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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die hierin offenbarte Technologie bezieht sich auf ein Brenngasversorgungssystem für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Steuern des Brenngasversorgungssystems.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Die japanische Patentanmeldung
JP 2020- 145 181 A offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Injektor, der einem Brenngaseinlass des Brennstoffzellenstapels über einen Zufuhrkanal Brenngas zuführt, und einem Auslassventil, das Brenngasabgas und dergleichen aus einem Brenngasauslass des Brennstoffzellenstapels über einen Auslasskanal ablässt. Bei der Technologie der
JP 2020- 145 181 A wird jede einer Vielzahl von Zustandsgrößen geschätzt und auf einen Ziel- bzw. Sollwert geregelt, indem ein gesamtes, im Brennstoffzellensystem enthaltenes Brenngasversorgungssystem modelliert wird. Daher hat das Mittel zur Steuerung jeder der Zustandsgrößen auf den Sollwert eine Struktur, die durch Kombination der Operationen einer Vielzahl von Komponenten aufgebaut ist. Beispielsweise steuert das Mittel den Betrieb von zwei oder mehr Komponenten, einschließlich eines Injektors und eines Auslassventils, um zwei oder mehr Zustandsgrößen, einschließlich des Wasserstoffpartialdrucks und des Einlassdrucks im Brennstoffzellenstapel, zu regeln.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei der Technologie der
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145 181 A müssen Modelle des gesamten Brenngasversorgungssystems überprüft werden, wenn sich einige Eigenschaften des Brenngasversorgungssystems ändern, wie z.B. die Änderung der Spezifikationen des Injektors oder des Auslassventils, die Änderung der Rohrleitungsform oder dergleichen. Das heißt, es ist notwendig, eine groß angelegte Betriebsanpassung für die Steuerlogik des gesamten Brenngasversorgungssystems erneut durchzuführen. Wenn einige Eigenschaften des Brenngasversorgungssystems geändert werden müssen, wie z.B. in einem Fall, in dem das Brenngasversorgungssystem auf andere Anwendungen ausgeweitet wird, ist eine große Anzahl von Entwicklungsstunden erforderlich.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Beschreibung bezieht sich auf ein Brenngasversorgungssystem für eine Brennstoffzelle. Das Brenngasversorgungssystem für die Brennstoffzelle umfasst einen Injektor, der über einen Zufuhrkanal mit einem Brenngaseinlass eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist und so konfiguriert ist, dass er ein Brenngas zuführt, eine Einlassdruckerfassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Einlassdruck erfasst, der ein Druck des Zufuhrkanals ist, ein Auslassventil, das über einen Auslasskanal mit einem Brenngasauslass des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, eine Wasserstoffpartialdruckerfassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Wasserstoffpartialdruck eines Brenngasabgases im Auslasskanal erfasst, und einen Controller. Der Controller ist so konfiguriert, dass er einen ersten oberen Grenzwert und einen ersten unteren Grenzwert entsprechend dem Wasserstoffpartialdruck auf Basis einer Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel festlegt, den Antrieb des Injektors stoppt, wenn der Wasserstoffpartialdruck in einem Zustand, in dem der Injektor angetrieben wird, den ersten oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet, und den Antrieb des Injektors startet, wenn der Wasserstoffpartialdruck in einem Zustand, in dem der Injektor gestoppt ist, auf oder unter den ersten unteren Grenzwert fällt. Der Controller ist so konfiguriert, dass er einen zweiten oberen Grenzwert und einen zweiten unteren Grenzwert entsprechend dem Einlassdruck auf Basis der Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel festlegt, das Auslassventil öffnet, wenn der Einlassdruck in einem Zustand, in dem das Auslassventil geschlossen ist, den zweiten oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet und das Auslassventil schließt, wenn der Einlassdruck in einem Zustand, in dem das Auslassventil geöffnet ist, auf oder unter den zweiten unteren Grenzwert fällt.
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Gemäß dem obigen Aspekt wird zur Regelung einer Zustandsgröße, nämlich des Wasserstoffpartialdrucks im Auslasskanal, im Bereich zwischen dem ersten oberen Grenzwert und dem ersten unteren Grenzwert der Betrieb einer Komponente des Injektors gesteuert. Um eine Zustandsgröße, nämlich den Einlassdruck des Zufuhrkanals, im Bereich zwischen dem zweiten oberen Grenzwert und dem zweiten unteren Grenzwert zu regeln, wird außerdem der Betrieb einer Komponente des Auslassventils gesteuert. Das heißt, die Regelung einer Zustandsgröße auf einen Sollwert kann durch den Betrieb einer Komponente erreicht werden. Außerdem kann die Regelung jeder Zustandsgröße unabhängig von der Regelung der anderen erfolgen. Daher reicht es aus, wenn die Betriebsanpassung nur für eine Zustandsgröße, die mit der geänderten Eigenschaft zusammenhängt, durchgeführt wird, selbst wenn einige Eigenschaften des Brenngasversorgungssystems geändert werden (z. B. wenn die Injektor geändert wird). Dadurch kann der Entwicklungsaufwand bei der Änderung einiger Eigenschaften des Brenngasversorgungssystems erheblich reduziert werden.
