DE102020006983A1 - Steuergerät zum Steuern einer Einspritzmenge an Wasserstoff für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Steuergerät zum Steuern einer Einspritzmenge an Wasserstoff für einen Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für einen Antriebsstrang, umfassend einen Verbrennungsmotor, zum Steuern einer Einspritzmenge an Wasserstoff.Das erfindungsgemäße Steuergerät (1) für einen Antriebsstrang (2), umfassend einen Verbrennungsmotor (3), wobei der Verbrennungsmotor (3) als Wasserstoffmotor ausgeführt ist, ist ausgebildet und eingerichtet ist, die folgenden Schritte durchzuführen:- Ermitteln eines erforderlichen Luftverhältnisses (S11, λerf) basierend auf einer Lastanforderung und einem aktuellen Luftmassenstrom,- Ermitteln eines Sollverbrennungsschwerpunkts (S12),- Ermitteln eines minimalen Luftverhältnisses (S13, Amin) beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt (S12) unter Berücksichtigung einer NOx Emission und/oder eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen,- Vergleichen (S20) des erforderlichen Luftverhältnisses (S11, λerf) und des minimalen Luftverhältnisses (S13, Amin),- Bestimmen einer Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30), wenn das Vergleichen (S20) ergibt, dass das erforderliche Luftverhältnis (S11, λerf) kleiner als das minimale Luftverhältnis (S13, λmin) ist und- Steuern (S40) einer Einspritzmenge an Wasserstoff basierend auf dem erforderlichen Luftverhältnis (S11, λerf) oder der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für einen Antriebsstrang, umfassend einen Verbrennungsmotor, zum Steuern einer Einspritzmenge an Wasserstoff.
  • Aus der DE4344715 A1 ist ein System zum Steuern eines Luftverhältnisses für einen mit einem gasförmigen Kraftstoff betriebenen Motor bekannt.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät für einen Antriebsstrang, umfassend einen Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor als Wasserstoffmotor ausgeführt ist, ist ausgebildet und eingerichtet, die folgenden Schritte durchzuführen:
    • - Ermitteln eines erforderlichen Luftverhältnisses basierend auf einer Lastanforderung und einem aktuellen Luftmassenstrom,
    • - Ermitteln eines Sollverbrennungsschwerpunkts,
    • - Ermitteln eines minimalen Luftverhältnisses beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt unter Berücksichtigung einer NOx Emission und/oder eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen,
    • - Vergleichen des erforderlichen Luftverhältnisses und des minimalen Luftverhältnisses,
    • - Bestimmen einer Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts, wenn das Vergleichen ergibt, dass das erforderliche Luftverhältnis kleiner als das minimale Luftverhältnis beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt ist und
    • - Steuern einer Einspritzmenge an Wasserstoff basierend auf dem erforderlichen Luftverhältnis oder der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts.
  • Dadurch, dass das Steuergerät die Einspritzmenge an Wasserstoff basierend auf dem erforderlichen Luftverhältnis oder der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts steuert, ermöglicht die Erfindung, dass die Einspritzmenge unter Berücksichtigung einer NOx Emission und/oder eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen angepasst werden kann. Das hat den Vorteil, dass das Steuergerät beim Steuern der Einspritzmenge zwischen der Lastanforderung, einer sich aus der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts ergebenden Wirkungsgradänderung und der NOx Emission und/oder dem Verhältnis von H2/NOx Emissionen abwägen kann.
  • Als Sollverbrennungsschwerpunkt wird ein Verbrennungsschwerpunkt verstanden, der einen vorteilhaften Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht. Dieser ist abhängig von einem aktuellen Verbrennungsmodus. In einem wirkungsgradgeführten Betrieb des Verbrennungsmodus ist der Sollverbrennungsschwerpunkt beispielsweise so definiert, dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht wird. In einem Heizbetrieb kann er aber beispielsweise so definiert sein, dass eine vorteilhafte Abgastemperatur bereitgestellt werden kann.
  • Als minimales Luftverhältnis beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt wird hier ein Luftverhältnis verstanden, für das beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt eine NOx Emission kleiner als eine NOx Sollemission ist und/oder ein Verhältnis von H2/NOx Emissionen größer als ein H2/NOx Sollverhältnis ist.
