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Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffeindüsungssystem, einen zugehörigen Verbrennungsmotor zum Betrieb mit Wasserstoff als Kraftstoff und ein Verfahren zur Steuerung des Wasserstoffeindüsungssystems.
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STAND DER TECHNIK
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Die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren ist insbesondere aus Kraftfahrzeugsantrieben bekannt. Die dabei verwendeten Motoren stellen modifizierte Versionen von herkömmlichen Verbrennungsmotoren dar und sind typischerweise als Hubkolbenmotoren nach dem Ottoprinzip ausgebildet.
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Die spezifischen Eigenschaften von gasförmigem Wasserstoff sind bei der Kraftstoffbereitstellung, d.h., beim Eindüsen des Wasserstoffs zu berücksichtigen. Bei äußerer Gemischbildung mittels Saugkanaleindüsung sind aufgrund der geringen Dichte des Wasserstoffs sehr hohe Ladedrücke vonnöten, um einen für hohe Motorleistungen ausreichenden Füllgrad in den Zylindern zu realisieren. Daher müssen für die Saugkanaleindüsung groß dimensionierte Injektoren und ggfs. eine Mehrzahl an Turboladern eingesetzt werden. Der durch diese Komponenten beanspruchte Bauraum ist nachteilig groß, und da insbesondere die heutzutage eingesetzten Motorblöcke typischerweise noch auf den für Diesel- oder Ottokraftstoffen optimierten Typen beruhen, steht in der Praxis nur wenig zusätzlicher Bauraum zur Verfügung.
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Bei innerer Gemischbildung mittels Direkteindüsung von Wasserstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors besteht eine Schwierigkeit in der Bildung eines homogenen Gemischs, da neben der angesaugten Luft auch der Kraftstoff in gasförmigem Zustand bereitgestellt wird, was zu einer unvollständigeren Vermischung führt als bei Verwendung von Flüssigkraftstoffen. Ein inhomogenes Gemisch resultiert bei der Verbrennung nachteiligerweise in erhöhter Stickoxidbildung (NOx), einem reduzierten Motorwirkungsgrad und höherer Anfälligkeit für Klopfen. Dies insbesondere bei Verwendung von Verbrennungsmotoren mit flachem Brennraum, welche heutzutage insbesondere bei Lastkraftwagen und sonstigen Schwerlastfahrzeugen eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Betriebsdrücke von Direkteindüsungsvorrichtungen kann zudem nicht die gesamte Kapazität der zugehörigen Wasserstoff-Hochdrucktanks genutzt werden, da bei geringem Tankfüllstand kein ausreichender Vordruck mehr anliegt.
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Ein weiteres Problem von Direkteindüsungsvorrichtungen besteht in der mangelnden Gasdichtheit der darin eingesetzten Tellerventile. Daher kommt es nach Motorabschaltung zu einem Leckstrom in den Brennraum, bis dass der Druck im typischerweise verbauten gemeinsamen Verteilerrohr (common rail) der Direkteindüsungsvorrichtung abgebaut ist. Aufgrund der weiten Zündgrenzen von Luft-Wasserstoff-Gemischen, die bis zu einer Luftzahl von λ = 10 (entsprechend 4 Vol.-% Wasserstoff) herabreichen, kann aufgrund des Leckstroms ein zündfähiges Gemisch im Brennraum und im Abgastrakt gebildet werden, was ein unerwünschtes Sicherheitsrisiko darstellt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung offenbart gemäß Anspruch 1 ein Wasserstoffeindüsungssystem für einen zum Betrieb mit Wasserstoff als Kraftstoff ausgebildeten Verbrennungsmotor, umfassend eine Saugkanaleindüsungsvorrichtung zum Eindüsen von Wasserstoff in den Ansaugtrakt und eine Direkteindüsungsvorrichtung zum Eindüsen von Wasserstoff in den Brennraum.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, mittels einer Kombination von unterschiedlichen Eindüsungsvorrichtungen zur äußeren und inneren Gemischbildung die spezifischen Vorteile beider Konzepte zu vereinen. Wie nachstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung des Eindüsungssystems detaillierter offenbart ist, ist insbesondere vorgesehen, die Eindüsung von Wasserstoff wahlweise mit beiden oder nur mit einer der Eindüsungsvorrichtungen vorzunehmen, derart, dass für den jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors optimierte Verhältnisse etwa hinsichtlich des Füllgrads, der Homogenität des Gemischs sowie weiterer Faktoren einstellbar sind.
