本發(fā)明涉及一種用于控制渦輪增壓式氫發(fā)動機的方法和控制單元。

背景技術(shù)：

1、氫氣為移動式和固定式應(yīng)用提供潛在的無二氧化碳的能量。除了燃料電池，還已知以氫氣作為燃料的內(nèi)燃發(fā)動機，其在確定的細分市場具有優(yōu)點，例如在非高速公路應(yīng)用中具有較大的穩(wěn)健性。此外，還使用了成熟的技術(shù)，其導(dǎo)致更有利的制造和維護成本。

2、為了確保在氫發(fā)動機的情況下的燃燒穩(wěn)定性并且同時限制氮氧化物排放，在稀薄運行中、即以高的空氣過盈量運行氫發(fā)動機是有意義的。理想情況下，所選的空氣過盈值為2或更大。在此，只有一部分新鮮空氣參與燃燒，這可能導(dǎo)致靜態(tài)功率密度和動態(tài)扭矩建立時的損失(einbuss)。因此，尤其是與現(xiàn)代柴油或汽油發(fā)動機的扭矩建立相比，氫發(fā)動機僅延遲地滿足扭矩要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是，提出一種用于氫發(fā)動機的方法和/或控制裝置，用以提供改進的響應(yīng)特性。

2、該目的通過具有獨立權(quán)利要求1特征的用于控制渦輪增壓式氫發(fā)動機的方法來實現(xiàn)。有利的實施方式和擴展方案可以在從屬權(quán)利要求中和以下描述中獲得。

3、提出了一種用于控制渦輪增壓式氫發(fā)動機的方法，該渦輪增壓式氫發(fā)動機用于燃燒具有空氣-氫氣比λ大于1的空氣-氫氣混合物，其中，氫發(fā)動機構(gòu)造為具有(einnehmen)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)和瞬態(tài)運行狀態(tài)，其中，在瞬態(tài)運行狀態(tài)下，將點火時間點向比在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下晚的方向調(diào)整。

4、所涉及的氫發(fā)動機具有一個或多個氣缸，這些氣缸以所希望的方式布置在發(fā)動機缸體中。在每個氣缸中布置有可軸向運動的活塞，并且所述活塞通過在由活塞限界出的腔室中被壓縮和點燃的氫氣-空氣混合物來運動。在此，在火花塞處觸發(fā)點火火花的點火時間點與活塞的位態(tài)有關(guān)，并且通常與火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜌浒l(fā)動機的不同運行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)有關(guān)。常規(guī)的是，隨著轉(zhuǎn)速逐漸升高，將點火時間點朝更早的時間點的方向調(diào)整、即調(diào)整到接近上止點的時間點。

5、常規(guī)的是，針對氫發(fā)動機的每個運行狀態(tài)這樣設(shè)定點火時間點，使得存在優(yōu)化的效率。這尤其可能包含對所謂的mfb50點(“已燃質(zhì)量分數(shù)”，英文：mass?fraction?burned)的評估，在該mfb50點處，一半氫氣被燃燒?？梢栽谝欢ǖ倪吔鐑?nèi)調(diào)整點火時間點，用以優(yōu)化當前運行狀態(tài)下的燃燒并且避免爆震和回燃(rückzündung)。在全負載的情況下，例如由于過早的點火時間點而可能會發(fā)生爆震，而在點火時間點過晚的情況下則更可能發(fā)生回燃。由此可以限定一種點火時間點范圍，點火時間點應(yīng)處于該點火時間點范圍內(nèi)。點火時間點范圍可以與負載有關(guān)，并且在部分負載的情況下傾向于比全負載的情況下更早。

6、在發(fā)動機臺架上的測試的范疇內(nèi)出人意料地證明，在氫發(fā)動機的情況下對點火角度的遲后調(diào)整提供了在氮氧化物排放和燃燒穩(wěn)定性方面的優(yōu)點。由此可以減少預(yù)設(shè)的空氣過盈量。從而可以暫時地將較大量的氫氣轉(zhuǎn)化為熱量。此外，通過對點火時間點的這種遲后調(diào)整原則上使得通過燃燒釋放的能量的較大份額留在從氫發(fā)動機流出的廢氣中。通過與此伴隨的提高的廢氣焓，可以改進布置在廢氣路徑中的渦輪增壓器的響應(yīng)特性，因而改進與該蝸輪增壓器耦合的、用以增大空氣質(zhì)量流量的壓縮機的響應(yīng)特性，并且從而改進發(fā)動機的整個扭矩建立。

7、因此，通過本發(fā)明的方法可以顯著改進瞬態(tài)運行狀態(tài)，并且通過該方法受調(diào)節(jié)的氫發(fā)動機可以明顯更動態(tài)地運行，以更迅速地實現(xiàn)全負荷運行。根據(jù)本發(fā)明，這成本非常高效地執(zhí)行，因為實際上不需要對氫發(fā)動機進行任何改動。

8、替代于改進氫發(fā)動機的響應(yīng)特性，燃燒的替代策略可以包括用于提升氣缸中的氣體質(zhì)量的措施。例如，燃燒的一個替代策略在于化學(xué)計量式發(fā)動機運行，然而，如上所述，該化學(xué)計量式發(fā)動機運行尤其在負載較高的區(qū)域中與爆震傾向相關(guān)。此外，與稀薄燃燒法相比，提高了燃料消耗。用于提升氣缸中的氣體質(zhì)量的措施例如可以包括電氣增壓(elektrische?aufladung)、用單獨的電機進行支持、將空氣吹入發(fā)動機的進氣管中和其他措施。然而，這些措施可能顯著提高系統(tǒng)復(fù)雜性和制造成本。

