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Erschienen in: MTZ - Motortechnische Zeitschrift 9/2022

01.09.2022 | Titelthema

Modulare H2-Motorsteuerung

verfasst von: Volker Müller, Simon Gottorf, Joschka Schaub, Lukas Virnich

Erschienen in: MTZ - Motortechnische Zeitschrift | Ausgabe 9/2022

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Im laufenden Wettstreit um CO2-freie oder CO2-neutrale Antriebslösungen stößt der H2-Verbrennungsmotor vor allem für kommerzielle Anwendungen zunehmend auf Interesse. Ein wichtiges Element des Technologiepakets für H2-Motoren, das sowohl transiente Leistung, hohe Effizienz als auch niedrige Abgasemissionen sicherstellt, ist die Optimierung von Motorsteuerungsfunktionen. In diesem Beitrag stellt FEV seine modulare H2-Motorsteuerungssoftware vor.
Der Energieträger Wasserstoff hat einzigartige Eigenschaften, die das Technologiepaket eines optimierten H2-Verbrennungsmotors beeinflussen. Je nach Anwendung beziehungsweise Grundmotor sind deshalb unterschiedliche technische Ansätze in der Diskussion [1]. Bild 1 stellt die zu berücksichtigenden Teilsysteme mit den wichtigsten Technologien dar.
Bei Saugrohreinspritzung (Port Fuel Injection, PFI) wird Wasserstoff in den Ansaugkrümmer eingeblasen. Dank einer relativ langen Zeit für die Gemischaufbereitung wird eine hohe Gemischhomogenität erreicht. Das Auftreten von lokal fetten Luft/Kraftstoff-Zonen ist begrenzt, was die NOx- Bildung reduziert und die Klopfneigung verringert. Da sowohl Frischluft als auch Wasserstoff in den Zylinder gedrückt werden müssen, sinkt der volumetrische Wirkungsgrad, während der Ladedruckbedarf steigt. Die Gefahr des Auftretens unkontrollierter Verbrennungsabläufe muss durch Anpassung der Ventilsteuerzeiten reduziert werden. Der geringe volumetrische Wirkungsgrad von PFI-H2-Motoren resultiert in niedrigen spezifischen Leistungen. Dem kann entweder mit einer Teilelektrifizierung - zum Beispiel mit einem 48-V-System - oder mit dem Wechsel zur Direkteinspritzung (Direct Injection, DI) entgegengewirkt werden. Eine Kombination aus beidem ist ebenfalls eine Option.
Bei einem DI-System wird der Wasserstoff direkt in den Zylinder eingeblasen. Die Gefahr von unkontrollierten Zündungen wird dadurch deutlich reduziert. Auch der volumetrische Wirkungsgrad wird nicht beeinträchtigt. Weitere Vorteile der DI-Technologie im Vergleich zum PFI sind in der Regel niedrigere NOx-Emissionen bei konstantem Ladedruck sowie ein verbessertes transientes Ansprechverhalten [1]. Eine große Herausforderung für DI-Systeme besteht in der Gemischbildung, für die weniger Zeit zur Verfügung steht.

