DE102018114354A1

DE102018114354A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018114354A1
Application number: DE102018114354.0A
Authority: DE
Inventors: Werner Verdoorn
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (1), in dessen Zylinderraum (2) ein über Pleuel (3, 4) mit einer Kurbelwelle (5) verbindbarer Kolben (6) bewegbar angeordnet ist, wobei im Zylinderkopf (7) des Zylinders (1) mindestens ein Auslassventil (8), mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse (11), mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse (10), mindestens eine Wasser-Einspritzdüse (12) und mindestens eine Zündkerze (9) angeordnet sind, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:A) Ein brennbares Gemisch aus Kraftstoff und Sauerstoff wird über die mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse (11) und die mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse (10) wird bei geschlossenem Auslassventil (8) in den Zylinderraum (2) bzw. in den im Zylinderkopf (7) gebildeten Raum im Zylinder (1) eingespritzt;B) mittels der mindestens einen im Zylinderkopf (7) angeordneten Zündkerze (9) wird das Sauerstoff-Kraftstoff-Gemisch in Oberer-Totpunkt-Stellung des Kolbens (6) gezündet;C) in der unteren, Totpunkt-Stellung des Kolbens (6) wird das mindestens eine Auslassventil (8) im Zylinderkopf (7) für einen begrenzten Zeitraum geöffnet;D) das Auslassventil (8) wird nach Ausstoßen einer begrenzten Masse verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs aus dem Zylinderraum (2) geschlossen und es wird über die mindestens eine Wasser-Einspritzdüse (12) eine begrenzte Menge Wasser in den Zylinderraum (2) eingespritzt;E) während und/oder unmittelbar nach der Wassereinspritzung über die Wasser-Einspritzdüse (12) beginnt die Einspritzung von Kraftstoff über die mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse (11) und Sauerstoff über die mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse (10) zur Bildung eines brennbaren Gemischs aus Kraftstoff, Sauerstoff, im Zylinderraum (2) verbliebenen Verbrennungsresten und Wasser bis zum Erreichen der Oberen-Totpunkt-Stellung des Kolbens (6) und erneuter Zündung des Gemischs mittels der Zündkerze (9).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dessen Zylinderraum ein über Pleuel mit einer Kurbelwelle verbindbarer Kolben bewegbar angeordnet ist, wobei im Kopf des Zylinders mindestens ein Auslassventil, mindestens eine Kraftstoff-, mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse, mindestens eine Wasser-Einspritzdüse und mindestens eine Zündkerze angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Wasser-Einspritzdüse zur Ausübung des erfinderischen Verfahrens und eine Zwei-Takt-Brennkraftmaschine zum Betreiben des Verfahrens nach der Erfindung.
Mit größter Intensität wird in der gesamten Automobilindustrie und darüber hinaus in wissenschaftlichen Einrichtungen usw. an Lösungen gearbeitet, mit denen die bei der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen entstehenden Gase vermieden bzw. bis zum Austritt an die Umwelt von giftigen Anteilen soweit reinigbar sind, dass eine Gesundheitsgefährdung ausgeschlossen werden kann. Dabei geht es in erster Linie um Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Der in diesem Zusammenhang zu betreibende Aufwand zur Entgiftung der Abgase durch den Einbau von Filtern, Katalysatoren usw. ist sowohl bei den nach dem Otto-Verfahren wie auch den nach dem Diesel-Verfahren betriebenen Brennkraftmaschinen enorm. Ein vollständiger Ersatz der Brennkraftmaschinen durch elektrisch bzw. mittels Brennstoffzellentechnik angetriebene Fahrzeuge erscheint kurz- bzw. mittelfristig nicht in entsprechenden Stückzahlen erreichbar und aus Kostengründen für einen Großteil der Benutzer nicht in Betracht zu kommen; die jetzt bekannten Lösungen erscheinen aber auch aus technischen Gründen derzeit noch höchst problematisch (u.a. Batterietechnologie, CO₂lastige Stromerzeugung,Stromnetzbelastungen, Wasserstoffversorgungs-Netz usw.).
