DE102022121521A1 - METHOD OF OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE - Google Patents
METHOD OF OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE Download PDFInfo
- Publication number
- DE102022121521A1 DE102022121521A1 DE102022121521.0A DE102022121521A DE102022121521A1 DE 102022121521 A1 DE102022121521 A1 DE 102022121521A1 DE 102022121521 A DE102022121521 A DE 102022121521A DE 102022121521 A1 DE102022121521 A1 DE 102022121521A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- water
- hydrogen
- combustion engine
- internal combustion
- load
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 119
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical class [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 81
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 81
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 81
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 31
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 17
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 17
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000003570 air Substances 0.000 description 10
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 10
- 229910002089 NOx Inorganic materials 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- -1 however Substances 0.000 description 1
- 239000006199 nebulizer Substances 0.000 description 1
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
- F02D41/0027—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures the fuel being gaseous
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
- F02D19/02—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
- F02D19/021—Control of components of the fuel supply system
- F02D19/023—Control of components of the fuel supply system to adjust the fuel mass or volume flow
- F02D19/024—Control of components of the fuel supply system to adjust the fuel mass or volume flow by controlling fuel injectors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
- F02D19/12—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with non-fuel substances or with anti-knock agents, e.g. with anti-knock fuel
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
- F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
- F02D41/10—Introducing corrections for particular operating conditions for acceleration
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
- F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
- F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
- F02M21/0206—Non-hydrocarbon fuels, e.g. hydrogen, ammonia or carbon monoxide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
- F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
- F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
- F02M25/0222—Water recovery or storage
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
- F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
- F02M25/025—Adding water
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
- F02D2250/18—Control of the engine output torque
- F02D2250/21—Control of the engine output torque during a transition between engine operation modes or states
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors, mit den Schritten eines Erfassens (S101) eines Lastsprungs des Wasserstoff-Verbrennungsmotors; eines Berechnens (S102) einer Wassermenge auf Basis des Lastsprungs; und eines Zugebens (S103) der Wassermenge zu einem Wasserstoffverbrennungsgemisch, um einem kraftstoffreichen Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors auszugleichen.Method for operating a hydrogen internal combustion engine, with the steps of detecting (S101) a sudden change in load of the hydrogen internal combustion engine; calculating (S102) an amount of water based on the load jump; and adding (S103) the amount of water to a hydrogen combustion mixture to compensate for fuel-rich operation of the hydrogen internal combustion engine.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors und einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor.The invention relates to a method for operating a hydrogen internal combustion engine and a hydrogen internal combustion engine.
In der heutigen Zeit wird es immer wichtiger fossile Treibstoffe, wie beispielsweise Benzin und Diesel gegen umweltfreundlichere Kraftstoffe auszutauschen. Dies wird in der Praxis bereits durch Biokraftstoffe wie beispielsweise Kraftstoffe, die mit Bioethanol versetzt sind, realisiert. Aber auch der Betrieb mit derartigen Biokraftstoffen kann den Ausstoß von Abgasen, wie beispielsweise CO2 nicht wesentlich reduzieren. Außerdem müssen manche Verbrennungsmotoren angepasst werden, um optimal mit dem neuen Kraftstoff zu arbeiten. Daher besteht immer stärkeres Interesse an Wasserstoff als Brennstoff in Kraftfahrzeugen. Die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff liefert theoretisch nur Wasser als Abfallprodukt.Nowadays it is becoming more and more important to replace fossil fuels such as petrol and diesel with more environmentally friendly fuels. In practice, this is already being achieved with biofuels such as fuels that contain bioethanol. But even operation with such biofuels cannot significantly reduce the emission of exhaust gases such as CO 2 . In addition, some internal combustion engines have to be adapted to work optimally with the new fuel. Therefore, there is increasing interest in hydrogen as a fuel in automobiles. Theoretically, the combustion of hydrogen with oxygen only produces water as a waste product.
