EP4594607A1 - Verfahren zum betreiben eines verbrennungsmotors nahe einer brenngrenze in bereich niedriger leistung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines verbrennungsmotors nahe einer brenngrenze in bereich niedriger leistung

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EP4594607A1
EP4594607A1 EP23776633.2A EP23776633A EP4594607A1 EP 4594607 A1 EP4594607 A1 EP 4594607A1 EP 23776633 A EP23776633 A EP 23776633A EP 4594607 A1 EP4594607 A1 EP 4594607A1
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EP
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air ratio
combustion air
limit value
cylinders
cylinder
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Withdrawn
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EP23776633.2A
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Johannes Zeller
Holger Kauss
Yvan Gauthier
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/023—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a hydrogen engine, with a plurality of cylinders, and a control device for controlling an internal combustion engine, in particular a hydrogen engine, with a plurality of cylinders.
  • combustion air ratio significantly greater than 1 is aimed for in order to avoid nitrogen oxide emissions and to improve the consumption and responsiveness of the engine.
  • an excessive increase in the combustion air ratio can lead to possible combustion stability problems.
  • throttled operation, cylinder suppression or corresponding control of a bypass valve although these measures cannot be clearly distinguished from one another.
  • the combustion limit i.e. the range from which combustion instabilities can occur due to an excessively high combustion air ratio, cannot be clearly detected while the engine is running and measures to avoid this range can therefore usually only be initiated on the basis of boundary conditions determined during engine calibration. Disclosure of the invention
  • An internal combustion engine that is operated with such a lean, homogeneous combustion process offers - unlike a stoichiometric combustion process - the advantage of being able to carry out quick torque interventions by adjusting the amount of fuel without having to take the inertia of an air system into account.
  • torque-effective interventions via ignition control which are associated with efficiency disadvantages, can be reduced to a minimum.
  • the so-called combustion limits of the fuel-air mixture are maintained, i.e. an excessively high combustion air ratio is avoided.
  • this combustion limit is reached, the amount of fuel cannot be reduced further without generating combustion instabilities. Consequently, the torque must be adjusted using further measures, some of which reduce efficiency.
  • the object of the invention is to propose a method or a system with which an improved idle control can be achieved while largely avoiding ignition angle interventions and making the best possible use of combustion limits.
  • a method for operating an internal combustion engine, in particular a hydrogen engine, with several cylinders includes determining a combustion air ratio of the internal combustion engine, comparing the determined combustion air ratio with a predetermined lower limit value and an upper limit value, which corresponds to the combustion limit, and a Controlling the operation of the internal combustion engine through torque-effective measures in accordance with the following control cascade: a) adjusting cylinder-specific injection quantities of fuel based on a rail pressure signal of the internal combustion engine as soon as the determined combustion air ratio corresponds at most to the lower limit value in order to achieve equalization of the injection quantities of the cylinders, b) adjusting the cylinder-specific injection quantities of fuel based on the speed of the internal combustion engine as soon as the determined combustion air ratio is above the lower limit value and below the upper limit value in a transition area close to the combustion limit in order to take cycle fluctuations of the cylinders into account, c) switching off at least one cylinder and adjusting the cylinder-specific injection quantities of fuel distributed to the remaining cylinders according to measure
  • the operation of the internal combustion engine by a method according to the invention in a low load area is characterized by a prioritization of torque-effective interventions within the specified control cascade in order to largely avoid measures that reduce efficiency.
  • the execution of the individual possible interventions depends on a determined combustion air ratio of the engine, which is denoted by and indicates the mass ratio of air to fuel relative to the respective stoichiometric ratio.
  • a combustion limit must be observed as the upper limit of the combustion air ratio, above which combustion instabilities could occur due to an excessively high proportion of air.
  • a lower limit value with a sufficient safety distance from the burning limit is determined, with further discussion of a sensible selection of the lower limit value being discussed below.
  • the fuel supply to the individual cylinders is controlled based on the rail pressure signal, which is previously marked with the measure or priority a).
  • the combustion air ratio here is therefore richer or lower or equal to the lower limit.