H2-Technologiebaukasten und Herausforderung für die Motorsteuerung

Aufgrund der Bandbreite an Technologien ergibt sich eine große Anzahl möglicher Kombinationen. Außerdem hat Wasserstoff im Vergleich zu anderen Kraftstoffen deutlich weitere Zündgrenzen. Daher sind grundsätzlich verschiedene Brennverfahren wie ultra mager, mager und stöchiometrisch möglich. Bild 2 ordnet die verschiedenen Technologiepakete unterschiedlichen Anwendungen zu.
Um eine ähnliche spezifische Leistung wie mit Benzin zu erreichen, kann das Verbrennungskonzept einerseits von modernen stöchiometrischen Ottomotoren mit Direkteinspritzung abgeleitet werden. Andererseits kommt auch ein Diesel-Basismotor in Frage, der mit Fremdzündung und einem Wasserstoffeinblasesystem ausgestattet wird. Damit lässt sich bei konstantem Magerbetrieb ein ähnlicher Wirkungsgrad wie bei der Verwendung von Diesel erreichen. Mit der großen Bandbreite möglicher Verbrennungskonzepte ergibt sich auch eine große Anzahl möglicher Kombinationen der Abgasnachbehandlungssysteme. Für stöchiometrischen Betrieb ist ein Dreiwegekatalysator zwingend erforderlich, um den NOx-Ausstoß zuverlässig zu reduzieren. Mager betriebene Motoren benötigen stattdessen dieselähnliche Katalysatoren mit Selektiver katalytischer Reduktion (SCR) oder NOx-Speicherkatalysatoren. Kombinationen aus Dreiwegekatalysator mit und ohne NOx-Speicherfähigkeit und aktiven oder passiven SCR-Systemen sind ebenso denkbar, wenn sowohl magere als auch stöchiometrische Verbrennung im Betrieb zum Einsatz kommt.
Da die H2-Verbrennung eine große Bandbreite an Möglichkeiten bietet, ist zu deren Beherrschung eine vielseitige Motorsteuerung erforderlich. Dabei können zahlreiche ausgereifte Funktionen von Otto- und Dieselmotoren übernommen werden. In diesem Zusammenhang hat FEV eine modulare Funktionsbibliothek entwickelt. Sie basiert auf einer durchgängigen Softwarearchitektur, die Funktionen nach physikalischen Schnittstellen zusammenfasst, und einem Entwicklungsframework, das die Funktions- und Softwareentwicklung vom Prototyp bis zur Serienreife unterstützt. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Qualitätsbewertung im Entwicklungsprozess [2]. Der Ansatz erlaubt es, gleiche Softwarefunktionen in unterschiedlichsten Anwendungen einzusetzen und Funktionsvarianten modular auszutauschen.
Dadurch kann insbesondere für H2-Verbrennungsmotoren, trotz der großen Bandbreite an Technologien, eine hohe Softwarequalität bei sehr kurzen Entwicklungszeiten realisiert werden. Gleichzeitig lassen sich neue und für die spezifischen Anforderungen von H2-Verbrennungsmotoren optimierte Funktionen einfach in die Gesamtsteuerung integrieren. Die Anwendung von Schnittstellen nach dem Autosar-Standard gewährleistet hierbei die Kompatibilität, um im Projektverlauf Funktionen flexibel austauschen und verschiedenste Motorkonfigurationen in kurzer Zeit bedienen zu können. Bild 3 gibt einen Überblick über einige Funktionen dieser modularen Funktionsbibliothek. Die Software für H2-Verbrennungsmotoren nutzt im Drehmoment- und Einblasepfad die von mageren Dieselmotoren bekannte Qualitätsregelung. Die Zündung- und Klopfregelung wurde weitestgehend von Ottomotoren übernommen. Für die AGR-Raten-Modellierung sowie die Turbolader- und Drosselklappenregelung werden modellbasierte Funktionen eingesetzt, die so auch für Diesel- und Ottomotoren genutzt werden. Aufgrund der kontinuierlichen Optimierung der Funktionen in den Entwicklungsprojekten und der Rückführung in die Funktionsbibliothek stehen diese Aktualisierungen auch weiteren laufenden Projekten zur Verfügung.
Im Folgenden werden zwei H2-spezifische Funktionsbeispiele näher erläutert, die transiente NOx-Begrenzung im Einblasepfad und der für H2-Brennverfahren und Abgasnachbehandlungssysteme optimierte Betriebsartenkoordinator.