  • Als NOx Emission wird hier eine NOx Rohemission verstanden, also eine NOx Emission stromauf eines Abgasnachbehandlungssystems des Verbrennungsmotors. Auch das Verhältnis von H2/NOx Emissionen wird hier als ein Verhältnis von Rohemissionen an H2 und NOx verstanden.
  • Die NOx Sollemission ist hier so definiert, dass gesetzliche Vorgaben hinsichtlich einer NOx Emission stromab eines Abgasnachbehandlungssystems des Antriebsstrangs eingehalten werden können. Dabei kann die NOx Sollemission abhängig vom Betriebszustand des Antriebsstrangs definiert sein.
  • Das H2/NOx Sollverhältnis ist hier so definiert, dass ein bestimmter Gehalt an Wasserstoff im Abgas vorliegt. Der Wasserstoff kann dann beispielsweise für eine NOx Reduktion des Abgases von einem H2-SCR Katalysator genutzt werden, so dass ein H2 Injektor in einer Abgasstrecke des Antriebsstrangs nicht benötigt wird oder zumindest weniger H2 in die Abgasstrecke eingebracht werden muss.
  • Als Steuern wird hier ein Steuern mit offenem oder zeitweise geschlossenem Wirkungsweg als auch eine Regelung mit einem geschlossenen Wirkungsablauf verstanden.
  • Zum Ermitteln des erforderlichen Luftverhältnisses berechnet das Steuergerät bevorzugt eine erforderliche Einspritzmenge an Wasserstoff basierend auf der Lastanforderung. Die Lastanforderung ergibt sich beispielsweise aus einer Pedalstellung eines Gaspedals des Antriebsstrangs. Zum Berechnen der erforderlichen Einspritzmenge verwendet das Steuergerät besonders bevorzugt ein Effizienzmodell des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung eines Verbrennungsmodus. Ein Verbrennungsmodus kann beispielsweise ein wirkungsgradgeführter Betrieb, ein NOxgeführter Betrieb oder ein Heizbetrieb des Verbrennungsmotors sein.
  • Weiterhin erfasst das Steuergerät zum Ermitteln des erforderlichen Luftverhältnisses einen aktuellen Luftmassenstrom in einer Ansaugstrecke des Verbrennungsmotors. Basierend auf dem erfassten aktuellen Luftmassenstrom und der berechneten, erforderlichen Einspritzmenge ermittelt das Steuergerät das erforderliche Luftverhältnis.
  • Hier wird der Sollverbrennungsschwerpunkt beim Ermitteln von dem Steuergeräteprogramm durch Ausführen des Effizienzmodells bestimmt. Alternativ oder ergänzend kann das Steuergerät beim Ermitteln des Sollverbrennungsschwerpunkts ein Kennfeld verwenden.
  • Das Ermitteln des minimalen Luftverhältnisses beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt erfolgt unter Berücksichtigung einer NOx Emission und/oder eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen. Bevorzugt ermittelt das Steuergerät das minimale Luftverhältnis so, dass eine NOx Sollemission und/oder ein H2/NOx Sollverhältnis erfüllt werden kann. Dies kann beispielsweise so erreicht werden, dass das Steuergerät das minimale Luftverhältnis beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt aus einem Kennfeld ausliest. Das Kennfeld ist unter Berücksichtigung der NOx Sollemission und/oder des H2/NOx Sollverhältnisses kalibriert worden. Das minimale Luftverhältnis kann in dem Kennfeld in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie beispielsweise einem Verbrennungsmodus, einem Zustand eines Abgasnachbehandlungssystems und/oder einem Betriebspunkt des Antriebsstrangs abgelegt sein.
  • Basierend auf dem Vergleichen des erforderlichen und des minimalen Luftverhältnisses kann das Steuergerät zwei verschiedene Aktionen veranlassen. Wenn das erforderliche Luftverhältnis größer als das minimale Luftverhältnis ist, ist es möglich, die basierend auf der Lastanforderung bereitzustellende Einspritzmenge unter Einhalten des Sollverbrennungsschwerpunkts einzubringen. Da das Steuergerät das minimale Luftverhältnis unter Berücksichtigung einer NOx Emission und/oder eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen ermittelt, kann auch eine NOx Sollemission und/oder ein H2/NOx Sollverhältnis erfüllt werden.