  • the function implemented in a control unit adjusts the amount of fuel supplied to cylinders with a fuel amount that deviates from the engine cylinder average to the average cylinder level. In particular, if the amount of fuel supplied is too small, the cylinder-specific combustion air ratio is too high, which is therefore closer to the combustion limit.
  • FIG 4 shows an exemplary representation of a control device 44 for controlling an internal combustion engine, in particular a hydrogen engine, with several cylinders.
  • the control unit has a rail pressure sensor input 46, a speed sensor input 48, a Computing unit 50 and several control outputs 52.
  • the control unit 44 has several optional cylinder pressure inputs 54.
  • the computing unit 50 is coupled to the inputs 46, 48 and 54 and the control outputs 52 and is designed to determine a combustion air ratio of the internal combustion engine and compare it with a predetermined lower limit value and an upper limit value.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern vorgeschlagen, durch Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors, Vergleichen des ermittelten Verbrennungsluftverhältnisses mit einem vorbestimmten, unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert, welcher der Brenngrenze entspricht, zum Regeln des Betriebs des Verbrennungsmotors durch: a) Verstellen (10) zylinderindividueller Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf einem Raildrucksignal des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis höchstens dem unteren Grenzwert entspricht, um eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Zylinder zu erzielen, b) Verstellen (12) der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf der Drehzahl des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis in einem brenngrenzennahen Übergangsbereich über dem unteren Grenzwert und unter dem oberen Grenzwert liegt, um Zyklenschwankungen der Zylinder zu berücksichtigen, c) Abschalten (14) mindestens eines Zylinders und Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff auf die restlichen Zylinder verteilt nach Maßnahme a) oder Maßnahme b), sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis den oberen Grenzwert und damit die Brenngrenze erreicht hat, wobei im Rahmen aller Maßnahmen a), b) oder c) der jeweilige Zündwinkel in einem wirkungsgradoptimalen Bereich gehalten wird.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nahe einer Brenngrenze in Bereich niedriger Leistung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern, und ein Steuergerät zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern.
Stand der Technik
Der Betrieb von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren mit mehreren Zylindern im Bereich kleiner Lasten und insbesondere im Leerlaufbetrieb ist herausfordernd. Es wird ein Verbrennungsluftverhältnis deutlich größer als 1 angestrebt, um Stickoxidemissionen zu vermeiden und den Verbrauch und das Ansprechverhalten des Motors zu verbessern. Eine zu starke Erhöhung des Verbrennungsluftverhältnisses kann jedoch zu möglichen Verbrennungsstabilitätsproblemen führen. Es ist bekannt, hierfür einen angedrosselten Betrieb, eine Zylinderausblendung oder eine entsprechende Ansteuerung eines Schubumluftventils vorzusehen, wobei diese Maßnahmen jedoch nicht sauber voneinander abgrenzbar sind. Die Brenngrenze, d.h. der Bereich, ab dem Verbrennungsinstabilitäten aufgrund eines zu hohen Verbrennungsluftverhältnisses auftreten können, sind überdies zur Laufzeit des Motors nicht sauber detektierbar und Maßnahmen zur Vermeidung dieses Bereichs können daher zumeist nur auf Basis während der Motorapplikation ermittelter Randbedingungen, eingeleitet werden. Offenbarung der Erfindung
Ein Verbrennungsmotor, der mit einem solchen mageren Homogenbrennverfahren betrieben wird, bietet -- anders als bei einem stöchiometrischen Brennverfahren - den Vorteil, schnelle Drehmomenteingriffe über die Anpassung der Kraftstoffmenge durchführen zu können, ohne dabei die Trägheit eines Luftsystems berücksichtigen zu müssen. Dadurch können drehmomentwirksame Eingriffe über eine Zündungsregelung, welche mit Wirkungsgradnachteilen verbunden sind, auf ein Minimum reduziert werden. Bei der Regelung des Drehmoments über die Kraftstoffmenge ist jedoch sicherzustellen, dass die sogenannten Brenngrenzen des Kraftstoff-Luft-Gemischs eingehalten werden, d.h. ein zu hohes Verbrennungsluftverhältnis vermieden wird. Wenn diese Brenngrenze erreicht ist, dann kann die Kraftstoffmenge nicht weiter reduziert ohne Verbrennungsinstabilitäten zu erzeugen. Folglich muss mit weiteren, zum Teil wirkungsgradverschlechternden Maßnahmen das Drehmoment eingeregelt werden.
