine 1 bevorzugt einen Verdichter – insbesondere eines Abgasturboladers – aufweist, der bevorzugt eingericht und angeordnet ist, um das Gemisch in der Gemischleitung 13 zu verdichten, wobei der Verdichter vorzugsweise stromaufwärts der Drosselklappe 29 angeordnet ist. Ebenfalls nicht dargestellt ist ein Ladedrucksensor, der bevorzugt in der Gemischleitung 13 vorgesehen und mit dem Steuergerät 7 zur Erfassung eines Ladedrucks des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in der Gemischleitung 13 wirkverbunden ist, wobei der Ladedrucksensor vorzugsweise stromaufwärts der Drosselklappe 29 angeordnet ist.
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Weiterhin ist nicht dargestellt, dass die Brennkraftmaschine 1 bevorzugt einen Ladetemperatursensor, sowie einen Drehzahlsensor zur Erfassung einer momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 aufweist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Details einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Es zeigt sich, dass eine Leistungsregelung für die Brennkraftmaschine 1 insbesondere derart erfolgt, dass eine beispielsweise von einem Betreiber der Brennkraftmaschine 1 oder von einer externen Einrichtung vorgegebene Soll-Leistung 31 mit einer momentanen Ist-Leistung 33 verglichen wird, wobei eine hieraus berechnete Leistungs-Regelabweichung 35 einem Leistungsregler 37 zugeführt wird, der als Stellgröße ein Steuersignal 39 zur Ansteuerung der Drosselklappe 29 und/oder des Einlassventils 17 erzeugt, die/das als Regelstrecke angesteuert wird/werden, wodurch eine dem Brennraum 3 zugeführte Gemischmasse variiert wird.
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Dabei ist hier schematisch dargestellt, dass die Qualität dieser Gemischmasse von der momentanen Einstellung der Zumischeinrichtung 19 abhängt, die anhand eines Soll-Brenngasmassenstroms 41 angesteuert wird.
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Der Soll-Brenngasmassenstrom 41 wird berechnet, indem zunächst aus dem Brennraum 3 zugeordneten Ventilsteuerzeiten 43, die insbesondere zur Ansteuerung des Einlassventils 17 dienen, sowie einer momentanen Drehzahl 45 der Brennkraftmaschine 1 ein momentaner Luftaufwand 47 berechnet wird, der anschließend anhand des Ladedrucks korrigiert wird, woraus ein korrigierter Luftaufwand 49 resultiert. Aus diesem wird wiederum in Abhängigkeit von einem Hubvolumen des Brennraums 3, der momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine 1, dem Ladedruck, der Ladetemperatur und einer korrigierten Gaskonstante 51 ein momentaner Gemischmassenstrom 53 berechnet, der mit Hilfe eines Totzeitglieds 55 bezüglich der Totzeit der Ansaugstrecke, insbesondere des Ladepfads 15, abhängig von der momentanen Ist-Leistung 33 der Brennkraftmaschine 1 korrigiert wird, wobei hieraus ein totzeitkorrigierter Gemischmassenstrom 57 resultiert, aus dem auf der Grundlage eines Soll-Lambdawerts 59 in einem Berechnungslied 61 der Soll-Massenstrom 41 berechnet wird.
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Der Soll-Lambdawert 59 wird dabei abhängig von einem insbesondere betriebspunktabhängig aus einem Kennfeld ausgelesenen Sollwert 63 für die Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine 1 und einem stöchiometrischen Luftbedarf 65 des Brenngases 5 berechnet.