  • Wenn das erforderliche Luftverhältnis kleiner als das minimale Luftverhältnis beim Sollverbrennungsschwerpunkt ist, bestimmt das Steuergerät eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts. So kann ein niedrigeres Luftverhältnis bei Einhaltung der NOx Sollemission und/oder des H2/NOx Sollverhältnisses ermöglicht werden. Die Einspritzmenge steuert das Steuergerät dann basierend auf der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts.
  • Vorzugsweise ist das Steuergerät ausgebildet und eingerichtet, beim Bestimmen der Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts eine NOx Emission und/oder ein Verhältnis von H2/NOx Emissionen zu berücksichtigen.
  • Dadurch, dass das Steuergerät beim Bestimmen der Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts eine NOx Emission und/oder ein Verhältnis von H2/NOx Emissionen berücksichtigt, ermöglicht die Erfindung, dass durch das Verschieben des Verbrennungsschwerpunkts das erforderliche Luftverhältnis erfüllt werden kann und dabei eine NOx Emission kleiner als die NOx Sollemission und/oder ein Verhältnis von H2/NOx Emissionen größer als ein H2/NOx Sollverhältnis eingehalten werden kann.
  • Um die NOx Emission und/oder das H2/NOx Verhältnis bei der Verschiebung zu berücksichtigen, kann das Steuergerät bevorzugt auf ein Kennfeld zugreifen, in dem eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts abhängig von einer Differenz zwischen dem erforderlichen und dem minimalen Luftverhältnis abgelegt ist. Dadurch kann das Steuergerät den Verbrennungsschwerpunkt so verschieben, dass das erforderliche Luftverhältnis eingehalten werden kann. Das Kennfeld ist dabei so kalibriert, dass für die hinterlegte Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts die NOx Sollemission und/oder das H2/NOx Sollverhältnis eingehalten werden kann.
  • Weiterhin bevorzugt ist die Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts in dem Kennfeld zusätzlich abhängig von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und/oder einem Verbrennungsmodus hinterlegt. Dadurch kann das Steuergerät das Bestimmen der Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts betriebsabhängig durchführen.
  • Besonders bevorzugt umfasst das Steuergerät ein Modell zum Berechnen der NOx Emission und/oder des H2/NOx Verhältnisses abhängig vom Luftverhältnis und vom Verbrennungsschwerpunkt. Im Vergleich zur Verwendung eines Kennfelds kann das Verwenden des Modells einen Kalibrieraufwand zur Kennfelderstellung reduzieren, insbesondere wenn transiente Bedingungen abgebildet werden.
  • Das Verwenden des Modells ermöglicht insbesondere das Berücksichtigen einer Veränderung einer NOx Emission oder einer Veränderung eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen im transienten Betrieb gegenüber einem stationären Betrieb.
  • So kann das Steuergerät als NOx Sollemission und/oder H2/NOx Sollverhältnis eine maximale NOx Emission und/oder ein minimales H2/NOx Verhältnis unter transienten Bedingungen ermitteln. Hierzu ermittelt es beispielsweise aus einem Kennfeld eine NOx Emission und/oder ein H2/NOx Verhältnis unter stationären Bedingungen. Durch Multiplikation der stationären NOx Emission und/oder des stationären H2/NOx Verhältnisses mit einem Faktor oder durch Addition eines Offsets zur stationären NOx Emission und/oder zum stationären H2/NOx Verhältnis kann das Steuergerät die maximale, transiente NOx Emission und/oder das minimale, transiente H2/NOx Verhältnis ermitteln. Durch Invertieren des Modells kann das Steuergerät dann das minimale Luftverhältnis beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt unter Berücksichtigung der transienten NOx Sollemission und/oder des transienten H2/NOx Sollverhältnisses ermitteln. Der Faktor ist dabei bevorzugt größer eins zum Ermitteln der transienten NOx Sollemission und bevorzugt kleiner eins zum Ermitteln des transienten H2/NOx Sollverhältnisses. Der Offset ist bevorzugt größer null zum Ermitteln der transienten NOx Sollemission und bevorzugt kleiner null zum Ermitteln des transienten H2/NOx Sollverhältnisses.
