EP4483048A1 - Verfahren und steuereinheit zum steuern eines turboaufgeladenen wasserstoffmotors - Google Patents

Verfahren und steuereinheit zum steuern eines turboaufgeladenen wasserstoffmotors

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EP4483048A1
EP4483048A1 EP22840065.1A EP22840065A EP4483048A1 EP 4483048 A1 EP4483048 A1 EP 4483048A1 EP 22840065 A EP22840065 A EP 22840065A EP 4483048 A1 EP4483048 A1 EP 4483048A1
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EP
European Patent Office
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hydrogen
air
operating states
engine
range
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22840065.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Giovanni Cornetti
Horst Mueller
Moritz Hoess
Gabriele Sgroi
Holger Kauss
Samuel WEINBRENNER
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a method and a control unit for controlling a turbocharged hydrogen engine.
  • Hydrogen offers potentially COj-free energy for mobile and stationary applications.
  • internal combustion engines with hydrogen as fuel are also known, which have advantages for certain market segments, such as greater robustness in off-highway applications.
  • established technologies are used, resulting in lower manufacturing and maintenance costs.
  • a method for controlling a turbocharged hydrogen engine for burning an air-hydrogen mixture with an air-hydrogen ratio X greater than 1 is proposed, with the hydrogen engine being designed to assume steady-state operating states and transient operating states, with ignition times in the transient operating states being be adjusted later than in the stationary operating states.
  • the subject hydrogen engine has one or more cylinders arranged in a desired manner in an engine block.
  • An axially movable piston is located in each cylinder and is moved by a hydrogen-air mixture which is compressed and ignited in a chamber defined by the piston.
  • the ignition point at which an ignition spark is triggered at a spark plug is made dependent on the position of the piston and generally depends on a flame propagation speed and various operating and environmental parameters of the hydrogen engine. It is common to advance the ignition timing toward an earlier point in time, i.e., points in time close to a top dead center, with increasing engine speed.
  • the ignition timing can be adjusted within certain limits to optimize combustion in a current operating condition and to avoid both knocking and backfire. At full load, for example, knocking could result from ignition timing that is too early, while ignition timing that is too late could result in backfire. In this way, a kind of ignition time range can be defined in which the ignition times should lie. The ignition timing range can depend on the load and tends to be earlier at part load than at full load.
  • transient operating states can be significantly improved by the method according to the invention and the hydrogen engine controlled by this method can be operated significantly more dynamically in order to achieve full-load operation more quickly. According to the invention, this is carried out very cost-effectively, since practically no modifications to the hydrogen engine are necessary.
  • Alternatives to improve the response of a hydrogen engine may include alternative combustion strategies and measures to increase the gas mass in the cylinders.
  • An alternative combustion strategy would be, for example, stoichiometric engine operation, which, however, is associated with a tendency to knock, particularly in the higher-velocity range, as mentioned above.
  • fuel consumption is increased compared to lean combustion processes.
  • Measures to increase Gas mass in the cylinder can, for example, have an electrical charge; support with a separate electric machine, air injection in an intake manifold of the engine, and other measures. However, these could significantly increase system complexity and manufacturing costs.
  • Retarding the ignition angle can temporarily lead to increased fuel consumption. However, since the retardation is intended exclusively for transient and consequently non-stationary operating states in which an increased torque requirement is desired, this additional consumption is significantly limited overall. As soon as the desired boost pressure is reached in the hydrogen engine, the ignition angle can be shifted back into a range for optimal (mechanical) efficiency.
  • the air-to-hydrogen ratio X in the steady-state operating conditions can be set to a larger value than in the transient operating conditions.
  • the cylinders of the hydrogen engine can be filled significantly more in the transient operating conditions than in the stationary operating conditions. This results in an increased exhaust gas enthalpy and consequently an at least temporarily improved response behavior of the turbocharger to increase the torque.
  • the air-to-hydrogen ratio X can be in the range from 2 to 4 in the stationary operating states and 2 or lower in the transient operating states, preferably in a range from 1.7 to 2 Combustion stability and low nitrogen oxide emissions achieved.
  • demands for a rapid and significant increase in torque are comparatively low and the operation of the hydrogen engine is less dynamic. However, this allows operation in a rather lean range.
  • transient operating states on the other hand, richer mixtures can be used, at least for a short time.