Wasserstoff zeigt aber im Vergleich zu anderen gasförmigen Kraftstoffen eine hohe Neigung zur klopfenden Verbrennung. Dies ist dadurch begründet, dass Wasserstoffmotoren aufgrund ihrer geringen Mindestzündenergie zu vorzeitigen Zündungen neigen. Da vorzeitige Zündungen die Verbrennung deutlich vorverlegen können, können Spitzendrücke ansteigen und die Klopfwahrscheinlichkeit und -stärke steigt. Ein so genannter „Mega Knock“ aufgrund von vorzeitigen Zündungen schränkt die Betriebsgrenzen ein und kann große Schäden an der Leistungseinheit verursachen.In comparison to other gaseous fuels, however, hydrogen has a high tendency towards knocking combustion. This is due to the fact that hydrogen engines tend to ignite prematurely due to their low minimum ignition energy. Because pre-ignition can significantly advance combustion, peak pressures can increase and the likelihood and severity of knock increases. A so-called "mega knock" due to pre-ignition restricts the operating limits and can cause major damage to the power unit.
Die Druckschrift
Es ist die technische Aufgabe der Erfindung, die Emission von Stickoxiden eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors zu senken.It is the technical object of the invention to reduce the emission of nitrogen oxides from a hydrogen internal combustion engine.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors und umfasst die Schritte eines Erfassens eines Lastsprungs des Wasserstoff-Verbrennungsmotors; eines Berechnens einer Wassermenge auf Basis des Lastsprungs; und eines Zugebens der Wassermenge zu einem Wasserstoffverbrennungsgemisch, um einem kraftstoffreichen Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors auszugleichen. Durch das gezielte Zugeben der Wassermenge bei einem Lastsprung wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Ausstoß von NOx-Emissionen verringert wird. Zudem können Anomalien bei der Verbrennung wie vorzeitige Zündungen und ein klopfbetrieb verhindert werden.The method according to the invention serves to operate a hydrogen internal combustion engine and comprises the steps of detecting a sudden change in load of the hydrogen internal combustion engine; calculating an amount of water based on the load jump; and adding the amount of water to a hydrogen combustion mixture to compensate for fuel-rich operation of the hydrogen internal combustion engine. By adding the amount of water in a targeted manner when there is a sudden change in load, the technical advantage is achieved, for example, that the emission of NO x emissions is reduced. In addition, abnormalities in combustion such as premature ignition and knocking can be prevented.
Die Wassermenge kann mittels physikalischer oder empirischer Modelle auf Basis eines vorhergesagten Motorverhaltens bestimmt werden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die benötigte Wassermenge zum richtigen Zeitpunkt bereitgestellt wird. Durch die Verwendung physikalischer oder empirischer Modelle können genaue, zuverlässige und realitätsnahe Berechnungen durchgeführt werden. Anhand dieser kann auf eine einfache Weise die benötigte Wassermenge berechnet werden, so dass auch bereits im Voraus die Größe des benötigten Wassertanks festgelegt werden kann. Dadurch kann unnötige Platzverschwendung beim Konzipieren des Fahrzeugs vermieden werden und auch Gewicht eingespart werden. Ein weiterer technischer Vorteil ist, dass durch die genaue Bestimmung der Wassermenge auch die Effizienz des Motors erhöht wird, da weder zu viel noch zu wenig Wasser eingebracht wird.The amount of water can be determined using physical or empirical models based on predicted engine behavior. This achieves the technical advantage, for example, that the required amount of water is provided at the right time. Accurate, reliable and realistic calculations can be carried out by using physical or empirical models. Using this, the amount of water required can be easily calculated, so that the size of the required water tank can be determined in advance. Thereby, unnecessary waste of space in designing the vehicle can be avoided and weight can also be saved. Another technical advantage is that the exact determination of the amount of water also increases the efficiency of the engine, since neither too much nor too little water is introduced.
