DE102019004189A1 - Method for operating an internal combustion engine with hydrogen, hydrogen internal combustion engine and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft u. a. ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit Wasserstoff. Das Verfahren weist ein Erzeugen von Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in einer Verbrennungskammer (16) der Brennkraftmaschine (10) durch lastabhängiges Anpassen von mindestens einem Parametern von einem Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftmaschine (10), einem Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs, einer Ventilsteuerkurve, vorzugweise einem Schließzeitpunkt, eines Lufteinlassventils (22) zu der Verbrennungskammer (16) und einem Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskammer (16) auf. Das Verfahren kann den Vorteil bieten, dass durch ständiges lastabhängiges Verändern von einem oder mehreren vorbestimmten Parametern während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine Selbstzündung des Wasserstoffs bei unterschiedlichen Lastbedingungen ermöglicht wird.The invention relates to u. a. a method for operating an internal combustion engine (10) with hydrogen. The method includes generating hydrogen auto-ignition conditions in a combustion chamber (16) of the internal combustion engine (10) by load-dependent adaptation of at least one parameter of a combustion air ratio of the internal combustion engine (10), a hydrogen supply time, a valve control curve, preferably a closing time, an air inlet valve (22) to the combustion chamber (16) and a compression ratio of the combustion chamber (16). The method can offer the advantage that, through constant load-dependent changing of one or more predetermined parameters during operation of the internal combustion engine, auto-ignition of the hydrogen is made possible under different load conditions.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff als, vorzugsweise einzigen, Kraftstoff, eine mit Wasserstoff betriebene Brennkraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with hydrogen as, preferably the only fuel, an internal combustion engine operated with hydrogen and a motor vehicle with an internal combustion engine operated with hydrogen.
Der Dieselmotor ist seit seiner Erfindung die effizienteste Verbrennungskraftmaschine. Aus mehreren Gründen wird heute der Dieselmotor durch „saubere“ Motoren substituiert. Nach der derzeit geplanten CO2-EU-Gesetzgebung ist eine Reduktion der CO2-Emissionen von mindestens 20% bis 2025 und mindestens 35% bis 2030 im Vergleich zu einem Wert von 2019 zu erreichen. Dies zwingt Hersteller von Kraftfahrzeugen, wie z. B. Bus- und LKW-Hersteller, andere Technologien zu entwickeln. Eine dieser Technologien basiert auf der motorischen Verbrennung von Wasserstoff. Da der Kraftstoff Wasserstoff kein Kohlenstoffatom hat, verursacht dessen Verbrennung keine CO2-Emissionen. Somit kann das EU-Ziel erreicht werden.The diesel engine has been the most efficient internal combustion engine since its invention. For several reasons, the diesel engine is being replaced by “clean” engines today. According to the currently planned CO2 EU legislation, a reduction in CO2 emissions of at least 20% by 2025 and at least 35% by 2030 compared to a value of 2019 is to be achieved. This forces manufacturers of motor vehicles such. B. bus and truck manufacturers to develop other technologies. One of these technologies is based on the combustion of hydrogen in the engine. Since hydrogen fuel has no carbon atom, burning it does not cause any CO2 emissions. The EU target can thus be achieved.
