WO2025201985A1

WO2025201985A1 - Verfahren zum überwachen der entlüftung eines kurbelgehäuses einer wasserstoff-brennkraftmaschine und wasserstoff-brennkraftmaschine

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Publication number: WO2025201985A1
Application number: PCT/EP2025/057493
Authority: WO
Inventors: Fabian Fink; Paul Rodatz; Gerhard Haft
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-03-25
Filing date: 2025-03-19
Publication date: 2025-10-02
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: DE102024202825B3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses (120) einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) und eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), die Verbrennungskammern (110) und einen im Abgastrakt (130) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) angeordneten Gassensor (140) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Gassignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt oder Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100). Das erfindungsgemäße Verfahren ein Ermitteln eines vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), während dem im Wesentlichen keine Verbrennung eines Luft-Wasserstoff-Gemischs innerhalb der Verbrennungskammern (110) stattfindet, ein Empfangen eines Gassignals vom Gassensor (140) während dem vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), ein Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) zumindest teilweise basierend auf dem empfangenen Gassignal und ein Ermitteln einer funktionstüchtigen Entlüftung des Kurbelgehäuses (120), wenn der ermittelte Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) einen vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwert überschreitet.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine und Wasserstoff-Brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine und eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine, insbesondere eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine mit Kurbelgehäuseentlüftung.

Bei (Kolben)Brennkraftmaschinen mit geschlossenem Kurbelgehäuse entstehen nicht nur in den Arbeitsräumen, sondern auch unterhalb der Kolben Abweichungen vom atmosphärischen Druck. Diese sind einerseits begründet durch die von den laufenden Kolben bedingte Volumen-Veränderungen und andererseits von den sich im Kurbelgehäuse ansammelnden Gasen aus dem Arbeitsprozess.

Bei Verbrennungsmotoren treten im Kurbelgehäuse grundsätzlich sogenannte Blowby-Gase auf. Da das Kurbelgehäuse einen geschlossenen Raum bildet, würde sich ohne Entlüftung der Druck stetig erhöhen. Um das zu vermeiden, können die Blowby-Gase, welche Verbrennungsprodukte und unverbrannten Wasserstoff enthalten, aus dem Kurbelgehäuse gezielt abgeführt werden. Der ideale relative Kurbelraumdruck liegt im leicht negativen Bereich um ungefähr -2 mbar, da unter diesen Bedingungen der Motor nicht zum „Ausschwitzen“ von Schmieröl neigt. Ist der Unterdrück deutlich größer (der Wert ist motorspezifisch und abhängig von der Auslegung der Dichtverbunde), besteht die Gefahr, dass über die Wellendichtringe und Dichtungen am Kurbelgehäuse mit Schmutzpartikeln und/oder reinem Wasserstoff versetzte Luft angesaugt wird. Das würde zu erhöhtem Verschleiß an innenliegenden Bauteilen führen. Beim Entlüften werden zwangsläufig auch Öltröpfchen, die durch drehende Bauteile erzeugt werden, aus dem Kurbelgehäuse mitgerissen.

Während dem Betrieb der Wasserstoff-Brennkraftmaschine, insbesondere während Schubabschaltungsphasen der Wasserstoff-Brennkraftmaschine, können durch einen hohen Druck im Ansaugrohr die im Kurbelgehäuse eingefangenen Gase (insbesondere dort befindlicher reiner Wasserstoff) zumindest teilweise auch wieder an den Kolben vorbei in die Verbrennungskammern und somit in den Abgastrakt der Wasserstoff-Brennkraftmaschine gelangen.

Fener kann die Entlüftungsleitung verstopfen, abreißen oder die Anbindung an den Ansaugtrakt fehlen. Dadurch ist die Entlüftung des Kurbelgehäuses eingeschränkt und Schadstoffe und der reine Wasserstoff können ungehindert aus dem Kurbelgehäuse in die Umwelt gelangen. Daher sollte der Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine und/oder im Kurbelgehäuse sowie und eine ordnungsgemäße Funktionsweise der Kurbelgehäuseentlüftung überwacht werden. Beim Ausbleiben einer ordnungsgemäßen Kurbelgehäuseentlüftung wird reiner Wasserstoff im Kurbelgehäuse akkumuliert und/oder bei einer Leckage ungehindert an die Umwelt abgegeben. Beim Überschreiten von temperaturabhängigen Explosionsgrenzen bezüglich des Wasserstoffgehalts im Abgas und/oder im Kurbelgehäuse der Wasserstoff-Brennkraftmaschine kann ferner die Gefahr einer Zündung des Luft- Wasserstoff-Gemischs bestehen.