9、點火角度的遲后調(diào)整雖然可能暫時導(dǎo)致提高的燃料消耗。然而，由于遲后調(diào)整僅僅設(shè)置用于希望提高扭矩要求所處的瞬態(tài)的和因此非穩(wěn)態(tài)的運行狀態(tài)，因此總體上顯著地限制了這種更多消耗。一旦在氫發(fā)動機中達到所希望的增壓壓力，點火角度則可以再次被推移回到針對優(yōu)化(機械)的效率的范圍中。

10、可以將在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的空氣-氫氣比λ設(shè)定為比在瞬態(tài)運行狀態(tài)下大的值。因此，與在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下相比，在瞬態(tài)運行狀態(tài)下，氫發(fā)動機的氣缸可以明顯更強烈地被充注。由此，實現(xiàn)提高的廢氣焓，并因而實現(xiàn)了渦輪增壓器的至少短時改進的響應(yīng)特性，用以提高扭矩。

11、在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，空氣-氫氣比λ可以處于2至4的范圍內(nèi)，并且在瞬態(tài)運行狀態(tài)下，空氣-氫氣比λ為2或更低、優(yōu)選處于1.7至2的范圍內(nèi)。由此，在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下實現(xiàn)了非常高的燃燒穩(wěn)定性和非常低的氮氧化物排放。在那里，對快速和顯著的扭矩提升的要求相對較低，并且氫發(fā)動機的運行的動態(tài)性較小。然而，這能夠?qū)崿F(xiàn)在稀薄范圍中的運行。然而，在瞬態(tài)運行狀態(tài)下，可以至少短時地使用較濃的混合物。然而在此，應(yīng)避免空氣-氫氣比低于約1.5至1.7，以便進一步降低不受控的燃燒的危險。可能有意義的是，將空氣-氫氣比向下限制為例如1.7。

12、在瞬態(tài)運行狀態(tài)下，點火時間點可能處于上止點之后的20°至45°的范圍內(nèi)，優(yōu)選處于上止點之后的38°至42°的范圍內(nèi)。氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@高于汽油或柴油的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得點火時間點可以顯著地處于上止點之后。點火時間點越晚，則所涉及的氣缸可以更強烈地被加載以空氣-氫氣混合物。因此，適合的可以是，在瞬態(tài)運行狀態(tài)下在要求更高的扭矩提升的情況下調(diào)整點火時間點直至上止點之后的45°。

13、在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，點火時間點可以處于上止點之后的0°至25°的范圍內(nèi)、優(yōu)選5°至20°的范圍內(nèi)。由此，實現(xiàn)了具有低氮氧化物形成的優(yōu)化燃燒。

14、在瞬態(tài)運行狀態(tài)下，點火時間點可以隨著扭矩提升的逐漸增大而向更晚的方向調(diào)整。因此，所要求的扭矩提升越大，則點火時間點可以越晚。從而，可以符合需求地提高廢氣焓，用以改進渦輪增壓器的響應(yīng)，并從而改進與渦輪增壓器耦合的、用于增大空氣質(zhì)量流量的壓縮機的響應(yīng)，然而在穩(wěn)態(tài)階段，可以在消耗和排放方面優(yōu)化地產(chǎn)生廢氣焓?？梢栽O(shè)想，將扭矩提升要求線性地轉(zhuǎn)換為點火時間點調(diào)整。還可以設(shè)想，僅僅在扭矩提升要求的情況下執(zhí)行這種關(guān)聯(lián)，所述扭矩提升要求處于理論上的最大扭矩提升要求的25％至100％的范圍內(nèi)、優(yōu)選50％至100％的范圍內(nèi)。此外可以設(shè)想，自達到用于所希望的扭矩提升的閾值起，才相應(yīng)地向晚的方向調(diào)整點火時間點。

15、在與氫發(fā)動機的渦輪增壓器耦合的壓縮機上達到預(yù)給定的壓力的情況下，還可以將點火時間點調(diào)整回到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)的范圍內(nèi)。因為僅在瞬態(tài)運行狀態(tài)下需要用于改進響應(yīng)特性的措施，因此當達到所希望的增壓壓力時，點火時間點可以立即調(diào)整回到優(yōu)化的范圍內(nèi)。然后，效率再次處于優(yōu)化的范圍內(nèi)。

16、通過提高噴射到氫發(fā)動機中的氫氣量，可以降低瞬態(tài)運行狀態(tài)下的空氣-氫氣比λ。由此，廢氣焓提高，并且渦輪增壓器相應(yīng)地短時地被明顯更強烈地機械加載。由于渦輪增壓器和壓縮機的組合的質(zhì)量慣性，用于燃燒的空氣質(zhì)量流量暫時地首先大體上保持恒定，或者最初僅僅緩慢地升高。

17、本發(fā)明還涉及一種用于控制渦輪增壓式氫發(fā)動機的控制單元，該渦輪增壓式氫發(fā)動機用于燃燒空氣-氫氣混合物，其中，該控制單元構(gòu)造為用于執(zhí)行上述方法。

18、最后，本發(fā)明涉及一種氫發(fā)動機，其具有至少一個氣缸、渦輪增壓器、壓縮機和上述控制單元。該控制單元在運行方面與氫發(fā)動機的部件耦合，并構(gòu)造為用于調(diào)節(jié)氫發(fā)動機的運行。