DE102021005649A1

DE102021005649A1 - Wasserstoffmotor sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen Wasserstoffmotor

Info

Publication number: DE102021005649A1
Application number: DE102021005649.3A
Authority: DE
Inventors: Alois Raab; Patrick Eisenmann
Original assignee: Daimler Truck AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor, mit wenigstens einem Brennraum, welchem wenigstens ein Einlassventil, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, und ein Einblaseventil (16) zugeordnet sind, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist, wobei das Einblaseventil (16) bezüglich des Brennraums außermittig angeordnet und der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnen des Einlassventils eine drallförmige Strömung (52) der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, 4, 5 beziehungsweise 9. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, mit einem solchen Wasserstoffmotor.
Der DE 10 2011 110 072 A1 ist ein Zylinderkopf eines stationären Gas-Ottomotors als bekannt zu entnehmen, mit mindestens zwei Einklasskanälen, die an einem Zylinderkopfboden münden. Außerdem offenbart die DE 10 2019 006 238 A1 eine Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Kurbelgehäuse und wenigstens einem Zylinderkopf, welcher wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wasserstoffmotor und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Wasserstoffmotor zu schaffen, sodass unerwünschte Vorentflammungen vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Wasserstoffmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Wasserstoffmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4, durch einen Wasserstoffmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5, durch einen Wasserstoffmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Dies bedeutet, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Nutzfahrzeug, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand den Wasserstoffmotor aufweist und mittels des Wasserstoffmotors antreibbar ist. Der Wasserstoffmotor ist eine vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine, die mittels Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff betreibbar ist, insbesondere in ihrem befeuerten Betrieb. Dies bedeutet, dass Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff verwendet wird, um den Wasserstoffmotor in seinem befeuerten Betrieb zu betreiben. Insbesondere ist der Wasserstoffmotor ein Ottomotor, mithin eine fremdgezündete Brennkraftmaschine.
Der Wasserstoffmotor weist wenigstens einen Brennraum auf, welcher beispielsweise teilweise durch einen Zylinder des Wasserstoffmotors gebildet beziehungsweise begrenzt ist. Der Wasserstoffmotor ist somit ein Gasmotor, da er in seinem befeuerten Betrieb mittels Wasserstoff betrieben wird, wobei Wasserstoff ein gasförmiger Kraftstoff ist, der, insbesondere während des befeuerten Betrieb des Wasserstoffmotors, in gasförmigem Zustand direkt in den Brennraum eingebracht, das heißt eingeblasen wird. Beispielsweise ist in dem Zylinder ein Kolben des Wasserstoffmotors translatorisch bewegbar aufgenommen, sodass der Brennraum teilweise durch den Zylinder und teilweise durch den Kolben begrenzt ist. Der Zylinder ist beispielsweise durch ein Motorgehäuse des Wasserstoffmotors gebildet, wobei das Motorgehäuse beispielsweise ein Kurbelgehäuse, insbesondere ein Zylinderkurbelgehäuse, sein kann. Dabei kann der Wasserstoffmotor einen Zylinderkopf aufweisen, welcher beispielsweise separat von dem Motorgehäuse ausgebildet und mit dem Motorgehäuse verbunden ist. Dabei weist der Zylinderkopf ein dem Brennraum zugeordnetes Brennraumdach auf, welches beispielsweise dem Kolben gegenüber liegt. Dabei ist der Brennraum teilweise durch das Brennraumdach gebildet beziehungsweise begrenzt. Dem Brennraum ist wenigstens ein Einlassventil zugeordnet, über welches, insbesondere durch Öffnen des Einlassventils, zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist. Die Frischluft wird auch einfach als Luft oder Verbrennungsluft bezeichnet. Insbesondere ist das Einlassventil einem Einlasskanal zugeordnet, welcher von der Frischluft durchströmbar ist. Beispielsweise ist der Einlasskanal durch den Zylinderkopf gebildet beziehungsweise begrenzt. Insbesondere ist das Einlassventil relativ zu dem Zylinderkopf zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere translatorisch, bewegbar. In der Schließstellung ist der Einlasskanal durch das Einlassventil verschlossen, sodass keine Frischluft über den Einlasskanal in den Brennraum einströmen kann. In der Offenstellung gibt das Einlassventil den Einlasskanal frei, sodass über das geöffnete Einlassventil und den dadurch freigegebenen, mithin geöffneten Einlasskanal die Frischluft in den Brennraum einströmen kann, mithin eingeleitet wird. Beispielsweise ist in der Offenstellung des Einlassventils eine auch als Rückstellfeder bezeichnete und insbesondere als mechanische Feder ausgebildete, dem Einlassventil zugeordnete Feder gespannt, wodurch die Feder eine Federkraft bereitstellt, welche zumindest mittelbar, insbesondere direkt, auf das insbesondere geöffnete Einlassventil wirkt. Mittels der Federkraft und somit mittels der Feder ist beispielsweise das Einlassventil aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegbar und insbesondere in der Schließstellung zu halten.
Dem Brennraum ist außerdem ein Einblaseventil zugeordnet, mittels welchem der Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist. Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Brennraum eine Direkteinblasung vorgesehen, bei der der Wasserstoff nicht etwa außerhalb und stromauf des Brennraums und dabei in den Einlasskanal, sondern direkt in den Brennraum eingeblasen wird. Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Wasserstoffmotor eine Innere Gemischbildung vorgesehen. Hierunter ist insbesondere Folgendes zu verstehen: insbesondere innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels des Wasserstoffmotors wird die Frischluft über den Einlasskanal über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum eingeleitet, und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird der Wasserstoff mittels des Einblaseventils direkt in den Brennraum eingeblasen. Hierdurch wird innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet, wobei das Gemisch den Wasserstoff und die Frischluft umfasst. Die Bildung des Gemisches erfolgt dabei in dem Brennraum und nicht etwa außerhalb des Brennraums und stromauf des Brennraums. Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird das Gemisch in dem Brennraum gezündet, wodurch der Kolben angetrieben wird. Der Kolben ist beispielsweise, insbesondere über ein Pleuel, gelenkig mit einem beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildeten Antriebsmotor des Wasserstoffmotors verbunden, wobei der Wasserstoffmotor über seine Kurbelwelle wenigstens ein Drehmoment, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, bereitstellen kann. Dabei umfasst beispielsweise das jeweilige Arbeitsspiel, insbesondere genau, zwei vollständige Umdrehungen der Abtriebswelle, mithin 720 Grad Kurbelwinkel. Beispielsweise ist der Wasserstoffmotor als ein Vier-Takt-Motor ausgebildet. Da der Wasserstoffmotor vorzugsweise eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine ist, wird das Gemisch beispielsweise mittels einem dem Brennraum zugeordneten und beispielsweise als Zündkerze ausgebildeten Zündeinrichtung gezündet, und zwar innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels. Beispielsweise wird das Gemisch derart gezündet, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels mittels der Zündeinrichtung wenigstens ein Zündfunke, insbesondere in dem Brennraum, erzeugt wird. Mittels des Zündfunkens wird das Gemisch gezündet, wodurch das Gemisch verbrannt wird. Da Direkteinblasung vorgesehen ist, und da Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff verwendet wird, ist somit bei dem erfindungsgemäßen Wasserstoffmotor eine Wasserstoff-Direkteinblasung vorgesehen.
Um nun unerwünschte, frühe Vorentflammungen bei der Direkteinblasung, insbesondere bei der Wasserstoff-Direkteinblasung, vermeiden zu können, ist es bei dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das Einblaseventil bezüglich des Brennraums und dabei insbesondere auch bezüglich des Brennraumdachs außermittig angeordnet ist. Ist der Brennraum teilweise durch den genannten Zylinder gebildet, dessen Zylinderachse auch als Zylindermittelachse bezeichnet wird, wobei der Zylinder beispielsweise bezüglich der Zylindermittelachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist, so ist unter der außermittigen Anordnung des Einblaseventils insbesondere zu verstehen, dass das Einblaseventil, insbesondere dessen auch als Längsmittelachse bezeichnete Mittelachse, außermittig des Zylinders angeordnet ist, sodass die Mittelachse des Einblaseventils von der Zylinderachse beabstandet ist. Ganz vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass die Mittelachse des Einblaseventils die Zylinderachse nicht schneidet. Des Weiteren ist es bei dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnen des Einlassventils eine drallförmige, auf das Einblaseventil, insbesondere direkt, treffende Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Drallziffer der drallförmigen Strömung größer als 0,3, insbesondere größer als 0,8, ist. Dadurch ist die drallförmige Strömung der Frischluft besonders ausgeprägt, wodurch unerwünschte, frühe Vorentflammungen vermieden werden können.