Aus diesen Gründen arbeitet man weiterhin intensiv an der Weiterentwicklung der Brennkraftmaschinen-Technologie. Dazu wird die Anwendung von alternativen Kraftstoff-Gemischen und weiterentwickelten Verbrennungsverfahren in Betracht gezogen: man strebt innermotorisch eine wesentlich schnellere und gleichmäßigere Verbrennung mit möglichst vollständiger Vermeidung von die Umwelt belastenden Giftstoffen an.
Ansätze für derartige Lösungen werden zum Beispiel in der DE 2004 579 A1 , der DE 2 137 404 A1 und der US 3 696 795 offenbart. Ferner zeigen und beschreiben auch die US 8 479 690 B2 und die WO 2010/036093 A1 ähnlich gestaltete Verfahren bzw. Brennkraftmaschinen. Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird anstelle eines Kraftstoff-Luft-Gemischs zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ein Gemisch aus Kraftstoff und reinem Sauerstoff und die Zuführung von Wasser zur Kühlung bzw. zum Erzeugen von hohen Dampfdrücken im Zylinderraum in Betracht gezogen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine weitgehend bzw. möglichst vollständig giftstofffreie Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine anzubieten.
Dazu schlägt die Erfindung bei einem eingangs angesprochenen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine folgende Verfahrensschritte vor:

- Über mindestens eine Kraftstoff- und mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse wird ein brennbares Gemisch bei geschlossenem Auslassventil in den Zylinderraum eines Zylinders eingespritzt;
- mittels mindestens einer Zündkerze wird das brennbare Gemisch in der oberen Totpunkt-Stellung des Kolbens gezündet;
- infolge des durch die Zündung des Gemisches entstehenden Drucks im Zylinderraum bewegt sich der Kolben in seine untere Totpunkt-Stellung, in der das mindestens ein Auslassventil, angeordnet im Zylinderkopf geöffnet wird;
- das geöffnete oder teil-geöffnete Auslassventil wird nach Ausstoßen einer begrenzten Masse verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs geschlossen und es wird über die mindestens eine Wasser-Einspritzdüse eine begrenzte Menge Wasser in den Zylinderraum eingespritzt;
- während und/oder unmittelbar nach der Wassereinspritzung beginnt die Einspritzung von Kraftstoff über die mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse und Sauerstoff über die mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse zur Bildung eines brennbaren Gemischs aus Kraftstoff, Sauerstoff und Wasser bis zum Erreichen der oberen Totpunkt-Stellung des Kolbens und - siehe erster Verfahrensschritt - erneuter Zündung dieses brennbaren Gemischs.

Besonders zweckmäßig ist es, zwischen 30 und 50 % des verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs aus dem Zylinderraum über das mindestens eine geöffnete bzw. teil-geöffnete Auslassventil auszustoßen. Ebenfalls als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, im Ladungsschritt etwa 20 % des für eine Gesamtfüllung des Zylinderraums benötigten Masse an Wasser über die mindestens eine Wasser-Einspritzdüse in den Zylinderraum einzuspritzen.
Vorzugsweise sollte eine Wassereinspritzdüse zur Anwendung bei einem Verfahren nach der Erfindung so ausgestaltet sein, dass zur Überwindung des im Zylinderraum herrschenden Innendrucks ein sich im Zylinderraum weitestgehend gleichmäßig verteilender und die Zylinderraum-Wände bestreichender Wasser-Sprühnebel bildbar ist.
Besonders zweckmäßig erscheint die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung bei einer Zwei-Takt-Brennkraftmaschine mit 360-Grad-Winkel-Umdrehung der Kurbelwelle.