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Die Saugkanaleindüsungsvorrichtung ist insbesondere ausgebildet als
- - eine Zentraleindüsungsvorrichtung mit einem Zentralinjektor zum Eindüsen von Wasserstoff in einen unmittelbar an die Drosselklappe des Verbrennungsmotors anschließenden Abschnitt des Ansaugtrakts, oder
- - eine Mehrpunkteindüsungsvorrichtung vorzugsweise mit einer idealerweise der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors entsprechenden Anzahl von Einzelinjektoren zum Eindüsen von Wasserstoff in die unmittelbar vor den Einlassventilen der einzelnen Zylinder befindlichen Abschnitte des Ansaugtrakts, wobei insbesondere ein erstes gemeinsames Verteilerrohr (common rail) für die Wasserstoffversorgung aller Einzelinjektoren vorgesehen ist. Eine Auslegung mit beispielsweise zwei Injektoren je Zylinder ist im Rahmen der Erfindung ebenso denkbar.
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Der Ansaugtrakt umfasst alle Verbrennungsluft führenden Bauteile des Verbrennungsmotors, die sich vor dem Brennraum befinden. Er besteht in der Regel aus einer Ansaugöffnung, einem Luftfilter und einem auch als Ansaugkrümmer bezeichneten Saugrohr, welches über die Einlassventile in die Brennräume der Zylinder einleitet. Durch den Ansaugtrakt ist ein Saugkanal gebildet, welcher sich zwischen der Ansaugöffnung und den Brennräumen erstreckt. Die Drosselklappe ist zwischen dem Luftfilter und dem Saugrohr angeordnet, und der Zentralinjektor ist vorzugsweise hinter der Drosselklappe angeordnet. In der Ausführungsform mit Mehrpunkteindüsung werden die Einzelinjektoren vorteilhafterweise über ein gemeinsames Verteilerrohr, in welchem ein geregelter Wasserstoffdruck anliegt, mit gasförmigem Wasserstoff versorgt. Im Vergleich zu einem Zentralinjektor müssen die vorzugsweise je nur einem Zylinder zugeordneten Einzelinjektoren jeweils geringere Gasmassenströme eindüsen, sodass ihre Baumaße kleiner dimensioniert werden können.
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Vorteilhafterweise ist die Direkteindüsungsvorrichtung als eine Speichereindüsungsvorrichtung mit einem zweiten gemeinsamen Verteilerrohr (common rail) zur Wasserstoffversorgung aller Direktinjektoren der Direkteindüsungsvorrichtung ausgebildet. Die Direktinjektoren sind zum Eindüsen von gasförmigem Wasserstoff direkt in die Brennräume der einzelnen Zylinder ausgebildet. Die dazu notwendigen Betriebsdrücke von typischerweise bis zu 50 bar liegen vorzugsweise in dem gemeinsamen Verteilerrohr an, welcher somit als ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher zur Versorgung aller Injektoren fungiert.
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Beispielsweise umfasst das erfindungsgemäße Wasserstoffeindüsungssystem ein Druckregelungssystem zur Regelung des Wasserstoffdrucks zwischen einem Wasserstofftank und den Eindüsungsvorrichtungen, wobei das Druckregelungssystem einen Verteilerdruckregler zur Regelung des Wasserstoffdrucks im zweiten gemeinsamen Verteilerrohr aufweist, und/oder wobei das Druckregelungssystem einen Niederdruckregler zur Regelung des Wasserstoffvordrucks in der Saugkanaleindüsungsvorrichtung aufweist. Die heutzutage in Kraftfahrzeugen eingesetzten Drucktanks stehen im gefüllten Zustand unter Betriebsdrücken von 700 bar oder mehr. Das Druckregelungssystem sorgt für eine Bereitstellung der notwendigen Betriebsdrücke in den beiden Eindüsungsvorrichtungen. Die Direkteindüsungsvorrichtung arbeitet je nach Motorbetriebszustand typischerweise bei 10 bar - 50 bar, und ein solches Druckniveau wird mittels des Verteilerdruckreglers im zugehörigen Verteilerrohr vorgehalten. Zur Saugkanaleindüsung sind typischerweise Betriebsdrücke von 2 bar - 15 bar vonnöten, und der Niederdruckregler ist zur Bereitstellung eines entsprechenden Druckniveaus ausgebildet.