Die DE 10 2021 213 901 B3 offenbart ein Verfahren zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer fossilen Brennkraftmaschine, Das daraus bekannte Verfahren umfasst Ermitteln eines vorbestimmten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, während dem im Wesentlichen keine Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs innerhalb der Verbrennungskammern stattfindet, ein Ermitteln eines Stickoxidgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine während des vorbestimmten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine mittels eines Abgassensors und ein Ermitteln einer funktionstüchtigen Entlüftung des Kurbelgehäuses, wenn der während des vorbestimmten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine ermittelte Stickoxidwert einen vorbestimmten Stickoxidschwellenwert überschreitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, die ordnungsgemäße Funktionstüchtigkeit einer Kurbelgehäuseentlüftung einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine auf einfache und kostengünstige Weise zu ermitteln und zu überprüfen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigem Anspruch 1 und einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine gemäß unabhängigem Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüche angegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, dass während vorbestimmter Betriebsmodi, während denen keine Verbrennung eines Luft- Wasserstoff-Gemischs in den Verbrennungskammern der Brennkraftmaschine erfolgt, die Kurbelgehäuseentlüftung mittels eines im Abgastrakt der Brennkraftmaschine vorgesehenen Gassensors zu überwachen. Insbesondere kommt es während der erwähnten vorbestimmten Betriebsmodi dazu, dass die im Kurbelgehäuse eingefangenen Abgase über die Entlüftungsleitung und/oder als sogenannte Blowby-Abgase wieder in die Verbrennungskammern und somit den Abgastrakt gelangen und dadurch von dem im Abgastrakt angeordneten Gassignal (direkt oder indirekt) erfasst werden können. Wenn der im Abgastrakt ohnehin angeordnete und vorhandene Gassensor während der vorbestimmten Betriebsmodi der Wasserstoff-Brennkraftmaschine Gassignal erzeugt, das repräsentativ ist für einen Wasserstoffgehalt, der oberhalb eines vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwerts liegt, kann auf eine ordnungsgemäße und funktionstüchtige Kurbelgehäuseentlüftung geschlossen werden, da der Entlüftungsweg aus dem Kurbelgehäuse in die Verbrennungsräume und somit in den Abgastrakt frei und unblockiert ist. Wenn jedoch das Gassignal des Gassensors während dieser vorbestimmten Betriebsmodi der Wasserstoff-Brennkraftmaschine einen Wasserstoffgehalt anzeigt, der unterhalb des vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwerts liegt, kann auf eine nicht ordnungsgemäß funktionierende Kurbelgehäuseentlüftung geschlossen werden. Insbesondere kann dann festgestellt werden, dass der Entlüftungspfad aus dem Kurbelgehäuse in den Abgastrakt zumindest teilweise blockiert bzw. verstopft ist.

Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine offenbart, die Verbrennungskammern und einen in einem Abgastrakt der Wasserstoff-Brennkraftmaschine angeordneten Gassensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Gassignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt oder den Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ermitteln eines vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine, während dem im Wesentlichen keine Verbrennung eines Luft- Wasserstoff-Gemischs innerhalb der Verbrennungskammern stattfindet, ein Empfangen eines Gassignals vom Gassensor während dem vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine, ein Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf dem empfangenen Gassignal und ein Ermitteln einer funktionstüchtigen Entlüftung des Kurbelgehäuses, wenn der ermittelte Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine einen vorbestimmten

Wasserstoffgehaltschwellenwert überschreitet. Dabei kann es bevorzugt sein, dass das für den ermittelten Wasserstoffgehalt repräsentative Wasserstoffsignal verarbeitet werden kann, beispielsweise mittels eines Filters, wie z. B. ein Tiefpassfilter. Die Verarbeitung kann dabei im Signalraum erfolgen. Zudem ist es vorteilhaft, dass die Signalverarbeitung mittels eines geeigneten Filters erst nachträglich erfolgt.

Mit dem Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine während des vorbestimmten Betriebsmodus kann somit überprüft werden, ob die Entlüftung des Kurbelgehäuses in den Abgastrakt der Wasserstoff-Brennkraftmaschine frei und unblockiert ist. Würde eine Blockierung desselben vorliegen, würde der ermittelte Wasserstoffgehalt den vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwert unterschreiten, da kein im Kurbelgehäuse angesammelter Wasserstoff während des vorbestimmten Betriebsmodus mehr in den Abgastrakt gelangen würde.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gassensor ein Wasserstoffsensor und das Gassignal ein Wasserstoffsignal, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine. In einer dazu alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Gassensor um einen Sauerstoffsensor und bei dem Gassignal um ein Sauerstoffsignal, das repräsentativ ist für den Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine.