Folglich liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren bzw. ein System vorzuschlagen, mit dem eine verbesserte Leerlaufregelung unter weitgehender Vermeidung von Zündwinkeleingriffen und unter bestmöglicher Ausnutzung von Brenngrenzen vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren 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 Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern vorgeschlagen, das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors, Vergleichen des ermittelten Verbrennungsluftverhältnisses mit einem vorbestimmten, unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert, welcher der Brenngrenze entspricht, sowie ein Regeln des Betriebs des Verbrennungsmotors durch momentenwirksame Maßnahmen nach Maßgabe der folgenden Regelkaskade: a) Verstellen zylinderindividueller Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf einem Raildrucksignal des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis höchstens dem unteren Grenzwert entspricht, um eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Zylinder zu erzielen, b) Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf der Drehzahl des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis in einem brenngrenzennahen Übergangsbereich über dem unteren Grenzwert und unter dem oberen Grenzwert liegt, um Zyklenschwankungen der Zylinder zu berücksichtigen, c) Abschalten mindestens eines Zylinders und Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff auf die restlichen Zylinder verteilt nach Maßnahme a) oder Maßnahme b), sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis den oberen Grenzwert und damit die Brenngrenze erreicht hat, wobei im Rahmen aller Maßnahmen a), b) oder c) der jeweilige Zündwinkel in einem wirkungsgradoptimalen Bereich gehalten wird.
Der Betrieb des Verbrennungsmotors durch ein erfindungsgemäßes Verfahren in einem Bereich niedriger Last kennzeichnet sich durch eine Priorisierung von momentenwirksamen Eingriffen im Rahmen der angegebenen Regelkaskade, um wirkungsgradmindernde Maßnahmen weitgehend zu vermeiden. Die Ausführung der einzelnen möglichen Eingriffe hängt von einem ermittelten Verbrennungsluftverhältnis des Motors ab, welches mit bezeichnet wird und das Massenverhältnis von Luft zu Brennstoff relativ zu dem jeweils stöchiometrischen Verhältnis angibt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass eine Brenngrenze als oberer Grenzwert des Verbrennungsluftverhältnisses zu beachten ist, ab der Verbrennungsinstabilitäten aufgrund eines zu hohen Luftanteils auftreten könnten. Eine unterer Grenzwert mit einem ausreichenden Sicherheitsabstand zu der Brenngrenze wird festgelegt, wobei weiter nachfolgend auf eine sinnvolle Auswahl des unteren Grenzwerts eingegangen wird. Liegt das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis weit genug unterhalb der Brenngrenze und höchstens bei dem unteren Grenzwert, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Regelung der Kraftstoffzufuhr zu den einzelnen Zylinder auf dem Raildrucksignal basierend durchgeführt, was vorangehend mit der Maßnahme oder der Priorität a) gekennzeichnet wird. Das Verbrennungsluftverhältnis ist hier folglich fetter bzw. niedriger oder gleich dem unteren Grenzwert. Die in einem Steuergerät implementierte Funktion gleicht die zugeführte Kraftstoffmenge von Zylindern mit einer von dem Motorzylinderdurchschnitt abweichenden Kraftstoffmenge auf das Zylinderdurchschnittsniveau an. Insbesondere bei einer zu geringen zugeführten Kraftstoffmenge ist ein zylinderindividuelles Verbrennungsluftverhältnis zu hoch, welches folglich auch näher an der Brenngrenze liegt.