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Dabei werden der stöchiometrische Luftbedarf 65 und die korrigierte Gaskonstante 51 als Brennparameter aus einem Ermittlungsglied 67 erhalten, dessen Funktionsweise in Zusammenhang mit 3 näher erläutert wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Details der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 2. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Wie bereits ausgeführt, ist in 3 insbesondere dargestellt, auf welche Weise der wenigstens eine Brennparameter des Brenngases 5 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ermittelt wird. Hierzu wird ein gemessenes Leistungssignal 69, das beispielsweise ein direkt an der Brennkraftmaschine oder an einer von dieser angetriebenen Maschine, beispielsweise einer elektrischen Maschine, gemessenes Drehmoment sein kann, mit einem auf der Grundlage des wenigstens einen Brennparameters berechneten Leistungssignal 71 verglichen, hier insbesondere, indem in einem Differenzglied 73 eine Differenz 75 zwischen dem gemessenen Leistungssignal 69 und dem berechneten Leistungssignal 71 berechnet wird. Die Differenz 75 wird bei der hier dargestellten Ausführungsform des Verfahrens einer Regelstruktur 77 als Regelabweichung zugeführt, wobei die Regelstruktur 77 in Abhängigkeit von der Differenz 75 den wenigstens einen Brennparameter berechnet. Bei der hier dargestellten Ausführungsform des Verfahrens werden als Brennparameter der Heizwert 79, die korrigierte Gaskonstante 51 und der stöchiometrische Luftbedarf 65 ermittelt. Aus diesen Brennparametern wird wiederum in einem Rechenglied 81, vorzugsweise unter Heranziehung des momentanen Lambdawerts, des Ladedrucks, der Ladetemperatur, eines momentanen Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine 1, eines momentanen Liefergrads und/oder eines Hubvolumens des wenigstens einen Brennraums 3, das berechnete Leistungssignal 71 ermittelt. Die Bestimmung der Brennparameter erfolgt dabei durch die Regelstruktur 77 iterativ derart, dass die Differenz 75, mithin die Abweichung zwischen dem gemessenen Leistungssignal 69 und dem berechneten Leistungssignal 71, minimiert wird.
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Das berechnete Leistungssignal 71 wird also auf der Grundlage des wenigstens einen Brennparameters berechnet, wobei es durch Variation des wenigstens einen Brennparameters dem gemessenen Leistungssignal 69 angenähert wird. Als Wert des wenigstens einen Brennparameters wird bevorzugt derjenige Wert verwendet, für den die Abweichung zwischen dem gemessenen Leistungssignal 69 und dem berechneten Leistungssignal 71 minimal wird. Dabei wird durch die Regelstruktur 77 bevorzugt das berechnete Leistungssignal 71 auf das gemessene Leistungssignal 69 geregelt, wobei der wenigstens eine Brennparameter, hier der Heizwert 79, die korrigierte Gaskonstante 51 und der stöchiometrische Luftbedarf 65 als Stellgrößen verwendet werden.
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Die Regelstruktur 77 umfasst dabei einen eigentlichen Regler 83, der vorzugsweise als Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler) ausgebildet ist, dessen Ausgangssignal in eine Funktion 85 eingeht, aus der wiederum ein Wert resultiert, mit dessen Hilfe aus einem Kennfeld 87, das auch eine Kennlinie oder eine Mehrzahl von Kennlinien sein kann, der wenigstens eine Brennparameter, hier die genannten drei Brennparameter 79, 51, 65, ausgelesen werden.
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Ist der Wasserstoffanteil in dem Brenngas 5 konstant, oder weist das Brenngas 5 keinen Wasserstoffanteil auf, ergibt sich ein lineares Verhalten des Kennfelds 87, wodurch eine eindeutige, iterative Bestimmung der Brennparameter möglich ist. Variiert allerdings der Wasserstoffanteil des Brenngases 5, führt dies zu nichtlinearen Veränderungen insbesondere des Heizwert 79, und damit insgesamt zum Verlust einer eindeutigen Korrelation, sodass das Iterationsverfahren nicht mehr ohne weiteres möglich ist.
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Um gleichwohl eine Ermittlung der Brennparameter zu ermöglichen, wird nun erfindungsgemäß mittels des Wasserstoffsensors 9 der Wasserstoffanteil des Brenngases 5 bestimmt und zur Korrektur des Kennfeldes und/oder zur Bestimmung eines momentanen Ortes in dem Kennfeld 87 verwendet. Somit kann die Linearität zumindest lokal wieder hergestellt werden, sodass eine iterative Bestimmung der Brennparameter 79, 51, 65 möglich ist. Dies wiederum ermöglicht erst die Durchführung der in 2 dargestellten Regelung der Stickoxid-Emissionen durch entsprechende Bestimmung des Soll-Brenngasmassenstroms 41 auch bei fluktuierendem Wasserstoffanteil des Brenngases 5.
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Insgesamt zeigt sich so, dass es mithilfe des hier vorgeschlagenen Verfahrens und der Brennkraftmaschine 1 auch bei stark fluktuierendem Wasserstoffanteil in dem Brenngas 5 möglich ist, eine verbrauchsoptimale Emissionsregelung und/oder eine Wirkungsgradsteigerung für die Brennkraftmaschine 1 zu ermöglichen, wobei Emissionszertifizierungen auch in Umgebungen mit schwankender Gasqualität hinsichtlich des Wasserstoffgehalts eingehalten werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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