In einer derartigen alternativen Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln des Sauerstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine basierend auf dem vom Sauerstoffsensor empfangenen Sauerstoffsignal, ein Ermitteln des tatsächlichen Sauerstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine basierend auf dem ermittelten vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine und ein Bilden einer Sauerstoffgehaltdifferenz zwischen dem ermittelten tatsächlichen Sauerstoffgehalt und dem basierend auf dem vom Sauerstoffsensor empfangenen Sauerstoffsignal ermittelten Sauerstoffgehalt auf. Dabei basiert das Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine zumindest teilweise auf der ermittelten Sauerstoffgehaltdifferenz basiert.

Dabei wird sich zu Nutze gemacht, dass der im Abgas vorhandene Wasserstoff als Fettgas fungiert. Das heißt, dass der Wasserstoff an den Elektroden und katalytischen Oberflächen des Sauerstoffsensors mit dem im Abgas befindlichen Sauerstoff zu Wasser reagiert. Folglich ist der vom Sauerstoffsensor angezeigte Sauerstoffgehalt geringer als der tatsächlich vorhandene Sauerstoffgehalt, da der im Abgas vorhandene Wasserstoff mit einem entsprechenden Anteil an Sauerstoff im Abgas reagiert. Die Differenz zwischen dem tatsächlichen Sauerstoffgehalt und dem vom Sauerstoffsensor angezeigten Sauerstoffgehalt kann für den Wasserstoffgehalt im Abgas indikativ sein, da zwischen der Änderung im Sauerstoffsignal und der Wasserstoffkonzentration eine Korrelation vorliegt, aus der folglich der Wasserstoffgehalt im Abgas bestimmt werden kann. Da aber der tatsächliche Sauerstoffgehalt bei den vorbestimmten Betriebsmodi bekannt ist, beispielsweise ungefähr 20,9 % in Luft, kann erfindungsgemäß der Wasserstoffgehalt im Abgas basierend auf dem Sauerstoffsignal des Sauerstoffsensors ermittelt werden. Das Ermitteln des Wasserstoffgehalts aus der ermittelten Sauerstoffgehaltsdifferenz erfolgt vorzugsweise über eine Kennlinie, ein Kennfeld, eine Korrekturfunktion, eine Transferfunktion und/oder eine weitere mathematische Funktion.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Empfangen des Wasserstoffsignals nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, nachdem der vorbestimmte Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine ermittelt wurde. Vorzugsweise beträgt die vorbestimmte Zeitdauer ungefähr 3 Sekunden, vorzugsweise ungefähr 1 Sekunde. Damit kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die während der Verbrennung des

Luft- Wasserstoff-Gemischs in den Verbrennungskammern erzeugten Abgase vollständig aus den Verbrennungskammern ausgestoßen worden sind und am Sauerstoffsensor bereits vorbeigeströmt sind, so dass während des vorbestimmten Betriebsmodus das vom Sauerstoffsensor gemessene Gasgemisch größtenteils aus dem Kurbelgehäuse und dem Ansaugrohr stammen muss.

In einer alternativen Ausgestaltung kann es bevorzugt sein, dass das Ermitteln des Wasserstoffgehalts erst dann erfolgt, wenn ein Luftmassenintegral im Abgastrakt einen vorbestimmten Luftmassenintegralschwellenwert überschreitet.

Insbesondere ist die Zeit, bis der Gassensor die aus dem Kurbelgehäuse stammenden Abgase messen kann, vom Massendurchsatz und vom Volumen des Abgastrakts abhängig. Folglich ist es in einer solchen alternativen Ausgestaltung vorteilhaft, den Wasserstoffgehalt erst dann zu ermitteln, wenn das Luftmassenintegral im Abgastrakt den vorbestimmten Luftmassenintegralschwellenwert überschreitet. Außerdem benötigt der Gassensor eine gewisse Zeit, sich auf den jeweiligen Messwert einzuschwingen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln einer fehlfunktionierenden Entlüftung des Kurbelgehäuses auf, wenn der während dem vorbestimmten Betriebsmodus der

Wasserstoff-Brennkraftmaschine ermittelte Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine den vorbestimmten

Wasserstoffgehaltschwellenwert unterschreitet. Dabei kann es bevorzugt sein, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einer solchen vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich ein Ausgeben einer Warnung an den Betreiber der Wasserstoff-Brennkraftmaschine umfasst, wenn eine fehlfunktionierende Entlüftung des Kurbelgehäuses ermittelt wurde.