Eine mögliche Lösung zur Verbrennung von Wasserstoff im Motor basiert auf dem Ottomotor-Prinzip. Dieses Prinzip weist jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad als das Prinzip des Dieselmotors auf. Eine andere Lösung ist es, Wasserstoff mit dem Diesel-Prinzip zu verbrennen. Durch eine Einblasung von Wasserstoffkraftstoff im oberen Totpunktbereich kann der Motor einen ähnlichen Wirkungsgrad wie der Dieselmotor erreichen. Da der Wasserstoff bei der Verbrennung schneller als der Dieselkraftstoff umgesetzt wird, kann ein Wasserstoffmotor mit Hochdruckdirekteinspritzung somit theoretisch sogar einen höheren Wirkungsgrad erreichen als ein Dieselmotor. Ein Nachteil bei dieser Art von Verbrennung liegt in der Zündung des Wasserstoffkraftstoffes. Um dieses Problem zu lösen, kann Dieselkraftstoff als Zündquelle eingespritzt werden. Die Selbstzündung des Dieselkraftstoffes entflammt den im Brennraum vorhandene Wasserstoffkraftstoff. Hierfür sind jedoch komplexe Systeme mit Dieseltank und Dieseleinspritzsystem notwendig. Zusätzlich verursacht die eingespritzte Pilotmenge Diesel wieder CO2.One possible solution for the combustion of hydrogen in the engine is based on the Otto engine principle. However, this principle is less efficient than the principle of the diesel engine. Another solution is to burn hydrogen using the diesel principle. By injecting hydrogen fuel in the top dead center area, the engine can achieve a level of efficiency similar to that of the diesel engine. Since the hydrogen is converted faster than the diesel fuel during combustion, a hydrogen engine with high-pressure direct injection can theoretically even achieve a higher degree of efficiency than a diesel engine. A disadvantage with this type of combustion is the ignition of the hydrogen fuel. To solve this problem, diesel fuel can be injected as an ignition source. The self-ignition of the diesel fuel ignites the hydrogen fuel present in the combustion chamber. However, this requires complex systems with a diesel tank and a diesel injection system. In addition, the injected pilot quantity of diesel again causes CO2.
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative und/oder verbesserte Technik zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff zu schaffen.The invention is based on the object of creating an alternative and / or improved technique for operating an internal combustion engine with hydrogen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.The object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous developments are given in the dependent claims and the description.
Die Erfindung schaffte ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff als, vorzugsweise einzigen, Kraftstoff. Das Verfahren weist ein Erzeugen von Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in einer Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine durch lastabhängiges Anpassen von mindestens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, Parametern auf. Die Parameter können ein Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftmaschine und einen Zuführzeitpunkt (z. B. Einspritzzeitpunkt oder Einblaszeitpunkt) des Wasserstoffs aufweisen. Die Parameter können eine Ventilsteuerkurve, vorzugweise einen Schließzeitpunkt, eines Lufteinlassventils zu der Verbrennungskammer und ein Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskammer aufweisen. Das Verfahren kann ferner ein (z. B. Hochdruck-) Direktzuführen (z. B. Direkteinblasen oder Direkteinspritzen) des Wasserstoffs in die Verbrennungskammer, vorzugsweise in einem Verdichtungstakt (z. B. zu einem Ende des Verdichtungstaktes) aufweisen. Das Verfahren kann ein Selbstzünden des direktzugeführten Wasserstoffs in der Verbrennungskammer durch die erzeugten Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen aufweisen.The invention created a method for operating an internal combustion engine with hydrogen as, preferably the only, fuel. The method includes generating hydrogen auto-ignition conditions in a combustion chamber of the internal combustion engine by load-dependent adaptation of at least one, preferably at least two or three parameters. The parameters can include a combustion air ratio of the internal combustion engine and a feed time (e.g. injection time or injection time) of the hydrogen. The parameters can include a valve control curve, preferably a closing time, an air inlet valve to the combustion chamber and a compression ratio of the combustion chamber. The method can furthermore include (for example high-pressure) direct feeding (for example direct blowing in or direct injection) of the hydrogen into the combustion chamber, preferably in a compression stroke (e.g. at one end of the compression stroke). The method may include autoignition of the directly supplied hydrogen in the combustion chamber by the generated hydrogen autoignition conditions.
Das Verfahren kann den Vorteil bieten, dass durch ständiges lastabhängiges Verändern von einem oder mehreren vorbestimmten Parametern während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine Selbstzündung des Wasserstoffs für jeden oder zumindest eine Vielzahl von Motorbetriebspunkten ermöglicht wird. Bevorzugt ist, dass zumindest zwei Parameter angepasst werden, da so bereits eine vergleichsweise genaue und schnelle Einstellung der gewünschten Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen innerhalb eines vergleichsweise großen Bereichs möglich ist. Bei der Anpassung von drei oder sogar vier Parametern können dementsprechend noch genauere und schnellere Einstellungen der gewünschten Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen innerhalb eines besonders großen Bereichs ermöglicht werden. Bei der Anpassung von zwei oder mehr Parametern können zudem gezielt Koppelungen zwischen den Parametern ausgenutzt werden, z. B. Einflüsse von der Ventilsteuerkurve des Einlassventils und der Zuführung des Wasserstoffs auf das Verbrennungsluftverhältnis.The method can offer the advantage that by constantly changing one or more predetermined parameters as a function of the load during operation of the internal combustion engine, auto-ignition of the hydrogen is made possible for each or at least a plurality of engine operating points. It is preferred that at least two parameters are adapted, since in this way a comparatively precise and rapid setting of the desired hydrogen auto-ignition conditions is possible within a comparatively large range. When three or even four parameters are adapted, it is accordingly possible to set the desired hydrogen auto-ignition conditions even more precisely and quickly within a particularly large range. When adapting two or more parameters, specific couplings between the parameters can also be used, e.g. B. Influences of the valve control curve of the intake valve and the supply of hydrogen on the combustion air ratio.
