DE102006039973A1 - Einrichtung und Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung und Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Einrichtung und Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem luftbeaufschlagbaren Einlasskanal und wenigstens einen diesem zugeordneten Injektor mit zumindest bereichsweise beheizbarer Düse zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem luftbeaufschlagbaren Einlasskanal und wenigstens einem diesem zugeordneten Injektor mit Düse zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs.
  • Brennkraftmaschinen, die mit kryogenem Kraftstoff, wie tiefkaltem Wasserstoff, betrieben werden, wird der kryogene Kraftstoff üblicherweise mittels eines Injektors zugeführt, wie beispielsweise aus der DE 100 60 786 A1 hervor geht. Dabei ergibt sich die Problematik, dass aufgrund der Einblasung des tiefkalten Kraftstoffs die Düse des Injektors unter den Gefrierpunkt von Wasser abkühlt. An der kalten Oberfläche lagert sich Wasserdampf aus der Ansaugluft in Form von Reif an. Diese Eisanlagerung führt zu Einschränkungen im Betrieb der Brennkraftmaschine bis hin zur vollständigen Zufrieren des Injektors und somit zum Ausfall der Brennkraftmaschine.
  • Außerdem trifft aufgrund des Einbaus des Injektors senkrecht zum Einlasskanal der tiefkalte Kraftstoff auf der dem Injektor gegenüberliegenden Seite des Einlasskanals auf. Durch den intensiven Kontakt mit dem kalten Kraftstoff wird diese Oberfläche unter den Gefrierpunkt von Wasser gekühlt, so dass sich auch hier Eis anlagert. Diese Eisschicht führt zu einer Beeinträchtigung des Einlassquerschnitts.
  • Darüber hinaus strömt auf dem Weg vom Gemischbildungsbereich bis zum Brennraum der Brennkraftmaschine das kalte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch betriebswarme Bereiche (Zylinderkopf) der Brennkraftmaschine. Aufgrund des großen Temperaturunterschieds zwischen der Einlasskanalwandung und dem Kraftstoff-Luft-Gemisch kommt es zu einer unerwünschten Erwärmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die den positiven Effekt der kryogenen Gemischbildung zumindest teilweise wieder zunichte macht, da ein wärmeres Gemisch einen schlechteren Luftaufwand bedingt und die Klopfneigung der Brennkraftmaschine erhöht.
  • Um der beschriebenen Problematik entgegenzuwirken, wird gemäß der DE 100 60 786 A1 die Ansaugluft in mehreren Stufen abgekühlt, vor der Abkühlung auf ein Endtemperaturniveau entfeuchtet und der tiefkalte Kraftstoff erst der entfeuchteten Ansaugluft zugeführt. Damit kann zwar einer Vereisung der Injektordüse respektive des Einlasskanals vorgebeugt werden, allerdings ist hierzu ein beträchtlicher Aufwand erforderlich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Einrichtung und ein Verfahren weiter zu bilden, so dass in vereinfachter Weise einer Vereisung der Injektordüse und/oder des Einlasskanals vorgebeugt wird und die Vorteile der kryogenen Gemischbildung erhalten bleiben.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei erfindungsgemäß die Düse zumindest bereichsweise beheizbar ist sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7, wobei erfindungsgemäß die Düse zumindest bereichsweise beheizt wird. Auf diese Weise wird insbesondere in vereisungsgefährdeten Bereichen des Injektors bzw. des Einlasskanals einem Niederschlag von Luftfeuchtigkeit wirksam vorgebeugt, zugleich wird insbesondere bei einer nur bereichsweise Beheizung der Wärmeeintrag in den kalten Kraftstoff auf ein Minimum begrenzt. Die Erfindung ermöglicht so die Nutzung der Vorteile der kryogenen Gemischbildung auf den Brennkraftmaschinenbetrieb hinsichtlich Leistung, Emission und Wirkungsgrad und vermeidet gleichzeitig eine Vereisung im Gemischbildungsbereich. Dabei erfordert eine Umsetzung der Erfindung einen nur geringen Aufwand.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorzugsweise ist ein Kontakt des kryogenen Kraftstoffs mit beheizten Düsenbereichen zeitlich und örtliche begrenzbar. Dadurch ist eine übermäßige Erwärmung des kalten Kraftstoffs vermieden ebenso, wie durch Maßnahmen zur thermischen Entkoppelung der Kraftstoffzuführung von der beheizbaren Düse.
  • Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist zur passiven Beheizung der Düse Abwärme der Brennkraftmaschine nutzbar. So kann unter Vermeidung einer gesonderten aktiven Heizeinrichtung auf besonders einfache Weise eine Beheizung erfolgen und zugleich die Brennkraftmaschine gekühlt werden.
  • Einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zufolge ist im Einlasskanal eine Leiteinrichtung zur gezielten Strahlführung des kryogenen Kraftstoffs vorgesehen. Damit ist – gegebenenfalls in Verbindung mit einer zur Einlasskanallängsachse schrägen Anordnung des Injektors – eine gezielte Strahlführung des kryogenen Kraftstoffs im Einlasskanal ermöglicht, sodass der kalte Kraftstoffstrahl durch einen Luftmantel von der wärmeren Einlasskanalwandung oder dem warmen Zylinderkopf isoliert und ein Wärmeeintrag in den Kraftstoff minimiert ist.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders bevorzug, wenn der kryogene Kraftstoff zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung nur mit einem Teilbereich des beheizten Bereichs der Düse in Kontakt gebracht und/oder mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit an beheizten Bereichen der Düse vorbei geleitet wird. Zweckmäßigerweise wird zur passiven Beheizung der Düse Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt. Zusätzlich oder alternativ wird zur Minimierung des Wärmeeintrags der Strahl des kryogenen Kraftstoffs im Einlasskanal zumindest bereichsweise zentral mit einem Luftmantel gegen die Brennkraftmaschine isoliert geführt.
  • Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf die einzige Figur, die eine Einrichtung zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und kryogenem Wasserstoff zeigt, ein besonders zu bevorzugenden Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt ausschnittsweise eine Brennkraftmaschine 102 mit einem Brennraum 108 und einem Zylinderkopf 104. Der Brennraum 108 weist einen Einlass 110 auf, der mittels eines Ventils 112 verschließbar ist. Über den Einlass 110 ist der Brennraum 108 der Brennkraftmaschine 102 bei deren Betrieb mit einem brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch befüllbar. Hierzu ist dem Einlass 110 ein Einlasskanal 106 zugeordnet, der auslassseitig in den Brennraum 108 mündet. Einlassseitig ist der Einlasskanal 106 mit Luft beaufschlagbar.
  • Zur Einblasung von Kraftstoff in den Einlassluftstrom ist ein Injektor 114 vorgesehen, der auslassseitig eine Düse 116 umfasst. Der Injektor ist gegenüber der Längsachse des Einlasskanals geneigt angeordnet, sodass die Düse 116 nahe am Flansch 105 zu dem in Betrieb warmen Zylinderkopf 104 zu liegen kommt, ohne dass der mittlere Abstand zwischen betriebskaltem Injektor 114 und betriebswarmem Zylinderkopf 104 gegenüber einer herkömmlichen Anordnung verringert ist.
  • Der Injektor 114 ist in der kryogenen Gemischbildungseinheit 124 montiert. Diese ist aus wärmedämmendem Material gefertigt, um den Wärmeeintrag in den Injektor 114 zu minimieren.
  • Im Einlasskanal 106 ist ein Leitblech 118 angeordnet, das thermisch gut mit dem Zylinderkopf 104 verbunden und daher beim Betrieb der Brennkraftmaschine 102 wärmebeaufschlagt ist. Gegenüber der Kraftstoffzuleitung ist das Leitblech 118 thermisch isoliert. Das Leitblech 118 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Aluminium, und ist an der Innenwand des Einlasskanals 106 um die Düse 116 des Injektors 114 herum angebracht. Das Leitblech 118 bildet eine in Strömungsrichtung des Einlassluftstroms gerichtete Düse.