  • Wenn das Vergleichen des erforderlichen Luftverhältnisses und des minimalen Luftverhältnisses ergibt, dass das erforderliche Luftverhältnis kleiner als das minimale Luftverhältnis ist, kann das Steuergerät basierend auf dem Modell eine Veränderung des Verbrennungsschwerpunkts so bestimmen, dass das erforderliche Luftverhältnis erfüllt und ein Einhalten der transienten NOx Sollemission und/oder des transienten H2/NOx Sollverhältnisses erreicht werden können. Auch hierzu invertiert das Steuergerät das Modell, so dass das Modell unter Berücksichtigung des erforderlichen Luftverhältnisses und der transienten NOx Sollemission und/oder des transienten H2/NOx Sollverhältnisses als Modelleingang die Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts berechnen kann.
  • Vorzugsweise ist das Steuergerät ausgebildet und eingerichtet, eine Limitierung der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts zu berücksichtigen, wobei die Limitierung von einer Verbrennungsstabilität und/oder einer Abgastemperatur abhängt.
  • Dadurch, dass das Steuergerät eine Limitierung der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts berücksichtigt, ermöglicht die Erfindung, dass eine instabile Verbrennung vermieden oder die Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten instabiler Verbrennung zumindest vermieden werden kann und/oder eine für eine Abgasnachbehandlung vorteilhafte Temperatur bereitgestellt werden kann. Eine vorteilhafte Temperatur ist dann gegeben, wenn sie einerseits hoch genug ist, um ausreichende Konvertierungsraten ein einem Abgasnachbehandlungssystem des Antriebsstrangs zu ermöglichen, und andererseits niedrig genug ist, um Bauteilschäden durch zu hohe Abgastemperaturen zu verhindern oder deren Wahrscheinlichkeit zumindest zu reduzieren.
  • Vorzugsweise ist das Steuergerät ausgebildet und eingerichtet, beim Steuern der Einspritzmenge eine Limitierung der Einspritzmenge basierend auf der Limitierung der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts zu berücksichtigen.
  • Dadurch, dass das Steuergerät beim Steuern der Einspritzmenge eine Limitierung der Einspritzmenge basierend auf der Limitierung der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts berücksichtigt, ermöglicht die Erfindung, dass ein NOx Sollwert und/oder ein H2/NOx Sollverhältnis eingehalten werden können, auch wenn die Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts limitiert ist.
  • Vorzugsweise umfasst der Antriebsstrang ein Abgasnachbehandlungssystem und das Steuergerät ist ausgebildet und eingerichtet, das minimale Luftverhältnis basierend auf einem Zustand des Abgasnachbehandlungssystems, basierend auf einem Verbrennungsmodus, basierend auf einer Veränderung von NOx Emissionen und/oder basierend auf einer Veränderung eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen zu bestimmen.
  • Dadurch, dass das Steuergerät das minimale Luftverhältnis basierend auf einem Zustand des Abgasnachbehandlungssystems, basierend auf einem Verbrennungsmodus, basierend auf einer Veränderung von NOx Emissionen und/oder basierend auf einer Veränderung eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen bestimmt, ermöglicht die Erfindung ein Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem für eine Abgasnachbehandlung, eine Verbrennung, eine NOx Emission und/oder ein Verhältnis von H2/NOx Emissionen vorteilhaften Luftverhältnis.
  • Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebstrangs mit einem Steuergerät,
    • 2 ein Ausführungsbeispiel von durch ein Steuergerät ausgeführten Schritten zum Steuern einer Einspritzmenge an Wasserstoff,
    • 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel von durch ein Steuergerät ausgeführten Schritten zum Steuern einer Einspritzmenge an Wasserstoff und
    • 4 ein Ausführungsbeispiel von durch ein Steuergerät ausgeführten Schritten zum Bestimmen einer Verschiebung eines Verbrennungsschwerpunkts.
  • 1 zeigt einen Antriebsstrang 2 für ein Fahrzeug. Der Antriebsstrang 2 umfasst eine Ansaugstrecke 9, einen Verbrennungsmotor 3, eine Abgasstrecke 10 sowie eine erste 11 und eine zweite 12 Abgasrückführstrecke. Dabei ist die Ansaugstrecke 9 stromauf des Verbrennungsmotors 3 angeordnet. Die Abgasstrecke 10 ist stromab des Verbrennungsmotors 3 angeordnet und umfasst ein Abgasreinigungssystem 4.