Im Unterschied zum Otto-Brennverfahren kann der Wasserstoff gegen Ende des Verdichtungstaktes zugeführt werden, sodass eine Verbrennung gemäß dem Dieselprinzip und dem damit verbundenen hohen Wirkungsgrad erfolgt. Die Erfindung kann die Vorteile aus einem umweltfreundlichen Kraftstoff (Wasserstoff) mit dem effizientesten Verbrennungsprozess kombinieren. Dadurch kann eine maximale Ausnutzung der im Wasserstoff gebundenen chemischen Energien erfolgen. Zur Zündung erfordert keine Einspritzung einer Pilotmenge von Dieselkraftstoff. Somit ergeben sich tatsächlich keine CO2-Emissionen und das System kann einfacher aufgebaut sein. Gegenüber anderen Technologien zur Wasserstoffverbrennung kann die Direktzuführung und Selbstzündung des Wasserstoffs dazu führen, dass keine Klopfproblematik auftritt, weil die Zuführung des Kraftstoffs gegen Ende der Verdichtungsphase geschieht. Durch hohe Turbulenzen in der Verbrennungskammer, welche durch die späte Wasserstoff-Zuführung nicht abgebaut werden, kann die anschließende Diffusionsverbrennung noch schneller und effizienter erfolgen.In contrast to the Otto combustion process, the hydrogen can be added towards the end of the compression stroke so that combustion takes place according to the diesel principle and the associated high degree of efficiency. The invention can take advantage of an environmentally friendly fuel (hydrogen) with the most efficient Combine combustion process. This enables maximum utilization of the chemical energies bound in hydrogen. Ignition does not require the injection of a pilot amount of diesel fuel. This means that there are actually no CO2 emissions and the system can be structured more simply. Compared to other technologies for hydrogen combustion, the direct supply and auto-ignition of the hydrogen can prevent knocking problems because the fuel is supplied towards the end of the compression phase. Due to the high turbulence in the combustion chamber, which is not reduced by the late supply of hydrogen, the subsequent diffusion combustion can take place even faster and more efficiently.
Zweckmäßig kann das Verfahren ohne eine Voreinspritzung, ohne Verwendung einer Glühkerze, ohne Verwendung einer Zündkerze und/oder ohne Zuführung von anderen Kraftstoffe durchgeführt werden.The method can expediently be carried out without a pre-injection, without using a glow plug, without using a spark plug and / or without supplying other fuels.
Vorzugsweise kann der Wasserstoff mit Hochdruck in die Verbrennungskammer zugeführt werden, z. B. mit einem Druck in einem Bereich zwischen 150 bar und 500 bar.Preferably, the hydrogen can be fed into the combustion chamber at high pressure, e.g. B. with a pressure in a range between 150 bar and 500 bar.
