DE102020003984A1 - Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation und Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation - Google Patents

Abstract

Der Erfindung, welche einen Wasserstoffmotor (1) mit Betriebsgaszirkulation und ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffmotors (1) mit Betriebsgaszirkulation betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wasserstoffmotor (1) und ein Verfahren anzugeben, womit eine verbesserte Leistung und ein höherer Wirkungsgrad des Wasserstoffmotors (1) erreicht wird. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass in der Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) eine erste Vorrichtung (14) und/oder eine zweite Vorrichtung (16) und/oder eine dritte Vorrichtung (20) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation in der Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) angeordnet ist. Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass in der Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) ein Mittel (14) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation bereitgestellt wird, mittels welchem eine sich über die Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) ausbreitende Druckwelle an ihrem Rücklauf gehindert wird, indem das Mittel (14) seine Durchlassöffnung schließt, nachdem die Druckwelle das Mittel (14) passiert hat.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation, welcher eine Betriebsgaszirkulationsstrecke aufweist, welche zwischen einer Betriebsgasauslassvorrichtung und einer Betriebsgaseinlassvorrichtung angeordnet ist.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation, bei welchem ein Betriebsgas derart zirkuliert, dass es einen Zylinder des Wasserstoffmotors über eine Betriebsgasauslassvorrichtung verlässt, über eine Betriebsgaszirkulationsstrecke geleitet wird und in den Zylinder über eine Betriebsgaseinlassvorrichtung zurückgelangt.
• Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welche als Antriebseinheit beziehungsweise Motor in einer Maschine, Anlage oder einem Fahrzeug zum Einsatz kommen.
• Derartige konventionelle Verbrennungskraftmaschinen beziehungsweise Brennkraftmaschinen werden beispielsweise mit Benzin, Dieselkraftstoff oder Gasbrennstoff betrieben.
• Ein wesentlicher Nachteil derartiger Verbrennungskraftmaschinen besteht darin, dass bei der Verbrennung beispielsweise eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum beziehungsweise einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und andere entstehen und in die Umwelt emittiert beziehungsweise ausgestoßen werden. Zusätzlich wird auch das als besonders problematisch eingestufte klimaschädliche Abgas Kohlendioxid (CO2) emittiert.
• Somit weist dieser bekannte Stand der Technik erhebliche Nachteile für die Umwelt und die Gesundheit auf.
• Aus dem Stand der Technik sind auch sogenannte abgasemissionsfreie Hocheffizienzmotoren bekannt.
• Diese Art von Motoren unterscheiden sich von bekannten Brennkraftmaschinen dadurch, dass diese Motoren einen sogenannten Zirkulationsweg aufweisen. Dieser Zirkulationsweg wird durch das Verbinden einer Auslassvorrichtung beziehungsweise eines Auslasskanals des Hocheffizienzmotors, durch den nach der Verbrennung im Brennraum erzeugtes Abgas strömt, und einer Einlassvorrichtung beziehungsweise eines Einlasskanals des Hocheffizienzmotors, durch den ein in den Brennraum einzuleitendes Gasgemisch strömt, gebildet. Ein derartiger Zirkulationsweg wird auch als Betriebsgaszirkulationsstrecke bezeichnet.
• In solchen Hocheffizienzmotoren werden beispielsweise Wasserstoff, der als Kraftstoff beziehungsweise Brenngas verwendet wird, und Sauerstoff, der den Wasserstoff oxidiert, also ein Oxidationsmedium darstellt, dem Brennraum zugeführt. Zusätzlich wird beispielsweise Argon, das als Arbeitsgas beziehungsweise Betriebsgas über die Auslassvorrichtung und über die Betriebsgaszirkulationsstrecke zur Einlassvorrichtung zirkuliert, dem Brennraum zurückgeführt. Es handelt sich hierbei um einen geschlossenen Kreislauf, welcher eine Verbrennung ohne Umgebungsluft realisiert. Durch die Verwendung von Argon als Arbeitsgas beziehungsweise Betriebsgas wird ein besserer thermischer Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Brennkraftmaschinen erreicht. Nachfolgend wird ein derartiger Hocheffizienzmotor mit einem Zirkulationsweg als Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation oder als Wasserstoffmotor mit einem umlaufenden Arbeitsmedium oder kürzer nur als Wasserstoffmotor bezeichnet.
• Bei derartigen Wasserstoffmotoren mit Betriebsgaszirkulation entsteht Wasser bei der Verbrennung von Wasserstoff. Dieses Wasser wird in einem in der Betriebsgaszirkulationsstrecke vorgesehenen Kondensator kondensiert und vom Arbeitsgas Argon getrennt. Infolgedessen wird nur das Arbeitsgas über die Betriebsgaszirkulationsstrecke in den Brennraum des Wasserstoffmotors zurückgeführt.
• Aus der WO2007/100115 ist ein derartiger Wasserstoffmotor bekannt, welcher unter Verwendung eines umlaufenden Arbeitsmediums betrieben wird, wobei Wasserstoff, Sauerstoff und das aus einem einatomigen Gas bestehende Arbeitsmedium einer Brennkammer zugeführt werden, um den Wasserstoff zu verbrennen, und wobei das Arbeitsmedium in einem Abgas enthalten ist, welches in die Brennkammer zurückgeführt wird.
• Schmieröl, welches zum Betrieb des Motors verwendet wird, gelangt in die Brennkammer und führt unvermeidlich zu einer Bildung von Kohlendioxid in der Brennkammer, welches somit in den Zirkulationsweg des Motors gelangt und die Betriebsweise des Motors negativ beeinflusst. Somit besteht die zu lösende Aufgabe darin, derartige Verunreinigungen zu beseitigen.
• Zur Lösung ist es angegeben, dass der Wasserstoffmotor ein Produktentfernungsmittel umfasst, welches in dem Umwälzkanal angeordnet ist und welches derartige, ungewollte Verunreinigungen beseitigt. Insbesondere wird in der Brennkammer entstehendes Kohlendioxid entfernt.
• Bekannte Anwendungen derartiger Wasserstoffmotoren mit Betriebsgaszirkulation sind neben dem Einsatz in Fahrzeugen auch der Einsatz in Stromerzeugungsanlagen, beispielsweise für eine dezentrale Erzeugung von elektrischer Energie. Derartige Stromerzeugungsanlagen umfassen mindestens eine Antriebseinheit und einen von der Antriebseinheit angetriebenen elektrischen Generator, in welchem die von der Antriebseinheit gelieferte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt und vom Generator abgegeben wird. Diese Abgabe der elektrischen Energie erfolgt üblicherweise an ein Energieübertragungsnetz, welches auch als Stromversorgungsnetz bezeichnet wird, oder an direkt angeschlossene elektrische Verbraucher. Auch in einer modular aufgebauten Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie und Wärme, wie einem sogenannten Blockheizkraftwerk (BHKW), können Wasserstoffmotoren mit Betriebsgaszirkulation zum Einsatz kommen.
• Bei Wasserstoffmotoren mit Betriebsgaszirkulation wird nach der Verbrennung das heiße Betriebsgas über die Betriebsgasauslassvorrichtung in die Betriebsgaszirkulationsstrecke ausgestoßen. Dabei entsteht eine Druckwelle, welche sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet und dabei die Betriebsgaszirkulationsstrecke durchläuft. Vorteilhaft wäre es, wenn die Betriebsgaszirkulationsstrecke, beispielsweise durch ihre entsprechende Länge, gewährleisten könnte, dass die Druckwelle genau im Moment des Öffnens der Betriebsgaseinlassvorrichtung des gleichen Zylinders oder an der nächst öffnenden Betriebsgaseinlassvorrichtung eines anderen Zylinders eintrifft. Dieses zeitlich präzise Eintreffen der Druckwelle würde zu einer gewünschten Stoßaufladung beziehungsweise zu einem gewünschten Stoßaufladungseffekt führen, wobei hierdurch die Beladung beziehungsweise Befüllung des entsprechenden Brennraums mit einem höheren Druck erfolgt, wobei kein separates Mittel zur Herstellung eines höheren Drucks beziehungsweise Beladedrucks notwendig ist.
• Die Länge der Betriebsgaszirkulationsstrecke ist bei heutigen Wasserstoffmotoren mit Betriebsgaszirkulation jedoch nach räumlichen und thermischen Gesichtspunkten ausgelegt. Der bisherige Stand der Technik sieht keine Optimierung der Betriebsgaszirkulationsstrecke vor.
• Auf der Grundlage dieses Standes der Technik besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation anzugeben, welcher eine verbesserte Leistung und einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