Wie bereits aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt ist, ist unter der einfach auch als Drall bezeichneten, drallförmigen Strömung eine spiralen- oder schraubenförmige Bewegung, insbesondere Drehbewegung, der Strömung der Frischluft um eine Achse zu verstehen, die parallel zur Zylinderachse verläuft oder mit der Zylinderachse zusammenfällt.
Um dabei unerwünschte, frühe Vorentflammungen innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels besonders sicher vermeiden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung vorgesehen, dass sich eine zum Bewirken der drallförmigen Strömung ausgebildete Drallfase des dem Einlassventil zugeordneten, durch Öffnen des Einlassventils freigebbaren und von der Frischluft durchströmbaren Einlasskanals, über welchen die Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, ausgehend von einer Ebene, in welcher sowohl eine Mittelachse des Einlasskanals als auch die Mittelachse des Einblaseventils liegen, zur Mitte des Brennraums hin über einen Winkel erstreckt, welcher wenigstens oder genau 50 Grad beträgt. Unter der Mittelachse des Einlasskanals kann insbesondere Folgendes verstanden werden: der Einlasskanal weist eine Auslassöffnung auf, die in dem Brennraumdach ausgebildet ist, wobei der Einlasskanal jeweils in eine Einlassöffnung in dem Brennraum mündet. Dabei gibt das Einlassventil in seiner Offenstellung die Einlassöffnung frei und das Einlassventil verschließt in seiner Schließstellung die Einlassöffnung. Die Einlassöffnung weist eine Durchdringrichtung auf, entlang welcher die Frischluft dann durch die Einlassöffnung hindurchströmt und dadurch in den Brennraum einströmen kann, wenn das Einlassventil geöffnet ist. Dabei verläuft die Durchdringrichtung entlang einer Geraden und senkrecht zu einer Ebene, in welcher die Einlassöffnung ausgebildet ist. Insbesondere verläuft die Durchdringrichtung parallel zur Zylinderachse. Dabei ist unter der Mittelachse des Einlasskanals die Durchdringrichtung zu verstehen, beziehungsweise die Durchdringrichtung fällt mit der Mittelachse des Einlasskanals zusammen. Insbesondere verläuft die Mittelachse des Einlasskanals durch die Mitte beziehungsweise den Mittelpunkt der Einlassöffnung hindurch, insbesondere dann, wenn die Einlassöffnung rund, das heißt kreisrund ausgebildet ist. Somit verläuft die genannte Ebene durch die Mittelachse des Einblaseventils und durch den Mittelpunkt der Einlassöffnung.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor, auf welchen die vorherigen und folgenden Ausführungen zum ersten Aspekt der Erfindung übertragen werden können und umgekehrt. Der Wasserstoffmotor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist wenigstens einen Brennraum auf, welchem wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist. Außerdem ist dem Brennraum ein Einblaseventil zugeordnet, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist.
Um bei dem zweiten Aspekt der Erfindung unerwünschte, frühe Vorentflammungen vermeiden zu können, ist es bei dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das Einblaseventil bezüglich des Brennraums außermittig angeordnet und der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnen des Einlassventils eine tumbleförmige Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken. Wie bereits hinlänglich aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, ist unter der tumbleförmigen Strömung der Frischluft eine spiral- oder schraubförmige Drehbewegung der Frischluft um eine Achse zu verstehen, welche senkrecht zur Zylinderachse verläuft.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor, auf welchen die vorherigen und folgenden Ausführungen zum ersten Aspekt der Erfindung und zum zweiten Aspekt der Erfindung übertragen werden können und umgekehrt. Der Wasserstoffmotor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist wenigstens einen Brennraum auf, welchem wenigstens ein Einlassventil, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, und ein Einblaseventil zugeordnet sind, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist.
Um nun unerwünschte, frühe Vorentflammungen bei dem dritten Aspekt der Erfindung vermeiden zu können, ist es bei dem dritten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das Einblaseventil bezüglich des Brennraums mittig angeordnet ist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Mittelachse des Einblaseventils in der Mitte des Brennraums und somit in der Mitte des Zylinders liegt, mithin mit der Zylinderachse zusammenfällt. Außerdem ist der Wasserstoffmotor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung dazu ausgebildet, bei einem Öffnen des Einlassventils eine tumbleförmige Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken.
Um die tumbleförmige Strömung besonders vorteilhaft ausprägen und somit Vorentflammungen sicher vermeiden zu können, ist es bei einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung vorgesehen, dass sich eine zum Bewirken der tumbleförmigen Strömung ausgebildete Tumblefase eines dem Einlassventil zugeordneten, durch Öffnen des Einlassventils freigebbaren und von der Frischluft durchströmbaren Einlasskanals, über welchen die Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, ausgehend von einer Ebene, in welcher sowohl eine Mittelachse des Einlasskanals als auch eine Mittelachse des Einblaseventils liegen, über einen Winkel erstreckt, welcher wenigstens oder genau 50 Grad beträgt.
Um bei dem ersten, zweiten und dritten Aspekt der Erfindung unerwünschte, frühe Vorentflammungen vorteilhaft vermeiden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Einblaseventil eine offene Blaskappe aufweist. Hierunter ist insbesondere Folgendes zu verstehen: Das Einblaseventil weist beispielsweise ein von dem Wasserstoff durchströmbares Gehäuse mit wenigstens oder einer Ausströmöffnung auf, welcher ein Ventilelement zugeordnet ist. Das Ventilelement ist beispielsweise als ein Tellerventil ausgebildet. Das Ventilelement ist relativ zu dem auch als Ventilgehäuse bezeichneten Gehäuse, insbesondere translatorisch, bewegbar, und zwar zwischen einer Sperrstellung und wenigstens einer Freigabestellung. In der Sperrstellung versperrt das Ventilelement die Ausströmöffnung, sodass kein Wasserstoff (gasförmiger Kraftstoff) aus dem Einblaseventil ausströmt, mithin kein Wasserstoff (gasförmiger Kraftstoff) mittels des Einblaseventils in den Brennraum eingeblasen wird. In der Freigabestellung gibt das Ventilelement die Ausströmöffnung frei, sodass der Wasserstoff die Ausströmöffnung durchströmen kann und das Einblaseventil den Wasserstoff (gasförmiger Kraftstoff) direkt in den Brennraum einbläst und somit einbringt. Insbesondere ist das Einblaseventil als nach außen geöffnetes Einblaseventil ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass sich das Ventilelement auf seinem Weg aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu dem Brennraum hinbewegt und sich so beispielsweise zumindest teilweise in den Brennraum hineinbewegt, insbesondere sich in Richtung des Kolbens bewegt.
Die Ausströmöffnung verläuft beispielsweise in einer Öffnungsebene, welche senkrecht zur Zylinderachse verläuft. Der Wasserstoff (gasförmiger Kraftstoff) kann dabei entlang einer Ausströmrichtung durch die Ausströmöffnung hindurchströmen und somit in den Brennraum einströmen, wobei die Ausströmöffnung hin zu dem Brennraum und dabei insbesondere hin zu dem Kolben weist. Insbesondere erstreckt sich die Ausströmöffnung in einer Ausströmöffnungsebene, welche senkrecht zur Ausströmrichtung verläuft. Dabei ist unter der offenen Blaskappe insbesondere zu verstehen, dass die Ausströmöffnung in die Ausströmrichtung betrachtet mit Ausnahme des Ventilelements durch kein Bauteil zu dem Brennraum hin überlappt ist, sondern in die Ausströmrichtung und somit zu dem Brennraum hin vollständig frei ist, ohne Berücksichtigung des Ventilelements.