Transiente NOx-Limitierung

H2-spezifische Motorsteuerungsfunktionen sind notwendig, um neben nicht zu vernachlässigenden Basisfunktionen wie einem sicheren Start- und Abstellvorgang auch eine optimale Leistungsfähigkeit bei niedrigsten Emissionen zu erzielen. Insbesondere der Konflikt zwischen einem dynamischen Ansprechverhalten des H2-Verbrennungsmotors und seinen NOx-Emissionen lässt sich mit gezielten motorinternen Maßnahmen und Regelungsansätzen lösen. Der H2-Verbrennungsmotor zeigt vor allem bei ausreichend magerem relativem Luftverhältnis (λ) ein sehr niedriges NOx-Emissionsniveau. Wenn für ein verbessertes Ansprechverhalten partiell eine Qualitätsregelung mit Kraftstoffanreicherung angewendet wird, nimmt im transienten Betrieb die NOx-Bildung jedoch deutlich zu. Die Messung in Bild 4 zeigt, wie eine zunehmende Kraftstoffanreicherung - also ein niedrigeres minimales λ - während des Lastsprungs einen schnelleren Lastaufbau unterstützt, jedoch zu einem exponentiellen Anstieg der NOx-Emissionen führt. Zudem steigt mit niedrigerem λ auch die Wahrscheinlichkeit von Verbrennungsanomalien wie Vorentflammungen oder klopfenden Verbrennungen, die es aus Motorschutzgründen zu vermeiden gilt.
Die NOx-Emissionen sowie auch das Klopfen sind neben dem relativen λ vor allem von der Verbrennungsschwerpunktlage abhängig. Ein hohes Potenzial verspricht deshalb die Spätverstellung des Zündzeitpunkts während des Lastsprungs. Bild 5 zeigt bei gleichem minimalen λ den Einfluss des Zündzeitpunkts auf die NOx-Emissionen, den Lastaufbau, die Luftmasse und die Kraftstoffmenge.
Die zwei Messungen mit Zündwinkel-Spätverstellung bestätigen eine deutliche Reduktion der NOx-Emissionen während des Lastsprungs, die Zeit zur Erreichung der Volllast bleibt jedoch trotz verzögerter Verbrennung mit geringerem inneren Wirkungsgrad identisch. Sowohl bei niedrigem indizierten Mitteldruck zu Anfang des Lastsprungs als auch bei erhöhter Kraftstoffmasse gegen Ende des Lastsprungs sind die Wirkungsgradverluste erkennbar. Die Nachteile der verringerten motorischen Effizienz werden allerdings durch eine schnellere Zunahme der Luftmasse infolge eines schnelleren Ladedruckaufbaus kompensiert. Dabei führt die höhere Abgastemperatur zu einem verbesserten Ansprechverhalten des Turboladers. Der spätere Zündzeitpunkt vermindert somit nicht nur die Höhe der NOx-Peaks, sondern ermöglicht auch eine schnellere Rücknahme der Kraftstoffanreicherung, wodurch das stationäre λ und somit das niedrige NOx-Niveau früher erreicht werden.
In der FEV-Software wurde auf Basis dieses Effekts eine kraftstoffgeführte Lastregelung für H2-Verbrennungsmotoren entwickelt, um den Konflikt zwischen transientem Ansprechverhalten und NOx-Emissionen unter Berücksichtigung motorischer Grenzen zu entschärfen. Einen Überblick über die Lastregelung und die Wirkung der transienten Klopf- und NOx-Limitierung zeigt Bild 6.
Über ein Effizienzmodell der H2-Verbrennung wird die Soll-Kraftstoffmasse unter Berücksichtigung eines transienten Limits für das relative λ und einer Zündwinkelkorrektur aus der Drehmomentanforderung bestimmt. Die Zündwinkelkorrektur hängt dabei vor allem von der aktuellen Kraftstoffanreicherung und dem aktuellen Lastpunkt ab. Die Soll-Luftmasse ergibt sich aus der Soll-Kraftstoffmasse und dem gewünschten stationären λ. Sie bildet die Basis für die Füllungsregelung und wird modellbasiert über eine invertierte physikalische Füllungserfassung in einen Ladedruck-Sollwert überführt.
Die Software bietet somit eine auf die H2-Verbrennung zugeschnittene Strategie zur Lastregelung und erlaubt dabei eine flexible Kalibrierung zur optimalen Balance zwischen NOx-Emissionen, dynamischem Ansprechverhalten und Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitiger Vermeidung von unerwünschten Verbrennungsanomalien, Bild 7. Die schwarze Kurve repräsentiert einen Lastsprung bei optimaler Verbrennungsschwerpunktlage ohne transiente Kraftstoffanreicherung. Hierbei werden zwar niedrige NOx-Emissionen sowie beste Wirkungsgrade erzielt, jedoch kann die deutlich verzögerte transiente Leistungsfähigkeit für manche Anwendungen unzureichend sein. Die rote Kurve demonstriert - mit der größtmöglichen Kraftstoffanreicherung - den Sollwert-Verlauf zur Erzielung des schnellsten Lastaufbaus. Diese Strategie ist mit hohen NOx-Emissionen verbunden. Die grüne Kurve zeigt eine Alternative mit bestmöglichen Ansprechverhalten bei gleichzeitiger Begrenzung der NOx-Emissionen.
Diese Regelungssoftware kommt bereits für PFI- und DI-H2-Verbrennungsmotoren in dynamischen Untersuchungen auf dem Prüfstand sowie in mehreren Demonstrator-Fahrzeugen zum Einsatz. Die Zyklusergebnisse mit verschiedenen λ-Limits, Bild 8, verdeutlichen erneut den Trade-off zwischen NOx-Emissionen und der Fähigkeit des Motors, dem dynamischen Sollmoment im Testzyklus zu folgen (Regression des Drehmoments). Dabei zeigt die in blau dargestellte optimierte Kalibrierung die Vorteile des Ansatzes auf.
Welche Lastsprungstrategie während der Applikation gewählt wird, hängt vom Anwendungsfall sowie dem NOx-Nachbehandlungskonzept ab. Bei einem kalten Abgasnachbehandlungssystem kann für ein Konzept mit nahezu Null-Emissionen darüber hinaus die Notwendigkeit bestehen, die Dynamik deutlich einzuschränken. Unter Bedingungen, in denen das Abgasnachbehandlungssystem hohe NOx-Konvertierungsraten erreicht, kann als Schlüsselmerkmal wiederum eine dynamisch vorteilhafte Strategie mit stärkerer Kraftstoffanreicherung erlaubt werden.

