DE102019213133A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit Abgasrückführung, Motorsystem, Kraftfahrzeug und Computerprogrammprodukt - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit Abgasrückführung bereitgestellt, bei dem in einem Verbrennungsraum des Wasserstoffverbrennungsmotors ein Gemisch aus einem wasserstoffhaltigen Kraftstoff, Frischluft und rückgeführtem Abgas gebildet wird und der Kraftstoff in einem ersten Betriebszustand mit einem ersten Verbrennungsluftverhältnis λAin einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und in einem zweiten Betriebszustand mit einem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λBin einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 verbrannt wird. Es erfolgt ein Wechsel zwischen erstem und zweitem Betriebszustand mittels eines Umschaltvorgangs, bei dem eine zugeführte Frischluftmenge und/oder eine zugeführte Menge an rückgeführtem Abgas derart geändert werden, dass bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich eingestellt wird und bei dem eine Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors, ein Motorsystem, ein Kraftfahrzeug, ein Computerprogrammprodukt sowie ein computerlesbares Medium.
  • Vollständig elektrisch betriebene Fahrzeuge, sog. batterieelektrische Fahrzeuge (engl. Battery Electric Vehicle, BEV), und Fahrzeuge mit Brennstoffzellen stellen zwei Möglichkeiten für kohlenstoffdioxidfreie Fahrzeuge dar, wobei sich die Kohlenstoffdioxidfreiheit auf den Versorgungsweg ab dem Fahrzeugtank bzw. der Fahrzeugbatterie bezieht.
  • Eine weitere Option kohlenstoffdioxidfreier Fahrzeuge bilden Fahrzeuge mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor, in dem ein wasserstoffhaltiger Kraftstoff verbrannt wird. Wasserstoff zeichnet sich durch eine sehr gute Oxidierbarkeit bzw. Verbrennbarkeit unter mageren Bedingungen aus, so dass der Verbrennungsmotor ohne Drosselung betrieben werden kann. Das Verbrennungsluftverhältnis λ korrespondiert mit der Motorlast, d. h., einer Änderung der Motorlast kann mit einer Qualitätsänderung des Kraftstoff-Luft-Gemischs begegnet werden.
  • Das bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff entstehende Abgas enthält als einzige Komponenten Wasser und Stickoxide. Daneben finden sich im Abgas auch Wasserstoff und Sauerstoff, falls die Verbrennung unvollständig abläuft.
  • Stickoxide stellen Luftschadstoffe dar und ihre Emission in die Umgebung sollte möglichst geringgehalten werden. Gilt λ ≤ 1, wird also ein fettes oder stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt, sodass folglich auch ein fettes bzw. stöchiometrisches Abgas erhalten wird, ist eine Nachbehandlung des Abgases zur Entfernung von Stickoxiden mit einem Katalysator möglich, der vergleichsweise geringe Kosten verursacht. Allerdings wird unter diesen Bedingungen der Kraftstoff nur unvollständig verbrannt und teilweise ungenutzt in die Umgebung abgegeben. Zusätzlich entstehen im Teillastbetrieb Drosselverluste, so dass die Energiebilanz schlecht ausfällt.
  • Erfolgt die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs mit Luftüberschuss bei ausreichend hohem Verbrennungsluftverhältnis, z. B. bei λ ≥ 2, werden während der Verbrennung aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperatur lediglich so wenig Stickoxide erzeugt, dass eine Abgasnachbehandlung zur Verringerung der Stickoxidemission nicht erforderlich ist. Allerdings ist bei λ = 2 die Leistungsdichte des Verbrennungsmotors im Vergleich zu λ = 1 lediglich halb so groß, da dem Verbrennungsmotor bei gleicher Luftmenge nur halb so viel Kraftstoff zugeführt wird.
  • Im einem zwischenliegenden Bereich von z. B. 1 < λ < 2 ist hingegen der Anteil an gebildeten Stickoxiden sehr hoch und diese können nicht mittels einfacher Abgasnachbehandlungseinrichtungen in ungiftige Substanzen umgewandelt werden.
  • Die US 7 281 531 B1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors, bei dem Abgas in den Verbrennungsraum zurückgeführt wird, um stets stöchiometrische Bedingungen, d. h. ein Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 einzustellen. Neben einer Stabilisierung der Verbrennungsbedingungen lässt sich dadurch eine Reduzierung der Stickoxidemission erreichen, indem zur Abgasnachbehandlung ein herkömmlicher 3-Wege-Katalysator zur Reduktion der Stickoxide eingesetzt werden kann und außerdem weniger Sauerstoff für die Bildung von Stickoxiden während des Verbrennungsvorgangs zur Verfügung steht. Außerdem tragen eine verringerte Verbrennungstemperatur und eine verringerte Flammengeschwindigkeit zur Reduzierung der Stickoxidbildung bei. Allerdings ist eine Abgasrückführung nicht in allen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors möglich und zudem ist eine Abgasnachbehandlung aufgrund der erhöhten Stickoxidbildung bei λ = 1 stets notwendig.
  • Die US 2007 / 0 107 703 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein im Wesentlichen kohlenstofffreier Kraftstoff, z. B. Wasserstoff, bei einem Äquivalenzverhältnis kleiner 1 und einem Ladedruckverhältnis größer 1 verbrannt wird.
