DE102019110249A1

DE102019110249A1 - Wasserstoffmotor mit Wassereinspritzung

Info

Publication number: DE102019110249A1
Application number: DE102019110249.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Pischinger; Christof Schernus
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Der erfindungsgemäße Wasserstoffmotor (1) umfasst einen Brennraum (2), eine Einspritzdüse (3) und einen Wassertank (4), wobei der Wassertank (4) mit der Einspritzdüse (3) fluidisch verbunden ist, und wobei der Brennraum (2) geeignet ist für eine Verbrennung eines Wasserstoffluftgemisches, und wobei die Einspritzdüse (3) geeignet ist, eine erste Flüssigkeit aus dem Wassertank (4) in den Brennraum (2) einzuspritzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor und ein Fahrzeug mit einem Wasserstoffmotor.
Die EP1647684A3 offenbart einen Wasserstoffmotor
Der erfindungsgemäße Wasserstoffmotor umfasst einen Brennraum, eine Einspritzdüse und einen Wassertank, wobei der Wassertank mit der Einspritzdüse fluidisch verbunden ist, und wobei der Brennraum geeignet ist für eine Verbrennung eines Wasserstoffluftgemisches, und wobei die Einspritzdüse geeignet ist, eine erste Flüssigkeit aus dem Wassertank in den Brennraum einzuspritzen.
In Wasserstoffmotoren erfolgt die Verbrennung eines Wasserstoffluftgemisches. Die Verbrennung wird nach der Kompressionsphase fremdgezündet initiiert, beispielsweise durch eine Zündkerze. Bei Wasserstoffmotoren kann es durch die Verwendung des reaktiven Wasserstoffluftgemisches zu unregelmäßigen Selbstzündungen kommen. Dabei treten hohe Druckschwankungen in dem Brennraum auf, welche Schänden an Komponenten des Motors verursachen können. Zu den Komponenten des Motors gehören beispielsweise Kolben, Lager, Zylinderköpfe, Ventile und/oder Zündkerzen.
Bei dem erfindungsgemäßen Wasserstoffmotor erfolgt eine Einspritzung von Wasser und/oder einer Flüssigkeit, welche hauptsächlich Wasser umfasst, in den Brennraum vor und/oder während der Verbrennungsphase. Dadurch wird beispielsweise die Temperatur des Wasserstoffluftgemisches gesenkt. Dadurch sinkt die Neigung des Wasserstoffluftgemisches zur unregelmäßigen Selbstentzündung. Dies ermöglicht eine Schadensreduzierung und/oder Schadensvermeidung beispielsweise an den genannten Komponenten des Wasserstoffmotors.
Die Verbrennungstemperatur des Wasserstoffluftgemisches liegt bei gleichem Luftüberschuss höher im Vergleich zu Diesel-Luftgemisch und/oder ottomotorischem Benzin-Luft-Gemisch. Dadurch kommt es bei der Verbrennung zu einer vergleichsweise hohen Stickoxidemission. Durch die Einspritzung von beispielsweise Wasser in den Brennraum und die sich dadurch ergebende Senkung der Temperatur des Wasserstoffluftgemisches vor und/oder während der Verbrennung ergibt sich eine Verminderung des Ausstoßes an Stickoxiden. Dies ermöglicht eine Schadstoffreduktion im Betrieb des Wasserstoffmotors.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst einen erfindungsgemäßen Wasserstoffmotor.
Durch den Antrieb des erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Wasserstoffmotor, wird eine Schadensreduzierung und/oder Schadensvermeidung an Komponenten des Motors, sowie eine Schadstoffreduktion während des Betriebs des Fahrzeugs ermöglicht.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figur näher erläutert.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wasserstoffmotor 1. Dieser umfasst einen Brennraum 2, eine Einspritzdüse 3 und einen Wassertank 4, wobei der Wassertank 4 mit der Einspritzdüse 3 fluidisch verbunden ist, und wobei der Brennraum 2 geeignet ist für eine Verbrennung eines Wasserstoffluftgemisches, und wobei die Einspritzdüse 3 geeignet ist, eine erste Flüssigkeit aus dem Wassertank 4 in den Brennraum 2 einzuspritzen.