• Insbesondere soll hierfür eine möglichst hohe Druckdifferenz zwischen einer Betriebsgasauslassvorrichtung eines ersten Zylinders und einer zugehörigen oder anderen Betriebsgaseinlassvorrichtung des gleichen oder eines anderen Zylinders erzeugt werden, wobei der Druck im Bereich der Betriebsgaseinlassvorrichtung höher ist.
• Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Die Aufgabe wird auch durch Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6, 7 und 8 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Vorgesehen ist es, dass eine Betriebsgaszirkulationsstrecke des Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation so ausgelegt ist, dass ein möglichst hoher Differenzdruck zwischen einem relativ geringen Druck an der Betriebsgasauslassvorrichtung und einem möglichst hohen Druck an der Betriebsgaseinlassvorrichtung erzeugt wird. Diese Wirkung wird unabhängig davon erreicht, dass die Betriebsgaszirkulationsstrecke die Betriebsgasauslassvorrichtung eines ersten Zylinders mit der Betriebsgaseinlassvorrichtung des gleichen Zylinders verbindet oder dass die Betriebsgaszirkulationsstrecke die Betriebsgasauslassvorrichtung eines ersten Zylinders mit der Betriebsgaseinlassvorrichtung eines anderen, beispielsweise zweiten Zylinders, verbindet.
• Ein derartiger Differenzdruck ist vom Mitteldruck beziehungsweise vom Verbrennungsdruck abhängig und liegt erfindungsgemäß beispielsweise im Bereich von 0,1 bar bis 1 bar relativ zur Atmosphäre. Bei einem hohen Mitteldruck beziehungsweise Verbrennungsdruck kann der Differenzdruck erfindungsgemäß auch im Bereich bis zu 2,0 bar liegen.
• Die Betriebsgaszirkulationsstrecke muss daher je nach Betriebsverfahren des Wasserstoffmotors, Zieldrehzahl, Zylinderanzahl und Zündfolge sowie der Betriebsgastemperatur (Abgastemperatur) und Betriebsgaszusammensetzung abgestimmt werden, sodass sich ein möglichst hoher Differenzdruck zwischen dem Einlasskanal der Betriebsgaseinlassvorrichtung und dem Auslasskanal der Betriebsgasauslassvorrichtung einstellt.
• Als Betriebsverfahren wird beispielsweise zwischen einem 2-Takt-Betrieb oder einem 4-Takt-Betrieb unterschieden. Als Zieldrehzahl kann beispielsweise eine Drehzahl von 1500 1/min bei Einsatz eines Wasserstoffmotors in einem Blockheizkraftwerk angegeben werden. Die Anzahl der Zylinder kann beispielsweise 3, 4 oder 6 betragen. Unter einer Zündfolge wird die Reihenfolge der Zündvorgänge der einzelnen Zylinder eines Verbrennungsmotors allgemein und somit auch eines Wasserstoffmotors verstanden. Diese kann beispielsweise bei einem Vierzylinder-Reihenmototor 1, 3, 4, 2 sein. Als Betriebsgastemperatur ist hier insbesondere eine sogenannte Abgastemperatur gemeint, welche direkt an einer Auslassvorrichtung eines Zylinders auftritt und der höchsten Temperatur des Betriebsgases entspricht oder welche einer durchschnittlichen Temperatur des Betriebsgases in der Betriebsgaszirkulationsstrecke entspricht.
• Üblicherweise wird ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation mit einem sogenannten Sauerstoffüberschuss betrieben. Folglich bleibt nach der Verbrennung ein gewisser Restanteil an Sauerstoff im Betriebsgas Argon zurück. Die üblichen Konzentrationen von Restsauerstoff liegen im Bereich von 0,5 bis 10 %.
• Zusätzlich können noch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid beispielsweise durch verbrennendes Schmieröl den Kreis kontaminieren. In ihrer Summe stellen diese Bestandteile beziehungsweise Komponenten die Betriebsgaszusammensetzung dar.
• Ein hoher Differenzdruck führt zu einem besseren Betriebsgasaustausch, wodurch eine bessere Betriebsgasfüllung der Zylinder beziehungsweise der Brennräume des Wasserstoffmotors erreicht und somit eine höhere Leistung und ein besserer Wirkungsgrad des Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation erzielt wird.
• Um zu erreichen, dass die beim Ausstoßen des heißen Betriebsgases entstehende Druckwelle genau im Moment des Öffnens der Betriebsgaseinlassvorrichtung des gleichen Zylinders oder der Betriebsgaseinlassvorrichtung eines anderen Zylinders eintrifft, wird die Betriebsgaszirkulationsstrecke durch die vorliegende Erfindung in ihren Eigenschaften beziehungsweise in ihrer Länge beeinflusst beziehungsweise optimiert.
• Die Länge einer optimierten Betriebsgaszirkulationsstrecke ist zum einen abhängig von der Schallgeschwindigkeit und zum anderen von der Zeit, welche zwischen dem Öffnen einer ersten Betriebsgasauslassvorrichtung eines ersten Zylinders und dem Öffnen einer Betriebsgaseinlassvorrichtung des gleichen Zylinders oder eines anderen Zylinders vergeht. Diese Zeit wird nachfolgend als Solllaufzeit bezeichnet.
• Die Schallgeschwindigkeit hingegen ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Betriebsgases und der Betriebsgastemperatur.
• Die Solllaufzeit wird durch Parameter wie beispielsweise eine Motordrehzahl, eine Zylinderanzahl, Steuerzeiten der Verbrennungskraftmaschine und vom Betriebsverfahren wie beispielsweise 2-Takt-Betrieb oder 4-Takt-Betrieb bestimmt.
• Da sich insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit einer niedrigen Zylinderanzahl von beispielsweise drei Zylindern und/oder einer niedrigen Motordrehzahl von beispielsweise 1500 1/min und einer mit diesen Eigenschaften verbundenen langen Solllaufzeit eine entsprechend lange Betriebsgaszirkulationsstrecke bautechnisch nicht immer realisieren lässt, umfasst die vorgestellte Variante der Erfindung zusätzlich eine erste Vorrichtung beziehungsweise ein erstes Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation, angeordnet in der Betriebsgaszirkulationsstrecke, welche eine möglichst große Druckdifferenz zwischen einer Betriebsgasauslassvorrichtung und einer Betriebsgaseinlassvorrichtung weitestgehend unabhängig von der tatsächlichen Länge der Betriebsgaszirkulationsstrecke und somit ihrer Solllaufzeit herstellt.
• Diese erste Vorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation wird als eine Membran in der Funktion eines Rückschlagventils in der Betriebsgaszirkulationsstrecke angeordnet beziehungsweise installiert. Durch die Membranfunktion der ersten Vorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation wird ein Rücklaufen der Druckwelle verhindert.
• Für den Fall, dass die Betriebsgaszirkulationsstrecke durch ihre zu kurze Bauweise eine benötigte Solllaufzeit nicht erreichen kann, wird die sich von einer ersten Betriebsgasauslassvorrichtung eines ersten Zylinders zu einer Betriebsgaseinlassvorrichtung des gleichen Zylinders oder eines anderen Zylinders ausbreitende Druckwelle zu einem Zeitpunkt eine dieser Betriebsgaseinlassvorrichtungen erreichen, zu welchem diese noch geschlossen ist. Es kommt zu einer Reflexion der Druckwelle an der entsprechenden Betriebsgaseinlassvorrichtung und zu einem Rücklauf der Druckwelle. Dieser Rücklauf der Druckwelle wird durch die erste Vorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation verhindert.
• Bei Verbrennungsmotoren mit einer größeren Zylinderanzahl, wie beispielsweise fünf und mehr Zylinder, und/oder mit einem größeren nutzbaren Drehzahlbereich, wie beispielsweise mehr als 1500 1/min, ist eine zweite Vorrichtung beziehungsweise ein zweites Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation vorgesehen, welche ebenfalls in der Betriebsgaszirkulationsstrecke beziehungsweise den Betriebsgaszirkulationsstrecken angeordnet ist. Diese zweite Vorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation ermöglicht eine von der Motordrehzahl abhängige Veränderung der Verschaltung zwischen einem Ausgang einer Betriebsgasauslassvorrichtung und einem von mehreren Eingängen mehrerer Betriebsgaseinlassvorrichtungen, welcher erfindungsgemäß ausgewählt wird.
• Diese zweite Vorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation ermöglicht somit einen Stoßaufladungseffekt bei einer sich veränderten Motordrehzahl bei gleichbleibender Länge der Betriebsgaszirkulationsstrecke beziehungsweise gleichbleibenden Längen der Betriebsgaszirkulationsstrecken.
• Alternativ ist eine dritte Vorrichtung beziehungsweise ein drittes Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation vorgesehen, welche in den Betriebsgaszirkulationsstrecken angeordnet ist. Diese dritte Vorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation ermöglicht eine Auswahl zwischen mehreren bereitgestellten Betriebsgaszirkulationsstrecken mit unterschiedlichen Längen.