Als ferner besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Einblaseventil eine geschlossene Blaskappe mit wenigstens einer Durchströmöffnung aufweist. Unter der geschlossenen Blaskappe ist zu verstehen, dass das Einblaseventil eine Blaskappe aufweist, welche zusätzlich zu dem Ventilelement vorgesehen ist. Durch die Blaskappe ist die Ausströmöffnung in die Ausströmrichtung und somit zu dem Brennraum hin zumindest überwiegend und somit zumindest mehr als zur Hälfte überlappt und somit überdeckt. Die Blaskappe ist beispielsweise separat von dem Ventilgehäuse ausgebildet und mit dem Ventilgehäuse verbunden. Die geschlossene Blaskappe weist wenigstens oder genau eine Durchströmöffnung auf, sodass der die freigegebene Ausströmöffnung durchströmende Wasserstoff, insbesondere in gasförmigem Zustand, zunächst die Ausströmöffnung und daraufhin die Durchströmöffnung durchströmen. Mithin strömt der Wasserstoff, insbesondere in gasförmigem Zustand, auf seinem Weg von dem Einblaseventil in dem Brennraum zunächst durch die Ausströmöffnung und dann durch die Durchströmöffnung. Die Durchströmöffnung ist beispielsweise entlang einer Strömungsrichtung von dem Wasserstoff durchströmbar, wobei die Strömungsrichtung schräg oder senkrecht zur Ausströmrichtung verläuft. Um dabei unterwünschte, frühe Vorentflammungen sicher vermeiden zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass eine Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft direkt auf die Durchströmöffnung der geschlossenen Blaskappe ausgerichtet ist.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor, wobei die vorherigen und folgenden Ausführungen zum ersten, zweiten und dritten Aspekt der Erfindung auch auf den vierten Aspekt der Erfindung übertragen werden können und umgekehrt. Der Wasserstoffmotor gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist wenigstens einen Brennraum auf, welchem wenigstens ein Einlassventil, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, und ein Einblaseventil zugeordnet sind, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist.
Um bei dem vierten Aspekt der Erfindung unerwünschte, frühe Vorentflammungen vermeiden zu können, ist es bei dem vierten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das Einblaseventil eine geschlossene Blaskappe mit wenigstens oder genau einer Durchströmöffnung aufweist, wobei eine Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft direkt auf die Durchströmöffnung ausgerichtet ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Druck, mit welchem mittels des Einblaseventils die direkte Einblasung des Wasserstoffs, insbesondere in gasförmigem Zustand, in den Brennraum erfolgt, höchsten 40 bar beträgt. Somit sei auch ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffmotors, insbesondere gemäß dem ersten, zweiten, dritten oder vierten Aspekt der Erfindung, offenbart, wobei bei dem Verfahren der Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff, mithin insbesondere in gasförmigem Zustand, mit einem auch als Einblasedruck bezeichneten Druck direkt in den Brennraum eingeblasen wird, wobei der Einblasedruck höchstens 40 bar beträgt. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Einblasedruck wenigstens 15 bar beträgt.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Nutzfahrzeug, ausgebildetes Kraftfahrzeug, welches einen Wasserstoffmotor gemäß dem ersten, zweiten, dritten oder vierten Aspekt der Erfindung aufweist und mittels des Wasserstoffmotors antreibbar ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten, zweiten, dritten und vierten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des fünften Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Die innere Gemischbildung (Di-Verfahren) bei der H2 Verbrennung in fremdgezündeten Verbrennungsmotoren bietet gegenüber der äußeren Gemischbildung theoretisch deutliche Vorteile bezüglich der Leistungsdichte aufgrund der nicht vorhandenen Füllungsverluste durch die H2-Verdrängung. Die Hauptherausforderung bei dem Di-Verfahren stellt die Homogenisierung dar, die in einem kurzen Zeitraum nach dem Schließen des Einlassventils bis zur Zündeinleitung im Bereich um den oberen Totpunkt (OT) des Kolbens erfolgen sollte. Eine übermäßige Inhomogenität im Gemisch kann hohe Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen), Vorentflammungen und klopfende Verbrennung zur Folge h haben, die sich negativ auf eine Leistungssteigerung und einen Wirkungsgrad auswirkt und daher vermieden werden sollte. Um bei niedrigen Einblasedrücken von 15 bis 40 bar und dem begrenzten Bauraumangebot im Zylinderkopf eine erwünschte, vorteilhaft große Einblasemenge des Wasserstoffs (H2), zu erzielen, werden beispielsweise Einblaseventile mit geringem Druckverlust und möglichst großen Strömungsquerschnitten eingesetzt. Dazu werden vorzugsweise Einblaseventile verwendet, deren Ventilelement nach außen öffnend und vorzugsweise als Tellerventil ausgebildet ist. Derartige Ventile beziehungsweise Einblaseventile haben einen großen Ventildurchmesser, mithin eine große Ausströmöffnung und ein geringes Platzangebot für mechanische Schließfedern insbesondere zum Schließen und geschlossen halten des Ventilelements, wodurch die Abdichtung der Ausströmöffnung beziehungsweise des Ventilelements gegenüber dem Ventilgehäuse über die Lebensdauer und eine daraus resultierende Leckage eine große Herausforderung darstellt. Die Leckage kann je nach Höhe der Konzentration des Wasserstoffs (gasförmiger Kraftstoff) in Ventilnähe, das heißt in der Nähe des Einblaseventils und ganz insbesondere in der Nähe der Ausströmöffnung des Ventilelements zur Aufrechterhaltung einer auch als H2-Flamme bezeichneten Flamme zwischen zwei Einblaseereignissen führen. Aus Motorversuchen wurde bekannt, dass es an dieser Flamme zu Beginn der darauffolgenden Einblasung des Wasserstoffs zur spontanen Entzündung und somit zu einer frühen Vorentflammung des eingeblasenen Wasserstoffs kommen kann. Dies kann weiter verstärkt werden, wenn zur Verbesserung der Gemisch-Homogenisierung Blaskappen mit Blaslöchern, mithin mit Durchströmöffnungen am Einblaseventil verbaut werden, wobei in den Blaskappen die Leckage, das heißt die in Folge der Leckage trotz geschlossenem Ventilelement aus dem Einblaseventil beziehungsweise aus der Ausströmöffnung ausströmende Wasserstoff gefangen wird, wodurch die Konzentration des Wasserstoffs zur Aufrechterhaltung der Flamme hoch genug bleibt. Ziel ist es daher, die Leckage bedingte Konzentration des Wasserstoffs am Einblaseventil zu vermeiden beziehungsweise vorteilhaft gering zu halten. Dies kann nun durch die Erfindung, das heißt bei den erfindungsgemäßen Aspekten realisiert werden.