Bei diesem Prozess ist denkbar, einen minimalen Druck im Rail während der Einspritzung an den Zylindern auszuwerten. Bei den Zylindern, bei deren Einspritzung ein höherer minimale Raildruck als bei den anderen Zylindern im Durchschnitt beobachtbar ist, könnte die Ansteuerdauer des entsprechenden Injektors angehoben werden, bis der minimale Raildruck leicht kleiner oder leicht höher als der vorher berechnete Zylinderdurchschnitt liegt.
Es könnte ein Verbrennungsluftverhältnisband um den vorher berechneten Motorzylinderdurchschnitt definiert werden, innerhalb dem das Verbrennungsluftverhältnis nach einer entsprechenden Korrektur der Kraftstoffmenge des Zylinders liegen soll. Dieses Band könnte durch eine um einen gewissen Prozentsatz niedrigere oder höhere Kraftstoffeinspritzmenge gegenüber dem Motordurchschnitt gekennzeichnet sein, die etwa bei 10 % liegen könnte. Die Zündwinkel werden dabei weiterhin in einem wirkungsgradoptimalen Bereich gehalten.
Liegt das Verbrennungsluftverhältnis indes nahe an der Brenngrenze, d.h. dem oberen Grenzwert, jedoch noch unterhalb, erfolgt erfindungsgemäß innerhalb dieses brenngrenzennahen Übergangsbereichs eine Regelung der Kraftstoffzufuhr basierend auf dem Drehzahlsignal. Bei diesem Prozess wird das Drehzahlsignal ausgewertet und hohe Zyklenschwankungen einzelner Zylinder an der Brenngrenze insbesondere anhand einer Anhebung der Einblasmenge auf dem Niveau der übrigen Motorzylinder leichgestellt. Dies ist vorangehend mit b) gekennzeichnet. Bei der Erfassung der Drehzahl über einen Drehzahlsensor kann eine Drehunförmigkeit des Motors ermittelt werden, wodurch Rückschlüsse auf die Zyklenschwankung jedes einzelnen Zylinders möglich sind. Weist ein Zylinder eine erhöhte Zyklenschwankung auf, wird die Kraftstoffzufuhr zu diesem Zylinder erhöht, um den Abstand zur Brenngrenze an diesem Zylinder zu erhöhen. Da als Ursache für Zyklenschwankungen neben der Nähe zu der Brenngrenze auch ein möglicher Unterschied in der pro Zylinder eingebrachten Kraftstoffmenge relevant sein kann, kann zur Unterscheidung der beiden möglichen Ursachen weiterhin ein Vergleich der Unterschiede zwischen Zylindern in einem Raildrucksignal als Maß für tatsächlich eingebrachte Kraftstoffmengen und der Drehzahlunförmigkeit als Maß für die Abweichungen aufgrund beider möglicher Ursachen herangezogen werden. Somit werden alle Zylinder bestmöglich an die Brenngrenze unter Berücksichtigung aller Einflüsse auf die Brenngrenze wie etwa die Mengenstreuung der einzelnen Kraftstoffdosierventile und eine etwaige Ungleichverteilung der Zylinderfüllung.
Erst wenn die Brenngrenze erreicht ist, erfolgt zum Einnehmen eines zylinderindividuellen größeren Abstands von der Brenngrenze eine selektive Zylinderabschaltung bei gleichzeitiger Verteilung der zur Erreichung des Solldrehmoments nötigen Kraftstoffmenge auf die übrigen, aktiven Zylinder. Solange in diesem Betriebsmodus das Verbrennungsluftverhältnis nicht an der Brenngrenze liegt soll weiter eine reine Regelung über die Verstellung der Kraftstoffzufuhr erfolgen, wobei hier je nach dem sich dann ergebenden Verbrennungsluftverhältnis eine Unterscheidung nach a) und b) vorgenommen wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren ferner auf: d) Verringern der Drehzahl des Motors, sollte nach Schritt c) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen. Zur Aufrechterhaltung des Drehmoments kann die individuelle Befüllung der einzelnen Zylinder erhöht und folglich ein größerer Abstand von der Brenngrenze erreicht werden. Dabei ist die Eigendrehzahl des Motors zu beachten. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren ferner auf: e) Verstellen des Zündwinkels aus dem wirkungsgradoptimalen Bereich, sollte nach Schritt d) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen. Das Verstellen des Zündwinkels einzelner Zylinder wird erst dann durchgeführt, wenn die vorhergehenden Maßnahmen, welche unter a) bis d) genannt sind, nicht mehr zum Erfolg führen. Die Verbrennung könnte dabei ineffizienter werden.