  • an air-to-hydrogen ratio below about 1.5 to 1.7 should be avoided in order to further reduce the risk of rather uncontrolled burns. It might make sense to limit the air-to-hydrogen ratio down to 1.7, for example.
  • the ignition times in the transient operating states could be in a range from 20° to 45°, preferably in a range from 38° to 42°, after top dead center.
  • the flame propagation speed of hydrogen is significantly higher than that of petrol or diesel, so that the ignition timing can be well after top dead center. The later the ignition point is, the more the cylinder in question can be loaded with an air-hydrogen mixture. It can therefore be advisable to adjust the ignition timing by up to 45° after top dead center in transient operating states when a higher torque increase is required.
  • the ignition times could be in a range from 0° to 25°, preferably in a range from 5° to 20°, after top dead center. This results in optimal combustion with low nitrogen oxide production.
  • the ignition times could be adjusted later. Consequently, the greater the required increase in torque, the spark timing could be retarded.
  • the exhaust gas enthalpy can be increased as required to improve the response of the turbocharger and thus a compressor coupled to the turbocharger to increase the air mass flow, but can be generated in a consumption- and emission-optimized manner in stationary phases. It would be conceivable to linearly convert a torque increase request into an ignition timing adjustment. It is also conceivable to implement this relationship exclusively for torque increase requests that are in a range from 25% to 100% and preferably from 50% to 100% of a theoretical, maximum torque increase request. It is also conceivable to retard the ignition point accordingly only after a threshold value for a desired increase in torque has been reached.
  • the ignition times could also be adjusted back to the range of steady-state operating states when a predetermined pressure is reached at a compressor coupled to the turbocharger of the hydrogen engine. Since the Since a measure to improve the response behavior is only necessary in the transient operating states, the ignition point can be adjusted back into the optimal range immediately when the desired boost pressure is reached. The efficiency is then back in the optimum range.
  • the air-to-hydrogen ratio X in the transient operating states could be decreased by increasing an amount of hydrogen injected into the hydrogen engine.
  • the exhaust gas enthalpy is increased as a result and the turbocharger is subjected to significantly greater mechanical stress for a short period of time. Due to the mass inertia of the combination of turbocharger and compressor, the air mass flow for combustion initially remains largely constant or initially increases only slightly.
  • the invention also relates to a control unit for controlling a turbocharged hydrogen engine for combusting an air-hydrogen mixture, the control unit being designed to carry out the method presented above.
  • the invention relates to a hydrogen engine, having at least one cylinder, a turbocharger, a compressor and the aforementioned control unit. This is operationally coupled to the components of the hydrogen engine and is designed to regulate the operation of the hydrogen engine.
  • FIG. 1 is a schematic, block-based representation of a hydrogen engine
  • FIG. 1 shows a hydrogen engine 2 which has a plurality of cylinders 6 in which an air-hydrogen mixture is ignited by spark plugs 4 .
  • the hydrogen engine has an air inlet 8 and a hydrogen inlet 10 .
  • a turbocharger 12 is provided, through which flows exhaust gas that emerges from an exhaust gas outlet 14 .
  • the turbocharger 12 is coupled to a compressor 13 which compresses air and conveys air into the air inlet 8 .
  • the illustration here is very schematic and can be supplemented by the usual line and valve arrangements.
  • a control unit 16 is coupled to the hydrogen engine 2 and can, among other things, cause the ignition of the spark plugs 4, the ignition being generally correlated with a rotational angular position of an engine shaft (not shown).
  • a number of sensors are provided which are not shown here and which enable the control unit 16 to detect a current operating state of the hydrogen engine 2 . These could be temperature, pressure and mass flow sensors, for example, which can be arranged at different points on the hydrogen engine 2 .
  • the control unit 16 is designed to carry out a method for controlling the hydrogen engine 2 for combusting an air-hydrogen mixture with an air-hydrogen ratio X greater than 1, with the hydrogen engine 2 being designed to assume steady-state operating states and transient operating states.
  • the control unit 16 is designed in such a way that ignition times are later in transient operating states than in steady-state operating states.
  • the turbocharger 12 can then be subjected to a significantly greater exhaust gas enthalpy and the torque build-up of the hydrogen engine 2 can be increased by greater acceleration of the compressor 13 support. If more dynamics are required, the ignition points can be adjusted up to a maximum of about 40° - 45° after top dead center (TDC). If the desired torque build-up by the hydrogen engine 2 is at least approximately achieved, or if a desired pressure is present at the compressor 13, the ignition point can be shifted back into the optimum range, ie back toward top dead center.