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Bei dem obigen Aspekt kann das Brenngasversorgungssystem ferner einen Zirkulationskanal umfassen, der so konfiguriert ist, dass er den Auslasskanal und den Zufuhrkanal verbindet. Das Brenngasversorgungssystem kann ferner eine Pumpe umfassen, die in dem Zirkulationskanal angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass sie das Brenngas an den Zufuhrkanal liefert. Das Brenngasversorgungssystem kann ferner eine Einlasswasserstoffkonzentrationserfassungseinheit umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie eine Wasserstoffkonzentration am Einlass bzw. Einlasswasserstoffkonzentration der Pumpe erfasst. Das Brenngasversorgungssystem kann ferner eine Durchflussmengenerfassungseinheit umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie eine Auslassdurchflussmenge der Pumpe erfasst. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass er einen Soll-Durchflussmengenwert des von der Pumpe abgegebenen Wasserstoffs auf Basis der Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel festlegt, einen Ist-Durchflussmengenwert des von der Pumpe abgegebenen Wasserstoffs auf Basis der Einlasswasserstoffkonzentration und der Auslassdurchflussmenge berechnet, und die Pumpe so steuert, dass sich der Ist-Durchflussmengenwert dem Soll-Durchflussmengenwert annähert. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Steuerung bzw. Regelung einer Zustandsgröße, nämlich des aktuellen Durchflussmengenwertes von Wasserstoff, zur Annäherung an den Soll-Durchflussmengenwert durch den Betrieb einer Komponente der Pumpe zu realisieren.
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Bei dem obigen Aspekt kann der Controller so konfiguriert sein, dass er eine Rückkopplungssteuerung einer Drehzahl der Pumpe durchführt, um eine Abweichung zwischen dem Soll-Durchflussmengenwert und dem Ist-Durchflussmengenwert zu verringern. Auf diese Weise ist es möglich, die Regelung in geeigneter Weise so auszuführen, dass sich der Ist-Durchflussmengenwert dem Soll-Durchflussmengenwert annähert.
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Bei dem obigen Aspekt kann das Brenngasversorgungssystem ferner einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider umfassen, der im Auslasskanal angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er im Brenngasabgas enthaltenes flüssiges Wasser abscheidet und speichert. Der Controller kann das Auslassventil öffnen und das im Gas-Flüssigkeits-Abscheider gespeicherte flüssige Wasser nach außen abgeben, wenn das flüssige Wasser eine vorbestimmte Menge erreicht. Auf diese Weise ist es möglich, das im Brenngasabgas enthaltene flüssige Wasser nach außen abzuführen.
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Bei dem obigen Aspekt kann das Brenngasversorgungssystem eine erste Maschinenlerneinheit umfassen, die ein erstes Lernmodell enthält, das so konfiguriert ist, dass es eine erste Rückkopplungsverstärkung der Steuerung des Injektors in Reaktion auf den Wasserstoffpartialdruck berechnet. Die erste Maschinenlerneinheit kann das erste Lernmodell aktualisieren, indem sie eine Korrelation zwischen einem Betätigungsbetrag des Injektors und einer Schwankungsmenge des Wasserstoffpartialdrucks als Trainingsdaten verwendet. Der Controller kann den Injektor auf Basis der ersten Rückkopplungsverstärkung steuern, die durch das erste Lernmodell bestimmt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die erste Rückkopplungsverstärkung in geeigneter Weise einzustellen, ohne irgendeine komplizierte Arbeit durchführen zu müssen. Bei der Regelung des Wasserstoffpartialdrucks durch den Injektor ist es möglich, das Überschwingen zu unterdrücken und die Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern.
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Bei dem obigen Aspekt kann das Brenngasversorgungssystem ferner eine zweite Maschinenlerneinheit umfassen, die ein zweites Lernmodell enthält, das so konfiguriert ist, dass es eine zweite Rückkopplungsverstärkung der Steuerung des Auslassventils in Reaktion auf den Einlassdruck berechnet. Die zweite Maschinenlerneinheit kann das zweite Lernmodell aktualisieren, indem sie eine Korrelation zwischen einem Betätigungsbetrag des Auslassventils und einer Schwankungsmenge des Einlassdrucks als Trainingsdaten verwendet. Der Controller kann das Auslassventil auf Basis der zweiten Rückkopplungsverstärkung steuern, die durch das zweite Lernmodell bestimmt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die zweite Rückkopplungsverstärkung in geeigneter Weise einzustellen, ohne irgendeine komplizierte Arbeit durchführen zu müssen. Bei der Regelung des Einlassdrucks durch das Auslassventil ist es möglich, das Überschwingen zu unterdrücken und die Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Brenngasversorgungssystems mit einem Injektor, einer Einlassdruckerfassungseinheit, einem Auslassventil und einer Wasserstoffpartialdruckerfassungseinheit. Der Injektor ist über einen Zufuhrkanal mit einem Brenngaseinlass eines Brennstoffzellenstapels verbunden und so konfiguriert, dass er ein Brenngas zuführt. Die Einlassdruckerfassungseinheit ist so konfiguriert, dass sie einen Einlassdruck erfasst, der ein Druck des Zufuhrkanals ist. Das Auslassventil ist über einen Auslasskanal mit einem Brenngasauslass des Brennstoffzellenstapels verbunden. Die Wasserstoffpartialdruckerfassungseinheit ist so konfiguriert, dass sie einen Wasserstoffpartialdruck eines Brenngases im Auslasskanal erfasst. Das Verfahren umfasst das Festlegen eines ersten oberen Grenzwerts und eines ersten unteren Grenzwerts entsprechend dem Wasserstoffpartialdruck auf Basis einer Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel, das Stoppen des Antriebs des Injektors, wenn der Wasserstoffpartialdruck in einem Zustand, in dem der Injektor angetrieben wird, den ersten oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet, das Starten des Antriebs des Injektors, wenn der Wasserstoffpartialdruck in einem Zustand, in dem der Injektor gestoppt ist, auf oder unter den ersten unteren Grenzwert fällt, das Festlegen eines zweiten oberen Grenzwerts und eines zweiten unteren Grenzwerts entsprechend dem Einlassdruck auf Basis der Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel, das Öffnen des Auslassventils, wenn der Einlassdruck in einem Zustand, in dem das Auslassventil geschlossen ist, den zweiten oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet, und das Schließen des Auslassventils, wenn der Einlassdruck in einem Zustand, in dem das Auslassventil geöffnet ist, auf oder unter den zweiten unteren Grenzwert fällt.