  • Der Verbrennungsmotor 3 ist als aufgeladener, direkteinspritzender und fremdgezündeter Wasserstoffmotor mit vier Zylindern 13 ausgeführt. Dazu umfasst der Verbrennungsmotor 3 einen Abgasturbolader 14. Der Abgasturbolader 14 umfasst einen in der Ansaugstrecke 9 angeordneten Verdichter 15 und eine in der Abgasstrecke 10 angeordnete Turbine 16. Die Turbine 16 und der Verdichter 15 sind miteinander gekoppelt, so dass die durch die Turbine 16 vom Abgas aufgenommene Energie vom Verdichter 15 genutzt werden kann, um das Frischgas auf ein erhöhtes Druckniveau zu verdichten.
  • Zum Einbringen des Wasserstoffs in die Zylinder 13 umfasst der Verbrennungsmotor 3 eine Einspritzvorrichtung 30. Die Einspritzvorrichtung 30 umfasst einen Injektor je Zylinder 13, Zuleitungen und eine Kraftstoffversorgung.
  • Zum Zünden des Wasserstoff-Luft Gemischs umfasst der Verbrennungsmotor eine Zündvorrichtung 40. Die Zündvorrichtung 40 umfasst eine Zündkerze je Zylinder 13 und eine mit den Zündkerzen verbundene Zündanlage.
  • Das Abgasreinigungssystem 4 umfasst einen H2-SCR Katalysator 5, ein NH3-SCR System und einen Ammoniakschlupfkatalysator (ASK) 7. Der H2-SCR Katalysator 5 ist ausgebildet Stickoxidemissionen unter Nutzung von H2 zu reduzieren.
  • Das NH3-SCR System ist stromab des H2-SCR Katalysators 5 angeordnet und umfasst einen NH3-SCR Katalysator 6, eine Dosiereinheit 19 und einen Mischer 20. Die Dosiereinheit 19 ist ausgebildet und eingerichtet Ammoniak (NH3) stromauf des NH3-SCR Katalysators 6 in die Abgasstrecke 10 einzubringen. in dem zwischen der Dosiereinheit 19 und dem NH3-SCR Katalysator 6 angeordneten Mischer 20 werden das eingebrachte Ammoniak und das Abgas gemischt. Der NH3-SCR Katalysator 6 ist ausgebildet und eingerichtet, NOx Emissionen unter Nutzung des Ammoniaks zu reduzieren.
  • Zum Erfassen von NOx Emissionen ist ein NOx Sensor 22 stromab des Abgasnachbehandlungssystems 4 angeordnet.
  • Die erste Abgasrückführstrecke 11 ist stromauf des Abgasreinigungssystems 4 angeordnet und ausgebildet, Abgas stromauf der Turbine 16 des Abgasturboladers 14 aus der Abgasstrecke 10 abzuführen und der Ansaugstrecke 9 stromab des Verdichters 15 des Abgasturboladers 14 zuzuführen. Die zweite Abgasrückführstrecke 12 ist ausgebildet, Abgas stromab des H2-SCR Katalysators 5 aus der Abgasstrecke 10 abzuführen und stromauf des Verdichters 15 des Abgasturboladers 14 der Ansaugstrecke 9 zuzuführen. Mit der ersten 11 und der zweiten 12 Abgasrückführstrecke können für den Betrieb des Verbrennungsmotors 3 bevorzugte Abgasrückführungsraten bereitgestellt und ein möglichst effizienter Betrieb des Verbrennungsmotors 3 erreicht werden.
  • Der Antriebsstrang 2 umfasst ein Steuergerät 1. Das Steuergerät 1 ist ausgebildet und eingerichtet, ein Steuerprogramm auszuführen. Das Steuerprogramm umfasst Befehle, die in 2 dargestellten Schritte durchzuführen:
    • - Ermitteln eines erforderlichen Luftverhältnisses (λerf) S11 basierend auf einer Lastanforderung und einem aktuellen Luftmassenstrom,
    • - Ermitteln eines Sollverbrennungsschwerpunkts S12,
    • - Ermitteln eines minimalen Luftverhältnisses (λmin) S13 beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt S12 unter Berücksichtigung einer NOx Emission und/oder eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen,
    • - Vergleichen S20 des erforderlichen Luftverhältnisses (λerf) S11 und des minimalen Luftverhältnisses (λmin) S13,
    • - Bestimmen einer Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts S30, wenn das Vergleichen S20 ergibt, dass das erforderliche Luftverhältnis (λerf) S11 kleiner als das minimale Luftverhältnis (λmin) S13 ist und
    • - Steuern S40 einer Einspritzmenge an Wasserstoff basierend auf dem erforderlichen Luftverhältnis (λerf) S11 oder der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts S30.