  • Weiterführend zu dem aus der US 7 281 531 B1 bekannten Verfahren beschreibt die WO 2008/ 048 909 A2 ein Verfahren, bei dem ebenfalls Wasserstoff stets unter stöchiometrischen Bedingungen verbrannt wird, die durch Variation der zugeführten Mengen an Frischluft, rückgeführtem Abgas und Wasserstoff eingestellt werden. Außerdem werden die entsprechenden Durchflussmengen derart eingestellt, dass das gewünschte Drehmoment bereitgestellt wird. Folglich ist auch bei diesem Verfahren aufgrund der erhöhten Stickoxidbildung bei λ = 1 in jedem Fall eine katalytische Abgasnachbehandlung erforderlich.
  • Außerdem wird in der US 2007 / 0 119 428 A1 ein Verfahren offenbart, das sich eine Änderung der Ventilöffnungszeitdauern in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen zu Nutzen macht, um eine stärkere Abkühlung des Verbrennungsraums zur Vermeidung von vorzeitigen Zündungen, Fehlzündungen und Rückstößen zu erreichen. Das Verfahren umfasst das Komprimieren von Luft unter Verwendung einer Kompressionsvorrichtung; Injizieren von Wasserstoff und Mischen des Wasserstoffs mit der komprimierten Luft und Öffnen des Einlassventils, um Luft in die Brennkammer einzuleiten, wobei die Einlassventilöffnungszeit mit einem Betriebszustand variiert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, mit denen ein Wasserstoffverbrennungsmotor bei geringer Stickoxidemission in die Umgebung effektiv betrieben werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, Maßnahmen zu ergreifen, mit denen ein Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors in einem Verbrennungsluftverhältnisbereich mit erhöhter Stickoxidemission, z. B. im Bereich 1 < λ < 1,3, vermieden werden kann. Um trotzdem die in diesem Bereich erreichbare Motorleistung nutzen und den Verbrennungsmotor effektiv betreiben zu können, wird ein Wechsel zwischen λ ≤ 1 und λ ≥ 1,3 vorgeschlagen. Dabei kann ein Momentenstoß verhindert werden, d. h. der Wechsel zwischen λ ≤ 1 und λ ≥ 1,3 kann möglichst ruckfrei erfolgen, indem die Menge des im Verbrennungsraum verbrannten Gemischs aus Luft, Kraftstoff und rückgeführtem Abgas entsprechend variiert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit Abgasrückführung wird in einem Verbrennungsraum des Wasserstoffverbrennungsmotors ein Gemisch aus einem wasserstoffhaltigen Kraftstoff, Frischluft und rückgeführtem Abgas (AGR) gebildet. Der wasserstoffhaltige Kraftstoff wird in einem ersten Betriebszustand mit einem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA in einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und einem zweiten Betriebszustand mit einem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 in einem Verbrennungsraum des Wasserstoffverbrennungsmotors verbrannt. Der Verbrennungsraum wird durch das von Zylinder, Kolben und Zylinderkopf eingeschlossene Volumen gebildet.
  • Optional kann die untere Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs höher gewählt sein, d. h. der zweite Verbrennungsluftverhältnisbereich kann bevorzugt λ ≥ 1,5, weiter bevorzugt λ ≥ 1,8 und besonders bevorzugt λ ≥ 2 sein. Damit kann auf motor- und kraftstoffspezifische Eigenheiten reagiert werden, indem der sich zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich befindliche „verbotene Verbrennungsluftverhältnisbereich“ an die konkreten Bedingungen angepasst werden kann. Es erfolgt ein sprunghafter Übergang zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3, bevorzugt λ ≥ 1,5, weiter bevorzugt λ ≥ 1,8 und besonders bevorzugt λ ≥ 2.
  • Mit anderen Worten wird der Wasserstoffverbrennungsmotor in einer Ausführungsvariante nicht in einem Betriebszustand mit einem Verbrennungsluftverhältnis λX betrieben, bei dem das Verbrennungsluftverhältnis λX weder im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich noch im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich liegt. Die mit einem solchen Verbrennungsluftverhältnis verbundene hohe Stickoxidemission kann vorteilhaft vermieden werden.
  • Unter einem Wasserstoffverbrennungsmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Während des dafür nötigen Verbrennungsvorgangs wird Abgas gebildet, das in einen sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgasstrang eingeleitet wird. Die für den Verbrennungsvorgang benötigte Frischluft wird dem Verbrennungsmotor über einen Zuluftstrang von außen zugeführt. Dem Verbrennungsmotor ist eine Abgasrückführung zugeordnet, so dass der Frischluft ein Anteil an AGR zugemischt werden kann. Das AGR enthält je nach Verbrennungsluftverhältnis während des Verbrennungsvorgangs neben den Verbrennungsprodukten, wie z. B. CO2, H2O, NOx etc., auch einen gewissen Anteil nicht verbrauchter Luft.
  • Bei dem Wasserstoffverbrennungsmotor kann es sich um den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, z. B. eines Personen- oder Lastkraftwagens, handeln. Der Wasserstoffverbrennungsmotor kann als 4-Takt-Motor ausgebildet sein.
  • Das Verbrennungsluftverhältnis λ beschreibt das Verhältnis der tatsächlich für die Kraftstoffverbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse, die für eine vollständige Verbrennung theoretisch benötigt wird. λ = 1 bedeutet, dass ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis vorliegt. λ < 1 bedeutet, dass Luftmangel vorherrscht und ein fettes Kraftstoff-Luft-AGR-Gemisch vorliegt. λ > 1 bedeutet, dass Luftüberschuss vorherrscht und ein mageres Kraftstoff-Luft-AGR-Gemisch vorliegt. Der Begriff „Luft“ der vorstehenden Definition schließt im AGR enthaltene Luft mit ein.