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Weiterhin offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Wasserstoffeindüsungssystems nach einer der vorgenannten Ausführungsformen im Betrieb eines mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors, wobei das Eindüsen von Wasserstoff in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung und/oder mittels der Direkteindüsungsvorrichtung durchgeführt wird.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Eindüsen von Wasserstoff
- - in einem Niederlastbetrieb nur mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung,
- - in einem Mittellastbetrieb mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung und mittels der Direkteindüsungsvorrichtung, und/oder
- - in einem Hochlastbetrieb nur mittels der Direkteindüsungsvorrichtung, durchgeführt wird.
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Im Niederlastbetrieb sind die benötigten Gasmassenströme und der benötigte Ladedruck gering, sodass eine ausreichende Zufuhr allein mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung leistbar ist. Dies birgt den Vorteil einer im Vergleich zur Direkteindüsung homogeneren Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemischs und somit einer effizienteren und schadstoffärmeren Verbrennung. Ein weiterer Vorteil ist der Betrieb des Motors bei einem höheren Wirkungsgrad, was durch die im Vergleich zur Direkteindüsung stärkere Entdrosselung (stärkere Öffnung der Drosselklappe / magerer Betrieb) und somit geringeren Widerstand beim Ansaugen der Luft bedingt ist. Zudem wird so die Lebensdauer der Direktinjektoren erhöht, deren Verschleiß sonst im Niederlastbetrieb am höchsten ausfällt. Hintergrund ist, dass die an die Magnetspule oder den Piezoaktor der Injektoren anzulegenden elektrischen Spannungen zur Überwindung der Injektor-Druckfeder umso größer, und somit potentiell schädlicher, sind, je geringer der benötigte Wasserstoffdruck bei der Eindüsung ist, d.h., je geringer die Motorlast. Die Betriebsgrenzen des Niederlastbetriebs mit ausschließlicher Saugkanaleindüsung sind insbesondere durch die konkrete Ausführungsform der Saugkanaleindüsungsvorrichtung gegeben, wobei mittels einer Zentraleindüsung im Vergleich zu einer Mehrpunkteindüsung typischerweise nur geringere Lastbereiche abdeckbar sind. Insbesondere wird der Motorleerlauf lediglich mittels Saugkanaleindüsung betrieben.
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Im Mittellastbetrieb ist ein kombiniertes Eindüsen von Wasserstoff mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung und der Direkteindüsungsvorrichtung vorgesehen, und bei Hoch- oder Volllast kann insbesondere ausschließlich Direkteindüsung zum Einsatz kommen. Die hohen Ladedrücke zur Erzielung hoher Motorleistung werden durch die Direkteindüsungsvorrichtung bereitgestellt, und daher können die Injektoren der Saugkanaleindüsungsvorrichtung vorteilhafterweise weniger leistungsfähig und somit kleiner dimensioniert sein. Beim kombinierten Eindüsen sorgt der Beitrag der Saugkanaleindüsung zu einer verbesserten Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemischs.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Abschalten der Direktinjektoren unmittelbar nach einem Abfall der Motorlast aus einem Mittellast- oder Hochlastbetrieb bis in den Motorleerlauf (engl.: „Drop-to-Idle“) und einen Betrieb des Verbrennungsmotors ausschließlich mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Abschalten der Direktinjektoren initiiert wird, sobald ein einen gewissen Ratenschwellwert überschreitender Motorlastabfall stattfindet. Dadurch kann ein effizienter Betrieb des Motors und eine Verhinderung von erhöhtem Schadstoffausstoß im transienten Bereich ermöglicht werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Eindüsen von Wasserstoff wenigstens anteilig
- - mittels einer als Zentraleindüsungsvorrichtung ausgebildeten Saugkanaleindüsungsvorrichtung im Lastbereich von weniger als 30% der Motorvolllast,
- - mittels einer als Mehrpunkteindüsungsvorrichtung ausgebildeten Saugkanaleindüsungsvorrichtung im Lastbereich von weniger als 80% der Motorvolllast, und/oder
- - mittels der Direkteindüsungsvorrichtung in einem Lastbereich von 20% - 40% der Motorvolllast bis zur Motorvolllast
durchgeführt.