  • 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vom Steuerprogramm ausgeführten Schritte zum Steuern S40 der Einspritzmenge an Wasserstoff. Das Steuerprogramm berechnet durch Ausführen eines Effizienzmodells des Verbrennungsmotors 3 in einem vorgelagerten Schritt 01 zunächst eine erforderliche Einspritzmenge an Wasserstoff mH2,erf basierend auf der Lastanforderung M und einem aktuellen Verbrennungsmodus VM.
  • Das Steuerprogramm umfasst Befehle, das erforderliche Luftverhältnis (λerf) S11 basierend auf der erforderliche Einspritzmenge MH2,erf und einem aktuellen Luftmassenstrom mL.akt zu ermitteln. Den aktuellen Luftmassenstrom mL,akt bestimmt das Steuerprogramm über ein Luftpfadmodell in Verbindung mit Informationen von dem Luftmassenmesser 17.
  • Das Steuerprogramm berechnet durch das Ausführen des Effizienzmodells zusätzlich den Sollverbrennungsschwerpunkt (Sα) S12. Dieser beschreibt in Abhängigkeit vom Verbrennungsmodus VM und der Lastanforderung M einen vorteilhaften Verbrennungsschwerpunkt. Vorteilhaft kann je nach Verbrennungsmodus VM beispielsweise ein gewünschter Wirkungsgrad, eine gewünschte Emission oder auch eine gewünschte Abgastemperatur sein.
  • Das Steuerprogramm umfasst Befehle, das minimale Luftverhältnisses (λmin) S13 unter Berücksichtigung eines Zustands des Abgasnachbehandlungssystems 4 und des Verbrennungsmodus VM zu ermitteln. So kann das Steuerprogramm beispielsweise einen Heizbedarf oder eine Begrenzung an einer Rohemission berücksichtigen.
  • Im nächsten Schritt S20 vergleicht das Steuerprogramm das erforderliche Luftverhältnis (λerf) mit dem minimalen Luftverhältnis (Amin). Wenn das Vergleichen S20 ergibt, dass das erforderliche Luftverhältnis λerf größer als das minimale Luftverhältnis Amin S13 ist, steuert S40 das Steuerprogramm die Einspritzmenge an Wasserstoff basierend auf dem erforderlichen Luftverhältnis (λerf) S11, indem es die Einspritzvorrichtung 30 mit der erforderlichen Einspritzmenge MH2,erf und die Zündvorrichtung 40 mit einem Zündwinkel αign aktuiert.
  • Den Zündwinkel αign berechnet das Steuerprogramm durch Ausführen eines Verbrennungsmodells S41, das den Zündwinkel αign basierend auf dem Sollverbrennungsschwerpunkt Sα und einer Verschiebung Δa des Verbrennungsschwerpunkts bestimmt. Da für den Fall, dass das erforderliche Luftverhältnis (λerf) größer als das minimale Luftverhältnis (λmin) ist, keine Verschiebung Δa erforderlich ist, berechnet das Verbrennungsmodell den Zündwinkel αign basierend auf dem Sollverbrennungsschwerpunkt Sa.
  • Die NOx Sollemission SNOx ermittelt das Steuerprogramm basierend auf einer NOx Sollemission SNOx,st für einen stationären Betriebszustand des Antriebsstrangs 2, wobei die NOx Sollemission SNOx,st abrufbar für das Steuerprogramm in dem Steuergerät hinterlegt ist. Mit einem ebenfalls betriebspunktabhängig definierten Faktor multipliziert das Steuerprogramm die NOx Sollemission SNOx,st und ermittelt so eine NOx Sollemission SNOx,tr für einen transienten Betriebszustand des Antriebsstrangs 2. Die NOx Sollemission SNOx entspricht der NOx Sollemission SNOx,tr. Durch Kalibrieren der NOx Sollemission SNOx,st und des Faktors ist die NOx Sollemission SNOx so definiert, dass gesetzliche Vorgaben für NOx Emissionen erfüllt werden können. Die NOx Sollemissionen SNOx,st, SNOx,tr und SNOx sind in 4 exemplarisch gezeigt.