  • Tiefkalter Wasserstoff, der im Fahrzeug in flüssigem Zustand gespeichert ist, liegt über eine Zuleitung mit Druck am Injektor 114 an. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 102 öffnet zur Befüllung des Brennraums 108 der Brennkraftmaschine 102 bei geöffnetem Ventil 112 der Injektor 114 mittels einer Steuereinrichtung betätigt, sodass eine vorbestimmter Volumenstrom Kraftstoff über die Düse 116 austritt. Der kalte Kraftstoffstrom 120 trifft auf das Leitblech 118, das thermisch mit dem warmen Zylinderkopf 104 verbunden ist. Dadurch wird eine Abkühlung unter den Gefrierpunkt von Wasser vermieden und eine Anlagerung von Feuchtigkeit aus der durch den Einlasskanal 106 einströmenden Luft in Form von Reif oder Eis wirksam verhindert.
  • Vom Leitblech 118 strömt der Kraftstoffstrahl 122 sich radial ausbreitend in Strömungsrichtung des Einlassluftstroms ab. Dabei wird der Kraftstoffstrahl 122 insbesondere düsennah so geführt, dass zwischen Kraftstoffstrahl 122 und Einlasskanalwandung eine Luftschicht verbleibt, die eine Isolation gegenüber der Einlasskanalwandung bewirkt. Dadurch wird Anlagerung von Feuchtigkeit aus der durch den Einlasskanal 106 einströmenden Luft in Form von Reif oder Eis an der Einlasskanalwandung wirksam verhindert. Stromab fächert sich der Kraftstoffstrom auf, vermischt sich mit Luft und erwärmt sich.
  • Mit dem Leitblech 118 erfolgt einerseits eine Ableitung von Kälte aus dem zugeführten Kraftstoff sowie eine Ableitung von Wärme aus dem Zylinderkopf, andererseits wird damit der Kraftstoffstrom zentral zumindest bereichsweise mit einem Luftmantel gegen die Einlasskanalwandung isoliert in den Einlassluftstrom eingeblasen.

Claims (10)

  1. Einrichtung (100) zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine (102) mit wenigstens einem luftbeaufschlagbaren Einlasskanal (106) und wenigstens einem diesem zugeordneten Injektor (114) mit Düse (116) zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (116) zumindest bereichsweise beheizbar ist.
  2. Einrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontakt des kryogenen Kraftstoffs mit beheizten Düsenbereichen zeitlich und örtliche begrenzbar ist.
  3. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1–2, gekennzeichnet durch Maßnahmen zur thermischen Entkoppelung der Kraftstoffzuführung von der beheizbaren Düse (116).
  4. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass zur passiven Beheizung der Düse (116) Abwärme der Brennkraftmaschine (102) nutzbar ist.
  5. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1–4, gekennzeichnet durch eine Leiteinrichtung (118) im Einlasskanal (106) zur gezielten Stahlführung des kryogenen Kraftstoffs.
  6. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1–5, gekennzeichnet durch eine zur Einlasskanallängsachse schräge Anordnung des Injektors (114).
  7. Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine (102) mit wenigstens einem luftbeaufschlagbaren Einlasskanal (106) und wenigstens einem diesem zugeordneten Injektor (114) mit Düse (116) zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (116) zumindest bereichsweise beheizt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kryogene Kraftstoff zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung nur mit einem Teilbereich des beheizten Bereichs der Düse (116) in Kontakt gebracht und/oder mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit an beheizten Bereichen der Düse (116) vorbei geleitet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7–8, dadurch gekennzeichnet, dass zur passiven Beheizung der Düse (116) Abwärme der Brennkraftmaschine (102) genutzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung des Wärmeeintrags der Strahl (122) des kryogenen Kraftstoffs im Einlasskanal (106) zumindest bereichsweise zentral mit einem Luftmantel gegen die Brennkraftmaschine isoliert geführt wird.
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