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Figurenliste
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, hierbei zeigt:
- 1 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems; und
- 2 ein Zeitschaubild, das ein Beispiel für den Betrieb eines Brenngasversorgungssystems zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform 1
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Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1
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Ein Brennstoffzellensystem 1 wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 1 ist z.B. in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, ein Brenngasversorgungssystem 3 und ein Luftversorgungssystem 4.
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Der Brennstoffzellenstapel 2 ist eine Vorrichtung, die durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom erzeugt. Durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff wird Wasser erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 2 umfasst eine Vielzahl von Einzelzellen (nicht dargestellt). Jede Einzelzelle hat eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode, wobei der Brennstoffelektrode Brenngas (Wasserstoffgas) zugeführt wird und der Luftelektrode sauerstoffhaltige Luft zugeführt wird, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der vom Brennstoffzellenstapel 2 erzeugte Strom wird z. B. einem Fahrmotor eines Brennstoffzellenfahrzeugs zugeführt. Das nicht umgesetzte Brenngas (im Folgenden als „Brenngasabgas“ bezeichnet), das nicht zur Stromerzeugung im Brennstoffzellenstapel 2 verwendet wurde, wird aus dem Brennstoffzellenstapel 2 abgeleitet. Das Brenngasabgas enthält das bei der Stromerzeugung anfallende Wasser in Form von Dampf.
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Das Brenngasversorgungssystem 3 ist eine Vorrichtung, die dem Brennstoffzellenstapel 2 Brenngas zuführt. Das Brenngasversorgungssystem 3 umfasst im Wesentlichen einen Brennstofftank 10, einen Injektor 20, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50, eine Pumpe 54, einen Durchflussmengenmesser 55 und eine elektronische Steuereinheit (abgekürzt ECU) 100.
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Der Brennstofftank 10 speichert das dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte Brenngas (in der vorliegenden Ausführungsform Wasserstoffgas). Ein stromaufwärts gelegenes Ende des ersten Brennstoffzufuhrkanals 12 ist mit dem Brennstofftank 10 verbunden. Ein stromabwärts gelegenes Ende des ersten Brennstoffzufuhrkanals 12 ist mit dem Injektor 20 verbunden. Der erste Brennstoffzufuhrkanal 12 ist mit einem Hauptrückschlagventil 14 und einem Druckreduzierventil 16 ausgestattet, die in dieser Reihenfolge von stromaufwärts nach stromabwärts angeordnet sind. Das Hauptrückschlagventil 14 öffnet und schließt den ersten Brennstoffzufuhrkanal 12. Wenn das Hauptrückschlagventil 14 geöffnet ist, wird dem Brennstoffzellenstapel 2 Brenngas aus dem Brennstofftank 10 zugeführt. Das Druckreduzierventil 16 regelt den Druck des durch den ersten Brennstoffzufuhrkanal 12 strömenden Brenngases. Das Druckreduzierventil 16 kann den Druck des dem Brennstoffzellenstapel 2 durch den ersten Brennstoffzufuhrkanal 12 zugeführten Brenngases reduzieren.
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Der Injektor 20 regelt den Druck und die Durchflussmenge des dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführten Brenngases. Der Injektor 20 ist mit einem stromaufwärts gelegenen Ende des zweiten Brennstoffzufuhrkanals 22 verbunden. Das stromabwärtige Ende des zweiten Brennstoffzufuhrkanals 22 ist mit dem Brenngaseinlass 2a des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden. Der Injektor 20 wird durch ein von der ECU 100 eingegebenes Steuersignal IS so gesteuert, dass er sich in einem offenen oder geschlossenen Zustand befindet. Der Druck und die Durchflussmenge des Brenngases werden durch Einstellen des Öffnungsgrads und der Ventilöffnungszeit des Injektors 20 eingestellt. Der Injektor 20 ist zum Beispiel ein Magnetventil.
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In dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal 22 ist ein Drucksensor 24 angeordnet. Der Drucksensor 24 misst einen Einlassdruck IP, der dem Druck des Brenngases im zweiten Brennstoffzufuhrkanal 22 entspricht. Der gemessene Einlassdruck IP wird in die ECU 100 eingegeben.
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Ein stromaufwärts gelegenes Ende eines Abgaskanals 42 ist mit dem Brenngasauslass 2b des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden. Ein stromabwärts gelegenes Ende des Abgaskanals 42 ist mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 verbunden. Das Brenngasabgas wird dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 durch den Abgaskanal 42 zugeführt. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 trennt und speichert das im Brenngasabgas, das aus dem Abgaskanal 42 in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 geleitet wird, enthaltene Wasser. Der in dem in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 eingeleiteten Brenngasabgas enthaltene Wasserdampf wird abgekühlt, und das kondensierte Wasser (Flüssigwasser) wird im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 gespeichert.