  • Der verwendete Kraftstoff enthält Wasserstoff oder besteht aus Wasserstoff, d. h. als Kraftstoff kann reiner Wasserstoff oder ein Wasserstoffgemisch, z. B. ein Gemisch aus Wasserstoff und Methan, eingesetzt werden. Bevorzugt kann ein Kraftstoff eingesetzt werden, der bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 mit ausreichender, d. h. einer für das Betreiben des Verbrennungsmotors ausreichenden, Reaktionsgeschwindigkeit verbrannt werden kann und einen Motorbetrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß erfolgt ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand, vorzugsweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen des Wasserstoffverbrennungsmotors, d. h. bei einem 4-Takt-Verbrennungsmotor nach Ablauf von jeweils vier aufeinanderfolgenden Takten, also einem Kreisprozessumlauf (Motorzyklus). Mit anderen Worten kann zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand, also dem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB zyklussynchron umgeschaltet werden.
  • Der Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand erfolgt mittels eines Umschaltvorgangs, bei dem eine dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge und/oder eine dem Verbrennungsraum zugeführte Menge an rückgeführtem Abgas derart geändert wird, dass bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich eingestellt wird (erster Umschaltschritt), und bei dem eine Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht wird (zweiter Umschaltschritt).
  • Der erste und zweite Umschaltschritt können auch gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Bevorzugt werden die beiden Umschaltschritte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen des Wasserstoffverbrennungsmotors ausgeführt. Außerdem kann der erste Umschaltschritt bevorzugt bei konstanter Kraftstoffmenge durchgeführt werden. Mit dem Begriff „Menge“ sind die für einen Verbrennungsvorgang dem Verbrennungsraum zugeführten Mengen gemeint.
  • Mit anderen Worten erfolgt ein Umschalten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge und/oder AGR-Menge, bevorzugt bei konstanter Kraftstoffmenge, derart erhöht werden, dass ein Verbrennungsluftverhältnis λB ≥ 1,3 erreicht wird (Qualitätsregelung). Es können also lediglich die Frischluftmenge, lediglich die AGR-Menge oder sowohl die Frischluft- als auch die AGR-Menge geändert werden. Die AGR-Menge kann auch Null sein oder werden, d. h. es wird kein Abgas rückgeführt.
  • Außerdem wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis im Verbrennungsraum verringert, sodass weniger Kraftstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht (Quantitätsregelung).
  • Das Umschalten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand kann erfolgen, falls eine Drehmomentanforderung vorliegt, die bei einer alleinigen Qualitätsregelung zu einem Verbrennungsluftverhältnis λX im Bereich 1 < λX < 1,3 führen würde. Dies kann z. B. der Fall sein, falls der Wasserstoffverbrennungsmotor im Volllastbereich im ersten Betriebszustand betrieben wird und sich das angeforderte Drehmoment verringert.
  • Ein Umschalten vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erfolgt, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge und/oder AGR-Menge, bevorzugt bei konstanter Kraftstoffmenge, derart verringert werden, dass ein Verbrennungsluftverhältnis λA ≤ 1,3 erreicht wird (Qualitätsregelung). Außerdem wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis im Verbrennungsraum erhöht, sodass mehr Kraftstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht (Quantitätsregelung).
  • Das Umschalten vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand kann erfolgen, falls eine Drehmomentanforderung vorliegt, die bei einer alleinigen Qualitätsregelung zu einem Verbrennungsluftverhältnis λX im Bereich 1 < λX < 1,3 führen würde. Dies kann z. B. der Fall sein, falls der Wasserstoffverbrennungsmotor im Teillastbereich im zweiten Betriebszustand betrieben wird und sich das angeforderte Drehmoment erhöht.
  • Folglich kann die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum derart korrespondierend zum jeweiligen Verbrennungsluftverhältnis variiert werden, dass das gewünschte Drehmoment ruckfrei erhalten wird.
  • Die Variation des Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen den beiden Betriebszuständen ermöglicht ein stickoxidemissionsarmes Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors, da im ersten Betriebszustand gebildete Stickoxide ausreichend nachbehandelt und in unschädliche Substanzen umgewandelt werden könne, z. B. mittels eines 3-Wege-Katalysators. Im zweiten Betriebszustand werden hingegen kaum Stickoxide bei der Kraftstoffverbrennung gebildet, so dass die Stickoxidemission in die Umgebung insgesamt sehr niedrig ist. Außerdem bewirkt die Abgasrückführung eine Verringerung der Verbrennungstemperatur, was zu einer Reduzierung der Stickoxidbildung führt. Dies ermöglicht die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorschriften hinsichtlich der Luftschadstoffemission.
  • Darüber hinaus ermöglicht die Variation des Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen den beiden Betriebszuständen außerdem auch ein effektives Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors, indem der Motorleistungsbereich zwischen 1 < λ < 1,3 durch entsprechende Änderung der Frischluftmenge und/oder AGR-Menge sowie der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs nachgebildet wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten wird der Kraftstoff dem Verbrennungsraum direkt zugeführt. Mit anderen Worten kann eine Direkteinspritzung mit innerer Gemischbildung erfolgen. Dies ermöglicht eine Änderung der dem Verbrennungsraum zugeführten Frischluftmenge und/oder AGR-Menge unabhängig von der Kraftstoffmenge. Zum Verringern bzw. Erhöhen der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum werden die Kraftstoffmenge, die Frischluftmenge und die AGR-Menge miteinander korrespondierend verringert bzw. erhöht, wobei das Verbrennungsluftverhältnis konstant bleibt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann vor dem Umschaltvorgang eine Menge des Kraftstoffs bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ = 1 verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ, das der unteren Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs entspricht, erhöht werden.