Es ist möglich, dass der Wasserstoff mittels eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors, der zweckmäßig in die Verbrennungskammer mündet, zugeführt wird.It is possible that the hydrogen is supplied by means of a hydrogen fuel injector, which expediently opens into the combustion chamber.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das lastabhängige Anpassen basierend auf einem (z. B. vorbestimmten) Kennfeld (z. B. Koordinatensystem, Diagramm, Formel, Tabellen usw.), das für eine Vielzahl (z. B. mindestens zwei, drei, vier usw.) von unterschiedlichen Lastpunkten und/oder unterschiedlichen Lastbereichen unterschiedliche einzustellende Werte von mindestens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, der Parameter oder Kombinationen der Parameter bereitstellt. Somit kann sehr genau auf unterschiedliche Lastbedingungen reagiert und weiterhin Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer erzeugt werden.In one exemplary embodiment, the load-dependent adaptation is carried out based on a (e.g. predetermined) characteristic field (e.g. coordinate system, diagram, formula, tables, etc.) that is available for a large number (e.g. at least two, three, four, etc.) .) of different load points and / or different load ranges to be set values of at least one, preferably at least two or three, the parameters or combinations of parameters provides. Thus, it is possible to react very precisely to different load conditions and to continue to generate hydrogen auto-ignition conditions in the combustion chamber.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das lastabhängige Anpassen ständig oder kontinuierlich während des Betriebs der Brennkraftmaschine, vorzugsweise bei Änderungen einer Last der Brennkraftmaschine. Damit kann bspw. sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Brennkraftmaschine Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer vorliegen.In one exemplary embodiment, the load-dependent adaptation takes place continuously or continuously during operation of the internal combustion engine, preferably when a load on the internal combustion engine changes. It can thus be ensured, for example, that hydrogen auto-ignition conditions are present in the combustion chamber at all times during the operation of the internal combustion engine.
In einer Ausführungsform wird das Erzeugen der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in einem Lastbereich oberhalb von einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugsweise bis einschließlich eines Vollastbereichs der Brennkraftmaschine, durchgeführt. Gegebenenfalls kann somit im Niedriglastbereich eine Zündung des Wasserstoffs auf zusätzliche und/oder alternative Weise begünstigt werden oder erfolgen.In one embodiment, the hydrogen auto-ignition conditions are generated in a load range above a low load range of the internal combustion engine, preferably up to and including a full load range of the internal combustion engine. If necessary, ignition of the hydrogen can thus be promoted or take place in an additional and / or alternative manner in the low-load range.
Zweckmäßig kann der Niedriglastbereich einen Bereich zwischen 0 % und 30 % einer Nennlast bzw. Maximallast der Brennkraftmaschine aufweisen.The low load range can expediently have a range between 0% and 30% of a nominal load or maximum load of the internal combustion engine.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Fremdzünden des direktzugeführten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugsweise mittels einer Zündkerze, auf. Es ist möglich, dass beispielsweise in Abhängigkeit von der Ausführung der Brennkraftmaschine die Erzeugung von Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in dem Niedriglastbereich nur mit großem Aufwand unter Hinnahme unterschiedlichster Nachteile oder gar nicht möglich ist. Derartige Schwierigkeiten können durch die Fremdzündung auf einfache Weise umgangen werden. Die Zündkerze kann beispielsweise nur im Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine zur Zündung des Wasserstoffs verwendet werden. Damit kann eine Lebensdauer der Zündkerze verlängert werden.In a further embodiment, the method further comprises spark ignition of the directly supplied hydrogen in a low load range of the internal combustion engine, preferably by means of a spark plug. It is possible that, for example, depending on the design of the internal combustion engine, the generation of hydrogen auto-ignition conditions in the low-load range is only possible with great effort and with the most varied of disadvantages, or not at all. Such difficulties can be avoided in a simple manner by the spark ignition. The spark plug can, for example, only be used to ignite the hydrogen in the low-load range of the internal combustion engine. This can extend the service life of the spark plug.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ein Selbstzünden des direktzugeführten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugsweise unterstützt durch eine Glühkerze, auf. Die Glühkerze kann beispielsweise nur im Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine zur Temperaturerhöhung verwendet werden. Damit kann eine Lebensdauer der Glühkerze verlängert werden.In a further embodiment, the method includes auto-ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine, preferably supported by a glow plug. The glow plug can, for example, only be used to increase the temperature in the low-load range of the internal combustion engine. This can extend the service life of the glow plug.
Zweckmäßig kann eine Anpassung der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen hin zu selbstzündungsfreudigeren Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen vorgenommen werden, wenn eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Damit kann auch bei geringer werdender Last eine Selbstzündung des Wasserstoffs gewährleistet sein.The hydrogen self-ignition conditions can expediently be adapted to hydrogen self-ignition conditions that are more favorable for self-ignition when a load on the internal combustion engine is reduced. Self-ignition of the hydrogen can thus be ensured even when the load is decreasing.