  • Das Steuerprogramm umfasst Befehle, eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (Sα) S30 zu bestimmen, wenn das Vergleichen S20 ergibt, dass das erforderliche Luftverhältnis (λerf) S11 kleiner als das minimale Luftverhältnis (λmin) S13 ist.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Verschieben des Verbrennungsschwerpunkts S30. Hier ist das erforderliche Luftverhältnis λerf kleiner als das minimale Luftverhältnis λmin. Bei dem erforderlichen Luftverhältnis λerf würde für den Sollverbrennungsschwerpunkt deshalb die NOx Sollemission SNOx überschritten werden. Das in 4 gezeigte SNOx repräsentiert eine maximal zulässige NOx Emission unter transienten Bedingungen SNOX,tr. Um ein Einhalten der NOx Sollemission SNOx zu erreichen, verschiebt S30 das Steuerprogramm den Verbrennungsschwerpunkt Sα daher zu einem späteren Zeitpunkt. Die bestimmte Verschiebung Δα wählt das Steuerprogramm so, dass die NOx Sollemission SNOx eingehalten und das erforderliche Luftverhältnis λerf erfüllt werden.
  • Basierend auf der Verschiebung Δa und dem Sollverbrennungsschwerpunkt Sα berechnet das Steuerprogramm im Schritt S41 den Zündwinkel αign, mit dem es die Zündvorrichtung 40 aktuiert. Basierend auf der Verschiebung Δα berechnet es im Schritt S42 durch erneutes Ausführen des Effizienzmodells eine Änderung der Einspritzmenge an Wasserstoff Δm,H2, so dass die Lastanforderung M auch bei dem verschobenen Verbrennungsschwerpunkt mit verringertem Verbrennungswirkungsgrad erfüllt wird. Die Änderung der Einspritzmenge an Wasserstoff Δm,H2 verrechnet das Steuerprogramm mit der erforderlichen Einspritzmenge an Wasserstoff mH2,erf zu einer modifizierten Einspritzmenge an Wasserstoff mH2,mod.
  • Das Steuerprogramm umfasst Befehle, beim Verschieben S30 eine Limitierung Lα der bestimmten Verschiebung Δa des Verbrennungsschwerpunkts zu berücksichtigen. Die Limitierung Lα berücksichtigt eine Verbrennungsstabilität des Verbrennungsmotors 3 und ist in 4 durch den schraffierten Bereich gezeigt. Eine sich aus der Limitierung La ergebene maximale Verschiebung αlim verwendet das Steuerprogramm im Schritt S43, um eine Limitierung λlim für das Luftverhältnis zu berechnen. Basierend auf der Limitierung λlim für das Luftverhältnis und dem aktuellen Luftmassenstrom mL,akt bestimmt das Steuerprogramm im Schritt S44 eine maximale Einspritzmenge an Wasserstoff mH2,max.
  • Im Schritt S45 berechnet das Steuerprogramm schließlich die durch die Einspritzvorrichtung 30 in den Verbrennungsmotor einzubringende Einspritzmenge mH2,inj basierend auf der modifizierten Einspritzmenge mH2,mod und der maximalen Einspritzmenge an Wasserstoff mH2,max.
  • In einem weiteren, alternativen Ausführungsbeispiel berücksichtigt das Steuerprogramm zusätzlich zur NOx Emission ein Verhältnis von H2/NOx Emissionen. Dadurch kann ein gewünschter H2 Gehalt im Abgas bereitgestellt werden, der eine Konvertierung von NOx Rohemissionen durch den H2-SCR Katalysator 5 ermöglicht, ohne dass ein Einbringen von H2 in die Abgasstrecke erforderlich ist.
  • Das minimale Luftverhältnis λmin beim Sollverbrennungsschwerpunkt Sα ermittelt das Steuerprogramm hier unter Berücksichtigung des Verhältnisses von H2/NOx Emissionen. Dabei wird, um eine Regelung auch unter transienten Bedingungen zu ermöglichen, das minimale Luftverhältnis durch Ausführen eines Modells, das Rohemissionen von NOx und H2 berechnet, bestimmt. Durch Ausführen des Modells wird in einem späteren Schritt S30 auch das Bestimmen der Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts durchgeführt.