Zudem umfasst der Wasserstoffmotor 1 einen Ansaugtrakt 11 und eine zweite Einspritzdüse, wobei er Ansaugtrakt 11 fluidisch mit dem Brennraum 2 verbunden ist, und wobei die zweite Einspritzdüse geeignet ist, die erste Flüssigkeit aus dem Wassertank 4 in den Ansaugtrakt 11 einzuspritzen.
Durch das Einspritzen der ersten Flüssigkeit aus dem Wassertank 4 in den Ansaugtrakt 11 ergibt sich eine bessere Vermischung des Wasserstoffluftgemisches mit dem Wasser, bevor dieses Gemisch den Brennraum 2 erreicht. Dies ermöglicht eine effizientere Verbrennung.
Zudem umfasst der Wasserstoffmotor 1 ein Abgassystem 5 für Abgase der Verbrennung, wobei das Abgassystem 5 mit dem Brennraum 2 und dem Wassertank 4 fluidisch verbunden ist, und wobei das Abgassystem 5 geeignet ist, eine zweite Flüssigkeit aus dem Abgas in den Wassertank 4 zu transferieren.
Bei der Verbrennung eines Wasserstoffluftgemisches ergeben sich Abgase, welche hauptsächlich Wasserdampf umfassen. Wasser, welches gasförmig in den Abgasen vorliegt, wird beispielsweise durch Kondensation in dem Abgassystem 5 verflüssigt, und in den Wassertank 4 transferiert. Dies kann für ein Teilstrom des Abgases und/oder das komplette Abgas der Fall sein. So wird eine Rückgewinnung von Wasser aus dem Abgas ermöglicht. Die zweite Flüssigkeit umfasst das zurückgewonnene Wasser. Die zweite Flüssigkeit wird umfasst von der ersten Flüssigkeit, welche von der Einspritzdüse 3 in den Brennraum eingebracht wird. Dies ermöglicht das Wegfallen eines beispielsweise manuellen Nachfüllens des Wassertanks 4 mit externem Wasser, was eine Zeitersparnis und eine Kostenreduktion ermöglicht.
Zudem umfasst das Abgassystem 5 einen Wärmetauscher 9.
Der Wärmetauscher 9 in dem Abgassystem 5 ermöglicht den Übertrag von thermischer Energie aus dem Abgas zu anderen Komponenten des Wasserstoffmotors 1. Die übertragene thermische Energie kann beispielsweise genutzt werden, um Wasserstoff zu erwärmen, welcher zur Bildung des Wasserstoffluftgemisches und damit zur Verbrennung genutzt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Wasserstoffmotoren, bei welchen der Wasserstoff in flüssiger Form gespeichert vorliegt. In diesen Fällen ist ein Überführen des Wasserstoffs in einen gasförmigen Zustand notwendig für die Bildung eines Wasserstoffluftgemisches. Eine Nutzung der thermischen Energie aus dem Abgas durch den Wärmetauscher 9 ermöglicht während des Betriebs des Wasserstoffmotors 1 eine Kostenreduktion und eine Erhöhung der Energieeffizienz, da die Nutzung von externer thermischer Energie vermindert und/oder verhindert wird.
Zudem umfasst der Wasserstoffmotor 1 ein Klimagerät 10, wobei das Klimagerät 10 mit dem Wassertank 4 fluidisch verbunden ist, und wobei das Klimagerät 10 geeignet ist, eine dritte kondensierte Flüssigkeit in den Wassertank 4 zu transferieren.