Vor dem Einspritzen von Wasser kann eine Wassermenge auf Basis eines Betriebszeitpunkts und/oder eines Emissionsziels festgelegt werden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die benötigte Menge Wasser zum richtigen Zeitpunkt bereitsteht, um eingespritzt zu werden. Wenn zu wenig Wasser eingespritzt würde, oder wenn das Einspritzen zu spät oder zu früh erfolgt, kann der Klopfbetrieb nicht verhindert werden. Wenn zu viel Wasser eingespritzt wird, kann das Wasserstoffverbrennungsgemisch nicht mehr zünden, da es zu verdünnt ist.Before injecting water, an amount of water may be determined based on an operating timing and/or an emissions target. This achieves the technical advantage, for example, that the required amount of water is available at the right time to be injected. If too little water is injected, or if the injection is too late or too early, the knocking operation cannot be prevented. If too much water is injected, the hydrogen combustion mixture can no longer ignite because it is too diluted.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein erwarteter Abfall des Lambda-Wertes beim Lastsprung berechnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass genaue Berechnungen der Wassermenge durchgeführt werden können.In a technically advantageous embodiment of the method, an expected drop in the lambda value when the load changes is calculated. This achieves the technical advantage, for example, that exact calculations of the amount of water can be carried out.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Wassermenge auf Basis des erwarteten Abfalls des Lambda-Wertes berechnet. In a further technically advantageous embodiment of the method, the amount of water is calculated on the basis of the expected drop in the lambda value.
Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Wassermenge genau bestimmt werden kann.This achieves the technical advantage, for example, that the amount of water can be precisely determined.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Wassermenge in die Brennkammer eingespritzt. Das Einspritzen kann über eine Direkteinspritzung erfolgen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Verdampfung des Wassers direkt in der Brennkammer erfolgt, so dass das Wasserstoffverbrennungsgemisch gekühlt und verdünnt wird. Dadurch wird eine vorzeitige Zündung verhindert und auch der Ausstoß von NOx-Emissionen verringert.In a further technically advantageous embodiment of the method, the amount of water is injected into the combustion chamber. The injection can take place via a direct injection. This achieves the technical advantage, for example, that the evaporation of the water takes place directly in the combustion chamber, so that the hydrogen combustion mixture is cooled and diluted. This prevents premature ignition and also reduces NOx emissions.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Wassermenge dem Wasserstoffverbrennungsgemisch vor einem Eintreten in die Brennkammer zugeführt. Das Wasserstoffverbrennungsgemisch kann über einen Port-Injektor mit der Wassermenge versetzt werden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass weniger Anschlüsse an der Brennkammer angebracht sein müssen. Dadurch werden die Druckfestigkeit und Stabilität der Brennkammer erhöht.In a further technically advantageous embodiment of the method, the quantity of water is supplied to the hydrogen combustion mixture before it enters the combustion chamber. The amount of water can be added to the hydrogen combustion mixture via a port injector. This achieves the technical advantage, for example, that fewer connections have to be attached to the combustion chamber. This increases the pressure resistance and stability of the combustion chamber.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Einspritzen der Wassermenge über einen Mehrloch-Injektor. Diese Einspritzung wird als Spray Targeting bezeichnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Wasser fein verteilt eingebracht wird und somit schneller verdampfen kann. Dadurch wird eine vorzeitige Zündung früh genug verhindert und auch der Ausstoß von NOx-Emissionen verringert.In a further technically advantageous embodiment of the method, the quantity of water is injected via a multi-hole injector. This injection is called spray targeting. This achieves the technical advantage, for example, that the water is introduced in finely divided form and can therefore evaporate more quickly. This prevents premature ignition early enough and also reduces NOx emissions.