Vorzugsweise kann eine Anpassung der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen hin zu weniger selbstzündungsfreudigeren Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen vorgenommen werden, wenn eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird. Eine hohe Last kann ohnehin die Selbstzündung begünstigen. Die vorgenommene Anpassung kann somit bewirken, dass eine thermische und/oder mechanische Belastung der Komponenten verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine je nach Auslegung in einem Bereich mit höherem Wirkungsgrad bzw. dichter am jeweiligen Auslegungspunkt betrieben werden.The hydrogen self-ignition conditions can preferably be adapted to hydrogen self-ignition conditions that are less prone to self-ignition when a load on the internal combustion engine is increased. A high load can favor spontaneous ignition anyway. The adaptation made can thus have the effect that thermal and / or mechanical stress on the components is reduced. Alternatively or additionally, depending on the design, the internal combustion engine can be operated in an area with higher efficiency or closer to the respective design point.
In einer Ausführungsvariante wird das Verbrennungsluftverhältnis erhöht, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Verbrennungsluftverhältnis verringert werden, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird.In one embodiment variant, the combustion air ratio is increased if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine is reduced. As an alternative or in addition, the combustion air ratio can be reduced if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine is increased.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach früher verstellt, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeitpunkts selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach später verstellt werden, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeitpunkts weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird.In a further embodiment variant, the hydrogen feed time is adjusted earlier if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the feed time and / or a load on the internal combustion engine is reduced. As an alternative or in addition, the hydrogen supply time can be adjusted later if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the supply time and / or a load on the internal combustion engine is increased.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils nach später verstellt (z. B. um den Liefergrad zu maximieren), wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Schließzeitpunkts selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils nach früher verstellt werden (z. B. um den Liefergrad zu minimieren), wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Schließzeitpunkts weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird.In a further embodiment variant, a closing time of the air inlet valve is adjusted later (e.g. in order to maximize the degree of delivery) when the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more easily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine is reduced. Alternatively or additionally, a closing time of the air inlet valve can be adjusted earlier (e.g. to minimize the degree of delivery) if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine is increased.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskammer erhöht, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsverhältnisses selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskammer verringert werden, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsverhältnisses weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird.In a further embodiment variant, the compression ratio of the combustion chamber is increased if the hydrogen self-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine is reduced. As an alternative or in addition, the compression ratio of the combustion chamber can be reduced if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine is increased.
In einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verbrennungsluftverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 1,2 und 3, vorzugsweise zwischen 1,8 und 2,2. Vorzugsweise ist das Verbrennungsluftverhältnis innerhalb dieses Bereichs verstellbar.In one embodiment, a combustion air ratio is within a range between 1.2 and 3, preferably between 1.8 and 2.2. The combustion air ratio is preferably adjustable within this range.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt ein Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs im Verdichtungstakt innerhalb eines Bereichs zwischen 60°KW vor OT (oberer Totpunkt einer Kolbenbewegung des Kolbens) und 0°KW vor OT, vorzugsweise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT. Vorzugsweise ist der Zuführzeitpunkt innerhalb dieses Bereichs verstellbar. Durch die späte Zuführung des Wasserstoffs kann das Risiko des Auftretens einer Klopfproblematik deutlich verringert werden. Hohe Turbulenzen in der Verbrennungskammer werden durch die späte Wasserstoff-Zuführung nicht abgebaut.In a further exemplary embodiment, a hydrogen feed time in the compression stroke is within a range between 60 ° CA before TDC (top dead center of a piston movement of the piston) and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC. The feed time can preferably be adjusted within this range. The late supply of hydrogen can significantly reduce the risk of knocking problems. High turbulence in the combustion chamber is not reduced by the late supply of hydrogen.