Die Schritte a) bis e) sind jeweils als Maßnahmen zu verstehen, die durchzuführen sind, sollte der Verbrennungsmotor zu nah oder direkt an der Brenngrenze liegen. Sie sind von a) bis e) mit absteigender Priorität zu bewerten, d.h. es können die einzelnen Maßnahmen nacheinander durchgeführt werden, bis ein ausreichend von der Brenngrenze beabstandeter Betrieb möglich ist.
Der untere Grenzwert kann als Differenz aus dem oberen Grenzwert und einem Subtrahenden s ermittelt werden, wobei der Subtrahend s aus einer Addition von Verbrennungsluftverhältniseinflüssen gebildet wird. Es wird von symmetrischen Toleranzbeiträgen ausgegangen. Die Verbrennungsluftverhältniseinflüsse können einen oberen Ladedruck-Toleranzbetrag eines Luftsystems, eine untere Schuss/Schuss-Streuung einer Injektor-Einblasmasse (etwa 5 %) und eine obere Zylinderluftfüllungsabweichung zu einem Motormittelwert umfassen.
Zusätzlich kann eine Plausibilisierung anhand eines aktuell in einem Luftsystemmodell berechneten Luftverhältnisbereichs erfolgen, um sicherzustellen, dass der Motor aktuell tatsächlich im Brenngrenzen-nahen Bereich betrieben wird (dies könnte vor allem dann relevant sein, wenn eine Zylinderabschaltung aktiv ist), so dass damit eine eindeutige Zuweisung von Drehzahlunförmigkeit zu Brenngrenzennähe möglich wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern, aufweisend einen Raildrucksensoreingang, einen Drehzahlsensoreingang, eine Recheneinheit, und mehrere Steuerausgänge, wobei die Recheneinheit zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens dazu ausgebildet ist, ein Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors zu ermitteln und mit einem vorbestimmten, unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert zu vergleichen, und wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, den Betrieb des Verbrennungsmotors durch Generieren und Bereitstellen von Ansteuerungssignalen an den Steuerausgängen wie folgt kaskadiert zu regeln: a) Verstellen zylinderindividueller Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf einem Raildrucksignal, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis höchstens dem unteren Grenzwert entspricht, b) Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf der Drehzahl, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis über dem unteren Grenzwert und unter dem oberen Grenzwert liegt, c) Abschalten mindestens eines Zylinders und Verstellen der zylinderindi-viduellen Einspritzmengen an Kraftstoff auf die restlichen Zylinder verteilt nach a) oder b), sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis den oberen Grenzwert erreicht, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, bei den vorgenannten Maßnahmen a), b) und c) den jeweiligen Zündwinkel in einem wirkungsgradoptimalen Bereich zu halten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Steuergerät dazu ausgebildet ist, zum d) Verringern der Drehzahl des Motors, sollte nach Durchführen von c) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Steuergerät ausgebildet ist, zum e) Verstellen des Zündwinkels aus dem wirkungsgradoptimalen Bereich, sollte nach Durchführen von d) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Steuergerät dazu ausgebildet zum Ermitteln des unteren Grenzwerts als Differenz aus dem oberen Grenzwert und einem Subtrahenden s, wobei der Subtrahend s aus einer Addition von Verbrennungsluftverhältniseinflüssen gebildet wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Steuergerät dazu ausgebildet, eine Simulation des Verbrennungsmotors auszuführen, wobei das Ermitteln des Verbrennungsluftverhältnisses anhand der Simulation durchgeführt wird.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors;
Figur 2 eine blockbasierte Darstellung einer Regelstrategie;
Figur 3 eine beispielhafte Darstellung zwei unterschiedlicher Betriebszustände und entsprechender Regelung;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Systems zum Betreiben eines Verbrennungsmotors.