  • Zusätzlich korrigiert das Steuerprogramm hier die modifizierte Einspritzmenge, wenn eine Verschiebung S30 des Verbrennungsschwerpunkts erfolgt ist. Hierzu führt das Steuerprogramm die Schritte S11, S30, S41 und S42 wiederholt basierend auf der modifizierten Einspritzmenge mH2,mod aus. Die Korrektur ist beendet, wenn eine Differenz zwischen dem erforderlichen Luftverhältnis λerf und einem sich aus der modifizierten Einspritzmenge mH2,mod ergebenen Luftverhältnis kleiner als eine vorgegebene Toleranz ist. Über die Toleranz kann die Genauigkeit der Korrektur eingestellt werden.
  • In einem weiteren, alternativen Ausführungsbeispiel umfasst das Steuerprogramm Befehle, die Einspritzmenge an Wasserstoff in einem geschlossenen Regelkreis zu regeln. Hierzu umfasst der Antriebsstrang 2 in den Zylindern 13 angeordnete Zylinderdrucksensoren. Über die Zylinderdrucksensoren ermittelt das Steuerprogramm einen indizierten Mitteldruck und einen Verbrennungsschwerpunkt. Der indizierte Mitteldruck dient als Indikator für die Last.
  • Den über die Zylinderdrucksensoren ermittelten Verbrennungsschwerpunkt verwendet das Steuerprogramm beim Bestimmen der Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts Δα, den ermittelten indizierten Mitteldruck zur Korrektur der modifizierten Einspritzmenge mH2,mod. Dadurch kann ein genaueres und robusteres Steuern S40 der Einspritzmenge mH2,inj erreicht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4344715 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Steuergerät (1) für einen Antriebsstrang (2), umfassend einen Verbrennungsmotor (3), wobei der Verbrennungsmotor (3) als Wasserstoffmotor ausgeführt ist und wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, die folgenden Schritte durchzuführen: - Ermitteln eines erforderlichen Luftverhältnisses (S11, λerf) basierend auf einer Lastanforderung und einem aktuellen Luftmassenstrom, - Ermitteln eines Sollverbrennungsschwerpunkts (S12), - Ermitteln eines minimalen Luftverhältnisses (S13, Amin) beim ermittelten Sollverbrennungsschwerpunkt (S12) unter Berücksichtigung einer NOx Emission und/oder eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen, - Vergleichen (S20) des erforderlichen Luftverhältnisses (S11, λerf) und des minimalen Luftverhältnisses (S13, Amin), - Bestimmen einer Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30), wenn das Vergleichen (S20) ergibt, dass das erforderliche Luftverhältnis (S11, λerf) kleiner als das minimale Luftverhältnis (S13, Amin) ist, und - Steuern (S40) einer Einspritzmenge an Wasserstoff basierend auf dem erforderlichen Luftverhältnis (S11, λerf) oder der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30).
  2. Steuergerät (1) nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, beim Bestimmen der Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30) eine NOx Emission und/oder ein Verhältnis von H2/NOx Emissionen zu berücksichtigen.
  3. Steuergerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, eine Limitierung der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30) zu berücksichtigen und wobei die Limitierung von einer Verbrennungsstabilität und/oder einer Abgastemperatur abhängt.
  4. Steuergerät (1) nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, beim Steuern (S40) der Einspritzmenge eine Limitierung der Einspritzmenge basierend auf der Limitierung der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30) zu berücksichtigen.
  5. Steuergerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Antriebsstrang (2) ein Abgasnachbehandlungssystem (4) umfasst und wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, das minimale Luftverhältnis (S13, Amin) basierend auf einem Zustand des Abgasnachbehandlungssystems (4), basierend auf einem Verbrennungsmodus, basierend auf einer Veränderung von NOx Emissionen und/oder basierend auf einer Veränderung eines Verhältnisses von H2/NOx Emissionen zu bestimmen.
  6. Steuergerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, ein Modell zum Bestimmen von NOx und/oder H2 Emissionen auszuführen und das Ermitteln des minimalen Luftverhältnisses (S13, Amin) und/oder das Bestimmen der Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30) basierend auf einem Ergebnis des Modells durchzuführen.
  7. Steuergerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (3) eine Zündvorrichtung (40) umfasst und wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, basierend auf der bestimmten Verschiebung des Verbrennungsschwerpunkts (S30) einen Zündzeitpunkt zu bestimmen und die Zündvorrichtung (40) basierend auf dem bestimmten Zündzeitpunkt zu aktuieren.
  8. Steuergerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Steuergerät (1) ausgebildet und eingerichtet ist, beim Steuern (S40) der Einspritzmenge ein Korrigieren der Einspritzmenge durchzuführen.
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