Vorzugsweise liegt der vorbestimmte Wasserstoffgehaltschwellenwert zwischen ungefähr 0,3 % und ungefähr 0,6 %, und beträgt noch bevorzugter ungefähr 0,5 %.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln eines Abgasmassenstroms durch den Abgastrakt der Wasserstoff-Brennkraftmaschine und ein Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Kurbelgehäuse der Wasserstoff-Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf dem empfangenen Gassignal des Gassignal und zumindest teilweise basierend auf dem ermittelten Abgasmassenstrom durch den Abgastrakt der Wasserstoff-Brennkraftmaschine auf. Insbesondere kann dabei durch eine Korrelation des ermittelten Wasserstoffgehalts im Abgas mit dem ermittelten Abgasmassenstrom der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse ermittelt werden. Die Korrelation kann beispielsweise in Form einer Nachschlagetabelle und/oder einer mathematischen Abbildung bereitgestellt werden.

Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer solchen bevorzugten Ausgestaltung ferner ein Ermitteln, dass der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse der Wasserstoff-Brennkraftmaschine einen vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert überschreitet, und ein zumindest teilweises Entlüften des Kurbelgehäuses auf, wenn ermittelt wurde, dass der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse der Wasserstoff-Brennkraftmaschine den vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert überschreitet.

In besonders bevorzugter Weise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren dabei zusätzlich ein Ermitteln der Temperatur des Gasgemischs im Kurbelgehäuse. Der vorbestimmte Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert kann dann in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur des Gasgemischs im Kurbelgehäuse vorbestimmt sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße

Verfahren zudem ein Ausgeben eines Alarms an den Betreiber der Wasserstoff-Brennkraftmaschine auf, wenn ermittelt wurde, dass der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse der Wasserstoff-Brennkraftmaschine den vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert überschreitet. Der Alarm informiert den Betreiber darüber, dass eine erhöhte Explosionsgefahr des Kurbelgehäuses besteht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine offenbart, die dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben zu werden. Die erfindungsgemäße Wasserstoff-Brennkraftmaschine weist zumindest eine Verbrennungskammer, die durch einen sich innerhalb eines Zylinders reziprok hin- und herbewegenden Kolbens gebildet wird, ein Kurbelgehäuse, in dem der Kolben zumindest teilweise angeordnet ist und das mit der Verbrennungskammer über einen Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder zumindest teilweise fluidverbunden ist, einen Abgastrakt, der mit der zumindest einen Verbrennungskammer fluidverbunden ist, einen im Abgastrakt angeordneten Gassensor, der dazu ausgebildet ist, ein Gassignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt oder Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine, und eine Steuerungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses der Wasserstoff-Brennkraftmaschine durchzuführen.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Wasserstoff-Brennkraftmaschine ferner ein Ansaugrohr, das mit der zumindest einen Verbrennungskammer fluidverbunden und dazu ausgebildet ist, der zumindest einen Verbrennungskammer Luft für die Verbrennung eines Luft- Wasserstoff-Gemischs zuzuführen, und eine Entlüftungsleitung auf, die das Kurbelgehäuse mit dem Ansaugrohr fluidverbindet.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Wasserstoff-Brennkraftmaschine zudem eine Belüftungsleitung, die das Kurbelgehäuse mit dem Ansaugrohr fluidverbindet, und eine in der Belüftungsleitung angeordnete Belüftungspumpe auf, die dazu ausgebildet ist, Luft aus dem Ansaugrohr in das Kurbelgehäuse zum Spülen des Kurbelgehäuses mit Luft zu pumpen.

Weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs zeigt, und

Fig. 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen der Entlüftung des Kurbelgehäuses der Wasserstoff-Brennkraftmaschine der Fig. 1 zeigt.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Wasserstoff-Brennkraftmaschine“ einen Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben wird. Eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine wandelt chemische Energie in mechanische Arbeit und Wärme um. Grundlage ist die Knallgasreaktion (Verbrennung von Wasserstoff) in einem Hubkolben- oder Rotationskolben-Verbrennungsmotor. Meist werden Hubkolbenmotoren eingesetzt, die nach dem Ottoprinzip (= Fremdzündung) arbeiten. Erfindungsgemäß fallen aber auch Wasserstoff-Brennkraftmaschinen darunter, die nach dem Dieselprinzip (= Selbstzündung) arbeiten.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 eines Fahrzeugs. Die Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 weist ein Ansaugrohr (bzw. Lufteinlassleitung) 102 und damit verbundene Verbrennungsräume 110 (in der Fig. 1 nur einer der vier Verbrennungsräume 110 mit Bezugszeichen versehen) auf. Über das Ansaugrohr 102 kann Ansaugluft in die Verbrennungsräume 110 gelangen, wo die Ansaugluft in bekannter Weise mit Wasserstoff als Kraftstoff vermischt und verbrannt werden kann. Die Strömungsrichtung der Ansaugluft ist mit dem Pfeil 104 gekennzeichnet. Die Verbrennungsräume 110 werden insbesondere durch Zylinder 112 und sich darin reziprok hin und herbewegende Kolben 114 gebildet, wodurch das Volumen der Verbrennungsräume 110 zeitlich veränderlich ist. Die Kolben 114 sind zumindest teilweise in einem Kurbelgehäuse 120 angeordnet und mit einer darin angeordneten Kurbelwelle 122 mechanisch gekoppelt, was aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Die Verbrennungsräume 110 sind mit einem Abgastrakt 130 fluidverbunden, über den die Abgase, die aufgrund der Verbrennung des Luft- Wasserstoff-Gemischs in den Verbrennungsräumen 110 erzeugt werden, in die Umwelt ausgestoßen werden können. Der Abgastrakt 130 beschreibt dabei lediglich den Abschnitt der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100, der ausschließlich zum Ausstößen der Abgase ausgebildet ist.