Figur 1 zeigt ein Verfahren 2 zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors mit mehreren Zylindern. Das Verfahren 2 beginnt mit dem Ermitteln 4 eines Verbrennungsluftverhältnisses, wonach dieses mit einem vorbestimmten, unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert verglichen wird 6. Anschließend wird der Betrieb des Verbrennungsmotors durch eine prioritätsgesteuerte Strategie geregelt 8, wobei die Durchführung von dem vorherigen Vergleich mit den Grenzwerten abhängt. Mit absteigender Priorität umfasst die Regelung: a) Verstellen 10 zylinderindividueller Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf einem Raildrucksignal, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis höchstens dem unteren Grenzwert entspricht, b) Verstellen 12 der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf der Drehzahl, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis über dem unterem Grenzwert und unter dem oberen Grenzwert liegt, c) Abschalten 14 mindestens eines Zylinders und Verstellen 10 oder 12 der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff auf die restlichen Zylinder verteilt nach a) oder b), sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis den oberen Grenzwert erreicht, wobei der jeweilige Zündwinkel in einem wirkungsgradoptimalen Bereich gehalten wird, d) Verringern 16 der Drehzahl des Motors, sollte nach Schritt c) das Verbrennungsluft-verhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen, oder e) Verstellen 18 des Zündwinkels aus dem wirkungsgradoptimalen Bereich, sollte nach Schritt d) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen. Das Ermitteln 4 des Verbrennungsluftverhältnisses kann das Ausführen 20 eines (vereinfachten) Simulationsmodells eines Verbrennungsmotors umfassen. Das Simulationsmodell kann in einem einfachsten Fall als Nachschlagetabelle ausgeführt sein, in der experimentell oder theoretisch ermittelte Verbrennungsluftverhältnisse abgelegt und abrufbar sind.
Figur 2 zeigt eine blockbasierte Darstellung einer Regelstrategie. In einem Block 22 erfolgt eine Plausibilisierung, ob ein ermitteltes Verbrennungsluftverhältnis einem simulierten Verbrennungsluftverhältnis etwa entspricht bzw. in einer Brenngrenzennähe liegt. Dies kann als Freigabebedingung für das weitere Verfahren genutzt werden.
Das Vergleichen 6 erfolgt in einem Block 24, der mit einem Sollwert für das Verbrennungsluftverhältnis ÄS0n und aktuellen, zylinderindividuellen unteren Grenzwerten für eine aktuelle Luftfüllung der Zylinder gespeist wird. Hieraus ergeben sich Abweichungen, welche in einem nachfolgenden Block 26 ausgewertet und zur Priorisierung von aktiven Maßnahmen zum Betreiben des Verbrennungsmotors genutzt werden. Diese umfassen, wie vorangehend erläutert, das Verstellen 10 und 12 zylinderindividueller Einspritzmengen, das Abschalten 14 mindestens eines Zylinders, das Verringern 16 der Drehzahl und das Verstellen 18 des Zündwinkels. Die zylinderindividuellen unteren Grenzwerte werden in Block 28 aus einem Basiswert 30 für eine aktuelle Brenngrenze und Verbrennungsluftverhältniseinflüssen gebildet. Letztere werden durch eine zylinderindividuellen Analyse 32 der Unförmigkeit des Drehzahl- bzw. Zylinderdrucksignals über mehrere Zyklen und einen Abgleich mit einem Raildrucksignal gebildet sowie einer betriebspunktabhängigen und zylinderindividuellen Gewichtung 34 unterzogen.