Betriebsartenkoordinator

Eine modulare Software muss unterschiedliche Motorkonzepte bedienen können und insbesondere die Möglichkeit bieten, die Betriebsstrategie an das Konzept und den Zustand der Abgasnachbehandlung anzupassen. Bild 9 zeigt den Ansatz eines flexiblen H2-Betriebsartenkoordinators für zahlreiche Motor- und Abgasnachbehandlungskonzepte. Abhängig von den gewählten Kombinationen aus Brennverfahren, Abgasnachbehandlung, Aufladung und gegebenenfalls einer Antriebsstranghybridisierung, ergeben sich spezifische Betriebsarten und Strategien.
Neben einem Mager- und "λ ≤ 1"-Betrieb gilt es, verschiedene Heizbetriebsarten zu berücksichtigen, um das Abgasnachbehandlungssystem schnell auf Temperatur zu bringen. Dabei muss die Software innerhalb einer Betriebsart und je nach Ziel (NOx-Emissionen, Abgastemperatur, Verbrauch, Leistungsfähigkeit) die Sollwerte vorgeben (λ, Zündwinkel, Einspritzende, AGR-Rate, Leerlaufdrehzahl etc.) und die transienten Limitierungen adaptieren. Ein frei konfigurierbarer Wechsel zwischen den Betriebsarten erlaubt zudem verschiedene Aufheiz- und Emissionsstrategien je nach Abgasnachbehandlungskonzept. Insbesondere der Wechsel zwischen magerem und stöchiometrischem Betrieb - bei Volllast, NSK-Regeneration oder SCR-Heizbetrieb mit aktivem Dreiwegekatalysator - erfordert besonderes Augenmerk, um λ-Bereiche mit hoher NOx-Bildung (1 < λ < 1,x) zu meiden und den Übergang trotzdem drehmomentneutral zu gestalten.

Optimierter Entwicklungsprozess für H2-Verbrennungsmotoren

Zur Bestätigung von Konzeptentscheidungen und der Hardwareauswahl für eine spätere Serienentwicklung ist es wichtig, möglichst schnell einen funktionsfähigen Prototyp aufbauen zu können. Dieser bietet bereits in einem frühen Projektstadium die Möglichkeit zur Präsentation des H2-Verbrennungsmotors in Fahrzeugen oder Maschinen [3]. Die vorgestellte modulare H2-Motorsteuerung ermöglicht eine Beschleunigung vieler Schritte im Entwicklungsprozess, um in kürzester Zeit einen funktionsfähigen Prototyp zu realisieren.
Bild 10 zeigt, an welchen Stellen im Entwicklungsprozess Schritte vorverlagert und parallelisiert werden können. Die Funktionsentwicklung startet bereits parallel zur Komponentenauswahl mit der Zusammenstellung der erforderlichen Module aus der Funktionsbibliothek. Sofern erforderlich, können zu diesem Zeitpunkt bereits einzelne Module an spezielle Anforderungen des Projektmotors angepasst und anschließend wieder als weitere Variante in die Bibliothek zurückgeführt werden. Parallel zur Zusammenstellung und Adaptation der Applikationssoftware erfolgt der Aufbau des Steuergeräts für den Motorprüfstand und das Demonstratorfahrzeug beziehungsweise die Maschine. Hierfür kann ein Prototypsteuergerät mit separaten I/O-Modulen eingesetzt werden, das im weiteren Verlauf des Projekts flexibel zur Untersuchung verschiedener Hardwarekonfigurationen angepasst werden kann. Sofern jedoch wenig Hardwareänderungen zu erwarten sind, kann alternativ bereits zu diesem Zeitpunkt ein kompakteres, seriennahes Steuergerät verwendet werden.
Ein zusätzlicher Vorteil der modellbasierten Steuerung ist die Möglichkeit zur umfangreichen Vorverlagerung von Kalibrieraktivitäten von der experimentellen auf die virtuelle Desktop-Umgebung. Dazu können beispielsweise die Spezifikationen der Motorgeometrie oder Resultate von 1-D-Simulationen zur Vorkalibrierung verschiedener Motorsteuergeräteparameter herangezogen werden. Dieser Vorgang reduziert die notwendige experimentelle Kalibrierzeit auf dem Motorprüfstand. Parallel zur Finalisierung der virtuellen Vorkalibrierung erfolgt die Applikation der Positionsregelung von Aktuatoren und die Validierung der Signalinterpretation von Sensorwerten anhand von vorhandenen Realkomponenten im HiL-Labor. Somit startet die anschließende experimentelle Untersuchung mit einer validierten und vorkonfigurierten Motorsteuerung, was die Prüfstandzeit zur Inbetriebnahme der Software und Hardware ebenfalls verkürzt. Die derart vorbereitete Motorsteuerung wird nun auf dem Motorenprüfstand zur thermodynamischen Untersuchung, Konzeptvalidierung und der stationären Basiskalibrierung des Projektmotors verwendet. Für die anschließende Transientkalibrierung wird das Prototypsteuergerät in das Fahrzeug beziehungsweise die Maschine integriert und die entsprechende Schnittstelle angebunden. Sofern nicht bereits initial erfolgt, kann nun zum Betrieb einer Entwicklungsflotte - parallel zur Prüfstandskampagne - auf die robustere Steuergerätehardware gewechselt werden. Dabei wird die bereits in der Basiskalibrierung erprobte Applikationssoftware weiterverwendet und auf die neue Hardware übertragen. Durch den Einsatz des für H2 vorbereiteten Steuergeräts VeRa 3.0 des lokalen Kooperationspartners Vemac existiert hierfür bereits eine etablierte und effiziente Lösung.
Zur abschließenden Industrialisierung wird die im Prüfstands- und Fahrzeugbetrieb validierte Applikationssoftware und deren Kalibrierung in Kooperation mit dem OEM und Steuergeräte-Zulieferer mit einer angepassten Basissoftware verknüpft und auf Serienhardware implementiert.