• Durch eine derartige Veränderung der Länge der resultierenden beziehungsweise ausgewählten Betriebsgaszirkulationsstrecke mittels entsprechender Auswahlmittel und mehreren unterschiedlich langen Betriebsgaszirkulationsstrecken wird es möglich, den Weg von einer Betriebsgasauslassvorrichtung zu einer entsprechenden Betriebsgaseinlassvorrichtung und somit die Solllaufzeit bedarfsgerecht anzupassen beziehungsweise zu verändern.
• Diese Anpassung erfolgt zumindest innerhalb des zur Verfügung stehenden Umfangs der mehreren zur Verfügung stehenden unterschiedlich langen Betriebsgaszirkulationsstrecken, welche mittels einer entsprechenden Umschaltvorrichtung ausgewählt werden.
• Diese dritte Vorrichtung zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation ermöglicht somit einen Stoßaufladungseffekt bei einer sich veränderten Motordrehzahl durch Anpassung der Länge der Betriebsgaszirkulationsstrecke.
• Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:
• 1: eine beispielhafte Verbrennungskraftmaschine, wie ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation aus dem Stand der Technik,
• 2: eine erfindungsgemäße erste Vorrichtung (Mittel) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation im Zusammenwirken mit einem Zylinder eines 4-Takt-Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation,
• 3: die erfindungsgemäße erste Vorrichtung (Mittel) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation aus der 2 in einer ersten Betriebsart,
• 4: die erfindungsgemäße erste Vorrichtung (Mittel) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation aus der 2 in einer zweiten Betriebsart,
• 5: eine erfindungsgemäße zweite Vorrichtung (Mittel) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation und
• 6: eine erfindungsgemäße dritte Vorrichtung (Mittel) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation.
• Die 1 zeigt einen Wasserstoffmotor 1 mit Betriebsgaszirkulation aus dem Stand der Technik. Das Beispiel der 1 zeigt einen 4-Zylinder 4-Takt-Wasserstoffmotor 1 mit Betriebsgaszirkulation. Im Beispiel der 1 sind die Zylinder von links nach rechts mit den römischen Ziffern I, II, III, IV beschriftet.
• Die Betriebsgaszirkulation ist dabei in diesem Beispiel derart ausgeführt, dass eine Betriebsgasauslassvorrichtung 2 eines Zylinders über eine Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 mit einer Betriebsgaseinlassvorrichtung 4 verbunden ist. Im Beispiel sind alle Betriebsgasauslassvorrichtungen 2a, 2b, 2c, 2d über eine gemeinsame Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 mit den Betriebsgaseinlassvorrichtungen 4a, 4b, 4c, 4d verbunden.
• Im beispielhaften Wasserstoffmotor 1 wird als Brenngas Wasserstoff und als Oxidationsgas Sauerstoff verwendet. Ein einatomiges Inertgas, wie beispielsweise Argon, dient als Betriebsgas, welches zur Erst- oder Nachbefüllung aus einem Betriebsgasvorratsbehälter 5 über eine zugehörige Betriebsgasleitung 6 zu einer Betriebsgaszuführungseinrichtung 7 und von dort in die zugehörige Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 gelangt.
• Das Oxidationsgas Sauerstoff wird aus einem entsprechenden Sauerstoffvorratsbehälter 8 mittels eines Leitungssystems 9 zu den einzelnen Sauerstoffzuführungseinrichtungen 10a, 10b, 10c, 10d geführt und in die Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 noch vor den Brennräumen 11 der Zylinder I bis IV eingeleitet.
• Bei geschlossenen Betriebsgasauslassvorrichtungen 2a, 2b, 2c, 2d gelangt das Betriebsgas-Sauerstoff-Gemisch in einem Ansaugtakt über die jeweilige Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a, 4b, 4c, 4d in den jeweiligen Brennraum 11a, 11b, 11c, 11d des Wasserstoffmotors 1. Sind die Betriebsgaseinlassvorrichtungen 4a, 4b, 4c, 4d und die Betriebsgasauslassvorrichtungen 2a, 2b, 2c, 2d geschlossen, wird das Brenngas über die Wasserstoffzuführungseinrichtungen 12a, 12b, 12c, 12d direkt in den jeweiligen Brennraum 11a, 11b, 11c, 11d des Wasserstoffmotors 1 in einem Verdichtungstakt eindosiert. Das derart verdichtete Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch im jeweiligen Brennraum 11a, 11b, 11c, 11d wird nachfolgend beispielsweise mittels einer nicht in der 1 dargestellten Zündkerze fremd gezündet. Der Wasserstoff wird durch den Sauerstoff oxidiert, sodass sich nach der Verbrennung Wasserdampf bildet und thermische und im Weiteren mechanische Energie freigesetzt wird, wodurch der Kolben im jeweiligen Brennraum 11a, 11b, 11c, 11d bewegt und in üblicher Weise mittels Pleuelstangen und der Kurbelwelle in einem Arbeitstakt eine Drehbewegung des Wasserstoffmotors 1 erzeugt wird. Das Betriebsgas reagiert dabei nicht mit einem der beiden Reaktanten und liegt nach der Verbrennung unverbraucht vor.
• Nach der Verbrennung öffnet die jeweilige Betriebsgasauslassvorrichtung 2a, 2b, 2c, 2d und in einem Ausstoßtakt läuft eine Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit durch die gesamte Betriebsgaszirkulationsstrecke 3.
• Für eine optimale Stoßaufladung, bei welcher die Energie der den Brennraum des Zylinders verlassenden Druckwelle im Takt „Ausstoßen“ genutzt wird, um den Gasaustausch beispielsweise im gleichen Brennraum im Takt „Ansaugen“ zu verbessern, müsste die Länge der jeweiligen Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 derart dimensioniert beziehungsweise abgestimmt sein, dass die sich über die jeweilige Betriebsgasauslassvorrichtung 2a, 2b, 2c, 2d ausbreitende Druckwelle kurz nach dem Öffnen der jeweils zugehörigen Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a, 4b, 4c, 4d beispielsweise des gleichen Zylinders eintrifft. Somit wäre eine erwünschte, möglichst hohe Druckdifferenz zwischen der jeweiligen Betriebsgasauslassvorrichtung 2a, 2b, 2c, 2d und der zugehörigen Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a, 4b, 4c, 4d beim Betriebsgaswechsel des jeweiligen Zylinders vorhanden. Ein derartiges Verfahren ist nach dem Stand der Technik der 1 nicht umsetzbar.
• Der in den Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 befindliche Kondensator 13 dient zur Wasserabscheidung des bei der Verbrennung des Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs in den Brennräumen 11a, 11b, 11c, 11d entstehenden Wassers, welches mit dem Betriebsgas aus den Brennräumen 11a, 11b, 11c, 11d transportiert wird.
• Auch wenn sich die vorliegende Beschreibung beispielhaft auf einen Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Viertakt-Otto-Verfahren bezieht, kann an dessen Stelle beispielsweise auch ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Zweitakt-Otto-Verfahren zum Einsatz kommen.
• Die vorliegende Erfindung kann auch bei Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation in einer Ausführung als Rotationskolbenmotor beziehungsweise Wankelmotor zur Anwendung kommen.
• Eine beispielhafte Auslegung der Länge einer Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 wird nachfolgend mittels einer Berechnung erläutert.
• Für dieses Ausführungsbeispiel werden nachfolgende Parameter eines 4-Zylinder 4-Takt-Wasserstoffmotors 1 mit Betriebsgaszirkulation mit einer zylinderselektiven, stoßaufgeladenen Betriebsgaszirkulation angenommen:
• - Motordrehzahl: n = 1500 1/min
• - Bauart: 4-Takt-Otto-Motor
• - Zylinderanzahl: 4
• - Zündfolge: 1-3-4-2
• - Steuerzeiten:
  • Betriebsgasauslassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) öffnet bei 500°KW,
  • Betriebsgasauslassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) schließt bei 20°KW,
  • Betriebsgaseinlassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) öffnet bei 705°KW,
  • Betriebsgaseinlassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) schließt bei 220°KW.
• - Betriebsgas-Sauerstoff-Gemisch: 90% Argon, 10% Restsauerstoff, 100% Feuchtigkeit
• - Mittlere Betriebsgastemperatur in der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 150°C
• Beispielhaft ergibt sich für die Berechnung der Schallgeschwindigkeit c unter diesem Betriebsgas-Sauerstoff-Gemisch (Medium der Schallausbreitung) nachfolgende der aus dem Stand der Technik bekannte Zusammenhang für die Schallgeschwindigkeit c: $$c_{Betriebsgas}=\sqrt{\mathrm{\kappa }\frac{\text{RT}}{\text{M}}}$$