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Ein stromaufwärts gelegenes Ende des Abgasauslasskanal 56 ist mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 verbunden. Ein Abgasauslassventil 58 ist in dem Abgasauslasskanal 56 angeordnet. Mit anderen Worten: Das Abgasauslassventil 58 ist über den Abgaskanal 42 und den Abgasauslasskanal 56 mit dem Brenngasauslass 2b verbunden. Ein stromabwärts gelegenes Ende des Abgasauslasskanals 56 ist nach außen hin offen. Das Abgasauslassventil 58 wird durch ein von der ECU 100 eingegebenes Steuersignal VS so gesteuert, dass es sich in einem offenen oder geschlossenen Zustand befindet. Wenn das Abgasauslassventil 58 geöffnet ist, strömen unbrauchbares Gas (hauptsächlich Stickstoffgas) im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 und flüssiges Wasser nach außen.
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Ein stromaufwärts gelegenes Ende eines Gaszirkulationskanals 52 ist mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 verbunden, und ein stromabwärts gelegenes Ende desselben ist mit dem zweiten Brennstoffzufuhrkanal 22 verbunden. Mit anderen Worten: der Gaszirkulationskanal 52 verbindet den Abgaskanal 42 und den zweiten Brennstoffzufuhrkanal 22. Die Pumpe 54 und der Durchflussmengenmesser 55 sind im Gaszirkulationskanal 52 angeordnet. Die Pumpe 54 fördert das im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 befindliche Abgas in den zweiten Brennstoffzufuhrkanal 22. Das in den zweiten Brennstoffzufuhrkanal 22 geförderte Abgas wird dem Brennstoffzellenstapel 2 wieder zugeführt. Die Drehzahl der Pumpe 54 wird durch ein von der ECU 100 eingegebenes Steuersignal PS gesteuert. Da die Abgabemenge pro Umdrehung bekannt ist, kann die Auslassdurchflussmenge durch Steuern der Drehzahl geregelt werden.
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Der Durchflussmengenmesser 55 misst eine Auslassdurchflussmenge bzw. Fördermenge DR der Pumpe 54. Die gemessene Fördermenge DR wird in die ECU 100 eingegeben.
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Die ECU 100 (Controller) umfasst eine CPU 101 und einen Speicher 102, wie z.B. ein ROM oder ein RAM. Die ECU 100 gibt eine vom Brennstoffzellenstapel 2 abgeforderte Last (Lastanforderung) vor und steuert den Betrieb jedes Teils, wie z.B. des Injektors 20, des Abgasauslassventils 58 und der Pumpe 54, so dass ein geforderter Strom erhalten werden kann.
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Weiterhin fungiert die ECU 100 als Wasserstoffpartialdruckerfassungseinheit und als Einlasswasserstoffkonzentrationserfassungseinheit. Die Wasserstoffpartialdruckerfassungseinheit ist ein Teil zum Schätzen bzw. Ermitteln eines Wasserstoffpartialdrucks HP des Brenngasabgases im Abgaskanal 42. Die Einlasswasserstoffkonzentrationserfassungseinheit ist ein Teil zum Schätzen bzw. Ermitteln einer Einlasswasserstoffkonzentration HC an einem Einlass der Pumpe 54. Der Prozess zum Schätzen/Ermitteln des Wasserstoffpartialdrucks HP und der Einlasswasserstoffkonzentration HC kann auf Basis verschiedener Informationen wie der Lastanforderung, der vom Brennstoffzellenstapel 2 tatsächlich erzeugten elektrischen Leistung, der gemessenen Werte des Einlassdrucks IP und der Fördermenge DR und dergleichen durchgeführt werden. Durch das Schätzen/Ermitteln des Wasserstoffpartialdrucks HP und der Einlasswasserstoffkonzentration HC kann auf einen Sensor zur Messung dieser Werte verzichtet werden. Daher können die Kosten für das Brenngasversorgungssystem 3 gesenkt werden. Wenn aufgrund der Lebensdauer oder des Ausfalls des eigentlichen Sensors ein abnormaler Wert gemessen wird, ist es zudem wahrscheinlich, dass die Anforderungen, die später beschrieben werden, nicht erfüllt werden können, die Wahrscheinlichkeit hierfür kann jedoch durch die Verwendung von Schätzwerten verringert werden. Die spezifische Methode zur Durchführung dieser Schätzverfahren ist nicht besonders eingeschränkt. Zum Beispiel können die in der
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145 181 A und der
US 2020 / 0 251 760 A beschriebenen Methoden verwendet werden. Der gesamte Inhalt der
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145 181 A und der
US 2020 / 0 251 760 A ist hierin durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen.
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Das Luftversorgungssystem 4 ist eine Vorrichtung, die dem Brennstoffzellenstapel 2 Luft zuführt. Das Luftversorgungssystem 4 umfasst einen Kompressor 62. Der Kompressor 62 ist an einem Luftzufuhrkanal 60 angeordnet. Ein stromaufwärts gelegenes Ende des Luftzufuhrkanals 60 ist nach außen hin offen. Ein stromabwärts gelegenes Ende des Luftzufuhrkanals 60 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden. Der Kompressor 62 pumpt die in den Luftzufuhrkanal 60 eingeleitete Luft in den Brennstoffzellenstapel 2. Ferner ist ein stromaufwärts gelegenes Ende eines Luftauslasskanals 64 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden. Das stromabwärts gelegene Ende des Luftauslasskanals 64 ist nach außen hin offen. Die im Brennstoffzellenstapel 2 nicht zur Stromerzeugung genutzte Luft wird durch den Luftauslasskanal 64 nach außen abgeführt.