In einer Ausführungsform liegt ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils bezüglich des Einlasstaktes innerhalb eines Bereichs zwischen 20°KW vor UT (unterer Totpunkt einer Kolbenbewegung des Kolbens) und 80°KW nach UT, vorzugsweise zwischen 0°KW vor UT und 60°KW nach UT. Vorzugsweise ist der Schließzeitpunkt innerhalb dieses Bereichs verstellbar.In one embodiment, a closing time of the air inlet valve with respect to the intake stroke is within a range between 20 ° CA before BDC (bottom dead center of a piston movement of the piston) and 80 ° CA after BDC, preferably between 0 ° CA before BDC and 60 ° CA after BDC. The closing time can preferably be adjusted within this range.
In einer weiteren Ausführungsform liegt ein Verdichtungsverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 15 und
In einer Ausführungsvariante ist das Verbrennungsluftverhältnis mittels Anpassen eines Betriebs eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors verstellbar. So kann eine Dosierung des direktzugeführten Wasserstoffs verstellbar sein.In one embodiment variant, the combustion air ratio can be adjusted by adapting the operation of a hydrogen fuel injector. The metering of the directly supplied hydrogen can be adjustable.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist der Zuführzeitpunkt mittels Anpassen eines Betriebs eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors verstellbar.In a further embodiment variant, the feed time can be adjusted by adapting an operation of a hydrogen fuel injector.
Zweckmäßig kann ein Betrieb des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors durch Anpassen einer Ansteuerung einer elektrischen Ansteuerung des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors, mittels eines variablen Ventiltriebs und/oder mittels eines Nockenwellenphasenverstellers anpassbar sein.Operation of the hydrogen fuel injector can expediently be adaptable by adapting a control of an electrical control of the hydrogen fuel injector, by means of a variable valve drive and / or by means of a camshaft phaser.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Ventilsteuerkurve mittels Anpassen eines Betriebs des Lufteinlassventils verstellbar, z. B. durch Anpassen einer Ansteuerung einer elektrischen Ansteuerung des Lufteinlassventils, mittels eines variablen Ventiltriebs und/oder mittels eines Nockenwellenphasenverstellers.In one embodiment, the valve control curve is adjustable by adjusting an operation of the air inlet valve, e.g. B. by adapting a control of an electrical control of the air inlet valve, by means of a variable valve drive and / or by means of a camshaft phaser.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verdichtungsverhältnis mittels eines Variables-Verdichtungsverhältnis-Systems der Brennkraftmaschine verstellbar, vorzugsweise durch Anpassen einer Kolbenposition im oberen Totpunkt, zum Beispiel durch einen verstellbaren und/oder verlagerbaren Kolben, einen verstellbaren Pleuel und/oder eine verstellbare und/oder verlagerbare Kurbelwelle.In a further exemplary embodiment, the compression ratio can be adjusted by means of a variable compression ratio system of the internal combustion engine, preferably by adjusting a piston position at top dead center, for example by means of an adjustable and / or displaceable piston, an adjustable connecting rod and / or an adjustable and / or displaceable crankshaft.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Zuführen von Luft in eine Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine (zweckmäßig in einem Einlasstakt) und ein Verdichten der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer (zweckmäßig in einem Verdichtungstakt) auf. Zweckmäßig kann der Wasserstoff direkt in die verdichtete Luft zugeführt werden, vorzugsweise zum Ende des Verdichtungstaktes, z. B. zwischen 60°KW vor OT und 0°KW vor OT, vorzugsweise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT.In one embodiment, the method further comprises feeding air into a combustion chamber of the internal combustion engine (expediently in an intake stroke) and compressing the air fed in in the combustion chamber (expediently in a compression stroke). The hydrogen can expediently be fed directly into the compressed air, preferably at the end of the compression stroke, e.g. B. between 60 ° CA before TDC and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer erzeugt. Die mit der Drehströmung verbundene Turbulenzgenerierung kann die Selbstzündung des Wasserstoffs generell begünstigen.In a further embodiment, a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, is generated for the supplied air in the combustion chamber. The generation of turbulence associated with the rotary flow can generally favor the self-ignition of the hydrogen.