  • Mit anderen Worten erfolgt zunächst eine Qualitätsregelung bis zum Erreichen der Grenze des „verbotenen Verbrennungsluftverhältnisbereichs“, bevor die dem Verbrennungsraum zugeführte Luftmenge und/oder AGR-Menge sowie die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum geändert werden. Dadurch kann der Wasserstoffverbrennungsmotor noch effektiver betrieben werden, da der Einfluss der Quantitätsregelung möglichst geringgehalten wird.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann vor dem Umschaltvorgang eine Aufladung des Verbrennungsmotors bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht werden.
  • Bevorzugt kann die Aufladung des Verbrennungsmotors bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand erst bei Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ = 1 verringert werden und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erst bei Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ, das der unteren Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs entspricht, erhöht werden.
  • Eine Aufladung des Verbrennungsmotors kann beispielsweise mittels eines Abgasturboladers, der optional von einem Elektromotor unterstützbar ausgebildet sein kann, erfolgen. Der Abgasturbolader kann als Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (engl. Variable Nozzle Turbocharger, VNT) oder als Turbolader mit einem Bypassventil, auch als Wastegate bezeichnet, ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann eine Aufladung mittels eines elektrisch oder mechanisch angetriebenen Verdichters oder mittels eines Druckwellenladers erfolgen. Auch eine beliebige Kombination mehrerer der genannten Aufladevarianten ist möglich.
  • Durch die Änderung der Motoraufladung kann der mit einem Verbrennungsluftverhältnis im „verbotenen Verbrennungsluftverhältnisbereich“ im Zusammenhang stehende Motorleistungsbereich realisiert werden, ohne dass eine Änderung des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgt. Dadurch kann ein besonders ruckfreies Umschalten vom ersten in den zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich bzw. umgekehrt realisiert werden.
  • Bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand kann also zunächst die Menge des Kraftstoffs bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ = 1 verringert werden. Anschließend erfolgt bei λ = 1 eine Verringerung der Motoraufladung. Ist die aufgebrachte Motorlast für einen Betrieb im zweiten Betriebszustand ausreichend gering, wird der Umschaltvorgang durchgeführt.
  • Umgekehrt kann bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand zunächst die Menge des Kraftstoffs bis zum Erreichen der unteren Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs, z. B. λ = 2 erhöht werden. Anschließend erfolgt bei λ = 2 eine Erhöhung der Motoraufladung. Ist die aufgebrachte Motorlast für einen Betrieb im ersten Betriebszustand ausreichend hoch, wird der Umschaltvorgang durchgeführt. Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Abgasrückführung intern und/oder extern erfolgen.
  • Der Verbrennungsmotor kann zur internen Abgasrückführung ausgebildet sein, so dass ein Anteil des erzeugten Abgases nach der Verbrennung im Verbrennungsraum zurückbleibt und im Verbrennungsraum das Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemisch mit dem zurückgebliebenen Abgas gebildet wird. Vorteilhaft lässt sich eine interne Abgasrückführung zyklussynchron steuern, so dass der Umschaltvorgang zügig durchgeführt werden kann und ein Betreiben des Verbrennungsmotors im „verbotenen Verbrennungsluftverhältnisbereich“ vermieden werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Abgasrückführung auch extern erfolgen, wobei ein Frischluft-AGR-Gemisch bereits stromaufwärts des Verbrennungsraums erzeugt wird. Dadurch wird eine weitere Option geschaffen, das Verbrennungsluftverhältnis einzustellen.
  • In verschiedenen Ausführungsvarianten kann die dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge mittels Änderung eines Ventilhubs und/oder mittels Änderung einer Ventilöffnungszeitdauer eines Einlassventils geändert werden. Eine Erhöhung der Luftmenge kann erreicht werden, indem der Ventilhub vergrößert wird und/oder die Ventilöffnungszeitdauer verlängert wird. Eine Verringerung der Luftmenge kann erreicht werden, indem der Ventilhub verringert wird und/oder die Ventilöffnungszeitdauer verkürzt wird.
  • Es kann also beispielsweise das Verbrennungsluftverhältnis λ von λB ≥ 2 auf λA ≤ 1 verringert werden, indem die Ventilöffnungszeitdauer verkürzt und/oder der Ventilhub verringert werden. Außerdem kann die Menge des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Verbrennungsraum mittels einer mit der Kraftstoffmenge korrespondierenden Änderung der Luftmenge durch Variation des Ventilhubs und/oder der Ventilöffnungszeitdauer verringert bzw. erhöht werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die dem Verbrennungsraum zugeführte Menge an rückgeführtem Abgas mittels zeitlicher Verschiebung eines Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils geändert werden. Beispielsweise können die Ventilöffnungszeiten derart geändert werden, dass sie sich überschneiden. Bei dem rückgeführten Abgas handelt es sich hierbei um intern rückgeführtes Abgas.
  • Eine Erhöhung der AGR-Menge und folglich des AGR-Anteils kann beispielsweise erreicht werden, indem der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen früheren Zeitpunkt, z. B. einen Zeitpunkt vor Erreichen des oberen Totpunkts, vorverlegt wird (Frühverschiebung).