  • TDC top dead center
  • the air/hydrogen ratio X is set to a greater value in the stationary operating states than in the transient operating states, approximately in a range from 3 to 4. In the transient operating states, however, the air/hydrogen ratio is preferably below 3 in a range of 2 to 2.5. This can be achieved in particular by temporarily filling the cylinders 6 with more hydrogen.
  • 2a and 2b show two diagrams in which the optimization of the combustion in the hydrogen engine 2 is shown.
  • FIG. 2a In a first diagram in FIG. 2a, various operating points of internal combustion engines are plotted as a function of the air/fuel ratio X on the vertical axis and the ignition timing in degrees after top dead center (TDC) on the horizontal axis.
  • TDC top dead center
  • a first operating point 18, a second operating point 20 and a third operating point 22 of a diesel engine are shown with a dot-dash line.
  • the first operating point 18 is at an air/fuel ratio X of more than 4 and corresponds to part-load operation.
  • full-load operation is represented by the third operating point 22 .
  • Second operating point 20 is passed through on the way to third operating point 22 .
  • the second operating point 20 that is passed through can be at the smoke limit of the engine.
  • the second operating point 20 is transient, while the first operating point 18 and the third operating point 22 are stationary.
  • a boost pressure is sufficient to allow a greater air mass flow into the engine to initiate During the transition from the first operating point 18 to the third operating point 22, ignition timings are continuously retarded.
  • a conventional hydrogen engine is controlled in a similar way.
  • three operating states 24, 26 and 28 are shown, which correspond to part-load operation, a transient state and full-load operation.
  • the ignition timing is continuously retarded.
  • the air/hydrogen ratio X drops from around 4 to just over 2.
  • the course between these three operating states 24, 26 and 28 is shown with solid lines.
  • the regulation according to the invention is indicated by the dashed line.
  • the first operating state 24, a second operating state 30 and the third operating state 26 are assumed one after the other.
  • the second operating point 30 in the regulation according to the invention is at a clearly different point in the diagram in FIG. 2a.
  • the ignition timing is retarded significantly beyond the ignition timing of the third operating state 28, so that the ignition timing in the transient operating state is significantly higher than in the steady-state operating states 24 and 28.
  • the exhaust gas enthalpy can be increased significantly and the charge pressure can be built up more quickly, so that a stronger air mass flow can be built up in a very short time.
  • the ignition point in second operating state 30 is approximately 40° after top dead center, while in full-load operation, i.e. in third operating state 28, it is approximately 20° after TDC.
  • Operating limits of the hydrogen engine 2 are delimited by hatched areas.
  • the air/hydrogen ratio X can be between about 2 and 4 at earlier ignition times, with these limits decreasing somewhat with later ignition times and being between about 1.5 and 3.5 at ignition times of about 40° after top dead center .
  • FIG. 2b shows the corresponding curves of the torque T of the conventional hydrogen engine and of the hydrogen engine 2 regulated according to the invention in a diagram.
  • the torque is in the second operating state 30 of the hydrogen engine 2 regulated according to the invention is significantly above the torque of the conventionally regulated hydrogen engine in its second operating state 26, so that the third operating state 28 is reached significantly more quickly in the hydrogen engine 2 regulated according to the invention than in the conventionally regulated one

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff-Gemischs mit einem Luft-Wasserstoff-Verhältnis  größer 1 vorgeschlagen, wobei der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, stationäre Betriebszustände und transiente Betriebszustände einzunehmen, wobei Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen nach später verstellt werden als in den stationären Betriebszuständen.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren und Steuereinheit zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinheit zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors.
Stand der Technik
Wasserstoff bietet potenziell COj-freie Energie für mobile und stationäre Anwendungen. Neben Brennstoffzellen sind auch Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff als Kraftstoff bekannt, die für bestimmte Marktsegmente Vorteile aufweisen, etwa eine höhere Robustheit in Off-Highway-Anwendungen. Darüber hinaus werden etablierte Technologien verwendet, die in günstigeren Herstellungs- und Wartungskosten resultieren.