  

  Hierbei stellt c_Betriebsgas die Schallgeschwindigkeit im Betriebsgas-Sauerstoff-Gemisch dar. T ist die Temperatur des Betriebsgases in der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 von durchschnittlich 150 °C beziehungsweise 423,15 K, R ist die universelle Gaskonstante, M ist die molare Masse und κ (Kappa) stellt den Isentropenexponent dar, welcher für Argon einen Wert von κ = 1,64 bei der angegebenen Temperatur aufweist. $$c_{Betriebsgas}=\sqrt{\mathrm{1,64}\frac{\mathrm{8,3145}\frac{J}{molK}\ast \mathrm{423,15}\text{K}}{\mathrm{0,0376}\frac{kg}{mol}}}$$

  

  $$c_{Betriebsgas}=\mathrm{391,73}\frac{m}{s}$$

  
• Die Druckwelle breitet sich somit in der mit dem Betriebsgas Argon gefüllten Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 mit einer Geschwindigkeit von 391,73 m/s aus, wenn von einer mittleren Betriebsgastemperatur von etwa 150 °C ausgegangen wird.
• Für die Berechnung der Solllaufzeit t gilt: $$t_{360°KW}=\frac{60}{n}=\frac{60s}{1500}=\mathrm{0,04}s=40ms$$

  

  $$t_{1°KW}=\frac{60}{n\ast 360}=\frac{60ms}{1500\ast 360}=\mathrm{0,}\overline{1}ms$$

  

  $$t_{205°KW}=\frac{60}{n\ast \frac{205}{360}}=\frac{60ms}{1500\ast \frac{205}{360}}=\mathrm{22,}\overline{7}ms$$

  
• Hierbei beschreibt t_360°KW die Dauer für eine Umdrehung der Kurbelwelle bei einer Drehzahl von n=1500 1/min.
• t_1°KW entspricht der Zeitdauer für einen Kurbelwellenwinkel von 1 Grad bei einer Drehzahl von n=1500 1/min.
• t_205°KW ist die Zeitdauer zwischen dem Öffnen der Betriebsgasauslassvorrichtung 2a des ersten Zylinders I bei 500° Kurbelwellenwinkel und dem Öffnen der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a des ersten Zylinders I bei 705° Kurbelwellenwinkel und stellt somit die Solllaufzeit der Druckwelle dar.
• Bekannt ist es, dass die Geschwindigkeit der Quotient aus zurückgelegtem Weg und der hierfür benötigten Zeit ist. Nach Umstellung dieses Zusammenhangs nach dem zurückgelegten Weg kann somit der von der Druckwelle zurückzulegende Weg, also die Länge der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3, entsprechend nachfolgender Gleichung ermittelt werden gemäß: $$s_{\text{Betriebsgaszirkulation}}=c_{Betriebsgas}\ast t_{205°KW}=\mathrm{391,73}\frac{m}{s}\ast \mathrm{0,022}\overline{7}s=\mathrm{8,92}m$$