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Übersicht über die Steuerung des Brenngasversorgungssystems 3
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Ein Steuerungsverfahren für das Brenngasversorgungssystem 3 der vorliegenden Beschreibung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von „Single-Input-Single-Output-Strukturen“, die die Steuerung einer Zustandsgröße durch die Betriebsgröße einer Systemkomponente realisieren, unabhängig voneinander vorgesehen sind. Bei der Technologie der vorliegenden Beschreibung werden zur Bestimmung der Zustandsgröße, die von der Single-Input-Single-Output-Struktur gesteuert wird, drei Anforderungen festgelegt, die vom Brenngasversorgungssystem 3 erfüllt werden müssen. Dann werden anhand der drei Anforderungen drei Zustandsgrößen und drei Betriebsgrößen festgelegt. Auf diese Weise ist es möglich, das Brenngasversorgungssystem 3 mit Hilfe von drei Single-Input-Single-Output-Strukturen zu steuern. Dies wird im Folgenden im Detail beschrieben.
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Eine erste Anforderung ist, dass die Menge an Wasserstoff bereitgestellt wird, die benötigt wird, um eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 2 zu verhindern. Daher muss die Zustandsgröße, d.h. der Wasserstoffpartialdruck HP des Abgaskanals 42, so geregelt werden, dass er nicht unter einen unteren Grenzwert fällt. Dann wird der offene oder geschlossene Zustand des Injektors 20 als Betriebsgröße für die Steuerung des Wasserstoffpartialdrucks HP festgelegt. Der Abgaskanal 42 befindet sich an einem Punkt, an dem der Wasserstoffpartialdruck im Brenngaszufuhrkanal am niedrigsten ist. Indem der Wasserstoffpartialdruck HP an diesem Punkt gleich oder höher als der untere Grenzwert gehalten wird, ist es möglich, eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 2 zu verhindern.
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Eine zweite Anforderung ist, dass der Druck des Brenngasversorgungssystems 3 einen oberen Grenzdruck der Wasserstoffsystemsteuerung nicht überschreitet. Daher muss die Zustandsgröße, d.h. der Einlassdruck IP des Brenngases des zweiten Brennstoffzufuhrkanals 22, so gesteuert werden, dass er einen oberen Grenzwert nicht überschreitet. Dann wird der offene oder geschlossene Zustand des Abgasauslassventils 58 als Betriebsgröße zur Steuerung des Einlassdrucks IP festgelegt.
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Eine dritte Anforderung ist, dass Wasserstoff bis zur Rückseite des Stapels zugeführt wird, indem die Schwankung der Wasserstoffverteilung in einer Stapelrichtung gleichmäßig gemacht wird. Zu diesem Zweck muss die Zustandsgröße, d.h. ein Ist-Durchflussmengenwert CF des Wasserstoffs, auf einen Soll-Durchflussmengenwert TF geregelt werden. Dann wird eine Drehzahl RT der Pumpe 54 als Betriebsgröße für die Regelung des Ist-Durchflussmengenwertes CF des Wasserstoffs festgelegt.
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Betriebsbeispiel des Brenngasversorgungssystems 3
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Ein Betriebsbeispiel des von der ECU 100 gesteuerten Brenngasversorgungssystems 3 wird unter Bezugnahme auf ein Zeitschaubild von 2 beschrieben. In 2 ist in einer ersten Zeitspanne P1 bis zum Zeitpunkt t1 der Lastzustand normal. In einer zweiten Zeitspanne P2 vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 ist die Last hoch, z.B. durch Erhöhen eines Betätigungsbetrags eines vom Benutzer betätigten Gaspedals. In einer dritten Zeitspanne P3 nach dem Zeitpunkt t2 wird der Lastzustand in den normalen Lastzustand zurückgeführt.
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Zunächst wird die Regelung des Wasserstoffpartialdrucks HP durch den Injektor 20 beschrieben. Die ECU 100 gibt die aktuelle Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel 2 vor und gibt den der aktuellen Lastanforderung entsprechenden Soll-Wasserstoffpartialdruck als Anforderungs-Wasserstoffpartialdruck vor. Der Anforderungs-Wasserstoffpartialdruck ist ein Anforderungswert für den Wasserstoffpartialdruck im Abgaskanal 42. Als nächstes berechnet die ECU 100 einen ersten unteren Grenzwert LL1 und einen ersten oberen Grenzwert UL1 des Wasserstoffpartialdrucks basierend auf dem Anforderungs-Wasserstoffpartialdruck. Da sich der Brennstoffzellenstapel 2 verschlechtert, wenn der Wasserstoffpartialdruck HP niedriger ist als der erste untere Grenzwert LL1, ist der erste untere Grenzwert LL1 eine wichtige Anforderung. Der erste obere Grenzwert UL1 ist ein Wert, der sich durch Addition eines vorbestimmten Margenbetrags zum ersten unteren Grenzwert LL1 ergibt.