Um bei Wasserstoffmotoren eine Verbrennungsstabilität zu gewährleisten und gleichzeitig Stickoxid-Emissionen zu begrenzen, ist es sinnvoll, Wasserstoffmotoren in einem Magerbetrieb zu betreiben, d.h. mit einem hohem Luftüberschuss. Die hierfür gewählte Luftüberschusszahl ist idealerweise 2 oder größer. Dabei nimmt nur ein Teil der Frischluft an der Verbrennung teil, was zu Einbußen bei einer stationären Leistungsdichte und bei einem dynamischen Drehmomentaufbau führen kann. Der Wasserstoffmotor folgt daher dem Drehmomentwunsch nur mit Verzögerung, insbesondere im Vergleich mit dem Drehmomentaufbau eines modernen Diesel- oder Ottomotors. Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und/oder eine Steuerung für einen Wasserstoffmotor vorzuschlagen, um ein verbessertes Ansprechverhalten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff-Gemischs mit einem Luft-Wasserstoff- Verhältnis X größer 1 vorgeschlagen, wobei der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, stationäre Betriebszustände und transiente Betriebszustände einzunehmen, wobei Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen nach später verstellt werden als in den stationären Betriebszuständen.
Der betreffende Wasserstoffmotor weist einen oder mehrere Zylinder auf, die in einer gewünschten Weise in einem Motorblock angeordnet sind. In jedem Zylinder ist ein axial bewegbarer Kolben angeordnet und wird durch ein Wasserstoff-Luft-Gemisch, das in einer von dem Kolben begrenzten Kammer verdichtet und gezündet wird, bewegt. Der Zündzeitpunkt, in dem ein Zündfunke an einer Zündkerze ausgelöst wird, wird dabei von der Stellung des Kolbens abhängig gemacht und hängt generell von einer Flammausbreitungsgeschwindigkeit und verschiedenen Betriebs- und Umgebungsparametern des Wasserstoffmotors ab. Es ist üblich, den Zündzeitpunkt mit steigender Drehzahl in Richtung eines früheren Zeitpunkts zu verstellen, d.h. in Zeitpunkte nahe an einem oberen Totpunkt.
Es ist üblich, den Zündzeitpunkt für jeden Betriebszustand des Wasserstoffmotors derart einzustellen, dass ein optimaler Wirkungsgrad vorliegt. Dies könnte unter anderem eine Auswertung des sogenannte MFB50-Punktes („Mass Fraction Burned“) beinhalten, bei dem die Hälfte des Wasserstoffs verbrannt ist. Der Zündzeitpunkt kann in gewissen Grenzen verstellt werden, um die Verbrennung in einem momentanen Betriebszustand zu optimieren und sowohl Klopfen als auch Rückzündungen zu vermeiden. Bei Volllast könnte etwa durch zu frühe Zündzeitpunkte ein Klopfen entstehen, während bei zu späten Zündzeitpunkten eher Rückzündungen entstehen könnten. Hierdurch kann eine Art Zündzeitbereich definiert werden, in dem die Zündzeitpunkte liegen sollten. Der Zündzeitbereich kann von der Last abhängen und bei Teillast tendenziell früher liegen als bei Volllast.
Im Rahmen von Messungen an einem Motorprüfstand wurde überraschend festgestellt, dass eine Spätverstellung des Zündwinkels bei Wasserstoffmotoren Vorteile hinsichtlich der Stickoxid-Emissionen und der Stabilität der Verbrennung bietet. Hierdurch kann der vorgesehene Luftüberschuss verringert werden. Damit kann vorübergehend eine größere Menge an Wasserstoff in Wärme umgesetzt werden. Außerdem verbleibt durch eine solche Spätverstellung des Zündzeitpunkts grundsätzlich ein höherer Anteil der durch die Verbrennung freigesetzten Energie in dem aus dem Wasserstoffmotor strömenden Abgas. Durch eine damit einhergehende erhöhte Abgasenthalpie kann das Ansprechverhalten des im Abgaspfad angeordneten Turboladers, folglich des damit gekoppelten Verdichters zum Vergrößern des Luftmassenstroms und damit der gesamte Drehmomentaufbau des Motors verbessert werden.
Folglich können durch das erfindungsgemäße Verfahren transiente Betriebszustände deutlich verbessert werden und der durch dieses Verfahren geregelte Wasserstoffmotor kann deutlich dynamischer zur rascheren Erreichung eines Volllastbetriebs betrieben werden. Dies wird erfindungsgemäß sehr kosteneffizient durchgeführt, da praktisch keine Modifikationen an dem Wasserstoff motor notwendig sind.