Bei entsprechender Auswahl der Parameter für die Konstruktion von Zylinder und Kolben und der Anordnung von Ventilen und Düsen ist eine nahezu bzw. vollständig giftstofffreie Verbrennung des Sauerstoff-Kraftstoff-Wasser-Gemischs im Zylinderraum einer Brennkraftmaschine erreichbar. Durch das Einspritzen von Wasser kurz nach Beginn des Verdichtungsschrittes bzw. während des Ausstoßes des verbrannten Gemisches wird eine optimale Abkühlung von Zylinder, Zylinderwänden und Kolben erreicht.
Durch die Einspritzung von Kraftstoff und Sauerstoff während oder unmittelbar nach der Wassereinspritzung ist ein zündbares Gemisch bildbar, das zu einer weitgehend oder vollständigen Verbrennung ohne Giftstoffanteile im Abgas führen kann. Außerdem sind bei einem Verfahren nach der Erfindung wesentlich gleichmäßiger ablaufende Verbrennungsvorgänge bei deutlich höheren Wirkungsgraden im Vergleich zu Otto- bzw. Diesel-Motoren erreichbar.
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfinderischen Lösung für ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Figuren einer Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt, und die anhand der Zeichnung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Es zeigt:

1 schematisch den Aufbau eines Zylinders mit einem Zylinderraum, in dem ein über Pleuel mit einer Kurbelwelle bewegbarer Kolben angeordnet ist sowie die Anordnung von Einspritzdüsen für Kraftstoff, Sauerstoff und Wasser, Zündkerze und Auslassventil bei einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens;
2-6 schematisch den Ablauf der erfinderischen Verfahrensschritte in unterschiedlichen Phasen.

In 1 ist schematisch der grundsätzliche Aufbau einer Brennkraftmaschine gezeigt, mit der ein Verfahren nach der Erfindung betrieben werden kann. Ein Zylinder 1 weist einen Zylinderraum 2 auf, in dem über gelenkig gelagerte Pleuel 3 bzw. 4 ein Kolben 6 oszillierend bewegbar ist. Der Pleuel 4 ist auf einer Kurbelwelle 5 gelagert und betreibt zusammen mit dem an ihn gelenkig gelagerten Pleuel 3, der wiederum gelenkig am Kolben 6 angelenkt ist, die Umsetzung einer oszillierenden Bewegung des Kolbens 6 im Zylinderraum 2 in eine rotierende Bewegung der Kurbelwelle 5. Im Zylinderkopf 7 des Zylinders 1 ist mindestens ein Auslassventil 8 zum Öffnen und Verschließen des Zylinderraums 2 angeordnet. Ferner ist im Zylinderkopf 7 mindestens eine Zündkerze 9 angeordnet zur Zündung des verdichteten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs.
Das Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch wird über separat angeordnete Einspritzdüsen 10 bzw. 11, die ebenfalls im Zylinderkopf 7 angeordnet sind, dem Zylinderraum 2 zugeführt. Dabei kann die Zusammenführung des Gemischs unmittelbar im oberen Bereich des Zylinderraums 2 erfolgen oder vor dem Übertritt in den Zylinderraum 2 in einem entsprechenden Vorraum am Zylinderkopf 7 oder auch erst nach dem Einspritzen in den Zylinderraum 2.
Ferner ist im Zylinderkopf 7 eine Wasser-Einspritzdüse 12 angeordnet.
Der Ablauf des erfinderischen Verfahrens erfolgt nachfolgenden Verfahrensschritten (siehe 2-6 in der Zeichnung):

- Sobald der Kolben 6 im Zylinderraum 2 seinen über die gelenkig gelagerten Pleuel 3 bzw. 4 in seinem oberen Totpunkt steht (siehe Darstellung in 2), wird das über die Sauerstoff-Einspritzdüse 10 und die Kraftstoff-Einspritzdüse 11 zugeführte bzw. eingespritzte und zwischen Kolbenoberfläche 13 und Zylinderkopf 7 verdichtete Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch mittels der Zündkerze 9 gezündet;
- mittels des infolge der Zündung des Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs entstehenden Drucks im Zylinderraum 2 wird der Kolben 6 in seine untere Totpunktposition (siehe 3) gebracht. In dieser Position wird das Auslassventil 8 für einen begrenzten Zeitraum geöffnet und es wird - durch die Rückbewegung des Kolbens 6 in Richtung auf den Zylinderkopf 7 - ein begrenzter Ausstoß verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs über eine Abgasleitung 14 aus dem Zylinderraum 2 abgeführt.