Fazit

Dieser Beitrag beschreibt die von FEV entwickelte modulare Funktionsbibliothek, die insbesondere für H2-Verbrennungsmotoren optimiert wurde. Zwei spezifische Funktionsbeispiele wurden näher vorgestellt: die NOx-Begrenzung unter transienten Bedingungen durch geeignete Eingriffe in die H2- Einblasestrategie und Zündung sowie der optimierte Betriebsartenkoordinator. Die Software bietet bereits eine flexible Basis für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Entwicklung spezifischer Funktionen zur Regelung von H2-Verbrennungsmotoren wird weiter vorangetrieben, um ein kostengünstiges Antriebskonzept mit hoher Leistung, Dynamik und Effizienz bei "nahe-Null- Emissionen" sicherzustellen.
Neben der Funktionalität wurde ein optimierter Entwicklungsprozess für H2-Verbrennungsmotoren skizziert. Dieser durch Parallelisierung und Vorverlagerung optimierte Prozess sorgt für signifikant verkürzte Entwicklungszeiten für Technologie-Demonstratoren und bietet während des gesamten Projekts eine hohe Flexibilität für eventuelle Änderungen der Motorkomponenten.

Literaturhinweise

[1]
Virnich, L.; Durand, T.; Schaub, S., Ghetti, S., Van der Put, D.: Optimierung des Antriebsstrangs zur Maximierung der Vorteile eines H2-Verbrennungsmotors. 43. Internationales Wiener Motorensymposium, Wien, 2022
 
[2]
Richenhagen, J.; Schnorbus, T.; Birmes, G.; Pieta, H.: PERSIST - A Modular and Scalable SW Architecture for Innovative Control Functionalities. 23. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, Aachen, 2014
 
[3]
Allianz Wasserstoffmotor: Das Gebot der Stunde: Technologieoffenheit! Online: https://​allianz-wasserstoffmotor​.​de/​home.​html, aufgerufen: 27. April 2022
 

Danke

Die Autoren bedanken sich bei Dr. C. Querel, D. Lorei und T. Durand für die Unterstützung bei diesem Artikel.

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Metadaten
Titel
Modulare H2-Motorsteuerung
verfasst von
Volker Müller
Simon Gottorf
Joschka Schaub
Lukas Virnich
Publikationsdatum
01.09.2022
Verlag
Springer Fachmedien Wiesbaden
Erschienen in
MTZ - Motortechnische Zeitschrift / Ausgabe 9/2022
Print ISSN: 0024-8525
Elektronische ISSN: 2192-8843
DOI
https://doi.org/10.1007/s35146-022-0846-2

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