Alternativen zur Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Wasserstoffmotors können alternative Strategien der Verbrennung und Maßnahmen zur Steigerung der Gasmasse in den Zylindern umfassen. Eine alternative Strategie der Verbrennung läge beispielsweise in einem stöchiometrischen Motorbetrieb, der jedoch insbesondere im höheriastigen Bereich, wie vorangehend erwähnt, mit einer Klopfneigung verbunden ist. Zudem ist im Vergleich zu mageren Brennverfahren der Kraftstoffverbrauch erhöht. Maßnahmen zur Steigerung der Gasmasse im Zylinder können beispielsweise eine elektrische Aufladung; eine Unterstützung mit einer separaten, elektrischen Maschine, eine Luft-Einblasung in einem Saugrohr des Motors und andere Maßnahmen umfassen. Diese könnten jedoch die System- Komplexität und die Herstellungskosten deutlich erhöhen.
Die Spätverstellung des Zündwinkels kann zwar temporär zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen. Da die Spätverstellung jedoch ausschließlich für transiente und folglich instationäre Betriebszustände vorgesehen ist, in denen eine erhöhte Drehmomentanforderung gewünscht ist, wird dieser Mehrverbrauch insgesamt deutlich begrenzt. Sobald der gewünschte Ladedruck in dem Wasserstoffmotor erreicht wird, kann der Zündwinkel wieder in einen Bereich für einen optimalen (mechanischen) Wirkungsgrad zurückverschoben werden.
Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X in den stationären Betriebszuständen kann auf einen größeren Wert eingestellt werden als in den transienten Betriebszuständen. Folglich können die Zylinder des Wasserstoffmotors in den transienten Betriebszuständen deutlich stärker befüllt werden, als in stationären Betriebszuständen. Dadurch wird eine erhöhte Abgasenthalpie und folglich ein zumindest kurzzeitig verbessertes Ansprechverhalten des Turboladers zur Erhöhung des Drehmoments erreicht.
Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X kann in den stationären Betriebszuständen in einem Bereich von 2 bis 4 liegen und in den transienten Betriebszuständen bei 2 oder niedriger, bevorzugt in einem Bereich von 1,7 bis 2. Hierdurch werden in den stationären Betriebszuständen eine sehr hohe Verbrennungsstabilität und geringe Stickoxidemissionen erreicht. Dort sind Forderungen nach einem raschen und deutlichen Drehmomentanstieg vergleichsweise gering und der Betrieb des Wasserstoffmotors ist weniger dynamisch. Dies ermöglicht jedoch den Betrieb in einem eher mageren Bereich. In transienten Betriebszuständen hingegen können zumindest kurzzeitig fettere Gemische eingesetzt werden. Ein Luft-Wasserstoff-Verhältnis unterhalb von etwa 1,5 bis 1,7 ist dabei jedoch zu vermeiden, um die Gefahr von eher unkontrollierten Verbrennungen noch weiter zu reduzieren. Es könnte sinnvoll sein, das Luft-Wasserstoff-Verhältnis nach unten auf beispielsweise 1,7 zu beschränken. Die Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen könnten in einem Bereich von 20° bis 45°, bevorzugt in einem Bereich von 38° bis 42° nach dem oberen Totpunkt liegen. Die Flammausbreitungsgeschwindigkeit von Wasserstoff ist deutlich größer als von Benzin oder Diesel, sodass die Zündzeitpunkte deutlich nach dem oberen Totpunkt liegen können. Je später der Zündzeitpunkt liegt, desto stärker kann der betreffende Zylinder mit einem Luft-Wasserstoff- Gemisch beladen werden. Es kann sich folglich anbieten, in transienten Betriebszuständen bei Forderung eines höheren Drehmomentanstiegs einen Zündzeitpunkt um bis zu 45° nach dem oberen Totpunkt zu verstellen.
Die Zündzeitpunkte könnten in den stationären Betriebszuständen in einem Bereich von 0° bis 25°, bevorzugt in einem Bereich von 5° bis 20° nach dem oberen Totpunkt liegen. Hierdurch wird eine optimale Verbrennung mit geringer Stickoxidentstehung realisiert.