- das Auslassventil 8 wird nach dem Abführen der begrenzten Menge verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs aus dem Zylinderraum 2 wieder in seine Schließposition im Zylinderkopf 7 zurückgeführt und verschließt somit den Zylinderraum 2 bei fortdauerndem Bewegen des Kolbens 6 in Richtung auf seinen oberen Totpunkt am Zylinderkopf 7. Gleichzeitig wird über die Wassereinspritzdüse 12 eine begrenzte Menge Wasser in den Zylinderraum 2 zur Durchmischung mit der dort verbliebenen Restmenge an verbranntem Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch eingespritzt;
- das Einspritzen des Wassers zur Durchmischung mit dem verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs erfolgt gegen den im Zylinderraum 2 herrschenden Innendruck in einer Weise, dass im Zylinderraum 2 eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Wassernebel erreicht wird und die Wandungen des Zylinderraums 2 mittels eines Wasser-Sprühnebels bedeckbar und abkühlbar sind;
- während oder unmittelbar nach der Wassereinspritzung über die Wasser-Einspritzdüse 12 beginnt die Einspritzung von Sauerstoff über die Sauerstoff-Einspritzdüse 10 und von Kraftstoff über die Kraftstoff-Einspritzdüse 11 (siehe 5) zur Bildung eines brennbaren Gemischs aus Kraftstoff, Sauerstoff, Resten an verbranntem Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs im Zylinderraum 2 und dem Wassernebel, der infolge der Einspritzung von Wasser über die Wassereinspritzdüse 12 im Zylinderraum 2 gebildet ist.
- Beim Erreichen des Kolbens 6 in seiner oberen Totpunktlage im Zylinderraum 2 (siehe 6) wird über die Zündkerze 9 das verdichtete Gemisch aus Sauerstoff, Kraftstoff, Verbrennungsresten und Wassernebel erneut gezündet.

Aus den vorstehend anhand der 2-6 beschriebenen Abläufen ist erkennbar, dass es sich um einen ventilgesteuerten und mittels Zündkerzen 9 gezündeten Zwei-Takt-Prozess handelt.
Als besonders vorteilhaft für das angestrebte Ergebnis mit möglichst weitestgehend bzw. vollständig entgifteten Abgas hat es sich erwiesen, wenn ca. 30 bis maximal 50 % des verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs im Schritt 2 des Verbrennungsvorgangs (siehe 3) über das Auslassventil 8 und die Abgasleitung 14 aus dem Zylinderraum 2 abgeführt wird.
Zur Kühlung von Kolben, Zylinderwänden und der im Zylinderraum 2 verbliebenen Restmenge an verbranntem Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ca. 20 % der Masse an Wasser, die für eine gesamte Füllung des Zylinderraums 2 benötigt würde, einzuspritzen (siehe Verfahrensschritt dargestellt in 4).
Ebenso hat es sich als zweckmäßig für das angestrebte Verbrennungsergebnis erwiesen, wenn im darauffolgenden Verfahrensschritt (siehe 5 der Zeichnung) ca. 20 % der für eine komplette Füllung des Zylinderraum-Volumens erforderlichen Masse an Kraftstoff und Sauerstoff in das Gemisch aus Wassernebel/Restmenge an verbranntem Sauerstoff-Kraftstoff in den Zylinderraum 2 (siehe 5) eingespritzt wird, um dann zur erneuten Zündung (siehe 6) des so gebildeten Gemischs gebracht zu werden.