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Lambda-Grenze abgesenkt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine bessere Lastantwort erreicht wird.In a further technically advantageous embodiment of the method, the lambda limit is lowered. This achieves the technical advantage, for example, that a better load response is achieved.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Lastsprung auf Basis einer Drehmomentanforderung bestimmt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Lastsprung auf einfache Weise und mit kurzer Zeitverzögerung bestimmt werden kann.In a further technically advantageous embodiment of the method, the sudden change in load is determined on the basis of a torque requirement. This achieves the technical advantage, for example, that the sudden change in load can be determined in a simple manner and with a short time delay.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Wassermenge aus dem Abgas des Wasserstoff-Verbrennungsmotors zurückgewonnen. Durch das gezielte Zugeben der Wassermenge in das Wasserstoffverbrennungsgemisch enthalten auch die Abgase hohe Wasserkonzentrationen, die wiederum die Temperatur des Abgases senken. Ein hoher Wassergehalt und niedrige Abgastemperaturen machen die Rückgewinnung von Wasser aus dem Abgas praktikabel. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Wassertank für die Wassereinspritzung klein gehalten werden kann. Platzeinsparungen sind bei Kraftfahrzeugen von Vorteil, da hierdurch auf eine einfache Weise zum einen der Stauraum eines Fahrzeugs erhöht werden kann und zum anderen auch das Gewicht geringgehalten wird.In a further technically advantageous embodiment of the method, the amount of water is recovered from the exhaust gas of the hydrogen internal combustion engine. By adding the amount of water to the hydrogen combustion mixture in a targeted manner, the exhaust gases also contain high water concentrations, which in turn lower the temperature of the exhaust gases. A high water content and low flue gas temperatures make the recovery of water from the flue gas viable. This achieves the technical advantage, for example, that the water tank for the water injection can be kept small. Saving space is advantageous in motor vehicles, since this allows the storage space of a vehicle to be increased in a simple manner and the weight is also kept low.
Der erfindungsgemäße Wasserstoff-Verbrennungsmotor, mit einer Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Lastsprungs des Wasserstoff-Verbrennungsmotors; einem elektronischen Steuergerät zum Berechnen einer Wassermenge auf Basis des Lastsprungs; und einer Zuführeinrichtung zum Zugeben der Wassermenge zu einem Wasserstoffverbrennungsgemisch, um einem kraftstoffreichen Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors auszugleichen, erzielt die gleichen technischen Vorteile wie das Verfahren. Die Lastsprünge werden beispielsweise durch das Steuergerät erfasst.The hydrogen internal combustion engine according to the invention, with a detection device for detecting a load jump of the hydrogen internal combustion engine; an electronic control unit for calculating an amount of water based on the load jump; and a feed device for adding the quantity of water to a hydrogen combustion mixture in order to compensate for fuel-rich operation of the hydrogen internal combustion engine, achieves the same technical advantages as the method. The sudden changes in load are detected, for example, by the control unit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine graphische Darstellung verschiedener Verbrennungsabläufe beim Betrieb eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors; -
2 eine schematische Darstellung einer Brennkammer eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors in zwei Ausführungsformen; -
3 ein Blockdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors; -
4 eine graphische Darstellung des Einflusses einer zugegebenen Wassermenge auf verschiedene Betriebsparameter; und -
5 eine graphische Darstellung des Einflusses einer zugebenen Wassermenge auf weitere Betriebsparameter.
-
1 a graphical representation of various combustion processes when operating a hydrogen internal combustion engine; -
2 a schematic representation of a combustion chamber of a hydrogen internal combustion engine in two embodiments; -
3 a block diagram of a method for operating a hydrogen internal combustion engine; -
4 a graphical representation of the influence of an added amount of water on various operating parameters; and -
5 a graphical representation of the influence of an added amount of water on other operating parameters.