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Dann schätzt die ECU 100 den Wasserstoffpartialdruck HP, indem sie als Wasserstoffpartialdruckerfassungseinheit fungiert. Dann wird die Rückkopplungssteuerung so ausgeführt, dass der geschätzte Wasserstoffpartialdruck HP in den Bereich zwischen dem ersten oberen Grenzwert UL1 und dem ersten unteren Grenzwert LL1 fällt. Dies wird nun im Detail beschrieben. In der ersten Zeitspanne P 1 stoppt die ECU 100 den Antrieb des Injektors 20 (d.h. sie bringt ihn in einen geschlossenen Zustand), wenn der Wasserstoffpartialdruck HP den ersten oberen Grenzwert UL1 in dem Zustand, in dem der Injektor 20 angetrieben wird (d.h. der offene Zustand), erreicht oder überschreitet (siehe Pfeil A1). Auf diese Weise nimmt die dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte Wasserstoffmenge ab, und der Wasserstoffpartialdruck HP sinkt. Des Weiteren beginnt die ECU 100, den Injektor 20 anzutreiben (d.h. in einen offenen Zustand zu bringen), wenn der Wasserstoffpartialdruck HP in einem Zustand, in dem der Injektor 20 gestoppt ist (d.h. im geschlossenen Zustand), auf oder unter den ersten unteren Grenzwert LL1 fällt (siehe Pfeil A2). Auf diese Weise erhöht sich die dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte Wasserstoffmenge, und der Wasserstoffpartialdruck HP steigt an.
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Wenn der Lastzustand zum Zeitpunkt t1 in den Hochlastzustand wechselt, steigen der erste untere Grenzwert LL1 und der erste obere Grenzwert UL1 an. Daher hält die ECU 100 den Injektor 20 im offenen Zustand, bis der Wasserstoffpartialdruck HP ansteigt und den ersten oberen Grenzwert UL1 erreicht (siehe Bereich R1). Wenn der Lastzustand zum Zeitpunkt t2 in den normalen Lastzustand wechselt, sinken der erste untere Grenzwert LL1 und der erste obere Grenzwert UL1. Daher hält die ECU 100 den Injektor 20 im geschlossenen Zustand, bis der Wasserstoffpartialdruck HP fällt und den ersten unteren Grenzwert LL1 erreicht (siehe Bereich R2).
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Als zweites wird die Steuerung des Einlassdrucks IP durch das Abgasauslassventil 58 beschrieben. Die ECU 100 berechnet einen zweiten unteren Grenzwert LL2 und einen zweiten oberen Grenzwert UL2 des Einlassdrucks IP basierend auf der Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel 2. Wenn der Einlassdruck IP den zweiten oberen Grenzwert UL2 überschreitet, besteht die Möglichkeit eines Ausfalls, und daher ist der zweite obere Grenzwert UL2 eine Anforderung. Der zweite untere Grenzwert LL2 ist ein Wert, der sich durch Subtraktion eines vorbestimmten Margenbetrags vom zweiten oberen Grenzwert UL2 ergibt. Wenn der Margenbetrag groß ist, wird die Abweichung vom Sollwert groß, und wenn der Margenbetrag klein ist, erhöht sich die Häufigkeit des Öffnens und Schließens des Abgasauslassventils 58 und die Haltbarkeit des Teils verschlechtert sich. Daher kann der Margenbetrag angemessen eingestellt werden, um den Abweichungsbetrag vom Sollwert und die Öffnungs- und Schließhäufigkeit auszugleichen.
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Dann führt die ECU 100 eine Rückkopplungssteuerung aus, so dass der Einlassdruck IP in den Bereich zwischen dem zweiten oberen Grenzwert UL2 und dem zweiten unteren Grenzwert LL2 fällt. Dies wird im Detail beschrieben. In der ersten Zeitspanne P1 öffnet die ECU 100 das Abgasauslassventil 58, wenn der Einlassdruck IP in einem Zustand, in dem das Abgasauslassventil 58 geschlossen ist, den zweiten oberen Grenzwert UL2 erreicht oder überschreitet (siehe Pfeil A3). Auf diese Weise sinkt der Einlassdruck IP. Des Weiteren schließt die ECU 100 das Abgasauslassventil 58, wenn der Einlassdruck IP in einem Zustand, in dem das Abgasauslassventil 58 geöffnet ist, den zweiten unteren Grenzwert LL2 erreicht oder unterschreitet (siehe Pfeil A4). Auf diese Weise steigt der Einlassdruck IP an.
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Wenn der Lastzustand zum Zeitpunkt t1 in den Hochlastzustand wechselt, steigen der zweite untere Grenzwert LL2 und der zweite obere Grenzwert UL2. Daher hält die ECU 100 das Abgasauslassventil 58 im geschlossenen Zustand, bis der Einlassdruck IP ansteigt und den zweiten oberen Grenzwert UL2 erreicht (siehe Bereich R3). Wenn der Lastzustand zum Zeitpunkt t2 in den normalen Lastzustand übergeht, sinken der zweite untere Grenzwert LL2 und der zweite obere Grenzwert UL2. Daher hält die ECU 100 das Abgasauslassventil 58 im offenen Zustand, bis der Einlassdruck IP fällt und den zweiten unteren Grenzwert LL2 erreicht (siehe Bereich R4).