Da bei dem im Unterschied zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen aufgrund des mit reinem Sauerstoff betriebenen und mit höheren Temperaturen ablaufenden Verbrennungsprozesses bilden sich zwangsläufig im Abgas größere Mengen an Kondenswasser, das ggf. kondensiert (zusätzliche Kühlung), aufgefangen und entsprechend der Kraftstoff-Einspritzdüse 11 wieder zugeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Zylinderraum
3: Pleuel
4: Pleuel
5: Kurbelwelle
6: Kolben
7: Zylinderkopf
8: Auslassventil
9: Zündkerze
10: Sauerstoff-Einspritzdüse
11: Kraftstoff-Einspritzdüse
12: Wasser-Einspritzdüse
13: Kolben-Oberfläche
14: Abgasleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2004579 A1 [0004]
DE 2137404 A1 [0004]
US 3696795 [0004]
US 8479690 B2 [0004]
WO 2010/036093 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (1), in dessen Zylinderraum (2) ein über Pleuel (3, 4) mit einer Kurbelwelle (5) verbindbarer Kolben (6) bewegbar angeordnet ist, wobei im Zylinderkopf (7) des Zylinders (1) mindestens ein Auslassventil (8), mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse (11), mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse (10), mindestens eine Wasser-Einspritzdüse (12) und mindestens eine Zündkerze (9) angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: A) Ein brennbares Gemisch aus in den Zylinderraum (2) bzw. in den im Zylinderkopf (7) gebildeten Raum bei geschlossenem Auslassventil (8) im Zylinder (1) über die mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse (11) Kraftstoffs und über die mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse (10) Sauerstoffs wird eingespritzt; B) mittels der mindestens einen im Zylinderkopf (7) angeordneten Zündkerze (9) wird das Sauerstoff-Kraftstoff-Gemisch in Oberer-Totpunkt-Stellung des Kolbens (6) gezündet; C) in der unteren Totpunkt-Stellung des Kolbens (6) wird das mindestens eine Auslassventil (8) im Zylinderkopf (7) für einen begrenzten Zeitraum geöffnet; D) das Auslassventil (8) wird nach Ausstoßen einer begrenzten Masse verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs aus dem Zylinderraum (2) geschlossen und es wird über die mindestens eine Wasser-Einspritzdüse (12) eine begrenzte Menge Wasser in den Zylinderraum (2) eingespritzt. E) während und/oder unmittelbar nach der Wassereinspritzung über die Wasser-Einspritzdüse (12) beginnt die Einspritzung von Kraftstoff über die mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse (11) und Sauerstoff über die mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse (10) zur Bildung eines brennbaren Gemischs aus Kraftstoff, Sauerstoff, im Zylinderraum (2) verbliebenen Verbrennungsresten und Wasser bis zum Erreichen der Oberen-Totpunkt-Stellung des Kolbens (6) und erneuter Zündung des Gemischs mittels der Zündkerze (9).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verfahrensschritten C) und D) zwischen 30 und 50 % des verbrannten Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs aus dem zylinderraum (2) über das mindestens ein geöffnetes Auslassventil (8) und die Abgasleitung (14) ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrenschritt D) etwa 20 % der für eine Füllung des gesamten Volumens des Zylinderraums (2) benötigten Masse an Wasser über die mindestens eine Wasser-Einspritzdüse (12) in den Zylinderraum (2) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt E) etwa 20 % der für eine Gesamtfüllung des Volumens des Zylinderraums (2) benötigten Masse an Sauerstoff und Kraftstoff über die mindestens eine Sauerstoff-Einspritzdüse (10) und die mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse (11) in den Zylinderraum (2) eingespritzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kondenswasser aus dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine zum Einspritzen über die mindestens eine Wasser-Einspritzdüse (12) in den Zylinderraum (2) verwendbar ist.
Wasser-Einspritzdüse (12) zur Anwendung bei einem Verfahren nach vorstehendem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegen den Innendruck im Zylinderraum (2) ein im Zylinderraum (2) verteilbarer und die Zylinderraum-Wände bestreichender Wasser-Sprühnebel bildbar ist.
Zwei-Takt-Brennkraftmaschine zum Betreiben eines Verfahrens nach vorstehendem Anspruch 1.