Im Abgastrakt 130 angeordnet befindet sich ein Gassensor 140, der dazu ausgebildet ist, ein Gassignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt oder Sauerstoffgehalt im Abgas an der Position stromabwärts der Verbrennungsräume 110. Der Gassensor 140 kann ein auf dem Wärmeleitfähigkeitsmessprinzip basierender Wasserstoffsensor sein, der zum Ermitteln des Wasserstoffgehalts ausgebildet ist. Der Wasserstoffsensor 140 kann ebenso jeder andere im Stand der Technik bekannte Wasserstoffsensor sein, der zum Ermitteln des Wasserstoffgehalts in einem Gasgemisch ausgebildet ist.

Alternativ kann es sich bei dem Gassensor 140 um einen Sauerstoffsensor handeln, der dazu ausgebildet ist, ein Sauerstoffsignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für den Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100. Der Sauerstoffsensor 140 kann eine binäre Lambdasonde, eine lineare Lambdasonde, ein Stickoxidsensor und jeglicher andere Sensor sein, dessen Signal zum Ermitteln des Sauerstoffgehalts auswertbar ist. Der Sauerstoffsensor 140 kann den Wasserstoffgehalt nicht direkt erfassen. Vielmehr wird der vom Sauerstoffsensor 140 gemessene Sauerstoffgehalt durch den im Abgas vorherrschenden Wasserstoffgehalt beeinflusst, da der vorhandene Wasserstoff als Fettgas fungiert und an den Elektroden und katalytischen Oberflächen des Sauerstoffsensors 140 mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff zu Wasser reagiert. Folglich ist der vom Sauerstoffsensor 140 ermittelte Sauerstoffgehalt geringer als der tatsächlich vorhandene Sauerstoffgehalt im Abgas. Die Differenz zwischen dem tatsächlichen Sauerstoffgehalt, der im vorbestimmten Betriebsmodus als bekannt angenommen werden kann, und dem vom Sauerstoffsensor 140 ermittelte Sauerstoffgehalt kann dann mit dem Wasserstoffgehalt im Abgas korreliert werden. Zur Ermittlung der Sauerstoffgehaltdifferenz ist es erforderlich, dass der tatsächlicher Sauerstoffgehalt im Abgas während dem vorbestimmten Betriebsmodus bekannt ist. Dies ist beispielsweise während Schubabschaltphasen der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 der Fall, da während dieser Schubabschaltungsphasen kein Kraftstoff eindosiert wird, sondern lediglich die Ansaugluft durch die Verbrennungskammern 110 und den Abgastrakt 130 geschoben wird. Unter diesen Bedingungen kann man von einem

Wasserstoffgehalt von ungefähr 20,9 % ausgehen, was dem Sauerstoffanteil in der Luft entspricht. Die ermittelte Sauerstoffgehaltdifferenz kann mit dem Wasserstoffgehalt korreliert werden.

Es ist ferner eine Steuerungseinheit 160 vorgesehen, die mit dem Gassensor 140 in Kommunikationsverbindung steht und dazu ausgebildet ist, das vom Gassensor 140 erzeugte Gassignal zu empfangen und den Betrieb der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 zumindest teilweise zu steuern.

Während dem Betrieb der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 entstehen nicht nur in den Verbrennungsräumen 110, sondern auch unterhalb der Kolben 114 Abweichungen vom atmosphärischen Druck. Diese sind einerseits begründet durch die von den laufenden Kolben 114 bedingte Volumen-Veränderungen und andererseits von den sich im Kurbelgehäuse 120 ansammelnden Abgasen aus dem Arbeitsprozess. Insbesondere können Abgase aus den Verbrennungsräumen 110 durch einen Spalt zwischen Zylinder 112 und Kolben 114 in das Kurbelgehäuse 120 gelangen, das in der Fig. 1 mit einem Pfeil 106 angedeutet ist.