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Das Öffnen des Abgasauslassventils 58 ist nicht auf den Fall beschränkt, dass der Einlassdruck IP den zweiten oberen Grenzwert UL2 erreicht oder überschreitet. Zum Beispiel kann die ECU 100 das Abgasauslassventil 58 so steuern, dass es geöffnet wird, um das flüssige Wasser nach außen abzulassen, wenn die Menge des im Gas-Flüssigkeits-Abscheider 50 gespeicherten flüssigen Wassers eine vorbestimmte Menge erreicht.
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Als drittes wird die Steuerung eines Ist-Durchflussmengenwertes CF von Wasserstoff durch die Pumpe 54 beschrieben. Die ECU 100 berechnet einen Soll-Durchflussmengenwert TF von Wasserstoff, der von der Pumpe 54 abgegeben wird, basierend auf der Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel 2. Beispielsweise kann die ECU 100 den Soll-Durchflussmengenwert TF auf Basis des vom Brennstoffzellenstapel 2 erzeugten Stromwertes oder der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 berechnen.
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Die ECU 100 schätzt die Einlasswasserstoffkonzentration HC, indem sie als Einlasswasserstoffkonzentrationserfassungseinheit fungiert. Des Weiteren erfasst die ECU 100 einen Messwert der Auslassdurchflussmenge bzw. Fördermenge DR der Pumpe 54 von dem Durchflussmengenmesser 55. Dann berechnet die ECU 100 den Ist-Durchflussmengenwert CF des von der Pumpe 54 abgegebenen Wasserstoffs auf Basis der Einlasswasserstoffkonzentration HC und der Fördermenge DR. Der Ist-Durchflussmengenwert CF des Wasserstoffs ist ein Wert, der die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Wasserstoffs darstellt.
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Dann steuert die ECU 100 die Pumpe 54 so, dass sich der Ist-Durchflussmengenwert CF des Wasserstoffs dem Soll-Durchflussmengenwert TF nähert. Auf diese Weise kann, wie in 2 gezeigt, der durch eine durchgezogene Linie dargestellte Ist-Durchflussmengenwert CF dazu gebracht werden, dem durch eine gestrichelte Linie dargestellten Soll-Durchflussmengenwert TF zu folgen. Das Regelungsverfahren kann unterschiedlich sein. Beispielsweise kann eine Rückkopplungssteuerung mit der Abweichung zwischen dem Soll-Durchflussmengenwert TF und dem Ist-Durchflussmengenwert CF als Zielvariable und mit der Drehzahl RT der Pumpe 54 als Betriebsvariable durchgeführt werden. Für die Regelung können verschiedene Regelverfahren wie PI-Regelung, PID-Regelung, P-Regelung und I-Regelung verwendet werden.
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Effekte
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In dem Brenngasversorgungssystem im Stand der Technik wurde eine „Multi-Input-Multi-Output-Struktur“ verwendet, bei der die Steuerung einer Vielzahl von Zustandsgrößen durch die Betriebsgröße bzw. den Betätigungsbetrag einer Vielzahl von Systemteilen implementiert wird. In diesem Fall müssen die Modelle des gesamten Brenngasversorgungssystems überprüft werden, wenn einige Merkmale des Brenngasversorgungssystems geändert werden (z. B. Änderungen an Antriebsteilen wie Ventilen und Pumpen, Änderungen der Rohrleitungsform oder dergleichen). Wenn beispielsweise ein Brenngasversorgungssystem für Personenkraftwagen auf etwas anderes (z. B. Busse, Lastkraftwagen, Züge, Schiffe oder stationäre Generatoren) übertragen werden soll, muss ein Prototyp des Brenngasversorgungssystems gebaut und die Konformität des gesamten Systems bewertet werden. Es ist wahrscheinlich, dass dies die Entwicklungsstunden und die Entwicklungszeit erhöht und die Entwicklungskosten in die Höhe treibt.
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Daher werden in dem Brenngasversorgungssystem 3 der vorliegenden Beschreibung drei Single-Input-Single-Output-Strukturen (1) zur Steuerung des Wasserstoffpartialdrucks HP durch den offenen oder geschlossenen Zustand des Injektors 20, (2) zur Steuerung des Einlassdrucks IP durch den offenen oder geschlossenen Zustand des Abgasauslassventils 58 und (3) zur Steuerung des Ist-Durchflussmengenwerts CF von Wasserstoff durch die Drehzahl RT der Pumpe 54 unabhängig voneinander bereitgestellt. Auf diese Weise ist es ausreichend, dass die Betriebsanpassung nur für eine Zustandsgröße, die mit der geänderten Eigenschaft zusammenhängt, durchgeführt wird, selbst wenn einige Eigenschaften des Brenngasversorgungssystems geändert werden. Wenn zum Beispiel der Injektor 20 geändert wird, reicht es aus, dass nur die Betriebsanpassung für den Injektor 20 so durchgeführt wird, dass der Wasserstoffpartialdruck HP in den Bereich zwischen dem ersten oberen Grenzwert UL1 und dem ersten unteren Grenzwert LL1 fällt. In diesem Fall ist die Betriebsanpassung für das Abgasauslassventil 58, das zur Steuerung des Einlassdrucks IP verwendet wird, nicht erforderlich. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer Erweiterung des Brenngasversorgungssystems 3 auf andere Anwendungen den Entwicklungsaufwand erheblich zu reduzieren.