Grundsätzlich ist denkbar, das auch als Injektor bezeichnete Einblaseventil als nach innen öffnendes Einblaseventil und dabei beispielsweise mit einer nach innen öffnenden Nadel auszuführen. Aufgrund von thermischen Randbedingungen im Brennraum kann es jedoch auch hierzu Dichtheitsproblemen kommen. Es ist bekannt, dass eine Kraftstoffleckage an einem Ventil sitzt, an welchem das Ventilelement in seiner Sperrstellung aufsitzt, wobei der Ventilsitz beispielsweise durch das Ventilgehäuse gebildet ist, insbesondere bei Wasserstoff-Einblaseventilen eine frühe Vorentflammung zu Einblasebeginn maßgeblich mitverursachen kann. Die Vorentflammungsneigung ist speziell bei Verwendung von geschlossenen Blaskappen und geringer Luftbewegung in Ventilnähe deutlich erhöht, da durch die Konzentration des Wasserstoffs in Ventilnähe in der Einspritzpause zwischen zwei Arbeitsspielen eine Flamme aus dem Wasserstoff aufrechterhalten wird, die bei der nachfolgenden Einblasung des Wasserstoffs (gasförmiger Kraftstoff) zur spontanen Entzündung (Vorentflammung) führt. Durch die gezielte Anordnung des Einblaseventils im Brennraum beziehungsweise bezüglich des Brennraums auf kürzestem Wege zu der beispielsweise durch sogenannte Drall- oder Tumblefasen erzeugten, insbesondere drall- oder tumbleförmigen Strömung der Frischluft, insbesondere im Zylinderkopf, wird trotz Leckage eine übermäßig hohe Konzentration des Wasserstoffs in der Nähe des Einblaseventils durch freiblasen beziehungsweise wegsaugen verhindert, und eine Vermeidung frühen Vorentflammungen kann gewährleistet werden. Bei der Erfindung ist somit ermöglicht, dass durch die gezielte Anordnung des Einblaseventils und beispielsweise eine Ausrichtung der auch als Blasloch oder Blasöffnung bezeichneten Durchströmöffnung der Blaskappe im Brennraum, insbesondere in Kombination mit einer speziell darauf abgestimmten Strömungsrichtung der Frischluft (Verbrennungsluft), wobei die Strömung der Frischluft beispielsweise drallförmig oder tumbleförmig ist. Kann die Leckagemenge an dem Ventilsitz des Ventilelements des Einblaseventils um somit eine Menge des Wasserstoffs in der Blaskappe vor dem Einblasevorgang ausgedünnt beziehungsweise ausgespült werden, wodurch frühe Vorentflammungen vermieden werden können. Die für den DI-Betrieb mit niedrigem Einblasedruck vorteilhaften, nach außen öffnenden Einblaseventile sowie der zur Erzielung einer guten Homogenisierung zielführende Einsatz von Blaskappen ist somit auch bei geringer Leckage des Wasserstoffs am Einblaseventil möglich, ohne die Gefahr von frühen Vorentflammungen. Auch wenn auf eine Blaskappe verzichtet wird, das heißt wenn das Einblaseventil eine offene Blaskappe aufweist, kann über die Lebensdauer durch etwa einer Zunahme der Leckagemenge am Ventilsitz das Auftreten von frühen Vorentflammungen verhindert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Unteransicht eines einem Brennraum eines Wasserstoffmotors zugeordneten Brennraumdaches eines Zylinderkopfes des Wasserstoffmotors;
2 jeweils ausschnittsweise zwei schematischen Längsschnittansichten des Zylinderkopfes;
3 eine schematische Unteransicht einer zweiten Ausführungsform des Brennraumdaches;
4 eine schematische Unteransicht einer dritten Ausführungsform des Brennraumdaches;
5 eine schematische Unteransicht einer vierten Ausführungsform des Zylinderkopfes;
6 ein Diagramm zum Veranschaulichen von drallförmigen Strömungen;
7 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Einblaseventils zum direkten Einblasen von Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum; und
8 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Einblaseventils.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Unteransicht eine erste Ausführungsform eines Brennraumdaches 10 eines Zylinderkopfes 12 eines als Wasserstoffmotor ausgebildeten Gasmotors. Der Gasmotor ist somit Bestandteil eines vorzugsweise als Nutzfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs, welches mittels des Gasmotors (Wasserstoffmotor) antreibbar ist. Das Brennraumdach 10 ist dabei einem Brennraum des Gasmotors zugeordnet, dessen Brennraum teilweise durch das Brennraumdach 10, teilweise durch einen Zylinder und teilweise durch einen Kolben begrenzt ist. Der Zylinder ist durch ein beispielsweise als Kurbelgehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse des Gasmotors gebildet, wobei der Zylinderkopf 12 separat von dem Motorgehäuse ausgebildet und mit dem Motorgehäuse verbunden ist. Der Kolben ist translatorisch bewegbar in dem Zylinder angeordnet, wobei das Brennraumdach 10 dem Kolben gegenüberliegt, insbesondere in Bewegungsrichtung des Kolbens. Der Zylinder, dessen Zylinderachsen mit der Bewegungsrichtung des Kolbens zusammenfällt, ist bezüglich der Zylinderachse rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Kolben ist beispielsweise über ein Pleuel gelenkig mit einer insbesondere als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle des Gasmotors verbunden. Hierdurch können die translatorischen Bewegungen des Kolbens in den Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Abtriebswelle umgewandelt werden, die beispielsweise drehbar an dem Motorgehäuse gelagert ist. Innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels des Gasmotors (Wasserstoffmotor) wird der Brennraum mit Frischluft und Wasserstoff als gasförmigem Kraftstoff versorgt, derart, dass die Frischluft und der gasförmige Kraftstoff (Wasserstoff) in den Brennraum eingebracht werden. Hierdurch wird in dem Brennraum ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luftgemisch gebildet, welches die auch als Luft oder Verbrennungsluft bezeichnete Frischluft und den gasförmigen Kraftstoff umfasst. Wenn im Folgenden die Rede von dem Gasmotor ist, so ist darunter der Wasserstoffmotor zu verstehen. Wenn im Folgenden die Rede von dem gasförmigen Kraftstoff ist, so ist darunter der Wasserstoff zu verstehen.
Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird, insbesondere in dem Brennraum, mittels einer Zündkerze 14 wenigstens ein Zündfunke erzeugt, mittels welchem das Gemisch gezündet wird. Dadurch wird das Gemisch verbrannt, wodurch der Kolben und über den Kolben die Abtriebswelle angetrieben wird. Der Gasmotor ist somit ein Ottomotor, mithin eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine. Dabei ist eine Direkteinblasung des gasförmigen Kraftstoffes in dem Brennraum vorgesehen. Hierfür umfasst der Gasmotor ein dem Brennraum zugeordnetes Einblaseventil 16, welches auch als Injektor bezeichnet wird. Als der gasförmige Kraftstoff wird Wasserstoff (H2) verwendet. Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird der Wasserstoff mittels des Einblaseventils 16 direkt in den Brennraum eingeblasen und somit eingebracht. Dem Brennraum sind auch wenigstens oder genau zwei Einlasskanäle 18 zugeordnet, welche von der Frischluft durchströmbar sind, das heißt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die Frischluft über die Einlasskanäle 18 in den Brennraum eingebracht, das heißt eingeleitet wird. Dem jeweiligen Einlasskanal 18 ist ein jeweiliges, Einlassventil zugeordnet. Das jeweilige Einlassventil ist relativ zu dem Zylinderkopf 12 und dabei translatorisch zwischen einer Schließstellung einer jeweiligen Offenstellung bewegbar. In der jeweiligen Schließstellung verschließt das jeweilige Einlassventil den jeweils zugehörigen Einlasskanal 18, sodass keine Frischluft über den jeweiligen Einlasskanal 18 in den Brennraum einströmen kann. In der jeweiligen Offenstellung gibt das jeweilige Einlassventil in den jeweils zugehörigen Einlasskanal 18 frei, sodass die Frischluft über den jeweiligen Einlasskanal 18 in den Brennraum einströmen kann. Es ist erkennbar, dass der jeweilige Einlasskanal 18 eine jeweilige, kreisrunde Einlassöffnung 20 aufweist, die in dem Zylinderkopf 12 und dabei in dem Brennraumdach 10 ausgebildet ist. Über die Einlassöffnungen 20 münden die Einlasskanäle 18 in den Brennraum.
Aus dem Verbrennen des Gemisches resultiert Abgas. Um das Abgas aus dem Brennraum abzuführen, sind dem Brennraum wenigstens oder genau zwei Auslasskanäle 22 zugeordnet. Über die Auslasskanäle 22 kann das Abgas aus dem Brennraum ausströmen, beispielsweise in einer Abgasanlage des Gasmotors einströmen und in der Folge die Abgasanlage durchströmen.