Die entstehenden Drücke sind bei den zwei Verläufen 107 und 109 der klopfenden Verbrennung sowie beim Verlauf 111 der nichtklopfenden Verbrennung nach einer vorzeitigen Zündung höher als bei der regulären Verbrennung. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren neigen aufgrund der geringen Mindestzündenergie von Wasserstoff zu vorzeitigen Zündungen. Da vorzeitige Zündungen die Verbrennung vorverlegen, steigen die Spitzendrücke an und eine Klopfwahrscheinlichkeit und -stärke steigt.The resulting pressures are higher in the two
Die höchsten Drücke entstehen beim Klopfbetrieb im sogenannten „Mega Knock“. Dem „Mega Knock“ geht oft eine vorzeitige Zündung voraus. Der „Mega Knock“ 109 schränkt die Betriebsgrenzen eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors stark ein und verursacht große Schäden an der Leistungseinheit. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der technische Vorteil erreicht, dass derartige Anomalien bei der Verbrennung effektiv verhindert werden. Der „Mega Knock“ tritt besonders bei einer Anfettung auf, d.h. bei einem kraftstoffreichen Verbrennungsgemisch.The highest pressures occur during knocking in the so-called "Mega Knock". The "mega knock" is often preceded by premature ignition. The "Mega Knock" 109 severely limits the operating limits of a hydrogen internal combustion engine and causes major damage to the power unit. The inventive method is achieves the technical advantage that such anomalies are effectively prevented during combustion. The "mega knock" occurs particularly when the engine is enriched, ie when there is a fuel-rich combustion mixture.
Durch das Einbringen von Wasser in das vorgemischte Wasserstoffverbrennungsgemisch können Verbrennungsanomalien, wie beispielsweise vorzeitige Zündungen und ein Klopfbetrieb verhindert werden. Zum einen verdünnt das Einbringen von Wasser die Füllung der Brennkammer, d.h. das zur Verbrennung benötigte Wasserstoffverbrennungsgemisch. Dies hat den technischen Vorteil, dass vorzeitige Zündungen effektiv verhindert werden.By introducing water into the premixed hydrogen combustion mixture, combustion anomalies such as pre-ignition and knocking can be prevented. On the one hand, the introduction of water dilutes the filling of the combustion chamber, i.e. the hydrogen combustion mixture required for combustion. This has the technical advantage that premature ignition is effectively prevented.
Zum anderen hat das Verdampfen des Wassers einen Kühlungseffekt auf das Wasserstoffverbrennungsgemisch und auf die Brennkammer. Der Zündzeitpunkt αIGN ist der Zeitpunkt, an dem die Zündkerze zündet. Dadurch werden heiße Stellen im Brennraum abgekühlt, so dass vorzeitige Zündungen effektiv verhindert werden können. Ein weiterer technischer Vorteil der Kühlung des Gasgemisches ist, dass dadurch die Emission von NOx-Verbindungen reduziert wird. Der Ausdruck NOx-Verbindungen steht für eine Vielzahl von Stickoxiden, wie beispielsweise Stickstoffmonoxid NO oder Stickstoffdioxid NO2. NOx-Gase werden aus der Reaktion zwischen Stickstoff und Sauerstoff, vor allem bei hohen Temperaturen, während der Verbrennung in der Luft erzeugt. In der Brennkammer eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors liegen diese Voraussetzungen zur Bildung von NOx-Verbindungen vor, da zur Verbrennung von Wasserstoff Umgebungsluft verwendet wird, die Stickstoff enthält.On the other hand, the evaporation of the water has a cooling effect on the hydrogen combustion mixture and on the combustion chamber. The ignition timing α IGN is the point in time at which the spark plug fires. This cools hot spots in the combustion chamber so that premature ignition can be effectively prevented. Another technical advantage of cooling the gas mixture is that it reduces the emission of NOx compounds. The term NO x compounds stands for a large number of nitrogen oxides, such as nitrogen monoxide NO or nitrogen dioxide NO 2 . NOx gases are produced from the reaction between nitrogen and oxygen, especially at high temperatures, during combustion in air. These prerequisites for the formation of NOx compounds are present in the combustion chamber of a hydrogen internal combustion engine, since ambient air containing nitrogen is used for the combustion of hydrogen.