Um diese sogenannten Blowby-Gase nicht ungehindert in die Atmosphäre auszustoßen, ist eine Entlüftungsleitung 124 vorgesehen, die das Kurbelgehäuse 120 mit dem Ansaugrohr 102 fluidverbindet. In der Entlüftungsleitung 124 ist ein Steuerungsventil 126 vorgesehen, mit dem eine aktive Entlüftung des Kurbelgehäuses 120 in das Ansaugrohr 102 gesteuert werden kann. Das Steuerungsventil 126 ist vorzugsweise ein Druckregelventil, das den Druck innerhalb des Kurbelgehäuses 120 automatisch steuern bzw. regeln kann. Zusätzlich oder alternativ kann der Druck im Kurbelgehäuse 120 mit Hilfe eines mechanischen Regulierventils (in der Fig. 1 nicht gezeigt) im Ansaugrohr 102 eingestellt werden. Insbesondere können die im Kurbelgehäuse 120 gesammelten Abgase zu späteren Arbeitszyklen den Verbrennungsräumen 110 und somit auch dem Abgastrakt 130 zugeführt werden, wo dann gesteuert in die Umgebung ausgelassen werden können.

Die Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 weist in dem in der Fig. 1 gezeigten beispielhaften Ausgestaltung zudem eine Belüftungsleitung 128 auf, die das Kurbelgehäuse 120 mit dem Ansaugrohr 102 fluidverbindet. In der Belüftungsleitung 128 ist eine Belüftungspumpe 129 vorgesehen, mit der eine aktive Belüftung des Kurbelgehäuses 120 aus dem Ansaugrohr 102 gesteuert werden kann. Die Belüftungspumpe 129 ist insbesondere dazu ausgebildet, Luft aus dem Ansaugrohr 102 in das Kurbelgehäuse 120 zu pumpen, wenn ermittelt wird, dass der Wasserstoffgehalt innerhalb des Kurbelgehäuses 120 einen vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwert überschreitet und somit eine erhöhte Explosionsgefahr besteht. Durch das Einblasen von Luft in das Kurbelgehäuse 120 kann folglich der Wasserstoffgehalt darin verringert und somit auch die Explosionsgefahr reduziert werden.

Gemäß dem im Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Blowby-Gase über die Entlüftungsleitung 124 in das Ansaugrohr 102 eingeleitet. Durch den Unterdrück im Ansaugrohr 102 entsteht auch im Kurbelgehäuse 120 in den meisten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 100 ein Unterdrück.

Unter zusätzlichem Verweis auf die Fig. 2 wird im Folgenden eine beispielhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen der Funktionstüchtigkeit der Kurbelgehäuseentlüftung der

Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 der Fig. 1 beispielhaft beschrieben.

Das Verfahren der Fig. 2 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem ermittelt wird, ob sich die Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 in einem vorbestimmten Betriebsmodus befindet, während dem keine Verbrennung eines Luft- Wasserstoff-Gemischs innerhalb der Verbrennungskammern 110 stattfindet. Beispielsweise kann ein vorbestimmter Betriebsmodus in Form einer Schubabschaltungsphase der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 vorliegen. Das Verfahren verbleibt so lange beim Schritt 210, bis ein vorbestimmter Betriebsmodus ermittelt wird.

Wird beim Schritt 210 ein vorbestimmter Betriebsmodus der

Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 ermittelt, gelangt das Verfahren zum Schritt 220, an dem mittels des Gassensors 140 ein Gassignal erzeugt wird, das von der Steuerungseinheit 160 empfangen wird. In einem darauffolgenden Schritt 230 wird basierend auf dem empfangenen Gassignal der Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 ermittelt. Dies kann im Falle eines Wasserstoffsensors als Gassensor 140 direkt aus dem Wasserstoffsignal erfolgt. Alternativ kann das Ermitteln des Wasserstoffgehalts, wie bereits beschrieben, im Falle eines Sauerstoffsensors als Gassensor indirekt aus dem Sauerstoffsignal erfolgen.

In einem darauffolgenden Schritt 240 wird ermittelt, ob der im Schritt 230 ermittelte Wasserstoffgehalt einen vorbestimmten Wasserstoffgehalt, wie beispielsweise 0,5 %, überschreitet. Vorzugsweise kann nach dem Ermitteln des vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 eine vorbestimmte Zeitdauer von ungefähr 3 Sekunden, bevorzugt ungefähr 1 Sekunde, abgewartet werden, bis der Schritt 240 durchgeführt wird. Damit kann sichergestellt werden, dass zum Zeitpunkt der Gassignal-Erzeugung die aufgrund der zuvor in den Verbrennungskammern 110 stattgefundene Verbrennung erzeugten Abgase bereits am Gassensor 140 vorbeigeströmt sind. Folglich sollte es sich bei dem im Schritt 220 gemessenen Abgas um das aus dem Kurbelgehäuse 120 entlüftete Abgas handeln.