  • Eine Verringerung der AGR-Menge kann beispielsweise erreicht werden, indem der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen späteren Zeitpunkt verlegt wird (Spätverschiebung). Die zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventils kann beispielsweise gemäß einem sog. „Boot Lift Profil“ oder einem „Multi Lift Profil“ erfolgen, wobei bei einem „Multi Lift Profil“ das Einlassventil zwei voneinander unabhängige Ventilhübe während eines Arbeitsspiels durchführt, von denen der erste Ventilhub vor dem oberen Totpunkt stattfindet.
  • Es kann also beispielsweise das Verbrennungsluftverhältnis λ von λB ≥ 2 auf λA ≤ 1 verringert werden, indem der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen früheren Zeitpunkt vorverlegt wird oder ein zweiter Ventilhub vor dem eigentlichen Ventilhub des Einlassventils durchgeführt wird. Zur Erhöhung des Verbrennungsluftverhältnisses λ von λA ≤ 1 auf λB ≥ 2 kann der Ventilöffnungszeitpunkt des Einlassventils auf einen späteren Zeitpunkt verlegt wird oder ein zuvor durchgeführter zweiter Ventilhub vor dem eigentlichen Ventilhub des Einlassventils kann entfallen.
  • Außerdem kann die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum mittels einer mit der Kraftstoffmenge und der Frischluftmenge korrespondierenden Änderung der AGR-Menge durch zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventils verringert bzw. erhöht werden.
  • Die beschriebenen Änderungen des Ventilhubs, der Ventilöffnungszeitdauer sowie die zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- un/oder Ventilschließzeitpunkts ermöglichen jeweils vorteilhaft eine genaue und schnelle Einstellung der Luftmenge bzw. der AGR-Menge und ein möglichst ruckfreies Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand.
  • In verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Änderung des Ventilhubs, die Änderung der Ventilöffnungszeitdauer, die zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungszeitpunkts und/oder die zeitliche Verschiebung des Ventilschließzeitpunkts mittels einer vollvariablen Ventilsteuerung erfolgen, d. h. mittels einer Ventilsteuerung, die eine Änderung der Ventilöffnungszeitdauer und des Ventilhubs ermöglicht. Bevorzugt kann die vollvariable Ventilsteuerung elektrohydraulisch betrieben werden.
  • Eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung ermöglicht vorteilhaft eine besonders schnelle Änderung der Ventilöffnungszeitdauer und/oder des Ventilhubs sowie eine besonders schnelle zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkt, so dass eine Änderung von einem Arbeitsspiel zum darauffolgenden Arbeitsspiel ermöglicht wird.
  • Ein erfindungsgemäßes Motorsystem weist einen Wasserstoffverbrennungsmotor und Mittel auf, die geeignet sind, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen. Insofern wird auf die obige Erläuterung des Verfahrens sowie auf die mit dem Verfahren verbundenen Vorteile verwiesen, die folglich auch mit dem erfindungsgemäßen Motorsystem verbunden sind.
  • In verschiedenen Ausführungsvarianten weist das Motorsystem einen Wasserstoffverbrennungsmotor mit mehreren, z. B. vier, Zylindern auf und ist als 4-Takt-Motor ausgebildet. Dem Wasserstoffverbrennungsmotor sind eine Abgasrückführungseinrichtung zur internen und/oder externen Abgasrückführung sowie eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung zugeordnet, mit der die Ventilöffnungszeitdauern und Ventilhübe der Einlassventile von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel variiert werden können und mit der der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel zeitlich verschoben werden kann. Optional kann dem Wasserstoffverbrennungsmotor eine Einrichtung zur Motoraufladung zugeordnet sein, um den Verbrennungsmotor gemäß vorstehender Beschreibung aufladen zu können.
  • Mit der vollvariablen elektrohydraulischen Ventilsteuerung ist eine Steuereinheit signalübertragend verbunden oder in diese integriert, um Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkte, Ventilöffnungszeitdauern und Ventilhübe festzulegen und entsprechende Steuersignale an die vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung auszugeben. Die Steuereinheit ist außerdem dazu ausgebildet und eingerichtet, eine dem Verbrennungsraum direkt zugeführte Kraftstoffmenge zu steuern. Optional kann die Steuereinheit auch dazu ausgebildet sein, Steuersignale an eine Einrichtung zur Motoraufladung auszugeben, um die Motoraufladung zu erhöhen oder zu verringern.
  • Während des Betreibens des Wasserstoffverbrennungsmotors erfolgt ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand, bevorzugt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen. Hierfür werden mittels der Steuereinheit entsprechende Steuersignale an die vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung ausgegeben, um mittels Änderung von Ventilhub, Ventilöffnungszeitdauer und/oder zeitlicher Verschiebung des Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts des Einlass- und/oder Auslassventils einen Wechsel zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 herbeizuführen.
  • Außerdem werden die dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge, AGR-Menge und Kraftstoffmenge korrespondierend bei gelichbleibendem Verbrennungsluftverhältnis zueinander korrespondierend geändert. Das erzeugte Drehmoment kann trotz Wechsel des Verbrennungsluftverhältnisses λ im Wesentlichen konstant bleiben oder einem erwarteten Verlauf entsprechen, d. h. für den Fahrer eines mit dem Wasserstoffverbrennungsmotor ausgestatteten Fahrzeugs ist keine bzw. die gewünschte Drehmomentänderung wahrnehmbar.
  • Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein Motorsystem gemäß vorstehender Beschreibung auf.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen des erfindungsgemäßen Motorsystems. Darüber hinaus wirkt sich die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft aus, da sie die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Emission von Luftschadstoffen ermöglicht.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die bewirken, dass das vorstehend beschriebene Motorsystem ein Verfahren gemäß vorstehender Beschreibung ausführen kann.