  
• Somit wäre unter den angenommenen Parametern für den 4-Zylinder 4-Takt-Wasserstoffmotor 1 mit Betriebsgaszirkulation mit einer zylinderselektiven, stoßaufgeladenen Betriebsgaszirkulation eine Länge beziehungsweise Weglänge von 8,92 m für die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 vorzusehen. Wird die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 derart ausgelegt, ist es gewährleistet, dass die beim Ausstoßen des heißen Betriebsgases entstehende Druckwelle genau im Moment des Öffnens der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4 des gleichen Zylinders eintrifft.
• Weil nach dieser Berechnung für einen Wasserstoffmotor 1 mit einer niedrigen Drehzahl von n = 1500 1/min eine Weglänge von 8,92 m für die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 vorgesehen werden muss und sich diese Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 in der Praxis nur schwer realisieren lassen, wird nachfolgend eine erste Lösung mittels einer ersten Vorrichtung 14 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation beschrieben.
• Die 2 zeigt die erste erfindungsgemäße Vorrichtung 14 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation in der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a eines Wasserstoffmotors 1. Die Vorrichtung 14 kann auch als ein Mittel 14 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation in der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a eines Wasserstoffmotors 1 bezeichnet werden.
• Diese erste Vorrichtung 14 ist in der Form einer Membran ausgeführt, welche als Rückschlagventil arbeitet. Mit dieser ersten Vorrichtung 14 wird das Ziel der Erfindung, welches darin besteht, eine möglichst hohe Druckdifferenz zwischen einer Betriebsgasauslassvorrichtung 2a und der zugehörigen Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a eines ersten Zylinders I zu erzeugen, erreicht beziehungsweise umgesetzt.
• Der Einsatz und die Wirkungsweise wird beispielhaft an einem ersten Zylinder I eines 4-Takt-Wasserstoffmotors 1 dargestellt. Der Einsatz der ersten Vorrichtung 14 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation in der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 kann selbstverständlich für jeden Zylinder I, II, III, IV beziehungsweise jede Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a, 3b, 3c, 3d eines 4 Zylinder aufweisenden Wasserstoffmotors 1 erfolgen.
• Die 2 zeigt den ersten Zylinder I mit dem Brennraum 11a und der Wasserstoffzuführungseinrichtung 12a im Wasserstoffmotor 1. Die Betriebsgaszirkulation erfolgt über die Betriebsgasauslassvorrichtung 2a, den Kondensator 13, die Betriebsgaszuführungseinrichtung 7, die Sauerstoffzuführungseinrichtung 10a, die erste Vorrichtung 14 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation in der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a und die Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a. Wie bereits aus der 1 bekannt, ist die Betriebsgaszuführungseinrichtung 7 über die Betriebsgasleitung 6 mit dem Betriebsgasvorratsbehälter 5 und die Sauerstoffzuführungseinrichtung 10a über die Leitung 9 mit dem Sauerstoffvorratsbehälter 8 verbunden.
• Da sich bei langsam laufenden Wasserstoffmotoren 1 große Betriebsgaszirkulationsstrecken 3a ergeben, wie bereits weiter oben beispielhaft gezeigt wurde, und sich diese nicht immer konstruktiv realisieren lassen, kann mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 14 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation in der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a, welche als eine Membran beziehungsweise ein Rückschlagventil beziehungsweise eine Betriebsgasrückströmverhinderungseinrichtung ausgelegt ist, die Energie der Druckwelle zwischen der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a und der Vorrichtung 14 zur Druckerhöhung des Betriebsgases am Einlassbereich genutzt werden.
• Durch die Verbrennung des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches im Brennraum 11a des ersten Zylinders I entsteht Wasserdampf, der bei geöffneter Betriebsgasauslassvorrichtung 2a in die Betriebsgaszirkulationsstecke 3a gelangt. Über die Betriebsgaszirkulationsstecke 3a strömt der Wasserdampf zusammen mit dem Betriebsgas zum Kondensator 13, wo der Wasserdampf und das Betriebsgas abgekühlt und Wasser abgeschieden wird. Die Druckwelle hingegen breitet sich weiter aus und gelangt über die Betriebsgaszuführungseinrichtung 7 und die Sauerstoffzuführungseinrichtung 10a zur ersten Vorrichtung 14 und zur Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a.
• Um dies zu ermöglichen, weist die erste Vorrichtung 14 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation zwei Betriebszustände auf.
• Der erste Betriebszustand der ersten Vorrichtung 14 ist in der 3 dargestellt, während die 4 den zweiten Betriebszustand der ersten Vorrichtung 14 zeigt. Auf alle weiteren bereits zur 2 beschriebenen Einheiten wird in den 3 und 4 nicht mehr eingegangen.
• In dem in der 3 dargestellten ersten Betriebszustand ist die erste Vorrichtung 14 geöffnet, so dass die Druckwelle in der bereits beschriebenen Weise bis zur geschlossenen Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a gelangen kann. Nachdem die Druckwelle die erste Vorrichtung 14 passiert hat, wechselt die erste Vorrichtung 14 von ihrem ersten Betriebszustand in ihren zweiten Betriebszustand.
• Erreicht die Druckwelle die geschlossene Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a, wird die Druckwelle in die entgegengesetzte Richtung reflektiert. Diese reflektierte Druckwelle erreicht die erste Vorrichtung 14, welche nun bereits geschlossen ist oder durch die rückströmende Druckwelle geschlossen wird.
• Somit stellt sich ein erhöhter Betriebsgasdruck im Bereich 15 der 4 ein. Derart wird eine möglichst hohe Druckdifferenz zwischen der Betriebsgasauslassvorrichtung 2a eines ersten Zylinders I und der zugehörigen Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a des ersten Zylinders I erreicht. Eine derartige möglichst hohe Druckdifferenz lieg beispielsweise im Bereich zwischen 0,01 bar und 1,0 bar.
• Dadurch kann nach dem Öffnen der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a des ersten Zylinders I der Betriebsgaswechsel effektiver erfolgen und damit die abgegebene Leistung sowie der Wirkungsgrad des Wasserstoffmotors 1 gesteigert werden.
• In der 5 ist beispielhaft ein 6-Zylinder 4-Takt-Wasserstoffmotor 1 mit Betriebsgaszirkulation dargestellt. Eine erfindungsgemäße zweite Vorrichtung 16 beziehungsweise ein Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation ist in dieser Ausführungsform vorgesehen.
• Die zweite Vorrichtung 16 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation ist derart angeordnet, dass eine Umschaltung beispielsweise zwischen der ersten Betriebsgasauslassvorrichtung 2a eines ersten Zylinders I und der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a des gleichen Zylinders I oder der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4e eines Zylinders V, welcher in der Zündfolge des Wasserstoffmotors 1 zeitlich vor dem Zylinder I liegt, ermöglicht wird.