Wird beim Schritt 240 ermittelt, dass der beim Schritt 230 ermittelte Wasserstoffgehalt den vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 250, an dem eine ordnungsgemäß funktionierende Kurbelgehäuseentlüftung diagnostiziert wird. Insbesondere kann ein Überschreiten des vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwert dahingehend ausgelegt werden, dass die im Kurbelgehäuse 120 eingefangenen Abgase, die Wasserstoff enthalten, entweder über die Entlüftungsleitung 124 oder an den Kolben 114 vorbei (d.h. entlang des Pfeils 108 in der Fig. 1 ) in die Verbrennungsräume 110 und somit in den Abgastrakt 130 strömen können. Somit sind diese beiden Entlüftungspfade im Wesentlichen unblockiert und im Wesentlichen frei.

Wird aber beim Schritt 240 ermittelt, dass der beim Schritt 230 ermittelte Wasserstoffgehalt den vorbestimmten Wasserstoffschwellenwert nicht überschreitet, d. h. unterschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 260, an dem eine nicht ordnungsgemäß funktionierende bzw. fehlfunktionierende Kurbelgehäuseentlüftung diagnostiziert wird. Insbesondere kann ein Unterschreiten des vorbestimmten Wasserstoffschwellenwerts dahingehend ausgelegt werden, dass die im Kurbelgehäuse 120 eingefangenen Abgase nicht wie gewünscht über die Entlüftungsleitung 124 oder an den Kolben 114 vorbei (d.h. entlang des Pfeils 108 in der Fig. 1 ) in die Verbrennungsräume 110 und somit in den Abgastrakt 130 strömen können. Somit ist zumindest einer dieser beiden Entlüftungspfade zumindest teilweise blockiert bzw. verstopft, beispielsweise durch Rußpartikel, einen defekten Ölabscheider, eine gequetschte Leitung oder einen verstopften Ansaugluftfilter.

In der in der Fig. 2 vorteilhaften und beispielhaften Ausgestaltung schließt sich den Schritten 250 und 260 jeweils ein Schritt 270 an, in dem der Abgasmassenstrom ermittelt wird. Dies kann beispielsweise mittels eines im Ansaugrohr 102 angeordneten Luftmassenmessers oder über ein Luftpfadmodell, welches in der Motorsteuerung berechnet wird, erfolgen.

In einem darauffolgenden Schritt 280 wird basierend auf dem im Schritt 230 ermittelten Wasserstoffgehalt im Abgas und basierend auf dem im Schritt 270 ermittelten Abgasmassenstrom der im Kurbelgehäuse 120 vorliegende Wasserstoffgehalt ermittelt. Insbesondere kann durch eine Korrelation des im Schritt 230 ermittelten Wasserstoffgehalts im Abgas und dem im Schritt 270 ermittelten Abgasmassenstrom der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse 120 ermittelt werden.

In einem darauffolgenden Schritt 290 wird überprüft, ob der im Schritt 280 ermittelte Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse 120 einen vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert überschreitet. Wird beim Schritt 290 ermittelt, dass der im Schritt 280 ermittelte Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse 120 den vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert, wie beispielsweise 3 %, überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 292, an dem eine erhöhte Explosionsgefahr festgestellt wird. Dabei kann im Schritt 292 ein Alarmsignal an den Betreiber der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 100 ausgegeben werden, das den Betreiber darauf hinweist, dass eine erhöhte Explosionsgefahr besteht.

Gleichzeitig oder daraufhin kann als Gegenmaßnahme eine aktive Entlüftung des Kurbelgehäuses 120 erfolgen.

Wird beim Schritt 290 ermittelt, dass der im Schritt 280 ermittelte Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse 120 den vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert, wie beispielsweise 3 %, nicht überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 294, an dem keine erhöhte Explosionsgefahr festgestellt wird.

Nach den Schritten 292 und 294 endet das Verfahren der Fig. 2 beim Schritt 300.

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses (120) einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), die Verbrennungskammern (110) und einen in einem Abgastrakt (130) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) angeordneten Gassensor (140) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Gassignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt oder den Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), wobei das Verfahren umfasst:

Ermitteln eines vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), während dem im Wesentlichen keine Verbrennung eines Luft- Wasserstoff-Gemischs innerhalb der Verbrennungskammern (110) stattfindet,

Empfangen eines Gassignals vom Gassensor (140) während dem vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) zumindest teilweise basierend auf dem empfangenen Gassignal, und

Ermitteln einer funktionstüchtigen Entlüftung des Kurbelgehäuses (120), wenn der ermittelte Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) einen vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwert überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Gassensor ein Wasserstoffsensor (140) ist und das Gassignal ein Wasserstoffsignal ist, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100).

3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Gassensor ein Sauerstoffsensor (140) ist und das Gassignal ein Sauerstoffsignal ist, das repräsentativ ist für den Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100).