Die Zündzeitpunkte könnten in den transienten Betriebszuständen mit größer werdendem Drehmomentanstieg nach später verstellt werden. Folglich könnte, je größer der geforderte Anstieg des Drehmoments ist, der Zündzeitpunkt später liegen. Damit kann die Abgasenthalpie bedarfsgerecht zum verbesserten Ansprechen des Turboladers und damit eines mit dem Turbolader gekoppelten Verdichters zur Vergrößerung des Luftmassenstroms erhöht werden, in stationären Phasen jedoch Verbrauchs- und emissionsoptimiert erzeugt werden. Es wäre denkbar, eine Drehmomentanstiegsforderung linear in eine Zündzeitpunktverstellung umzusetzen. Denkbar ist weiterhin, diesen Zusammenhang ausschließlich bei Drehmomentanstiegsforderungen durchzuführen, die in einem Bereich von 25 % bis 100 % und bevorzugt von 50 % bis 100 % einer theoretischen, maximalen Drehmomentanstiegsforderung liegen. Weiterhin ist denkbar, erst ab Erreichen eines Schwellenwerts für einen gewünschten Drehmomentanstieg den Zündzeitpunkt entsprechend nach spät zu verstellen.
Die Zündzeitpunkte könnten weiterhin bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks an einem mit dem Turbolader des Wasserstoffmotors gekoppelten Verdichters in den Bereich stationärer Betriebszustände zurückverstellt werden. Da die Maßnahme zur Verbesserung des Ansprechverhaltens nur in den transienten Betriebszuständen erforderlich ist, kann der Zündzeitpunkt folglich unmittelbar dann wieder in den optimalen Bereich verstellt werden, wenn der gewünschte Ladedruck erreicht wird. Der Wirkungsgrad ist dann wieder in dem optimalen Bereich.
Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X in den transienten Betriebszuständen könnte durch Erhöhung einer in den Wasserstoffmotor eingespritzten Wasserstoffmenge gesenkt werden. Die Abgasenthalpie wird dadurch erhöht und der Turbolader entsprechend kurzzeitig mechanisch deutlich stärker beaufschlagt. Temporär bleibt aufgrund der Massenträgheit der Kombination aus Turbolader und Verdichter der Luftmassenstrom für die Verbrennung zunächst weitgehend konstant bzw. steigt anfänglich nur schwach an.
Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff- Gemischs, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das vorangehend dargestellte Verfahren auszuführen.
Schließlich betrifft die Erfindung einen Wasserstoffmotor, aufweisend mindestens einen Zylinder, einen Turbolader, einen Verdichter und die vorangehend erwähnte Steuereinheit. Diese ist betriebsmäßig mit den Komponenten des Wasserstoffmotors gekoppelt und dazu ausgebildet, den Betrieb des Wasserstoff motors zu regeln.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Zeichnung
Es zeigen Figur 1 eine schematische, blockbasierte Darstellung eines Wasserstoffmotors und
Figur 2a und 2bVerbrennungs- und Drehmomentdiagramme.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt einen Wasserstoffmotor 2, der mehrere Zylinder 6 aufweist, in denen ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch Zündkerzen 4 gezündet wird. Der Wasserstoffmotor weist einen Lufteingang 8 und einen Wasserstoffeingang 10 auf. Ein Turbolader 12 ist vorgesehen, der von Abgas durchströmt wird, das aus einem Abgasauslass 14 austritt. Der Turbolader 12 ist mit einem Verdichter 13 gekoppelt, der Luft verdichtet und Luft in den Lufteingang 8 fördert. Die Darstellung ist hier sehr schematisch ausgeführt und kann durch übliche Leitungs- und Ventilanordnungen ergänzt werden.
Eine Steuereinheit 16 ist mit dem Wasserstoffmotor 2 gekoppelt und kann unter anderem die Zündung der Zündkerzen 4 veranlassen, wobei die Zündung im Allgemeinen mit einer Drehwinkelstellung einer Motorwelle (nicht gezeigt) korreliert wird. Es sind mehrere Sensoren vorgesehen, die hier nicht dargestellt sind und die es der Steuereinheit 16 ermöglichen, einen momentanen Betriebszustand des Wasserstoffmotors 2 zu erkennen. Dies könnten etwa Temperatur-, Druck- und Massenstromsensoren sein, die an unterschiedlichen Stellen des Wasserstoffmotors 2 angeordnet sein können.