  • Unter einem Computerprogrammprodukt ist ein auf einem geeigneten Medium gespeicherter und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode zu verstehen. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise ein in einem Steuergerät verbauter nichtflüchtiger Speicher, eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk erfolgen.
  • Auf einem erfindungsgemäßen computerlesbaren Medium ist ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Übersichtsdiagramm zur Abhängigkeit der Stickoxidrohemission vom Verbrennungsluftverhältnis eines Wasserstoffverbren n u ngsm otors;
    • 2 und 3 Ablaufschemata eines beispielhaften Verfahrens;
    • 4 und 5 Ablaufschemata eines weiteren beispielhaften Verfahrens;
    • 6a beispielhafter Standardventilhubverlauf;
    • 6b beispielhafter Ventilhubverlauf im „Boot Lift Profil“; und
    • 6c beispielhafter Ventilhubverlauf im „Multi Lift Profil“.
  • In der 1 sind die Abhängigkeiten der Stickoxidrohemission, der maximalen Temperatur und der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsraum vom Verbrennungsluftverhältnis λ graphisch dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Stickoxidrohemission bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 2 deutlich bis zu einem Maximum bei ungefähr λ ~ 1,3 ansteigt und anschließend mit abnehmendem Verbrennungsluftverhältnis λ wieder abfällt. Unterhalb von λ = 1 kann ein Katalysator genutzt werden, so dass die zunächst emittierten Stickoxide nachbehandelt werden können und nicht in die Umgebung gelangen.
  • Zwischen 1 < λ < 2 befindet sich jedoch ein kritischer Bereich, in dem eine katalytische Behandlung der Stickoxide nicht mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Daher sollte dieser Bereich beim Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors vermieden werden.
  • Im 1 ist weiterhin ersichtlich, dass die Sauerstoffkonzentration mit zunehmenden Verbrennungsluftverhältnis λ ansteigt, während die maximale Temperatur im Verbrennungsraum absinkt. Die genannten Effekte bedingen sich zumindest teilweise gegenseitig. So ist beispielsweise die Bildung von Stickoxiden während der Kraftstoffverbrennung temperaturabhängig.
  • Die 2 und 3 zeigen Ablaufschemata eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors, z. B. eines mit reinem Wasserstoff betriebenen 4-Takt-Vierzylindermotor handeln. Der Wasserstoffverbrennungsmotor verfügt über eine Abgasrückführung, so dass bei Bedarf Abgas zurück in den Verbrennungsraum geführt werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist die Abgasrückführung zur internen Abgasrückführung ausgebildet. Optional kann auch eine externe Abgasrückführung vorhanden sein.
  • Dem Verbrennungsmotor ist weiterhin eine Einrichtung zur Motoraufladung zugeordnet, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um einen Abgasturbolader handelt.
  • Dem Wasserstoffverbrennungsmotor ist außerdem eine vollvariable elektrohydraulische Ventilsteuerung zugeordnet, mit der der Ventilhub und/oder die Ventilöffnungszeitdauer der Einlassventile variiert werden können, so dass die Frischluftmenge variiert werden kann. Außerdem können der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils zeitlich verschoben werden, so dass eine Menge intern rückgeführten Abgases variiert werden kann.
  • In diesem Ausführungsbeispiel weist der zweite Betriebszustand ein zweites Verbrennungsluftverhältnis λB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 2 auf. Wie bereits beschrieben, kann die untere Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs abweichend festgelegt sein, z. B. bei 1,3, 1,5 oder 1,8.
  • 2 betrachtet den Fall, dass eine Drehmomentverringerung angefordert wird und ein Wechsel von dem ersten in den zweiten Betriebszustand erfolgt. Dieser Fall wird nachstehend erläutert.
  • Nach dem Start des Verfahrens wird im Schritt S1 geprüft, ob eine Anforderung einer Drehmomentverringerung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird das Vorliegen einer Anforderung einer Drehmomentverringerung erneut geprüft, z. B. fortlaufend oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen.
  • Liegt eine Anforderung einer Drehmomentverringerung vor, geht das Verfahren weiter zu Schritt S2. Im Schritt S2 wird geprüft, ob das Verbrennungsluftverhältnis λ ≤ 1 ist, d. h. ob der Wasserstoffverbrennungsmotor im ersten Betriebszustand betrieben wird.
  • Ist dies nicht der Fall, bedeutet dies, dass der Wasserstoffverbrennungsmotor bereits im zweiten Betriebszustand betrieben, da bei Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors in einem Verbrennungsluftverhältnisbereich zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich und dem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich vermieden wird. Da sich der Wasserstoffverbrennungsmotor also bereits im zweiten Betriebszustand befindet, kann das Drehmoment im Schritt S3 wie üblich durch Verringerung der Kraftstoffmenge (Qualitätsregelung) oder Verringerung der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs (Quantitätsregelung) reduziert werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S1.
  • Wird im Schritt S2 hingegen festgestellt, dass das Verbrennungsluftverhältnis λ ≤ 1 ist, d. h. der Wasserstoffverbrennungsmotor im ersten Betriebszustand betrieben wird, geht das Verfahren weiter zu Schritt S4.
  • Im Schritt S4 wird auf ein zweites Verbrennungsluftverhältnis λB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 2 mittels der variablen Ventilsteuerung umgeschaltet, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Luftmenge durch Vergrößerung des Ventilhubs und/oder Verlängerung der Ventilöffnungszeitdauer erhöht wird. Alternativ oder zusätzlich zur Erhöhung der Luftmenge kann die AGR-Menge verringert werden, indem der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils entsprechend zeitlich verschoben wird.