• Der hier beispielhaft verwendete 4-Takt-Wasserstoffmotor 1 mit 6 Zylindern hat einen Zündabstand von 120° Kurbelwellenwinkel und die beispielhafte Zündfolge 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4. Die Steuerzeiten sind beispielsweise analog zu den Steuerzeiten des 4-Zylinder-Wasserstoffmotors 1 nach 1.
• - Steuerzeiten:
  • Betriebsgasauslassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) öffnet bei 500°KW,
  • Betriebsgasauslassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) schließt bei 20°KW,
  • Betriebsgaseinlassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) öffnet bei 705°KW,
  • Betriebsgaseinlassvorrichtung (z.B. Zylinder 1) schließt bei 220°KW.
• Weiterhin wird hier auf die Ausführungen zur Funktionsweise des Wasserstoffmotors 1 mit Betriebsgaszirkulation zur 1 verwiesen, welche hier nicht wiederholt werden.
• Mit den genannten Steuerzeiten ergibt sich ein Abstandswinkel von 205° Kurbelwellenwinkel zwischen dem Öffnen der Betriebsgasauslassvorrichtung 2 eines Zylinders und dem Öffnen der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4 des gleichen Zylinders.
• Wie bereits berechnet, ergibt sich eine Laufzeit für die Druckwelle von 22,78 ms und somit eine Weglänge von 8,92 m für die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 bei einer durchschnittlichen Betriebsgastemperatur von 150 °C, einer Betriebsgaszusammensetzung von 90 % Argon und 10 % Sauerstoff und bei einer Drehzahl des Wasserstoffmotors 1 von 1500 1/min.
• Da sich eine Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 von knapp 9 m nicht immer bautechnisch realisieren lässt, ist eine Verschaltung der Betriebsgasauslassvorrichtung 2 zu einer Betriebsgaseinlassvorrichtung 4 eines Zylinders, welcher aus der Sicht der Zündfolge unmittelbar davor liegt, vorgesehen, um die Weglänge für die Betriebsgaszirkulation anzupassen und somit eine möglichst hohe Druckdifferenz zwischen einer Betriebsgasauslassvorrichtung 2 eines ersten Zylinders und einer Betriebsgaseinlassvorrichtung 4 des Zylinders sicherzustellen, welcher in der jeweiligen Zündfolge unmittelbar vor diesem ersten Zylinder liegt. Diese Abhängigkeiten gelten auch entsprechend für den zweiten und alle weiteren Zylinder.
• In diesem Ausführungsbeispiel mit der Zündfolge 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 ist somit die Betriebsgasauslassvorrichtung 2a des ersten Zylinders I mit der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4e des fünften Zylinders V zu verbinden. Damit reduziert sich der Abstandswinkel um 120° Kurbelwinkel (=Zündabstand) von 205°KW auf 85°KW und die Laufzeit der Druckwelle reduziert sich somit auf 9,44 ms, was einer Weglänge für die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 von 3,7 m bei gleichbleibenden Randbedingungen entspricht.
• Diese Umschaltung der Weglängen der Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 zwischen den Zylindern wird mittels der zweiten Vorrichtung 16 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation vorgenommen. Hierfür weist die zweite Vorrichtung 16 eine Umschalteinheit 17 mit den Umschaltelementen 18a bis 18f auf. Zur Steuerung der Umschaltelemente 18a bis 18f in der Umschalteinheit 17 ist eine Steueranordnung 19 vorgesehen, welche beispielsweise mit einer Motorsteuereinheit beziehungsweise einem Steuergerät (engl. ECU; electronic control unit) verbunden sein kann.
• Die Umschaltelemente 18 weisen je zwei Eingänge auf, wobei diese Eingänge mit ausgewählten Betriebsgaszirkulationsstrecken 3a bis 3f verbunden werden können, und je einen Ausgang, welcher mit einer zugehörigen Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a bis 4f verbunden ist. Die in der 5 zwischen den Ausgängen der Umschaltelemente 18 und den Betriebsgaseinlassvorrichtungen 4a bis 4f angeordnete Sauerstoffzuführungseinheit 10 hat keinen Einfluss auf die hier dargestellte Funktionsweise der zweiten Vorrichtung 16 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation.
• Die Eingänge des ersten Umschaltelements 18a sind erfindungsgemäß mit der Betriebsgaszirkulationsstecke 3a und der Betriebsgaszirkulationsstecke 3d verbunden, somit mit der Betriebsgasauslassvorrichtung 2a des ersten Zylinders I und der Betriebsgasauslassvorrichtung 2d des vierten Zylinders IV.
• Die Eingänge des zweiten Umschaltelements 18b sind erfindungsgemäß mit der Betriebsgaszirkulationsstecke 3b und der Betriebsgaszirkulationsstecke 3f verbunden, somit mit der Betriebsgasauslassvorrichtung 2b des zweiten Zylinders II und der Betriebsgasauslassvorrichtung 2f des sechsten Zylinders VI.
• Auf die Erläuterung der weiteren Verbindungen wird verzichtet, da das Prinzip an diesen zwei Beispielen verdeutlicht wurde und die weiteren Verbindungen und Zusammenhänge durch einen Fachmann aus der 5 entnommen werden können.
• Derart ist es realisiert, dass beispielsweise mittels des ersten Umschaltelements 18a eine Verbindung zwischen der ersten Betriebsgasauslassvorrichtung 2a des ersten Zylinders I und der ersten Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a des gleichen Zylinders I über die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a oder eine Verbindung zwischen der vierten Betriebsgasauslassvorrichtung 2d des vierten Zylinders IV und der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a des ersten Zylinders I über die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3d hergestellt wird.
• Derart ist es in einem zweiten Beispiel realisiert, dass mittels des sechsten Umschaltelements 18f eine Verbindung zwischen der sechsten Betriebsgasauslassvorrichtung 2f des sechsten Zylinders VI und der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4f des gleichen Zylinders VI über die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3f oder eine Verbindung zwischen der dritten Betriebsgasauslassvorrichtung 2c des dritten Zylinders III und der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4f des sechsten Zylinders VI über die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3c hergestellt wird.
• Wird der Wasserstoffmotor 1 mit Betriebsgaszirkulation nicht stationär mit einer konstanten Drehzahl betrieben, kann bei ansteigender Drehzahl die für einen Stoßaufladungseffekt erforderliche Weglänge der Betriebsgaszirkulationsstrecke derart kurz werden, dass eine ausreichende Kühlung des Betriebsgases nicht mehr möglich ist. In diesem Fall ist es vorgesehen, dass mittels des jeweiligen Umschaltelements 18 jeweils die Verbindung zwischen der Betriebsgasauslassvorrichtung 2 und der Betriebsgaseinlassvorrichtung 4 des gleichen Zylinders hergestellt wird.