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Lastbereiche unterhalb von 20% - 40% der Motorvollast werden typischerweise ausschließlich mittels Saugkanaleindüsung betrieben, wobei oberhalb dieses Grenzbereichs in zunehmendem Maße die Direkteindüsung zur Reduzierung des notwendigen Ladedrucks zugeschaltet wird. Bei Verwendung einer Zentraleindüsungsvorrichtung erstreckt sich der Bereich kombinierter Eindüsung beispielsweise bis ca. 30% der Motorvolllast und oberhalb davon findet ausschließliche Direkteindüsung statt. Bei einer als Mehrpunkteindüsungsvorrichtung ausgebildeten Saugkanaleindüsungsvorrichtung kann sich der Bereich kombinierter Eindüsung bis zu 80% der Motorvolllast erstrecken.
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Vorteilhafterweise wird das Eindüsen von Wasserstoff unmittelbar vor dem Ausschalten des Verbrennungsmotors nur mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung durchgeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass Leckage-Wasserstoff aus den geschlossenen Direktinjektoren restlos verbrannt wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass im Anschluss an die Betätigung des Zündschlüssels der Verbrennungsmotor noch so lange mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung ausläuft, bis dass das gesamte Verteilerrohr der Direkteindüsungsvorrichtung geleert ist. Aufgrund ihrer abweichenden Bauform sind die Injektoren zur Saugkanaleindüsung gasdicht.
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Außerdem ist bevorzugt, dass unmittelbar vor oder nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors der Kraftstoffdruck aus dem zweiten gemeinsamen Verteilerrohr der Direkteindüsungsvorrichtung abgebaut wird, indem der Kraftstoff aus dem zweiten gemeinsamen Verteilerrohr dem Zentralinjektor oder dem ersten gemeinsamen Verteilerrohr zur Verfügung gestellt wird. Vorteilhafterweise kann dies mithilfe eines Überführventils des Druckregelungssystems, welches zwischen dem zweiten gemeinsamen Verteilerrohr und dem ersten gemeinsamen Verteilerrohr angeordnet ist, bewerkstelligt werden. Durch den Abbau des Drucks im zweiten gemeinsamen Verteilerrohr kann eine Leckage des Wasserstoffeindüsungssystems minimiert und die Lebensdauer der Direktinjektoren durch eine verringerte Dauerbelastung erhöht werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, in einem Notbetrieb des Verbrennungsmotors das Eindüsen von Wasserstoff nur mittels der Saugkanaleindüsungsvorrichtung durchzuführen. Ein solcher Notbetrieb ist insbesondere bei geringem Füllstand, d.h., bei geringem Betriebsdruck des zugehörigen Wasserstofftanks zweckmäßig. Da die zur Saugkanaleindüsung notwendigen Betriebsdrücke wesentlich geringer sind als bei der Direkteindüsung, kann der Wasserstofftank im Notbetrieb tiefer entladen werden, sodass die Reichweite des Kraftfahrzeugs gesteigert wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem einen Verbrennungsmotor zum Betrieb mit Wasserstoff als Kraftstoff, wenigstens umfassend ein erfindungsgemäßes Wasserstoffeindüsungssystem und ein Motorsteuerungsgerät, welches zur Steuerung des Wasserstoffeindüsungssystems mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer der vorgenannten Ausführungsformen ausgebildet ist.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher dargestellt. Es zeigt in schematischer Darstellung:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, und
- 3 eine beispielhafte Motorkennlinie zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 und 2 zeigen schematisch ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1000 zum Betrieb mit Wasserstoff als Kraftstoff, jeweils umfassend ein erfindungsgemäßes Wasserstoffeindüsungssystem 100. Das Wasserstoffeindüsungssystem 100 weist jeweils die Saugkanaleindüsungsvorrichtung 1 zum Eindüsen von Wasserstoff in den Ansaugtrakt 200 sowie die Direkteindüsungsvorrichtung 2 zum Eindüsen von Wasserstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors 1000 auf, welcher beispielhaft vier Zylinder aufweist. Das Wasserstoffeindüsungssystem 100 umfasst jeweils weiterhin das Druckregelungssystem 3 zur Regelung des Wasserstoffdrucks zwischen dem zugeordneten Wasserstofftank 2000 und den beiden Eindüsungsvorrichtungen 1, 2. Zudem umfasst der Verbrennungsmotor 1000 jeweils das Motorsteuerungsgerät 400, welches zur Steuerung des Wasserstoffeindüsungssystems 100 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Die Direkteindüsungsvorrichtung 2 ist jeweils als eine Speichereindüsungsvorrichtung mit dem gemeinsamen Verteilerrohr 21 zur Wasserstoffversorgung der vier Direktinjektoren 22 ausgebildet ist.