Da innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die Frischluft in den Brennraum eingebracht wird, und da innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der gasförmige Kraftstoff mittels des Einblaseventils 16 direkt in den Brennraum eingeblasen wird, wird das Gemisch innerhalb des Brennraums gebildet, sodass eine innere Gemischbildung vorgesehen ist beziehungsweise erfolgt. Die innere Gemischbildung wird auch als Dl-Verfahren oder DI-Betrieb bezeichnet. Die innere Gemischbildung bietet insbesondere bei der Verbrennung von Wasserstoff in fremdgezündeten Verbrennungsmotoren gegenüber der äußeren Gemischbildung theoretisch deutliche Vorteile bezüglich der Leistungsdichte aufgrund der nichtvorhandenen Füllungsverluste durch die Wasserstoffverdrängung. Die Hauptherausforderung bei einem Di-Verfahren stellt die Homogenisierung dar, die in einem kurzen Zeitraum nach dem Schließen der Einlassventile bis zur Zündeinleitung durch Funkenzündung im Bereich um den oberen Totpunkt des Kolbens erfolgen soll. In Homogenität des Gemisches kann eine hohe Stickoxid-Emission, Vorentflammungen und klopfenden Verbrennung zur Folge haben, die sich negativ auf Leistungssteigerung und Wirkungsgrad auswirkt und damit vermieden werden sollte.
Um eine möglichst gute Homogenisierung in der knappen, zur Verfügung stehenden Zeit insbesondere im Kompressionshub des Kolbens zu erzielen, wird beispielsweise das als H2-Einblasventil ausgebildete Einblaseventil 16 mit einer sogenannten, insbesondere geschlossenen und aus 8 erkennbaren Blaskappe 24 bestückt, welche wenigstens oder genau eine auch als Blasloch 26 bezeichnete Durchströmöffnung aufweist. Während 7 eine erste Ausführungsform des Einblaseventils zeigt, zeigt 8 eine zweite Ausführungsform des Einblaseventils 16. Es ist erkennbar, dass das Einblaseventil 16 ein auch einfach als Gehäuse bezeichnetes Ventilgehäuse 28 aufweist, welches von dem gasförmigen Kraftstoff (Wasserstoff) durchströmbar ist und wenigstens oder genau eine Ausströmöffnung 30 aufweist. Außerdem umfasst das Einblaseventil 16 ein vorliegend als Tellerventil ausgebildetes Ventilelement 32 mit einem Ventilschaft 34 und einem Ventilteller 36. Das Ventilelement 32 ist, insbesondere translatorisch und dabei entlang einer durch einen Doppelpfeil 38 veranschaulichten Bewegungsrichtung, relativ zu dem Ventilgehäuse 28 zwischen einer Sperrstellung und wenigstens einer in 8 gezeigten Freigabestellung bewegbar. In der Sperrstellung sitzt der Ventilteller 36 und somit das Ventilelement 32 auf einem korrespondierenden Ventilsitz 40 des Ventilgehäuses 28, insbesondere direkt, wodurch die Ausströmöffnung 30 verschlossen ist. Dadurch wird mittels des Einblaseventils 16 kein gasförmiger Kraftstoff in den Brennraum eingeblasen. In der Freigabestellung geben der Ventilteller 36 und somit das Ventilelement 32 die Ausströmöffnung 30 frei, da in der Offenstellung der Ventilteller 36 von dem Ventilsitz 40 abgehoben, das heißt beabstandet ist. In der Folge kann der das Ventilgehäuse 28 durchströmende, gasförmige Kraftstoff (Wasserstoff) die Ausströmöffnung 30 durchströmen und somit über die Ausströmöffnung 30 aus dem Ventilgehäuse 28 ausströmen und in den Brennraum einströmen, wodurch der Wasserstoff in den Brennraum direkt eingeblasen wird. Ein Pfeil 42 veranschaulicht eine Ausströmrichtung, in die der Wasserstoff die freigegebene Ausströmöffnung 30 durchströmt. Es ist erkennbar, dass die Blaskappe 24 das Ventilgehäuse 28 und dabei insbesondere die Ausströmöffnung 30 in die Ausströmrichtung und somit zu dem Brennraum und insbesondere zu dem Kolben hin überragt, derart, dass die Blaskappe 24 die Ausströmöffnung 30 in die Ausströmrichtung und somit in Richtung des Brennraums und in Richtung des Kolbens zusätzlich zu dem Ventilteller 36 zumindest überwiegend und somit zumindest zu mehr als zur Hälfte überlappt und somit überdeckt. Ein Pfeil 44 veranschaulicht eine Strömungsrichtung, in die der die Ausströmöffnung 30 durchströmende und dadurch in die Blaskappe 24 einströmende Wasserstoff das Blasloch 26 durchströmen und somit über das Blasloch 26 aus der Blaskappe 24 ausströmen und schließlich in den Brennraum einströmen kann. Es ist erkennbar, dass die durch den Pfeil 44 veranschaulichte Strömungsrichtung senkrecht oder vorliegend schräg zur Ausströmrichtung (Pfeil 42) verläuft. Die geschlossene Blaskappe 24 bewirkt somit eine Strömungsumlenkung des die Ausströmöffnung 30 durchströmenden Wasserstoffs und zwar aus der Ausströmrichtung (Pfeil 42) hin zu der beziehungsweise in die Strömungsrichtung (Pfeil 44).
Bei der in 7 gezeigten, ersten Ausführungsform des Einblaseventils 16 weist dieses keine Blaskappe oder aber eine offene Blaskappe 46 auf. Es ist erkennbar, dass die Blaskappe 46 zwar die Ausströmöffnung 30 hin zu dem Brennraum und insbesondere hin zu dem Kolben überragt, jedoch die Ausströmöffnung 30 nicht hin zu dem Brennraum überlappt, sodass die Ausströmöffnung 30 zu dem Brennraum und zu dem Kolben hin mit Ausnahme des Ventilelements 32 nicht überlappt. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist bei der ersten Ausführungsform die Ausströmöffnung 30 zu dem Brennraum und zu dem Kolben hin nur durch das Ventilelement 32, das heißt durch den Ventilteller 36 und nicht durch ein weiteres Bauteil überlappt.
Es ist erkennbar, dass die geschlossene Blaskappe 24 genau eine oder mehrere, insbesondere gerichtete Blaslöcher 26 aufweisen kann, um den auch als Brenngas bezeichneten, gasförmigen Kraftstoff möglichst gleichmäßig homogen im Brennraum zu verteilen. Mit anderen Worten bewirkt die zuvor beschriebene Strömungsumlenkung, welche mittels der Blaskappe 24 bewirkt werden kann, eine vorteilhafte Homogenisierung im Brennraum. Andererseits kann durch eine Applikation von Drall (Rotation der eingebrachten Verbrennungsluft um die auch als Zylindermittelachse bezeichnete Zylinderachse) und Tumble (Rotation der Verbrennungsluft quer zu der auch als Zylinderhochachse bezeichneten Zylinderachse) am Zylinderkopf 12 sowie geeigneten Kolbenmuldenformen die Vermischung des eingebrachten Brenngases mit der Frischluft unterstützt werden. Unter der genannten Kolbenmuldenform ist eine Form einer Kolbenmulde des Kolbens zu verstehen.
Um bei niedrigen Einblasedrücken von 15 bis maximal 40 bar und im begrenzten Bauraumangebot im Zylinderkopf 12 eine vorteilhafte, hinreichend hohe Einblasemenge des Wasserstoffes (gasförmiger Kraftstoff) erzielen zu können, werden Einblaseventile mit geringem Druckverlust und möglichst großen Strömungsquerschnitten benötigt. Unter einem möglichst großen Strömungsquerschnitt des Einblaseventils 16 ist ein möglichst großer Querschnitt beziehungsweise eine möglichst große Fläche der Ausströmöffnung 30 zu verstehen. Daher werden vorzugsweise Einblaseventile mit nach außen öffnenden Tellerventilen wie beispielsweise mit dem Ventilelement 32 verwendet. Diese Ventile haben einen großen Ventildurchmesser und ein geringes Platzangebot für mechanische Schließfedern, um beispielsweise das Ventilelement 32 aus der Freigabestellung in die Sperrstellung zu bewegen. Dadurch ergibt sich die Herausforderung, eine vorteilhafte Abdichtung des Ventilelements 32 gegen das Ventilgehäuse 28, insbesondere gegen den Ventilsitz 40, zu realisieren, wenn sich das Ventilelement 32 in der Sperrstellung befindet und somit auf dem Ventilsitz 40 sitzt. Hierdurch kann eine ungewollte Leckage während Einspritzpausen vermieden werden, sodass daraus resultierende, frühe Vorentflammungen vermieden werden können. Unter einer Einspritzpause ist eine Zeitspanne zu verstehen, welche zwischen zwei Einblasevorgängen liegt, wobei bei dem jeweiligen Einblasevorgang mittels des Einblaseventils 16 der gasförmige Kraftstoff direkt in den Brennraum eingeblasen wird, und wobei während der Zeitspanne, das heißt während der Einblasepause ein mittels des Einblaseventils 16 bewirktes Einblasen des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum, insbesondere durchgängig, unterbleibt.