4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit:

Ermitteln des Sauerstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) basierend auf dem vom Sauerstoffsensor (140) empfangenen Sauerstoffsignal,

Ermitteln des tatsächlichen Sauerstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) basierend auf dem ermittelten vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), und Bilden einer Sauerstoffgehaltdifferenz zwischen dem ermittelten tatsächlichen Sauerstoffgehalt und dem basierend auf dem vom Sauerstoffsensor (140) empfangenen Sauerstoffsignal ermittelten Sauerstoffgehalt, wobei das Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) zumindest teilweise auf der ermittelten Sauerstoffgehaltdifferenz basiert.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfangen des Wasserstoffsignals nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer erfolgt, nachdem der vorbestimmte Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) ermittelt wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Zeitdauer ungefähr 3 Sekunden, vorzugsweise ungefähr 1 Sekunde, beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) eine Schubabschaltungsphase der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: Ermitteln einer fehlfunktionierenden Entlüftung des

Kurbelgehäuses (120), wenn der während dem vorbestimmten Betriebsmodus der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) ermittelte Wasserstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) den vorbestimmten Wasserstoffgehaltschwellenwert unterschreitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit:

Ausgeben einer Warnung an den Betreiber der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), wenn eine fehlfunktionierende Entlüftung des Kurbelgehäuses (120) ermittelt wurde.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Wasserstoffgehaltschwellenwert zwischen ungefähr 0,3 % und ungefähr 0,6 % liegt, vorzugsweise ungefähr 0,5 % beträgt.

11 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: Ermitteln eines Abgasmassenstroms durch den Abgastrakt (130) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), und

Ermitteln des Wasserstoffgehalts im Kurbelgehäuse (120) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) zumindest teilweise basierend auf dem empfangenen Gassignal des Gassensors (140) und zumindest teilweise basierend auf dem ermittelten Abgasmassenstrom durch den Abgastrakt (130) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100).

12. Verfahren nach Anspruch 11 , ferner mit:

Ermitteln, dass der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse (120) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) einen vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert überschreitet, und zumindest teilweises Entlüften des Kurbelgehäuses (120), wenn ermittelt wurde, dass der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse (120) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) den vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert überschreitet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit:

Ermitteln der Temperatur des Gasgemischs im Kurbelgehäuse (120), wobei der vorbestimmte Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur des Gasgemischs im Kurbelgehäuse (120) vorbestimmt ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner mit: Ausgeben eines Alarms an den Betreiber der

Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), wenn ermittelt wurde, dass der Wasserstoffgehalt im Kurbelgehäuse (120) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) den vorbestimmten Wasserstoffgehaltgrenzschwellenwert überschreitet, wobei der Alarm den Betreiber darüber informiert, dass eine erhöhte Explosionsgefahr des Kurbelgehäuses (120) besteht.

15. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), die dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben zu werden, mit: zumindest einer Verbrennungskammer (110), die durch einen sich innerhalb eines Zylinders (112) reziprok hin- und herbewegenden Kolbens (114) gebildet wird, einem Kurbelgehäuse (120), in dem der Kolben (114) zumindest teilweise angeordnet ist und das mit der Verbrennungskammer (110) über einen Spalt zwischen dem Kolben (114) und dem Zylinder (112) zumindest teilweise fluidverbunden ist, einem Abgastrakt (130), der mit der zumindest einen Verbrennungskammer (110) fluidverbunden ist, einem im Abgastrakt (130) angeordneten Gassensor (140), der dazu ausgebildet ist, ein Gassignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für den Wasserstoffgehalt oder Sauerstoffgehalt im Abgas der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100), und einer Steuerungseinheit (160), die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Überwachen der Entlüftung eines Kurbelgehäuses (120) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) durchzuführen.

16. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) nach Anspruch 15, ferner mit: einem Ansaugrohr (102), das mit der zumindest einen Verbrennungskammer (110) fluidverbunden und dazu ausgebildet ist, der zumindest einen Verbrennungskammer (110) Luft für die Verbrennung eines Luft- Wasserstoff-Gemischs zuzuführen, und einer Entlüftungsleitung (124), die das Kurbelgehäuse (120) mit dem Ansaugrohr (102) fluidverbindet.

17. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (100) nach Anspruch 16, ferner mit: einer Belüftungsleitung (128), die das Kurbelgehäuse (120) mit dem Ansaugrohr (102) fluidverbindet, und - einer in der Belüftungsleitung (128) angeordneten

Belüftungspumpe (129), die dazu ausgebildet ist, Luft aus dem Ansaugrohr (102) in das Kurbelgehäuse (120) zum Spülen des Kurbelgehäuses (120) mit Luft zu pumpen.