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Das Druckregelungssystem 3 weist jeweils den Verteilerdruckregler 31 zur Regelung des Wasserstoffdrucks im gemeinsamen Verteilerrohr 21 der Direkteindüsungsvorrichtung 2 sowie den Niederdruckregler 32 zur Regelung des Wasserstoffvordrucks in der Saugkanaleindüsungsvorrichtung 2 auf. Weiterhin umfasst das Druckregelungssystem 3 das Absperrventil 33 sowie das Überdruckventil 34.
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Der an die Drosselklappe 300 anschließende Ansaugtrakt 200 bildet den in die Brennräume der vier Zylinder einleitenden Saugkanal, in welchen Wasserstoff mittels der jeweiligen Saugkanaleindüsungsvorrichtung 2 eindüsbar ist. In 1 ist diese als ein Zentraleindüsungsvorrichtung mit dem Zentralinjektor11 ausgebildet, welcher zum Eindüsen von Wasserstoff in den unmittelbar an die Drosselklappe 300 anschließenden Abschnitt des Ansaugtrakts 200 angeordnet ist. In 2 ist die Saugkanaleindüsungsvorrichtung 2 als eine Mehrpunkteindüsungsvorrichtung mit den hier beispielhaft vier Einzelinjektoren 12 zum Eindüsen von Wasserstoff in die unmittelbar vor den Einlassventilen der einzelnen Zylinder befindlichen Abschnitte des Ansaugtrakts 200 ausgebildet, wobei das gemeinsame Verteilerrohr 13 für die Wasserstoffversorgung aller Einzelinjektoren 12 vorgesehen ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann zwischen dem zweiten gemeinsamen Verteilerrohr 21 und dem Niederdruckregler 32 ein Überführventil 35 (nicht dargestellt) angeordnet sein, mit dessen Hilfe Kraftstoff aus dem zweiten gemeinsamen Verteilerrohr 21 dem ersten gemeinsamen Verteilerrohr 13 zur Verfügung gestellt werden kann.
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3 zeigt zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens eine beispielhafte Motorkennlinie eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, welche die Motorlast als Funktion der Motordrehzahl darstellt. Gemäß dem Verfahren zur Steuerung des Wasserstoffeindüsungssystems ist vorgesehen, dass das Eindüsen von Wasserstoff in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand mittels Saugkanaleindüsung und/oder mittels Direkteindüsung durchgeführt wird. Vorliegend wird im Niederlastbetrieb I nur die Saugkanaleindüsungsvorrichtung und im Hochlastbetrieb III nur die Direkteindüsungsvorrichtung betrieben, wobei im Mittellastbetrieb II beide Eindüsungsvorrichtungen zum Eindüsen von Wasserstoff in Kombination verwendet werden. Die anteiligen Beiträge von Saugkanal- und Direkteindüsung verschieben sich innerhalb des Mittellastbetriebs II mit steigender Motorlast zugunsten der Direkteindüsung. Die Grenze zwischen dem Niederlastbetrieb I und dem Mittellastbetrieb II liegt bei ca. 30% der Motorvolllast bzw. zwischen dem Mittellastbetrieb II und dem Hochlastbetrieb III bei ca. 80% der Motorvolllast. Eine solche Einteilung der Betriebsbereiche ist beispielsweise für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 mit einer als Mehrpunkteindüsungsvorrichtung ausgebildeten Saugkanaleindüsungsvorrichtung zweckmäßig.