Die Steuereinheit 16 ist dazu ausgebildet, ein Verfahren zum Steuern des Wasserstoffmotors 2 zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff-Gemischs mit einem Luft-Wasserstoff-Verhältnis X größer als 1 auszuführen, wobei der Wasserstoffmotor 2 dazu ausgebildet ist, stationäre Betriebszustände und transiente Betriebszustände einzunehmen. Die Steuereinheit 16 ist dabei so ausgebildet, dass Zündzeitpunkte in transienten Betriebszuständen später liegen als in stationären Betriebszuständen. Der Turbolader 12 kann dann mit einer deutlich größeren Abgasenthalpie beaufschlagt werden und den Drehmomentaufbau des Wasserstoffmotors 2 durch stärkere Beschleunigung des Verdichters 13 unterstützen. Die Zündzeitpunkte können bei stärkerer geforderter Dynamik bis zu einem Maximum von etwa 40° - 45° nach dem oberen Totpunkt (OT) verstellt werden. Ist der gewünschte Drehmomentaufbau durch den Wasserstoffmotor 2 zumindest annähernd erfolgt, bzw. liegt ein gewünschter Druck an dem Verdichter 13 an, kann der Zündzeitpunkt wieder in den optimalen Bereich, d.h. wieder in Richtung des oberen Totpunktes, verschoben werden.
Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X wird in den stationären Betriebszuständen auf einen größeren Wert eingestellt wird als in den transienten Betriebszuständen, etwa in einem Bereich von 3 bis 4. In den transienten Betriebszuständen liegt das Luft-Wasserstoff-Verhältnis indes unterhalb von 3, bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 2,5. Dies kann insbesondere durch eine temporär stärkere Befüllung der Zylinder 6 mit Wasserstoff erreicht werden.
Fig. 2a und 2b zeigen zwei Diagramme, in denen die Optimierung der Verbrennung in dem Wasserstoffmotor 2 dargestellt wird.
In einem ersten Diagramm in Fig. 2a sind verschiedene Betriebspunkte von Verbrennungsmotoren als Funktion des Luft-Brennstoff-Verhältnisses X auf der vertikalen Achse und des Zündzeitpunkts in Grad nach dem oberen Totpunkt (OT) auf der waagrechten Achse eingezeichnet. Als Vergleich zu dem Wasserstoff motor 2 sind ein erster Betriebspunkt 18, ein zweiter Betriebspunkt 20 und ein dritter Betriebspunkt 22 eines Dieselmotors mit einer strichpunktierten Linie dargestellt. Der erste Betriebspunkt 18 liegt bei einem Luft- Brennstoff- Verhältnis X von über 4 und entspricht einem Teillastbetrieb. Ein Volllastbetrieb ist hingegen durch den dritten Betriebspunkt 22 repräsentiert. Der zweite Betriebspunkt 20 wird auf dem Weg zum dritten Betriebspunkt 22 durchlaufen. Bei einem schnellen Drehmomentaufbau des Dieselmotors reagiert zunächst lediglich ein Einspritzsystem, da das luftzuführende Luftsystem zu träge für den sofortigen Aufbau eines höheren Luftmassenstroms ist. Der dabei durchlaufene zweite Betriebspunkt 20 kann dabei an der Rauchgrenze des Motors liegen. Der zweite Betriebspunkt 20 ist transient, während der erste Betriebspunkt 18 und der dritte Betriebspunkt 22 stationär sind. In dem dritten Betriebspunkt 22 ist ein Ladedruck ausreichend, um einen größeren Luftmassenstrom in den Motor einzuleiten. Zündzeitpunkte werden bei dem Übergang von dem ersten Betriebspunkt 18 zu dem dritten Betriebspunkt 22 kontinuierlich später gestellt.
Auf ähnliche Weise wird ein herkömmlicher Wasserstoffmotor geregelt. Hier werden analog zu dem Dieselmotor drei Betriebszustände 24, 26 und 28 gezeigt, die dem Teillastbetrieb, einem transienten Zustand und dem Volllastbetrieb entsprechen. Die Zündzeitpunkte werden kontinuierlich später verstellt. Das Luft- Wasserstoffverhältnis X sinkt dabei von etwa 4 auf etwas über 2 ab. Der Verlauf zwischen diesen drei Betriebszuständen 24, 26 und 28 wird mit durchgezogenen Linien gezeigt.