Die Vorentflammungsneigung ist speziell bei der Verwendung von geschlossenen Blaskappen wie beispielsweise der Blaskappe 24 und geringer Luftbewegung am Einblaseventil 16 deutlich erhöht, da durch die Wasserstoff-Konzentration in der Nähe des Einblaseventils 16 in der Einspritzpause zwischen zwei Arbeitsspielen eine Wasserstoff-Flamme aufrechterhalten werden kann, die bei einer nachfolgenden Wasserstoff-Einblasung zur spontanen Entzündung (Vorentflammung) führt. Aus Messungen ist bekannt, dass die Wasserstoff-Leckage am Ventilsitz die frühe Vorentflammung maßgeblich mitverursacht.
Wünschenswert ist es daher, entweder die Leckage an dem Einblaseventil 16 zu unterbinden, was über die Lebensdauer gesehen aufgrund von Verschleiß problematisch sein könnte, oder zusätzlich dafür zu sorgen, die Wasserstoff-Konzentration am Einblaseventil 16 zu vermeiden oder soweit zu reduzieren beziehungsweise soweit gering zu halten, dass die unerwünschte Wasserstoff-Flamme nicht aufrechterhalten wird. Um dies zu realisieren, existieren prinzipiell zwei Möglichkeiten:

Die Verwendung der sogenannten, in 7 dargestellten, offenen Blaskappe 46 anstelle der geschlossenen Blaskappe 24 und/oder eine gezielte Anordnung des Einblaseventils 16 im Brennraum beziehungsweise bezüglich des Brennraums kombiniert mit einer beispielsweise in dem oder durch den Zylinderkopf 12 erzeugten und auch als Luftströmung bezeichneten Strömung der über die freigegebenen Einlassventile 18 in den Brennraum einströmenden Frischluft, insbesondere derart, dass die über die freigegebenen Einlasskanäle 18 in den Brennraum einströmende Frischluft mit einer drallförmigen oder mit einer tumbleförmigen Strömung in den Brennraum einströmt, insbesondere derart, dass trotz Leckage eine erhöhte Wasserstoff-Konzentration in der Nähe des Einblaseventils 16 durch Freiblasen beziehungsweise Wegsaugen verhindert wird. Durch die Kombination beider Maßnahmen ist eine größtmögliche Wirksamkeit zur Vermeidung von frühen Vorentflammungen gegeben. Zielführend bezüglich der Luftströmung zur Reduzierung der Wasserstoff-Konzentration am Einblaseventil 16 sind dabei je nach Einbaulage des Injektors (Einblaseventil 16) im Brennraum beziehungsweise bezüglich des Brennraums nachfolgend beschriebene Anordnungen:

Vorteilhaft ist eine außermittige Einbaulage des Einblaseventils 16 in Kombination mit einer drallförmigen Strömung der Frischluft. So ist es bei der 1 gezeigten, ersten Ausführungsform vorgesehen, dass das Einblaseventil 16, insbesondere dessen Mittelachse 48, bezüglich des Brennraums, insbesondere bezüglich der Zylinderachse des Zylinders, außermittig angeordnet ist. Außerdem ist der Gasmotor, insbesondere der Zylinderkopf 12 und ganz insbesondere das Brennraumdach 10, dazu ausgebildet, bei einem Öffnen der Einlassventile eine drallförmige, auf das Einblaseventil 16 treffende Strömung der über die geöffneten Einlassventile in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Zylinderköpfen mit Füllungskanälen und einer Sitzdrallerzeugung vorteilhaft und vorliegend beispielsweise mittels exzentrischer Fasen 50 an den Einlasskanälen 18, insbesondere an den Einlassöffnungen 20 und ganz insbesondere an Einlasssitzringen, vorgesehen. Beispielsweise sind die Einlassöffnungen 20, insbesondere jeweils direkt, durch die Einlasssitzringe begrenzt und somit gebildet. Die Einlasssitzringe sind beispielsweise Bestandteile des Zylinderkopfes 12 und dabei beispielsweise separat von einem Grundkörper des Zylinderkopfes 12 ausgebildet und mit dem Grundkörper verbunden. Insbesondere bildet der jeweilige Einlasssitzring einen jeweiligen Einlassventilsitz, auf welchem das jeweilige Einlassventil, insbesondere direkt, sitzt, wenn sich das jeweilige Einlassventil in seiner jeweiligen Schließstellung befindet. Mittels der jeweiligen, auch als Drallfase bezeichneten Fasen 50 wird die drallförmige Strömung der Frischluft bewirkt. Vorteilhaft ist dies auch bei der Verwendung von Zylinderköpfen mit Drallkanälen und einem Einsatz von exzentrischen Sitzdrallfasen wie beispielsweise den Fasen 50 insbesondere an den Einlasssitzringen. Dabei ist das Einblaseventil 16 im Brennraum beziehungsweise bezüglich den Brennraums vorzugsweise in außermittiger Lage so positioniert, dass die initiale und beispielsweise radiale, auch als Luftströmung bezeichnete Strömung der Frischluft beim Öffnen des jeweiligen Einlassventils (Sitzdrall) auf kürzestem Wege auf das Einblaseventil 16 trifft, um dort die erhöhte Wasserstoff-Konzentration durch Wasserstoff-Leckage, insbesondere je nach Ausrichtung der jeweiligen Fasen 50 wegzuspülen beziehungsweise wegzusaugen und/oder die daraus resultierende Wasserstoff-Flamme zu löschen. Alternativ kann beispielsweise bei gegebener, außermittiger Position des Einblaseventils 16 eine Strömungsrichtung der in den Brennraum einströmenden und somit eintretenden und auch Verbrennungsluft bezeichnete Frischluft durch gezielte Orientierung von Drallkanälen und/oder durch Orientierung der beispielsweise als Sitz-Drallfasen ausgebildeten Fasen 50 vorzugsweise am Einlassventil beziehungsweise an der jeweiligen Einlassöffnung 20, insbesondere an dem Einblaseventil beziehungsweise an der Einlassöffnung 20, das beziehungsweise die dem Einblaseventil 16, insbesondere bezogen auf die Einblaseventile beziehungsweise auf die Einlassöffnungen 20, am nächsten ist, oder bei beiden Einblaseventilen beziehungsweise bei beiden Einlassöffnungen 20 so gestaltet werden, dass ein hinreichend großer Spülluftstrom über das Einblaseventil 16 streift beziehungsweise am Einblaseventil 16, ausgelöst durch unterschiedliche Strömungs-Geschwindigkeiten (Saugeffekt) eine Luftströmung weg vom Einblaseventil 16 erzeugt wird.
In 1 ist für die dem Einblaseventil 16 nächste Fase 50, die dem Einblaseventil 16 am nächsten angeordneten Einlassventil und somit der dem Einblaseventil 16 am nächsten angeordneten Einlassöffnung 20 zugeordnet ist, eine Winkellage veranschaulicht, die einen Winkel α umfasst. Der Winkel α charakterisiert die auch als Drallfase bezeichnete Fase 50 folgendermaßen: In 1 ist eine Ebene mit E bezeichnet. Die Ebene verläuft durch den Mittelpunkt der dem Einblaseventil 16 am nächsten angeordneten Einlassöffnung 20 und somit durch eine Mittelachse des dem Einblaseventil 16 am nächsten angeordneten Einlasskanals 18. Außerdem verläuft die Ebene E durch die Mittelachse 48 des Einblaseventils 16. Ausgehend von der Ebene erstreckt sich die Fase 50 von der Mitte des Brennraums wegweisend über den Winkel α, welcher folgend wenigstens oder genau 50° beträgt. Alternativ oder zusätzlich könnte sich die Fase 50 ausgehend von der Ebene E hin zu der Mitte des Brennraums hin über den Winkel α erstrecken.