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Ausführungsform 2
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In Ausführungsform 2 wird ein Aspekt beschrieben, bei dem das Brenngasversorgungssystem 3 von Ausführungsform 1 weiterhin mit ersten und zweiten maschinellen Lerneinheiten bzw. Maschinenlerneinheiten versehen ist. Gleiche Teile wie die des Brenngasversorgungssystems 3 von Ausführungsform 1 werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf die Beschreibung derselben wird verzichtet.
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Der Speicher 102 speichert erste und zweite Programme und erste und zweite Lernmodelle. Die ersten und zweiten Programme werden von der CPU 101 ausgeführt, um die CPU 101 zu veranlassen, als erste und zweite Maschinenlerneinheit zu fungieren.
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Das erste Lernmodell ist ein Modell zur Berechnung einer ersten Rückkopplungsverstärkung der Steuerung des Injektors 20 in Reaktion auf den Wasserstoffpartialdruck HP. Die erste Maschinenlerneinheit aktualisiert das erste Lernmodell, indem sie eine Korrelation zwischen der Betriebsgröße/dem Betätigungsbetrag des Injektors 20 und der Schwankungsmenge des Wasserstoffpartialdrucks HP als Trainingsdaten verwendet. Die ECU 100 steuert den Injektor 20 auf Basis der ersten Rückkopplungsverstärkung, die durch das erste Lernmodell bestimmt wird. Zum Beispiel kann der Öffnungsgrad des Injektors 20 erhöht werden, wenn die erste Rückkopplungsverstärkung größer wird. Auf diese Weise ist es möglich, die erste Rückkopplungsverstärkung in geeigneter Weise anzupassen, ohne komplizierte Arbeiten durchführen zu müssen. Bei der Steuerung des Wasserstoffpartialdrucks HP durch den Injektor 20 ist es möglich, das Überschwingen zu unterdrücken und die Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern.
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Das zweite Lernmodell ist ein Modell zum Berechnen einer zweiten Rückkopplungsverstärkung der Steuerung des Abgasauslassventils 58 in Reaktion auf den Einlassdruck IP. Die zweite Maschinenlerneinheit aktualisiert das zweite Lernmodell, indem sie eine Korrelation zwischen der Betriebsgröße/dem Betätigungsbetrag des Abgasauslassventils 58 und dem Schwankungsbetrag des Einlassdrucks IP als Trainingsdaten verwendet. Die ECU 100 steuert das Abgasauslassventil 58 auf Basis der zweiten Rückkopplungsverstärkung, die durch das zweite Lernmodell bestimmt wird. Zum Beispiel kann der Öffnungsgrad des Abgasauslassventils 58 erhöht werden, wenn die zweite Rückkopplungsverstärkung größer wird. Auf diese Weise ist es möglich, die zweite Rückkopplungsverstärkung in geeigneter Weise einzustellen, ohne komplizierte Arbeiten durchführen zu müssen. Bei der Steuerung des Einlassdrucks IP durch das Abgasauslassventil 58 ist es möglich, das Überschwingen zu unterdrücken und die Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern.
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Obwohl vorstehend spezifische Beispiele der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, sind dies lediglich Beispiele und schränken den Umfang der Ansprüche nicht ein. Die in den Ansprüchen beschriebene Technologie umfasst verschiedene Modifikationen und Änderungen der oben dargestellten spezifischen Beispiele.
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Die hierin oder in den Zeichnungen beschriebenen technischen Elemente weisen ihren technischen Nutzen allein oder in verschiedenen Kombinationen auf und sind nicht auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung in den Ansprüchen beschriebenen Kombinationen beschränkt. Darüber hinaus kann die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen beispielhaft dargestellte Technologie eine Vielzahl von Zwecken gleichzeitig erfüllen, wobei die Erfüllung eines der Zwecke selbst einen technischen Nutzen hat.
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Modifikationsbeispiel
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Die Steuerung des Injektors 20, des Abgasauslassventils 58 und der Pumpe 54 ist nicht auf die Rückkopplungssteuerung beschränkt, und es können verschiedene Steuerungsmethoden verwendet werden. Beispielsweise können verschiedene Regelverfahren wie die Vorwärtsregelung und die modellprädiktive Regelung (MPC) verwendet werden, oder es können mehrere Regelverfahren kombiniert werden.
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Der Wasserstoffpartialdruck HP und die Einlasswasserstoffkonzentration HC sind nicht auf die geschätzten Werte beschränkt, sondern können von dem Sensor gemessene Werte sein. Ferner kann die Einlasswasserstoffkonzentration HC ein aus dem Wasserstoffpartialdruck HP berechneter Wert sein. Ferner ist die Auslassdurchflussmenge bzw. Fördermenge DR nicht auf den vom Durchflussmengenmesser 55 gemessenen Wert beschränkt. Beispielsweise kann die Auslassdurchflussmenge bzw. Fördermenge DR ein Wert sein, der aus dem Volumen und der Drehzahl der Pumpe 54 geschätzt wird.
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Der Drucksensor 24 ist ein Beispiel für die Einlassdruckerfassungseinheit. Der Abgaskanal 42 und der Abgasauslasskanal 56 sind ein Beispiel für den Auslasskanal. Das Abgasauslassventil 58 ist ein Beispiel für ein Auslassventil. Der Durchflussmengenmesser 55 ist ein Beispiel für die Durchflussmengenerfassungseinheit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2020145181 A [0002]
- JP 2020 A [0002]
- JP 2020 [0003, 0024]
- JP 145181 A [0003, 0024]
- US 2020/0251760 A [0024]