In einer Weiterbildung ist die Drehströmung in der Verbrennungskammer größer oder gleich ca. 30 Hz (30 Umdrehungen pro Sekunde). Es wurde erkannt, dass insbesondere ab diesem Schwellwert (mit Toleranz) ein ausreichend hohes Turbulenzniveau in der Verbrennungskammer vorliegt, um ausreichend zu einer sicheren Selbstzündung des Wasserstoffs beizutragen.In a further development, the rotary flow in the combustion chamber is greater than or equal to approximately 30 Hz (30 revolutions per second). It was recognized that, in particular from this threshold value (with tolerance), there is a sufficiently high level of turbulence in the combustion chamber in order to contribute sufficiently to reliable self-ignition of the hydrogen.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Drehströmung durch eine Kanalgeometrie mindestens eines Lufteinlasskanals, der zum Zuführen von Luft zu der Verbrennungskammer angeordnet ist, erzeugt. Beispielsweise können ein Verlauf des Lufteinlasskanals und eine Anordnung einer Mündungsöffnung des Lufteinlasskanals zur Erzeugung der Drehströmung führen. Es ist bspw. auch möglich, dass feste oder verstellbare Leitklappen im Lufteinlasskanal angeordnet sind, die zur Erzeugung der Drehströmung führen.In one embodiment, the rotary flow is generated by a duct geometry of at least one air inlet duct which is arranged for supplying air to the combustion chamber. For example, a course of the air inlet duct and an arrangement of an orifice opening of the air inlet duct can lead to the generation of the rotary flow. It is also possible, for example, for fixed or adjustable guide flaps to be arranged in the air inlet duct, which lead to the generation of the rotary flow.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Drehströmung durch eine angepasste Geometrie des Kolbenbodens eines Kolbens erzeugt, gehalten oder verstärkt.In a further exemplary embodiment, the rotary flow is generated, maintained or reinforced by an adapted geometry of the piston head of a piston.
Die Erfindung betrifft auch eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine oder ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug (z. B. Lastkraftwagen oder Omnibus), mit einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine. Zweckmäßig ist die Wasserstoff-Brennkraftmaschine zum Ausführen eines Verfahrens wie hierin offenbart eingerichtet. Zweckmäßig weist die Wasserstoff-Brennkraftmaschine eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren wie hierin offenbart auszuführen. Optional kann die Wasserstoff-Brennkraftmaschine mindestens einen Lufteinlasskanal zum Zuführen von Luft in eine Verbrennungskammer der Wasserstoff-Brennkraftmaschine aufweisen. Der mindestens eine Lufteinlasskanal ist dazu ausgebildet, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der in die Verbrennungskammer zugeführten Luft zu erzeugen, vorzugsweise größer oder gleich ca. 30 Hz. Alternativ oder zusätzlich weist die Wasserstoff-Brennkraftmaschine einen Kolben zum Begrenzen einer Verbrennungskammer der Wasserstoff-Brennkraftmaschine auf. Der Kolben ist dazu ausgebildet, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der in die Verbrennungskammer zugeführten Luft zu erzeugen, zu halten oder zu verstärken, vorzugsweise größer oder gleich ca. 30 Hz. Die Wasserstoff-Brennkraftmaschine kann die gleichen Vorteile erzielen wie das hierin offenbarte Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff.The invention also relates to a hydrogen internal combustion engine or a motor vehicle, preferably a utility vehicle (e.g. truck or bus), with a hydrogen internal combustion engine. The hydrogen internal combustion engine is expediently set up to carry out a method as disclosed herein. The hydrogen internal combustion engine expediently has a control unit which is set up to carry out a method as disclosed herein. Optionally, the hydrogen internal combustion engine can have at least one air inlet duct for feeding air into a combustion chamber of the hydrogen internal combustion engine. The at least one air inlet duct is designed to generate a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, of the air fed into the combustion chamber, preferably greater than or equal to approx. 30 Hz the hydrogen internal combustion engine. The piston is designed to generate, maintain or intensify a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, of the air fed into the combustion chamber, preferably greater than or equal to approx. 30 Hz. The hydrogen internal combustion engine can achieve the same advantages as the method disclosed herein for operating an internal combustion engine with hydrogen.