  • Im Schritt S5 wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis λB im Verbrennungsraum verringert, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Luftmenge, die AGR-Menge und die dem Verbrennungsraum zugeführte Kraftstoffmenge zueinander korrespondierend zur Luftmenge verringert werden. Die Kraftstoffmenge wird dabei so gewählt, dass das angeforderte Drehmoment resultiert. Die Schritte S4 und S5 können auch gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S1.
  • 3 betrachtet den Fall, dass eine Drehmomenterhöhung angefordert wird und ein Wechsel von dem zweiten in den ersten Betriebszustand erfolgt. Dieser Fall wird nachstehend erläutert.
  • Nach dem Start des Verfahrens wird im Schritt S6 geprüft, ob eine Anforderung einer Drehmomenterhöhung vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird das Vorliegen einer Anforderung einer Drehmomenterhöhung erneut geprüft, z. B. fortlaufend oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen.
  • Liegt eine Anforderung einer Drehmomenterhöhung vor, geht das Verfahren weiter zu Schritt S7. Im Schritt S7 wird geprüft, ob das Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 ist, d. h. ob der Wasserstoffverbrennungsmotor im zweiten Betriebszustand betrieben wird.
  • Ist dies nicht der Fall, bedeutet dies, dass der Wasserstoffverbrennungsmotor bereits im ersten Betriebszustand betrieben wird, da bei Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Betreiben des Wasserstoffverbrennungsmotors in einem Verbrennungsluftverhältnisbereich zwischen dem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich und den zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich vermieden wird. Da sich der Wasserstoffverbrennungsmotor also bereits im ersten Betriebszustand befindet, kann das Drehmoment im Schritt S8 wie üblich durch Erhöhung der Kraftstoffmenge (Qualitätsregelung) oder Erhöhung der Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs (Quantitätsregelung) erhöht werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S6.
  • Wird im Schritt S7 hingegen festgestellt, dass das Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 ist, d. h. der Wasserstoffverbrennungsmotor im zweiten Betriebszustand betrieben wird und dass eine Drehmomenterhöhung auf den Zielwert nicht bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ ≥ 2 möglich ist, geht das Verfahren weiter zu Schritt S9.
  • Im Schritt S9 wird auf ein erstes Verbrennungsluftverhältnis λA in einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 mittels der variablen Ventilsteuerung umgeschaltet, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Luftmenge durch Verringerung des Ventilhubs und/oder Verkürzung der Ventilöffnungszeitdauer reduziert wird und/oder indem die AGR-Menge erhöht wird.
  • Im Schritt S10 wird die Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis λA im Verbrennungsraum erhöht, indem die dem Verbrennungsraum zugeführte Luftmenge, die AGR-Menge und die dem Verbrennungsraum zugeführte Kraftstoffmenge zueinander korrespondierend erhöht werden. Die Kraftstoffmenge wird dabei so gewählt, dass das angeforderte Drehmoment resultiert. Die Schritte S9 und S10 können auch gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S6.
  • Die 4 und 5 zeigen Ablaufschemata eines weiteren beispielhaften Verfahrens.
  • Das in 4 gezeigte Teilverfahren ist im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Teilverfahren modifiziert. Wird im Schritt S2 festgestellt, dass λ ≤ 1 gilt, wird in einem Schritt S11 geprüft, ob λ = 1 ist. Ist dies der Fall, so geht das Verfahren weiter zu Schritt S13 und die Motoraufladung wird verringert.
  • Wird im Schritt S11 hingegen festgestellt, dass λ = 1 nicht gilt und folglich λ < 1 ist, wird ein zusätzlicher Schritt S12 eingefügt. Im Schritt S12 wird die Kraftstoffmenge verringert, bis λ = 1 gilt. Anschließend geht das Verfahren weiter mit Schritt S13 und die Motoraufladung wird verringert, um auf die sich verringernde Motorlast zu reagieren.
  • Ist die Motorlast gering genug für ein Umschalten auf λB ≥ 2, so geht das Verfahren weiter mit Schritt S4 und Schritt S5, wie zu 2 beschrieben, und der Umschaltvorgang wird durchgeführt.
  • Analog kann auch das bezugnehmend auf 3 beschriebene Teilverfahren entsprechend modifiziert werden, wie in 5 gezeigt. Wird im Schritt S7 festgestellt, dass λ ≥ 2 gilt, wird in einem Schritt S14 geprüft, ob λ = 2 ist. Ist dies der Fall, so geht das Verfahren weiter zu Schritt S16 und die Motoraufladung wird erhöht.
  • Wird im Schritt S14 hingegen festgestellt, dass λ = 2 nicht gilt und folglich λ > 2 ist, wird ein zusätzlicher Schritt S15 eingefügt. Im Schritt S14 wird die Kraftstoffmenge erhöht, bis λ = 2 gilt. Anschließend geht das Verfahren weiter mit Schritt S16 und die Motoraufladung wird erhöht, um auf die sich erhöhende Motorlast zu reagieren.
  • Ist die Motorlast hoch genug für ein Umschalten auf λA ≤ 1, so geht das Verfahren weiter mit Schritt S9 und Schritt S10, wie zu 3 beschrieben, und der Umschaltvorgang wird durchgeführt.
  • Die beschriebenen Teilverfahren können auch miteinander kombiniert werden.