Die erfindungsgemäße Regelung wird durch die gestrichelte Linie angedeutet. Hier werden der erste Betriebszustand 24, ein zweiter Betriebszustand 30 und der dritte Betriebszustand 26 nacheinander eingenommen. Im Gegensatz zu dem zweiten Betriebszustand des herkömmlichen Wasserstoffmotors liegt der zweite Betriebspunkt 30 bei der erfindungsgemäßen Regelung an einer deutlich abweichenden Stelle in dem Diagramm der Fig. 2a. Hier ist der Zündzeitpunkt deutlich über den Zündzeitpunkt des dritten Betriebszustands 28 hinaus nach spät verstellt, sodass der Zündzeitpunkt in dem transienten Betriebszustand deutlich höher ist als in den stationären Betriebszuständen 24 und 28. Damit kann die Abgasenthalpie deutlich erhöht und der Ladedruck rascher aufgebaut werden, sodass ein stärkerer Luftmassenstrom in kürzester Zeit aufbaubar ist. Beispielhaft liegt der Zündzeitpunkt in dem zweiten Betriebszustand 30 bei etwa 40° nach dem oberen Totpunkt, während er im Volllastbetrieb, d.h. im dritten Betriebszustand 28, bei etwa 20° nach OT liegt.
Betriebsgrenzen des Wasserstoffmotors 2 werden durch schraffierte Bereiche eingegrenzt. Das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X kann bei früheren Zündzeitpunkten etwa zwischen 2 und 4 liegen, wobei sich diese Grenzen mit späteren Zündzeitpunkten nach später etwas verringern und bei Zündzeitpunkten von etwa 40° nach dem oberen Totpunkt zwischen etwa 1,5 und 3,5 liegen.
Fig. 2b zeigt die korrespondierenden Verläufe des Drehmoments T des herkömmlichen Wasserstoffmotors und des erfindungsgemäß geregelten Wasserstoffmotors 2 in einem Diagramm. Hier liegt das Drehmoment in dem zweiten Betriebszustand 30 des erfindungsgemäß geregelten Wasserstoffmotors 2 deutlich oberhalb des Drehmoments des auf herkömmliche Weise geregelten Wasserstoff motors in dessen zweiten Betriebszustand 26, sodass der dritte Betriebszustand 28 bei dem erfindungsgemäß geregelten Wasserstoffmotor 2 deutlich schneller erreicht wird, als bei dem auf herkömmliche Weise geregelten
Wasserstoffmotor. Die Zunahme der Dynamik wird durch die zeitliche Differenz At angedeutet.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors (2) zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff-Gemischs mit einem Luft-Wasserstoff- Verhältnis X größer 1, wobei der Wasserstoffmotor (2) dazu ausgebildet ist, stationäre Betriebszustände und transiente Betriebszustände einzunehmen, und wobei Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen nach später verstellt werden als in den stationären Betriebszuständen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X in den stationären Betriebszuständen auf einen größeren Wert eingestellt wird als in den transienten Betriebszuständen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X in den stationären Betriebszuständen in einem Bereich von 2 bis 4 liegt und in den transienten Betriebszuständen bei 2 oder niedriger, bevorzugt in einem Bereich von 1,7 bis 2.
4. Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen in einem
Bereich von 30° bis 45° und bevorzugt in einem Bereich von 38° bis 42° nach dem oberen Totpunkt liegen.
5. Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündzeitpunkte in den stationären Betriebszuständen in einem
Bereich von 0° bis 25°, bevorzugt in einem Bereich von 5° bis 20° nach dem oberen Totpunkt liegen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündzeitpunkte in den transienten Betriebszuständen mit größer werdendem Drehmomentanstieg nach später verstellt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündzeitpunkte bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks an einem mit dem Turbolader (12) des Wasserstoffmotors (2) gekoppelten Verdichter in den Bereich stationärer Betriebszustände zurückverstellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Luft-Wasserstoff-Verhältnis X in den transienten Betriebszuständen durch Erhöhung einer in den Wasserstoffmotor (2) eingespritzten Wasserstoffmenge gesenkt wird.
9. Steuereinheit (16) zum Steuern eines turboaufgeladenen Wasserstoffmotors (2) zum Verbrennen eines Luft-Wasserstoff-Gemischs, wobei die Steuereinheit (16) dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
10. Wasserstoffmotor (2), aufweisend mindestens einen Zylinder (6), einen Turbolader (12), einen Verdichter (13) und eine Steuereinheit (16) nach Anspruch 9.
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