Figur 3 zeigt in zwei Beispielen I und II unterschiedliche Betriebszustände eines Motors mit sechs Zylindern ZI bis Z6, sowie eine entsprechende Regelung. In I überschreitet das Verbrennungsluftverhältnis den unteren Grenzwert und unterschreitet den oberen Grenzwert, sodass der Verbrennungsmotor folglich nahe der Brenngrenze betrieben wird. Daher wird hauptsächlich das Drehzahlsignal analysiert und ein Abgleich mit dem Raildrucksignal durchgeführt. Es erfolgt eine Wiederholung über mehrere Zyklen. Die Analyse wird als Block 40 gekennzeichnet. Eine Untersuchung der Drehzahl des Motors ergibt eine Drehzahlunförmigkeit, d.h. eine Zyklenschwankung, bei denen die Zylinder Z2 und Z6 durch einen momentanen Abfall der Drehzahl (siehe Diagramm 36) auffallen. Der Raildruck (siehe Diagramm 38) verhält sich bei allen Zylindern Zl- Z6 gleich, sodass von einer gleichmäßigen Befüllung der Zylinder auszugehen ist. Als Maßnahme erfolgt hier eine (lastabhängige) Absenkung 42 der Brenngrenze für die Zylinder Z2 und Z6 als Anpassung der Regelung, es erfolgt keine der Maßnahmen a) bis e).
In Beispiel II ist der untere Grenzwert unterschritten, sodass hauptsächlich das Raildrucksignal ausgewertet wird. Das Raildrucksignal ist bei beiden Zylindern Z2 und Z6 auffällig. Als Maßnahme werden die zylinderindividuellen Einspritzmengen basierend auf einer raildrucksignalabhängigen Regelung erhöht (Maßnahme a)).
Schließlich zeigt Figur 4 eine beispielhafte Darstellung eines Steuergeräts 44 zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern. Das Steuergerät weist einen Raildrucksensoreingang 46, einen Drehzahlsensoreingang 48, eine Recheneinheit 50 und mehrere Steuerausgänge 52 auf. Weiterhin weist das Steuergerät 44 mehrere optionale Zylinderdruckeingänge 54 auf. Die Recheneinheit 50 ist mit den Eingängen 46, 48 und 54 sowie den Steuerausgängen 52 gekoppelt und dazu ausgebildet, ein Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors zu ermitteln und mit einem vorbestimmten, unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert zu vergleichen. Das Steuergerät 44 ist ferner dazu ausgebildet ist, den Betrieb des Verbrennungsmotors durch Generieren und Bereitstellen von Ansteuerungssignalen an den Steuerausgängen 52 zu regeln, zum a) Verstellen zylinderindividueller Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf einem Raildrucksignal an dem Raildrucksensoreingang 46, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis höchstens dem unteren Grenzwert entspricht, oder b) Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf der Drehzahl aus dem Drehzahlsensoreingang 48, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis über dem unteren Grenzwert und unter dem oberen Grenzwert liegt, oder c) Abschalten mindestens eines Zylinders und Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff auf die restlichen Zylinder verteilt nach a) oder b), sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis den oberen Grenzwert erreicht. Dabei ist die Steuereinheit 44 dazu ausgebildet, bei a), b) und c) den jeweiligen Zündwinkel in einem wirkungsgradoptimalen Bereich zu halten. Wie vorangehend dargestellt können weiterhin die Maßnahmen d) und e) durch die Steuereinheit 44 entsprechend des ermittelten Verbrennungsluftverhältnisses durchgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (2) zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern, aufweisend: Ermitteln (4) eines Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors,
Vergleichen (6) des ermittelten Verbrennungsluftverhältnisses mit einem vorbestimmten, unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert, welcher der Brenngrenze entspricht,
