Comparison of control strategies for hydrogen combustion engines in dynamic operation

Abstract

Hydrogen internal combustion engines (H2ICEs) are seen as a promising alternative to the conventional combustion engine and offer advantages in reducing emissions. Emissions and engine performance are balanced by the implemented control strategy, whereas quality and quantity governing strategies exist. Unlike for stationary operation, those approaches are rarely investigated for transient operation upon most of the retrievable research.In this thesis, quality and quantity control are compared simulatively for a transiently operated H2ICE in cooperation with AVL List GmbH. In doing so, differences, benefits and drawbacks to each control strategy with respect to emissions and performance are illustrated. In order to simulate defined load steps, control software and simulation environment are created and subsequently validated using measurement data. The load steps create a basis for argumentation and help AVL List GmbH to decide, which type of control strategy to approach from when investigating the H2ICE.The simulations show that both governing techniques are very dependent on parametrization. This parametrization enables balancing performance and emissions and can also lead to similar results for both control strategies. A drawback to quantity governing is the susceptibility to variations in turbocharger efficiency. On the other hand, quantity governing has potential benefits in using various exhaust aftertreatment systems.

Wasserstoff Verbrennungsmotoren (H2ICEs) werden als vielversprechende Alternative zum konventionellen Verbrennungsmotor gesehen und bieten Vorteile bei der Reduktion von Emissionen. Emissionen und Performance von H2ICEs können von der implementierten Regelstrategie ausgeglichen werden, wobei H2ICEs hierbei qualitäts- oder quantitätsgeregelt werden können. Für den stationären Betriebszustand gibt es in der Literatur bereits einige Vorzüge für die Anwendung der jeweiligen Betriebsstrategie, jedoch nicht für den transienten Betrieb.In dieser Arbeit wird in Kooperation mit AVL List GmbH ein simulativer Vergleich zwischen Qualitäts- und Quantitäsregelung für einen transient betriebenen H2ICE angestellt, um Unterschiede, Vorteile und Nachteile der Strategien in Bezug auf Emissionen und Performance darzustellen. Um definierte Lastsprünge simulieren zu können, werden Kontrollsoftware und Simulationsumgebung erstellt und mithilfe von Messdaten validiert. Die Lastsprünge bilden eine Argumentationsbasis und unterstützen AVL List GmbH bei der Wahl einer H2ICE Regelstrategie.Die durchgeführten Simulationen zeigen eine starke Abhängigkeit beider Strategien von ihrer jeweiligen Bedatung. Diese ermöglicht die Balance zwischen Performance und Emissionen und kann bei beiden Strategien zu ähnlichen Ergebnissen führen. Ein Vorteil der Qualitätsregelung ist die Robustheit gegenüber Änderungen im Turboladerwirkungsgrad, wogegen die Quantitätsregelung potentielle Vorteile beim Verwenden diverser Abgsanachbehandlungssysteme aufweist.