Um eine vorteilhafte Reduzierung der Wasserstoff-Konzentration am Einblaseventil 16 erzielen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Drall-Nivea bei einer Drallziffer von größer als 0,3 liegt. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Drallziffer der drallförmigen Strömung der Frischluft größer als 0,3 ist. Anzustreben ist ein möglichst hohes Drallniveau, was auch bezüglich der Gemischhomogenisierung vorteilhaft ist. Die einfach auch als Drall bezeichnete, drallförmige Strömung kann dabei durch die Kombination aus Füllungskanälen in Verbindung mit exzentrischen Sitzdrallfasen wie beispielsweise den Fasen (niedriger Drall), durch Kombination von Drallkanälen (Kanaldrall) und Sitzdrallfasen wie beispielsweise den Fasen 50 (mittlerer Drall) oder durch die Kombination von weiter optimierten Drallkanälen und optimierten Sitzdrallfasen wie beispielsweise den Fasen 50 (hoher Drall) dargestellt werden.
Bezüglich der Verwendung von Blasskappen zeigen sich sogenannte, offene Blaskappen wie die Blaskappe 46 als vorteilhaft, die ein Verwehen der Wasserstoff-Konzentration begünstigen kann, da hier die Luftströmung ungehindert angreifen kann. Insbesondere bei der Verwendung von geschlossenen Blaskappen ist es von Vorteil, wenn die Blaslöcher so gegenüber beziehungsweise entgegen der Luftströmungsrichtung ausgerichtet sind, dass die Luftströmung das Kappenvolumen, das heißt ein durch die Blaskappe umgebenes Volumen ausblasen beziehungsweise aussaugen kann. Diesbezüglich sind höhere Drallwerte von größer als 0,8 vorteilhaft. Der jeweilige Drallwert wird üblicherweise auch mit i_theta bezeichnet. Die drallförmige Strömung der Frischluft ist in 1 durch einen Pfeil 52 veranschaulicht. Mit anderen Worten veranschaulicht der Pfeil 52 eine Drallrichtung der drallförmigen Strömung der Frischluft.
2 zeigt jeweils ausschnittsweise in schematischen Längsschnittansichten den am nächsten an dem Einblaseventil 16 angeordneten Einlasskanal 18 und dessen Einlassöffnung 20 sowie die der Einlassöffnung 20 zugeordnete Fase 50.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Brennraumdachs10 und somit des Gasmotors. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist ein außermittige Einbaulage des Einblaseventils 16 vorgesehen, jedoch vorliegend in Kombination mit einer tumbleförmigen Strömung der Frischluft, wobei die auch als Tumble oder Tumbleströmung bezeichnete, tumbleförmige Strömung in 3 durch einen Pfeil 54 veranschaulicht ist. Somit ist bei der zweiten Ausführungsform der Gasmotor, insbesondere der Zylinderkopf 12 und ganz insbesondere das Brennraumdach 10, dazu ausgebildet, bei einem Öffnen des jeweiligen Einlassventils die tumbleförmige Strömung der über das jeweilige, geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken. Dies ist vorteilhaft bei Verwendung von auch Tumble-Fasen bezeichneten Fasen 56 an den Einlassventilen, das heißt an den Einlasskanälen 18 und ganz insbesondere an den Einlassöffnungen 20 beziehungsweise an den Einlasssitzringen. Vorteilhaft ist dies auch bei der Verwendung von Zylinderköpfen mit Tumble-Kanälen und Tumble-Fasen wie beispielsweise den Fasen 56. Wie bereits zu 1 und 2 erläutert, kann analog bei einer außermittigen Anordnung des Einblaseventils 16 im Brennraum beziehungsweise bezüglich des Brennraums und bei der Verwendung des Zylinderkopfes 12 mit Tumble die Orientierung der Luftströmung über gezielte Orientierung der Tumble-Strömung beispielsweise mittels der Tumble-Fasen an einem oder beiden Einlassventilen beziehungsweise an einem oder beiden Einlassventil-Sitzringen die erhöhte Wasserstoff-Konzentration am Injektor reduziert oder die daraus resultierende Wasserstoff-Flamme zum Erlöschen gebracht werden. Dabei ist, wie in 3 dargestellt, eine Orientierung der Tumble-Fasen (Fasen 56) in Bezug auf die Mittelachse 48 des Einblaseventils 16 und in Bezug auf den Mittelpunkt der jeweiligen Einlassöffnung 20 vorzugsweise so einzustellen, dass jeweils eine der beiden vorzugsweise exzentrischen Tumble-Fasen (Fasen 56) unter dem Winkel α ausgerichtet ist. Mit anderen Worten ist es bei 3 vorgesehen, dass sich beispielsweise die dem Einblaseventil 16 am nächsten angeordnete und vorliegend auf die Bildebene von 3 rechte Fase 56 zum Erzeugen der tumbleförmigen Strömung (Pfeil 54) derart erstreckt, dass sich die Fase 56 ausgehend von der Ebene E zur Mitte des Brennraums hin über den Winkel α erstreckt, welcher vorzugsweise wenigstens oder genau 50° beträgt. Bei der ersten Ausführungsform und bei der zweiten Ausführungsform ist die Zündkerze 14 bezüglich des Brennraums mittig angeordnet.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Zylinderkopfes 12 und somit des Brennraumdachs 10 und somit des Gasmotors. Bei der dritten Ausführungsform ist das Einblaseventil 16 bezüglich des Brennraums mittig angeordnet, wobei der Gasmotor, insbesondere der Zylinderkopf 12 und ganz insbesondere das Brennraumdach 10, dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnen des jeweiligen Einlassventils eine beziehungsweise die zuvor genannte, tumbleförmige Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Verwendung von Tumble-Fasen wie beispielsweise den Fasen 56 an den Einlassventilen beziehungsweise an den Einlassöffnungen 20 beziehungsweise an den Einlassventil-Sitzringen und/oder bei der Verwendung von Zylinderköpfen mit Tumble-Kanälen und Tumble-Fasen wie beispielsweise den Fasen 56. Somit ist bei der dritten Ausführungsform eine mittige Einbaulage des Einblaseventils 16 in Kombination mit einer Tumble-Strömung der Frischluft vorgesehen. Somit kann auch bei einer mittigen Anordnung des Einblaseventils 16 im Brennraum beziehungsweise bezüglich des Brennraums und bei einer Verwendung von Zylinderköpfen mit Tumble die Orientierung der Luftströmung über gezielte Orientierung der Tumble-Strömung zum Beispiel mittels Tumble-Fasen wie beispielsweise den Fasen 56 an einem oder beiden Einlassventil-Sitzringen die erhöhte Wasserstoff-Konzentration am Injektor reduziert oder die daraus resultierende Wasserstoff-Flamme zum Erlöschen gebracht werden. Vorzugsweise ist eine solche Orientierung der jeweiligen Tumble-Fase insbesondere in Bezug auf die Ebene E und die Mittelachse 48 des Einblaseventils 16 vorgesehen, dass sich beispielsweise die die Tumble-Strömung bewirkende Fase 56 ausgehend von der Ebene E über den Winkel α erstreckt, welcher wenigstens oder genau 20°, insbesondere weniger oder genau 60°, beträgt.
Bei der in 4 gezeigten, dritten Ausführungsform erstreckt sich die Fase 56 ausgehend von der Ebene E weg von der jeweils anderen Einlassöffnung 20 weisend über den Winkel α, welches vorzugsweise wenigstens oder genau 60° beträgt. Alternativ oder zusätzlich wäre es denkbar, dass sich die an der jeweiligen Einlassöffnung 20 angeordnete Fase 56 ausgehend von der Ebene E hin zu der jeweils anderen Einlassöffnung 20 über den Winkel α erstreckt, welcher wenigstens oder genau 20° beträgt.