• In einer Alternative kann es vorgesehen sein, eine Verschaltung der Betriebsgasauslassvorrichtung 2 zu einer Betriebsgaseinlassvorrichtung 4 eines Zylinders vorzunehmen, welcher aus der Sicht der Zündfolge zeitlich aber nicht unmittelbar zeitlich davor liegt. Im Beispiel der Zündfolge 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 liegt zeitlich unmittelbar vor dem dritten Zylinder III der fünfte Zylinder V, während zeitlich vor dem dritten Zylinder III sowohl der fünfte Zylinder IV als auch der erste Zylinder I liegen. Diese Alternative ist insbesondere für Wasserstoffmotoren 1 mit mehr als sechs Zylindern, wie beispielsweise einen 12-Zylinder-Wasserstoffmotor 1 vorgesehen. Eine Auswahl, auf welchen zeitlich vorherliegenden Zylinder die Betriebsgaszirkulation umgeschaltet wird, kann somit in Abhängigkeit der Zylinderanzahl und der Drehzahl erfolgen.
• Auch wenn die Sauerstoffzuführungseinheit 10 in der 5 abweichend von der 1 vereinfacht dargestellt ist, ändert sich ihre Funktionalität nicht gegenüber der zur 1 beschriebenen Weise.
• Im Wasserstoffmotor 1 wird als Brenngas Wasserstoff und als Oxidationsgas Sauerstoff verwendet. Ein einatomiges Inertgas, wie beispielsweise Argon, dient als Betriebsgas, welches zur Erst- oder Nachbefüllung aus einem Betriebsgasvorratsbehälter 5 über eine zugehörige Betriebsgasleitung 6 zu einer Betriebsgaszuführungseinrichtung 7 und von dort in die zugehörige Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 gelangt. Dieses System zur Erst- oder Nachbefüllung, bestehend aus dem Betriebsgasvorratsbehälter 5 der zugehörigen Betriebsgasleitung 6 und der Betriebsgaszuführungseinrichtung 7, ist beispielhaft nur für die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a dargestellt und in der Praxis auch mit den Betriebsgaszirkulationsstrecken 3b, 3c bis 3f verbunden.
• Vorgesehen ist es, die Umschaltungen durch die Umschaltelemente 18a bis 18f durch die Steueranordnung 19 gleichzeitig beziehungsweise parallel durchzuführen. Hierfür ist die Steueranordnung 19 beispielsweise mit einer Motorsteuereinheit beziehungsweise einem Steuergerät verbunden.
• In der 6 ist eine erfindungsgemäße dritte Vorrichtung 20 beziehungsweise ein Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation dargestellt. Diese dritte Vorrichtung 20 ist zweiteilig ausgeführt und weist einen ersten Teil der dritten Vorrichtung 20a auf, welcher im Bereich der Betriebsgaseinlassvorrichtungen 4 angeordnet ist. Die dritte Vorrichtung 20 weist auch einen zweiten Teil der dritten Vorrichtung 20b auf, welcher im Bereich der Betriebsgasauslassvorrichtungen 2 angeordnet ist.
• Im Beispiel der 6 ist ein 3-Zylinder 4-Takt-Wasserstoffmotor 1 mit Betriebsgaszirkulation dargestellt. Auch an dieser Stelle sollen die allgemeine Betriebsweise des Wasserstoffmotors 1 sowie die Funktionen der dargestellten und bekannten Elemente nicht erneut erläutert werden. Hierfür wird auf die Ausführungen zu den 5 und 1 verwiesen.
• Neu an diesem Beispiel in der 6 ist die aus zwei Teilanordnungen 20a und 20b bestehende dritte Vorrichtung 20 zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation, welche es ermöglicht, eine Auswahl zwischen Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 mit unterschiedlichen Längen beziehungsweise Weglängen vorzunehmen.
• Die Umschaltelemente 18a, 18b, 18c der ersten Teilanordnung 20a der dritten Vorrichtung 20 weisen je zwei Eingänge auf, welche mit ausgewählten Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 verbunden werden können und je einen Ausgang, welcher mit einer zugehörigen Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a, 4b, 4c verbunden ist.
• Die Umschaltelemente 18a', 18b', 18c' der zweiten Teilanordnung 20b der dritten Vorrichtung 20 weisen je einen Eingang auf, welcher mit einer zugehörigen Betriebsgasauslassvorrichtungen 2a, 2b, 2c verbunden ist, und je zwei Ausgänge, welche mit ausgewählten Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 verbunden werden können.
• Hierbei ist es vorgesehen, dass die Umschaltelemente 18a, 18b, 18c mittels der ersten Steueranordnung 19a und die Umschaltelemente 18a', 18b', 18c' mittels der zweiten Steueranordnung 19b gesteuert werden. Eine Steuerung mittels einer einzigen Steueranordnung ist auch möglich, in der 6 aber nicht dargestellt.
• Im Beispiel der 6 können die Umschaltelemente 18 jeweils zwischen zwei Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 mit unterschiedlicher Länge beziehungsweise Weglänge umgeschaltet werden. Eine Beschränkung auf diese Auswahl zwischen nur zwei verschiedenen Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 mit unterschiedlichen Längen ist nicht vorgesehen. Die Umschaltung zwischen den zwei oder mehreren verschiedenen Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 mit unterschiedlichen Längen erfolgt in Abhängigkeit der Drehzahl des Wasserstoffmotors 1. So ist es allgemein vorgesehen, mit einer zunehmenden Drehzahl die Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 mit einer kürzeren Länge auszuwählen beziehungsweise zuzuschalten, da sich mit der zunehmenden Drehzahl die Solllaufzeit verringert.
• Die zum ersten Zylinder I zugehörige Betriebsgasauslassvorrichtung 2a ist in der 6 mit dem Eingang des Umschaltelements 18a' verbunden. Die Ausgänge des ersten Umschaltelements 18a' sind mit den Betriebsgaszirkulationsstrecken 3a und Betriebsgaszirkulationsstrecken 3a' verbunden, wobei die Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a' gegenüber der Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a eine größere Länge beziehungsweise Weglänge aufweist.
• Die Eingänge des Umschaltelements 18a sind mit den Betriebsgaszirkulationsstrecken 3a und 3a' verbunden. Der Ausgang des Umschaltelements 18a ist mit der zum ersten Zylinder I zugehörigen ersten Betriebsgaseinlassvorrichtung 4a verbunden.
• Vorgesehen ist es, eine Schwelldrehzahl festzulegen, unterhalb der die Umschaltelemente 18a und 18a' eine Betriebsgaszirkulation über die längere Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a' bereitstellen und oberhalb der die Umschaltelemente 18a und 18a' ein Umschalten auf eine Betriebsgaszirkulation über die kürzere Betriebsgaszirkulationsstrecke 3a ermöglichen.
• Stehen mehr als zwei Betriebsgaszirkulationsstrecken 3 zur Verfügung, zwischen denen eine Auswahl erfolgen kann, so werden entsprechend mehr Schwelldrehzahlwerte festgelegt. Auch in dieser Version wird jeweils beim Erreichen beziehungsweise Überschreiten einer Drehzahlschwelle auf die nächst kürzere Betriebsgaszirkulationsstrecke 3 umgeschaltet.
• Vorgesehen ist es, die Umschaltungen durch die Umschaltelemente 18a, 18b, 18c des ersten Teils der dritten Vorrichtung 20a und die Umschaltungen durch die Umschaltelemente 18a', 18b', 18c' des zweiten Teils der dritten Vorrichtung 20b durch die Steueranordnungen 19a und 19b gleichzeitig beziehungsweise parallel durchzuführen. Hierfür sind die Steueranordnungen 19a und 19b beispielsweise mit einer Motorsteuereinheit beziehungsweise einem Steuergerät verbunden.
• Bezugszeichenliste