Vorzugsweise kann sich der Begriff „Steuereinheit“ auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozessor(en) und Datenspeicher) und/oder eine mechanische Steuerung beziehen, die je nach Ausbildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff „Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch „Regeln“ bzw. „Steuern mit Rückkopplung“ umfasst sein.The term “control unit” can preferably refer to electronics (e.g. with microprocessor (s) and data memory) and / or a mechanical controller which, depending on its design, can take on control tasks and / or regulation tasks. Even if the term “control” is used here, it can also expediently include “regulation” or “control with feedback”.
Es ist auch möglich, das Verfahren und die Brennkraftmaschine wie hierin offenbart für Personenkraftwagen, Großmotoren, geländegängige Fahrzeuge, stationäre Motoren, Marinemotoren usw. zu verwenden.It is also possible to use the method and the internal combustion engine as disclosed herein for passenger cars, large engines, all-terrain vehicles, stationary engines, marine engines, etc.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
-
1 a schematic illustration of an internal combustion engine according to an embodiment of the present disclosure.
Die
Die Brennkraftmaschine
Der Lufteinlasskanal
Der Lufteinlasskanal
Eine Mündungsöffnung des Lufteinlasskanals
Nach der Verbrennung verlässt das Abgas die Verbrennungskammer
Der Kolben
Der Kolbenboden
Zweckmäßig wirken eine drehströmungserzeugende, vorzugsweise drallerzeugende, Geometrie des Lufteinlasskanals
Die Brennkraftmaschine
Der Wasserstoff-Kraftstoffinjektor
Zweckmäßig kann ein Zuführzeitpunkt des durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor
Es ist möglich, dass eine durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor
Die Brennkraftmaschine
In einem Einlasstakt wird Luft durch den Lufteinlasskanal
Das durch die Geometrie des Lufteinlasskanals
Die Brennkraftmaschine
Hinsichtlich des Verbrennungsluftverhältnisses λ kann z. B. dessen Erhöhung dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer
Hinsichtlich des Zuführzeitpunkts des Wasserstoffs kann eine Verstellung nach früher dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer
Hinsichtlich des Schließzeitpunkts des Lufteinlassventils
Hinsichtlich der Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ε begünstigt ein Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ε die Selbstzündung durch positive Beeinflussung der Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer
Beispielsweise kann eine Lastverringerung der Brennkraftmaschine
Es versteht sich, dass die hierin angegebenen Maßnahmen (hohe Drehströmungserzeugung in der Verbrennungskammer, hohes Grundverdichtungsverhältnis, Anpassbarkeit der Ventilsteuerkurve des Einlassventils, Anpassbarkeit des Verbrennungsluftverhältnisses, Anpassbarkeit des Zeitpunkts der Wasserstoffdirektzuführung und Anpassbarkeit des Verdichtungsverhältnisses) einzeln, teilweise in jeglicher Kombination miteinander oder vollständig implementiert werden können, um die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer
Je nach Ausführung der Brennkraftmaschine
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. Alle Bereichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweils bevorzugte engere Außengrenzen des jeweiligen Bereichs.The invention is not restricted to the preferred exemplary embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible which also make use of the inventive concept and therefore fall within the scope of protection. In particular, the invention also claims protection for the subject matter and the features of the subclaims independently of the claims referred to. In particular, the individual features of independent claim 1 are disclosed independently of one another. In addition, the features of the subclaims are also disclosed independently of all the features of independent claim 1. All range specifications herein are to be understood as disclosed in such a way that all values falling within the respective range are disclosed individually, e.g. B. also as the respectively preferred narrower outer boundaries of the respective area.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 1212
- LufteinlasskanalAir inlet duct
- 1414th
- AbgasauslasskanalExhaust outlet duct
- 1616
- VerbrennungskammerCombustion chamber
- 1818th
- Kolbenpiston
- 2020th
- Wasserstoff-KraftstoffinjektorHydrogen fuel injector
- 2222nd
- LufteinlassventilAir inlet valve
- 2424
- Variabler VentiltriebVariable valve train
- 2626th
- AbgasauslassventilExhaust outlet valve
- 2828
- PleuelConnecting rod
- 3030th
- Kurbelwellecrankshaft
- 3232
- KolbenbodenPiston crown
- 3434
- Variables-Verdichtungsverhältnis-SystemVariable compression ratio system
- 3636
- SteuereinheitControl unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 7162994 B2 [0004]US 7162994 B2 [0004]
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