Durch das Abkühlen von beispielsweise Luft und einer damit verbundenen Kondensation, wird die Menge an gasförmigen Wasser, welche in der Luft gelöst sein kann, reduziert. Die dritte kondensierte Flüssigkeit in dem Klimagerät 10 umfasst dieses kondensierte Wasser. Die dritte Flüssigkeit wird in den Wassertank 4 transferiert. Die dritte Flüssigkeit wird dann von der ersten Flüssigkeit umfasst. Die erste Flüssigkeit steht für eine Einspritzung von Flüssigkeit in den Brennraum 2 und/oder den Ansaugtrakt 11 zur Verfügung. Dies ermöglicht das Wegfallen eines beispielsweise manuellen Nachfüllens des Wassertanks 4 mit externem Wasser, was eine Zeitersparnis und eine Kostenreduktion ermöglicht. Die Luft ist beispielsweise für die Versorgung für eine Fahrgastzelle eines Fahrzeugs.
Zudem umfasst das Abgassystem 5 einen Turbolader 7.
Der Turbolader 7 nutzt einen Teil beispielsweise der kinetischen Energie des Abgases, um einen Überdruck in einem Ansaugtrakt des Wasserstoffmotors 1 zu erzeugen und/oder zu erhöhen. Der Überdruck führt zu einer erhöhten Menge des Wasserstoffluftgemisches, welches während einer Ansaugphase in den Brennraum 2 transferiert wird. Dadurch wird mehr Wasserstoff verbrannt, was eine Leistungssteigerung des Wasserstoffmotors 1 ermöglicht.
Zudem ist der Turbolader 7 stromaufwärts des Wärmetauschers 9 angeordnet.
Die thermische Energie des Abgases wird über den Wärmetauscher 9 von dem Abgas zu anderen Komponenten des Wasserstoffmotors 1 übertragen. Der Turbolader 7 überführt einen Teil der kinetischen Energie des Abgases in eine Leistungssteigerung des Wasserstoffmotors 1. Eine Anordnung, bei der der Turbolader 7 stromaufwärts des Wärmetauschers 9 angeordnet ist, bevorzugt die Leistungssteigerung durch den Turbolader 7 gegenüber der Kostenreduktion, welche durch den Wärmetauscher 9 ermöglicht wird. Somit wird eine vorteilhafte Leistungssteigerung des Wasserstoffmotors 1 ermöglicht.
Zudem umfasst das Abgassystem 5 einen ersten Generator 8, wobei der Turbolader 7 einen ersten Elektromotor umfasst, und wobei der erste Generator 8 geeignet ist, eine elektrische Leistung an den ersten Elektromotor zu übertragen.
Der erste Generator 8 überträgt eine elektrische Leistung an den erstem Elektromotor, welcher dieser in eine Leistungssteigerung des Wasserstoffmotors 1 überführt. Dadurch wird eine zuverlässige Leistungssteigerung auch in Fällen ermöglicht, in denen die kinetische Energie des Abgases dafür nicht ausreichen würde. Insbesondere bei plötzlich auftretenden, hohen Leistungsanfragen während einer mittleren Leistungsphase des Wasserstoffmotors 1, wird so eine Leistungssteigerung für viele Leistungsanfragen und/oder Leistungsphasen gewährleistet.
Der erste Generator 8 und der erste Elektromotor können dabei in einem ersten Motorgenerator kombiniert werden.
Zudem umfasst der Wasserstoffmotor 1 eine Kurbelwelle 6, einen zweiten Elektromotor und einen zweiten Generator, wobei die Kurbelwelle 6 geeignet ist, eine mechanische Leistung an den zweiten Generator zu übertragen, und wobei der zweite Elektromotor geeignet ist, eine mechanische Leistung an die Kurbelwelle 6 zu übertragen.
Ein Teil des Drehmoments, welches durch die Verbrennung an der Kurbelwelle 6 erzeugt wird, wird an den zweiten Generator übertragen. Teilweise wird dieser Teil des Drehmoments von dem zweiten Generator in elektrische Leistung überführt, welche beispielsweise an den ersten Elektromotor übertragen wird. Dadurch kommt es zu einer gleichbleibenden Leistungssteigerung des Wasserstoffmotors 1. Dabei wird eine Überführung von externer Energie zu dem zweiten Generator vermindert und/oder verhindert. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Energieeffizienz des Wasserstoffmotors 1.