5 zeigt eine vierte Ausführungsform des Zylinderkopfs 12 und somit des Brennraumdachs 10 und insbesondere des Gasmotors. Während beispielsweise bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform die offene Blaskappe 46 verwendet wird, wird beispielsweise bei der fünften Ausführungsform die geschlossene Blaskappe 24 verwendet. Bei der vierten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Blasloch 26 (Durchströmöffnung) eine solche, in 5 durch einen Winkel β veranschaulichte Ausrichtung aufweist, dass das Blasloch 26 derart ausgerichtet ist, dass eine Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft direkt auf das Blasloch 26 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten ist bei der vierten Ausführungsform eine zielführende Ausrichtung der geschlossenen Blaskappe 24, insbesondere des Blaslochs 26, vorgesehen. Vorteilhaft bei der Verwendung einer geschlossenen Blaskappe wie beispielsweise der Blaskappe 24 ist die gezielte Ausrichtung der Blaskappe 24, insbesondere des Blaslochs 26, so, dass die einströmende Verbrennungsluft insbesondere mit Drall- oder Tumble-Strömung direkt in die Blaslöcher beziehungsweise in das mindestens eine Blasloch 26 der Blaskappe 24 einströmt, wie es in 5 dargestellt ist. Dadurch wird die Wasserstoff-Konzentration in der Blaskappe 24 reduziert, und die Wasserstoff-Flamme erlischt, wodurch die frühe Vorentflammung bei Beginn der eigentlichen Wasserstoff-Einblasung in den Brennraum vermieden wird. Analog zur Ausrichtung der exzentrischen Sitz-Drall-Fase beziehungsweise der Tumble-Fase am jeweiligen Einlassventil beziehungsweise an der jeweiligen Einlassöffnung 20 sollte mindestens eines der Blaslöcher, das heißt beispielsweise das Blasloch 26, entgegen der einströmenden Verbrennungsluft bezogen auf die Ebene E, die durch den Mittelpunkt der Einlassöffnung 20 und durch die Mittelachse 46 des Einblaseventils 16 hindurchverläuft, unter dem Winkel β von +30° bis -60° liegen. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass die beispielsweise durch die Mitte beziehungsweise den Mittelpunkt des Blaslochs 26 verlaufende Strömungsrichtung, das heißt eine durch den Mittelpunkt beziehungsweise die Mitte des Blaslochs 26 verlaufende Achse, mit der Ebene E den Winkel β einschließt, der beispielsweise ausgehend von der Ebene E hin zu der Mitte des Brennraums weisend wenigstens oder genau 30° beträgt und beispielsweise weg von der Mitte des Brennraums weisend wenigstens oder genau 60° beträgt. Unter der Mitte beziehungsweise dem Mittelpunkt des Blaslochs 26 ist insbesondere der Flächenschwerpunkt des Blaslochs 26 zu verstehen.
6 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 58 der jeweilige Ventilhub des jeweiligen Einlassventils aufgetragen ist. Auf der Ordinate 60 ist die Dreiziffer aufgetragen. Ein Verlauf 62 veranschaulicht einen hohen Drall. Ein Verlauf 64 veranschaulicht einen mittleren Drall, und ein Verlauf 66 veranschaulicht einen niedrigen Drall. Der niedrige Drall kann beispielsweise durch einen Füllungskanal realisiert werden, wobei der hohe Drall und/oder der mittlere Drall beispielsweise durch einen Drallkanal realisiert werden können. Ein Pfeil 68 veranschaulicht, dass der Kanaldrall maßgebend ist, und ein Pfeil 70 veranschaulicht, dass der Sitzdrall maßgebend ist.
Bezugszeichenliste

10: Brennraumdach
12: Zylinderkopf
14: Zündkerze
16: Einblaseventil
18: Einlasskanal
20: Einlassöffnung
22: Auslasskanal
24: Blaskappe
26: Blasloch
28: Ventilgehäuse
30: Ausströmöffnung
32: Ventilelement
34: Ventilschaft
36: Ventilteller
38: Doppelpfeil
40: Ventilsitz
42: Pfeil
44: Pfeil
46: Blaskappe
48: Mittelachse
50: Fase
52: Pfeil
54: Pfeil
56: Fase
58: Abszisse
60: Ordinate
62: Verlauf
64: Verlauf
66: Verlauf
68: Pfeil
70: Pfeil
E: Ebene
α: Winkel
β: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011110072 A1 [0002]
DE 102019006238 A1 [0002]

Claims

Wasserstoffmotor, mit wenigstens einem Brennraum, welchem wenigstens ein Einlassventil, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, und ein Einblaseventil (16) zugeordnet sind, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblaseventil (16) bezüglich des Brennraums außermittig angeordnet und der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnen des Einlassventils eine drallförmige Strömung (52) der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken.
Wasserstoffmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallziffer der drallförmigen Strömung (52) größer als 0,3, insbesondere größer als 0,8, ist.
Wasserstoffmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine zum Bewirken der drallförmigen Strömung (52) ausgebildete Drallfase (50) eines dem Einlassventil zugeordneten, durch Öffnen des Einlassventils freigebbaren und von der Frischluft durchströmbaren Einlasskanals (18), über welchen die Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, ausgehend von einer Ebene (E), in welcher sowohl eine Mittelachse des Einlasskanals (18) als auch eine Mittelachse (48) des Einblaseventils (16) liegen, zur Mitte des Brennraums hin und/oder von der Mitte des Brennraums weg über einen Winkel (α) erstreckt, welcher wenigstens oder genau 50 Grad beträgt.
Wasserstoffmotor, mit wenigstens Brennraum, welchem wenigstens ein Einlassventil, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, und ein Einblaseventil (16) zugeordnet sind, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblaseventil (16) bezüglich des Brennraums außermittig angeordnet und der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnen des Einlassventils eine tumbleförmige Strömung (54) der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken.
Wasserstoffmotor, mit wenigstens einem Brennraum, welchem wenigstens ein Einlassventil, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, und ein Einblaseventil (16) zugeordnet sind, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblaseventil (16) bezüglich des Brennraums mittig angeordnet und der Wasserstoffmotor dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnen des Einlassventils eine tumbleförmige Strömung (54) der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft zu bewirken.
Wasserstoffmotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine zum Bewirken der tumbleförmigen Strömung ausgebildete Tumblefase (56) eines dem Einlassventil zugeordneten, durch Öffnen des Einlassventils freigebbaren und von der Frischluft durchströmbaren Einlasskanals (18), über welchen die Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, ausgehend von einer Ebene (E), in welcher sowohl eine Mittelachse des Einlasskanals als auch eine Mittelachse (48) des Einblaseventils (16) liegen, über einen Winkel (β) erstreckt, welcher wenigstens oder genau 20 Grad beträgt.
Wasserstoffmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblaseventil (16) eine offene Blaskappe (46) aufweist.
Wasserstoffmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblaseventil (16) eine geschlossene Blaskappe (24) mit wenigstens oder genau einer Durchströmöffnung (26) aufweist, wobei eine Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft direkt auf die Durchströmöffnung (26) ausgerichtet ist.
Wasserstoffmotor, mit wenigstens einem Brennraum, welchem wenigstens ein Einlassventil, über welches zumindest Frischluft in den Brennraum einleitbar ist, und ein Einblaseventil (16) zugeordnet sind, mittels welchem Wasserstoff als gasförmiger Kraftstoff direkt in den Brennraum einblasbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblaseventil (16) eine geschlossene Blaskappe (24) mit wenigstens oder genau einer Durchströmöffnung (26) aufweist, wobei eine Strömung der über das geöffnete Einlassventil in den Brennraum einströmenden Frischluft direkt auf die Durchströmöffnung (26) ausgerichtet ist.
Kraftfahrzeug, mit einem Wasserstoffmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.