1

Wasserstoffmotor

2, 2a, ..., 2f

Betriebsgasauslassvorrichtung

3, 3a, ..., 3f, 3', 3a', 3b', 3c'

Betriebsgaszirkulationsstrecke

4, 4a, ..., 4f

Betriebsgaseinlassvorrichtung

5

Betriebsgasvorratsbehälter

6

Betriebsgasleitung

7

Betriebsgaszuführungseinrichtung

8

Sauerstoffvorratsbehälter

9

Leitung / Leitungssystem

10, 10a, ..., 10d

Sauerstoffzuführungseinrichtung

11, 11a, ..., 11f

Brennraum

12, 12a, ..., 12f

Wasserstoffzuführungseinrichtung

13

Kondensator

14

erste Vorrichtung/ erstes Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation

15

Bereich der Druckerhöhung

16

zweite Vorrichtung/zweites Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation

17

Umschalteinheit

18, 18a, ..., 18f, 18a', 18b', 18c'

Umschaltelement

19, 19a, 19b

Steueranordnung

20, 20a, 20b

dritte Vorrichtung/ drittes Mittel zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation

• 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
• WO 2007/100115 [0011]

Claims (10)

1. Wasserstoffmotor (1) mit Betriebsgaszirkulation, welcher eine Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) aufweist, welche zwischen einer Betriebsgasauslassvorrichtung (2) und einer Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) eine erste Vorrichtung (14) und/oder eine zweite Vorrichtung (16) und/oder eine dritte Vorrichtung (20) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation in der Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) angeordnet ist.
2. Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung (14) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation eine Membran in der Funktion eines Rückschlagventils ist.
3. Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung (16) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation je Zylinder des Wasserstoffmotors (1) ein Umschaltelement (18) mit zwei Eingängen und einem Ausgang aufweist, dass die Ausgänge der Umschaltelemente (18) jeweils mit einer Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) des zugehörigen Zylinders verbunden sind, dass der jeweils erste Eingang der Umschaltelemente (18) über eine erste Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) mit einer Betriebsgasauslassvorrichtung (2) des zugehörigen Zylinders verbunden ist und dass der jeweils zweite Eingang der Umschaltelemente (18) über eine zweite Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) mit einer Betriebsgasauslassvorrichtung (2) eines Zylinders verbunden ist, welcher in einer Zündfolge des Wasserstoffmotors (1) zeitlich vor dem zugehörigen Zylinder oder zeitlich unmittelbar vor dem zugehörigen Zylinder liegt.
4. Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltelemente (18) in einer gemeinsamen Umschalteinheit (17) angeordnet sind und dass die Umschaltelemente (18) zur Steuerung ihrer Umschaltung mit einer Steueranordnung (19) verbunden sind.
5. Wasserstoffmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Vorrichtung (20) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation eine erste Teilanordnung (20a) und eine zweite Teilanordnung (20b) aufweist, dass in der ersten Teilanordnung (20a) je Zylinder des Wasserstoffmotors (1) ein Umschaltelement (18) mit zwei Eingängen und einem Ausgang und in der zweiten Teilanordnung (20b) je Zylinder des Wasserstoffmotors (1) ein Umschaltelement (18') mit einem Eingang und zwei Ausgängen angeordnet ist, dass ein erster Ausgang des Umschaltelements (18') über eine erste Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) mit einem ersten Eingang des Umschaltelements (18) und ein zweiter Ausgang des Umschaltelements (18') über eine zweite Betriebsgaszirkulationsstrecke (3') mit einem zweiten Eingang des Umschaltelements (18) verbunden ist, wobei die Betriebsgaszirkulationsstrecke (3') länger als die Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) ist und dass der Ausgang des Umschaltelements (18) mit einer zum gleichen Zylinder zugehörigen Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) und der Eingang des Umschaltelements (18') mit einer zum gleichen Zylinder zugehörigen Betriebsgasauslassvorrichtung (2) verbunden ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffmotors (1) mit Betriebsgaszirkulation, bei welchem ein Betriebsgas derart zirkuliert, dass es einen Zylinder des Wasserstoffmotors (1) über eine Betriebsgasauslassvorrichtung (2) verlässt, über eine Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) geleitet wird und in den Zylinder über eine Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) zurück gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) ein Mittel (14) zur Beeinflussung der Betriebsgaszirkulation bereitgestellt wird, mittels welchem eine sich über die Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) ausbreitende Druckwelle an ihrem Rücklauf gehindert wird, indem das Mittel (14) seine Durchlassöffnung schließt, nachdem die Druckwelle das Mittel (14) passiert hat.
7. Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffmotors (1) mit Betriebsgaszirkulation, bei welchem ein Betriebsgas derart zirkuliert, dass es einen Zylinder des Wasserstoffmotors (1) über eine Betriebsgasauslassvorrichtung (2) verlässt, über eine Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) geleitet wird und in den Zylinder über eine Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) zurückgelangt, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Drehzahl des Wasserstoffmotors (1) mittels eines Umschaltelements (18) je Zylinder unterhalb einer festgelegten Schwelldrehzahl eine Betriebsgaszirkulation über eine Betriebsgasauslassvorrichtung (2) eines jeweiligen Zylinders über eine Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) zu einer Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) des gleichen Zylinders und ab beziehungsweise oberhalb der Schwelldrehzahl eine Betriebsgaszirkulation über eine Betriebsgasauslassvorrichtung (2) eines jeweiligen Zylinders über eine Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) zu einer Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) eines Zylinders erfolgt, welcher in einer Zündfolge des Wasserstoffmotors (1) zeitlich vor dem zugehörigen Zylinder oder zeitlich unmittelbar vor dem zugehörigen Zylinder liegt.
8. Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffmotors (1) mit Betriebsgaszirkulation, bei welchem ein Betriebsgas derart zirkuliert, dass es einen Zylinder des Wasserstoffmotors (1) über eine Betriebsgasauslassvorrichtung (2) verlässt, über eine Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) geleitet wird und in den Zylinder über eine Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) zurückgelangt, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Drehzahl des Wasserstoffmotors (1) mittels eines Umschaltelements (18) je Zylinder unterhalb einer festgelegten Schwelldrehzahl eine Betriebsgaszirkulation über eine Betriebsgasauslassvorrichtung (2) eines jeweiligen Zylinders über eine erste Betriebsgaszirkulationsstrecke (3') zu einer Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) des gleichen Zylinders erfolgt und dass bei einer Drehzahl des Wasserstoffmotors (1) gleich oder größer der festgelegten Schwelldrehzahl eine Betriebsgaszirkulation über die Betriebsgasauslassvorrichtung (2) eines jeweiligen Zylinders über eine zweite Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) zu der Betriebsgaseinlassvorrichtung (4) des gleichen Zylinders erfolgt, wobei die Betriebsgaszirkulationsstrecke (3') länger als die Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als drei verschieden lange Betriebsgaszirkulationsstrecken (3) je Zylinder zur Auswahl bereitgestellt werden, dass mehrere Schwelldrehzahlen festgelegt werden und dass bei einer zunehmenden Drehzahl des Wasserstoffmotors (1) jeweils beim Erreichen der Schwelldrehzahl die nächst kürzere Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) für die Betriebsgaszirkulation ausgewählt wird und dass bei abnehmender Drehzahl des Wasserstoffmotors (1) jeweils beim Erreichen der Schwelldrehzahl die nächst längere Betriebsgaszirkulationsstrecke (3) für die Betriebsgaszirkulation ausgewählt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltelemente (18) aller Zylinder mittels einer Steueranordnung (19) zeitgleich umgeschaltet werden.

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