Der zweite Generator und der zweite Elektromotor können dabei in einem zweiten Motorgenerator kombiniert werden.
In Betriebsarten des Wasserstoffmotors 1, in denen die Turbine mehr Leistung in der Lage abzugeben ist, als von der Verdichtereinheit des Turboladers 7 zur Verdichtung der Ansaugluft oder des Luft-Wasserstoffgemisches benötigt wird, kann diese Leistung vom ersten Generator 8 in elektrische Energie gewandelt, und in einem Energiespeicher gespeichert werden. Bei dem Energiespeicher handelt es sich beispielsweise um eine Batterie.
Die in dem Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie kann in beispielsweise in den beschriebenen Fällen von plötzlich auftretenden, hohen Leistungsanfragen wiederum über den ersten Generator 8 an den Turbolader 7 übertragen werden.
Alternativ kann die vom ersten Generator 8 dem Turbolader 7 entnommene Leistung an die Kurbelwelle 6 übertragen werden, wodurch eine Steigerung der verfügbaren mechanischen Leistung erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst einen erfindungsgemäßen Wasserstoffmotor 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1647684 A3 [0002]

Claims

Wasserstoffmotor (1), umfassend einen Brennraum (2), eine Einspritzdüse (3) und einen Wassertank (4), wobei der Wassertank (4) mit der Einspritzdüse (3) fluidisch verbunden ist, und wobei der Brennraum (2) geeignet ist für eine Verbrennung eines Wasserstoffluftgemisches, und wobei die Einspritzdüse (3) geeignet ist, eine erste Flüssigkeit aus dem Wassertank (4) in den Brennraum (2) einzuspritzen.
Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 1, umfassend einen Ansaugtrakt (11) und eine zweite Einspritzdüse, wobei er Ansaugtrakt fluidisch mit dem Brennraum (2) verbunden ist, und wobei die zweite Einspritzdüse geeignet ist, die erste Flüssigkeit aus dem Wassertank (4) in den Ansaugtrakt (11) einzuspritzen.
Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 1, umfassend ein Abgassystem (5) für Abgase der Verbrennung, und wobei das Abgassystem (5) mit dem Brennraum (2) und dem Wassertank (4) fluidisch verbunden ist, und wobei das Abgassystem (5) geeignet ist, eine zweite Flüssigkeit aus dem Abgas in den Wassertank (4) zu transferieren.
Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 2, wobei das Abgassystem (5) einen Wärmetauscher (9) umfasst.
Wasserstoffmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Klimagerät (10), wobei das Klimagerät (10) mit dem Wassertank (4) fluidisch verbunden ist, und wobei das Klimagerät (10) geeignet ist, eine dritte kondensierte Flüssigkeit in den Wassertank (4) zu transferieren.
Wasserstoffmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgassystem (5) einen Turbolader (7) umfasst.
Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 3, wobei der Turbolader (7) stromaufwärts des Wärmetauschers (9) angeordnet ist.
Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 6, wobei das Abgassystem (5) einen ersten Generator (8) umfasst, und wobei der Turbolader (7) einen ersten Elektromotor umfasst, und wobei der erste Generator (8) geeignet ist, eine elektrische Leistung an den ersten Elektromotor zu übertragen.
Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 7, umfassend eine Kurbelwelle (6), einen zweiten Elektromotor und einen zweiten Generator, wobei die Kurbelwelle (6) geeignet ist, eine mechanische Leistung an den zweiten Generator zu übertragen, und wobei der zweite Elektromotor geeignet ist, eine mechanische Leistung an die Kurbelwelle (6) zu übertragen.
Fahrzeug, umfassend einen Wasserstoffmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.