  • Die 6a bis 6c zeigen beispielhafte Ventilhubverläufe, wobei der gestrichelt dargestellte Verlauf jeweils einen idealen Verlauf des Auslassventilhubs (links, Maximum bei ca. 250 °) und des Einlassventilhubs (rechts, Maximum bei ca. 470 °) im Standardmodus darstellt. Die dargestellten Ventilhubverläufe lassen sich mittels einer vollvariablen Ventilsteuerung realisieren.
  • 6a zeigt einen tatsächlichen Standardverlauf eines Ventilhubs eines Einlassventils im Vergleich zum idealen Verlauf. Der Ventilöffnungszeitpunkt ist bei ca. 345 °, der Ventilschließzeitpunkt bei ca. 565 °.
  • 6b zeigt einen tatsächlichen Verlauf eines Ventilhubs eines Einlassventils im Vergleich zum idealen Verlauf in einem „Boot Lift Profil“. Der Ventilöffnungszeitpunkt ist bei ca. 270 °, der Ventilschließzeitpunkt bei ca. 540 °, d. h. es erfolgte eine Verschiebung auf einen früheren Zeitpunkt (Frühverschiebung), so dass eine Überschneidung der Ventilöffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil resultiert. Folglich verbleibt im Verbrennungsraum ein gewisser Anteil an AGR und die AGR-Menge ist im Vergleich zu 6a erhöht.
  • 6c zeigt einen tatsächlichen Verlauf eines Ventilhubs eines Einlassventils im Vergleich zum idealen Verlauf in einem „Multi Lift Profil“, d. h. es finden voneinander unabhängig zwei Ventilhübe statt. Ein erster kurzer Ventilhub erfolgt zwischen ca. 235° und 330 °. Danach wird das Einlassventil für kurze Zeit wieder vollständig geschlossen, bevor es bei ca. 360 ° erneut geöffnet und bei ca. 540 ° wieder geschlossen wird. Auch hier kommt es zu einer Überschneidung der Ventilöffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil resultiert. Auch hier verbleibt im Verbrennungsraum ein gewisser Anteil an AGR und die AGR-Menge ist im Vergleich zu 6a erhöht.
  • Bezugszeichenliste
    • λ
    Verbrennungsluftverhältnis
    λA
    erstes Verbrennungsluftverhältnis
    λB
    zweites Verbrennungsluftverhältnis
    λX
    „verbotenes“ Verbrennungsluftverhältnis
    S1 bis S16
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7281531 B1 [0008, 0010]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit Abgasrückführung, bei dem in einem Verbrennungsraum des Wasserstoffverbrennungsmotors ein Gemisch aus einem wasserstoffhaltigen Kraftstoff, Frischluft und rückgeführtem Abgas, nachfolgend als Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemisch bezeichnet, gebildet wird und der Kraftstoff in einem ersten Betriebszustand mit einem ersten Verbrennungsluftverhältnis λA in einem ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≤ 1 und in einem zweiten Betriebszustand mit einem zweiten Verbrennungsluftverhältnis λB in einem zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich mit λ ≥ 1,3 in dem Verbrennungsraum verbrannt wird, wobei ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand mittels eines Umschaltvorgangs erfolgt, bei dem - eine dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge und/oder eine dem Verbrennungsraum zugeführte Menge an rückgeführtem Abgas derart geändert werden, dass bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand ein Verbrennungsluftverhältnis im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich eingestellt wird und - eine Menge des Kraftstoff-Frischluft-AGR-Gemischs im Verbrennungsraum bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Verbrennungsluftbereich λ ≥ 1,5, bevorzugt λ ≥ 1,8 und weiter bevorzugt λ ≥ 2, ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen des Wasserstoffverbrennungsmotors erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoff dem Verbrennungsraum direkt zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vor dem Umschaltvorgang eine Menge des Kraftstoffs bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ = 1 verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand bis zum Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ, das der unteren Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs entspricht, erhöht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vor dem Umschaltvorgang eine Aufladung des Verbrennungsmotors bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erhöht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, wobei die Aufladung des Verbrennungsmotors bei einem Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand erst bei Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ = 1 verringert und bei einem Wechsel vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand erst bei Erreichen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ, das der unteren Grenze des zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereichs entspricht, erhöht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abgasrückführung intern und/oder extern erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dem Verbrennungsraum zugeführte Frischluftmenge mittels Änderung eines Ventilhubs und/oder mittels Änderung einer Ventilöffnungszeitdauer eines Einlassventils geändert wird und/oder wobei die dem Verbrennungsraum zugeführte Menge an rückgeführtem Abgas mittels zeitlicher Verschiebung eines Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließzeitpunkts eines Einlass- und/oder Auslassventils geändert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Änderung des Ventilhubs, die Änderung der Ventilöffnungszeitdauer, die zeitliche Verschiebung des Ventilöffnungszeitpunkts und/oder die zeitliche Verschiebung des Ventilschließzeitpunkts mittels einer vollvariablen Ventilsteuerung, bevorzugt einer elektrohydraulisch betriebenen vollvariablen Ventilsteuerung, erfolgen.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoffverbrennungsmotor nicht in einem Betriebszustand mit einem Verbrennungsluftverhältnis λX betrieben wird, bei dem das Verbrennungsluftverhältnis λX weder im ersten Verbrennungsluftverhältnisbereich noch im zweiten Verbrennungsluftverhältnisbereich liegt.
  12. Motorsystem, aufweisend einen Wasserstoffverbrennungsmotor und Mittel, die geeignet sind, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
  13. Kraftfahrzeug mit einem Motorsystem nach Anspruch 12.
  14. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Motorsystem des Anspruchs 12 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt.
  15. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.
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