Regeln (8) des Betriebs des Verbrennungsmotors durch momentenwirksame Maßnahmen nach Maßgabe der folgenden Regelkaskade: a) Verstellen (10) zylinderindividueller Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf einem Raildrucksignal des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis höchstens dem unteren Grenzwert entspricht, um eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Zylinder zu erzielen, b) Verstellen (12) der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf der Drehzahl des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis in einem brenngrenzennahen Übergangsbereich über dem unteren Grenzwert und unter dem oberen Grenzwert liegt, um Zyklenschwankungen der Zylinder zu berücksichtigen, c) Abschalten (14) mindestens eines Zylinders und Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff auf die restlichen Zylinder verteilt nach Maßnahme a) oder Maßnahme b), sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis den oberen Grenzwert und damit die Brenngrenze erreicht hat, wobei im Rahmen aller Maßnahmen a), b) oder c) der jeweilige Zündwinkel in einem wirkungsgradoptimalen Bereich gehalten wird. Verfahren (2) nach Anspruch 1, das Verfahren (2) ferner aufweisend: d) Verringern (16) der Drehzahl des Motors, sollte nach Maßnahme c) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen. Verfahren (2) nach Anspruch 2, das Verfahren (2) ferner aufweisend: e) Verstellen (18) des Zündwinkels aus dem wirkungsgradoptimalen Bereich, sollte nach Maßnahme d) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen. Verfahren (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend Ermitteln des unteren Grenzwerts als Differenz aus dem oberen Grenzwert und einem Subtrahenden s, wobei der Subtrahend s aus einer Addition von Verbrennungsluftverhältniseinflüssen gebildet wird. Verfahren (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (4) des Verbrennungsluftverhältnisses anhand eines Simulationsmodells durchgeführt wird. Steuergerät (44) zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffmotors, mit mehreren Zylindern, aufweisend: einen Raildrucksensoreingang (46), einen Drehzahlsensoreingang (48), eine Recheneinheit (50), und mehrere Steuerausgänge (52), wobei die Recheneinheit (50) dazu ausgebildet ist, ein Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors zu ermitteln und mit einem vorbestimmten, unteren Grenzwert und einem oberen, der Brenngrenze entsprechenden Grenzwert zu vergleichen, und wobei das Steuergerät (44) dazu ausgebildet ist, momentenwirksame Maßnahmen nach Maßgabe der folgenden Regelkaskade durch Generieren und Bereitstellen von Ansteuerungssignalen an den Steuerausgängen (52) durchzuführen: a) Verstellen (10) zylinderindividueller Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf einem Raildrucksignal des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis höchstens dem unteren Grenzwert entspricht, um eine Gleichstellung der Einspritzmengen der Zylinder zu erzielen, b) Verstellen (12) der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff basierend auf der Drehzahl des Verbrennungsmotors, sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis in einem brenngrenzennahen Übergangsbereich über dem unteren Grenzwert und unter dem oberen Grenzwert liegt, um Zyklenschwankungen der Zylinder zu berücksichtigen, c) Abschalten (14) mindestens eines Zylinders und Verstellen der zylinderindividuellen Einspritzmengen an Kraftstoff auf die restlichen Zylinder verteilt nach Maßnahme a) oder Maßnahme b), sobald das ermittelte Verbrennungsluftverhältnis den oberen Grenzwert und damit die Brenngrenze erreicht hat, wobei das Steuergerät (44) dazu ausgebildet ist, im Rahmen aller Maßnahmen a), b) oder c) den jeweiligen Zündwinkel in einem wirkungsgradoptimalen Bereich zu halten. Steuergerät (44) nach Anspruch 6, wobei das Steuergerät (44) ausgebildet ist zum: d) Verringern (16) der Drehzahl des Motors, sollte nach Durchführen von c) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen. Steuergerät (44) nach Anspruch 7, wobei das Steuergerät (44) ausgebildet ist zum: e) Verstellen (18) des Zündwinkels aus dem wirkungsgradoptimalen Bereich, sollte nach Durchführen von d) das Verbrennungsluftverhältnis einzelner Zylinder zumindest 95 % des oberen Grenzwerts erreichen. Steuergerät (44) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Steuergerät (44) ausgebildet ist zum Ermitteln des unteren Grenzwerts als Differenz aus dem oberen Grenzwert und einem Subtrahenden s, wobei der Subtrahend s aus einer Addition von Verbrennungsluftverhältniseinflüssen gebildet wird. Steuergerät (44) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Steuergerät (44) dazu ausgebildet ist, eine Simulation des
Verbrennungsmotors auszuführen, wobei das Ermitteln des Verbrennungsluftverhältnisses anhand der Simulation durchgeführt wird.
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