Es gibt vier Möglichkeiten die Einspritzung anzuordnen, nämlich H2 PI/H2O PI; H2 DI/H2O PI; H2 PI / H2O DI; oder H2 DI / H2O DI (PI - Port Injection; DI - Direct Injection). Eine gleichzeitige Einspritzung ist beim ersteren und letzteren möglich und kann für spezielle Systeme einen Vorteil erzielen. Über die Düsengeometrie, beispielsweise mit einer Mehrlochdüse oder mit einem abgestimmten Einspritztiming, kann ein Wegwaschen des Ölfilms verhindert werden.There are four ways to arrange the injection, namely H2 PI/H2O PI; H2DI/H2OPI; H2PI / H2ODI; or H2 DI / H2O DI (PI - Port Injection; DI - Direct Injection). Simultaneous injection is possible with the former and the latter, and can bring an advantage for special systems. The oil film can be prevented from being washed away via the nozzle geometry, for example with a multi-hole nozzle or with a coordinated injection timing.
Die Wassereinspritzung kann in ein Saugrohr erfolgen oder es wird eine direkte Wassereinspritzung durchgeführt. Durch die gleichzeitige Direkteinspritzung des Wasserstoffverbrennungsgemisch in die Brennkammer 200 mittels eines Mehrloch-Injektors wird die Verkleidung der Brennkammer im Laufe der Zeit nicht abgeschliffen, da das Wasser somit nicht lange in der Brennkammer verweilt. Da nicht auf die Brennraumwände gespritzt wird, wird der Ölfilm nicht weggewaschen. Es ist keine gleichzeitige Einspritzung von Wassersstoff und Wasser erforderlich. Es ist vorteilhaft, wenn auf den Kolben gespritzt wird, wenn sich dieser in der richtigen Position befindet. The water injection can be into an intake manifold or direct water injection is performed. By simultaneously injecting the hydrogen combustion mixture directly into the
Das Verfahren erfolgt sofort mit der Zündung des Wasserstoffverbrennungsgemisches. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Bildung von diesen NOx-Verbindungen reduziert. Folglich hat das Verfahren auch einen positiven Effekt auf die Luftreinheit.The process occurs immediately with the ignition of the hydrogen combustion mixture. The formation of these NO x compounds is reduced by the method according to the invention. Consequently, the process also has a positive effect on air purity.
Die Berechnung des resultierenden Lambda-Wertes funktioniert ähnlich wie bei der Rußgrenze in einem Dieselmotor. Bei einem Lastsprung wird die Kraftstoffmasse so weit erhöht, bis eine gewisser Lambda-Grenzwert erreicht wird. Hierzu kommt jedoch noch die Verwendung einer Drosselklappe. Die Position des Gaspedals gibt dann das geforderte Drehmoment, d.h. die geforderte Kraftstoffmasse vor, die jedoch aufgrund der fehlenden Luft nicht sofort bereitgestellt werden kann. Die zunächst bereitstellbare Luftmasse wird durch die Öffnung der Drosselklappe erhöht und kann dann beispielsweise mit einem physikalischen Füllungsmodell bestimmt werden. Der vorgegebene minimale Lambda-Wert, der durch die Wassereinspritzung weiter reduziert werden kann, wird dann durch die Einstellung der sich daraus ergebenden Kraftstoffmasse erreicht.The calculation of the resulting lambda value works in a similar way to the soot limit in a diesel engine. In the event of a sudden change in load, the fuel mass is increased until a certain lambda limit is reached. In addition, however, there is still the use of a throttle valve. The position of the gas pedal then specifies the required torque, ie the required fuel mass, which, however, cannot be provided immediately because of the lack of air. The air mass that can initially be provided is increased by opening the throttle valve and can then be determined, for example, using a physical charge model. The specified minimum lambda value, which can be further reduced by the water injection, is then Adjustment of the resulting fuel mass achieved.
In Schritt S103 wird die Wassermenge zu einem Wasserstoffverbrennungsgemisch zugeführt, um einem kraftstoffreichen Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors auszugleichen. Durch die gezielte Zugabe von Wasser bei einem Lastsprung können stickoxid-Emission verringert werden. Außerdem kann der Lambda-Wert weiter verringert werden, um ein transientes Verhalten zu verbessern. Zudem kann eine anormale Verbrennung des Wasserstoffverbrennungsgemischs verhindert werden, die beispielsweise in einer vorzeitigen Zündung oder in einem Klopfen besteht.In step S103, the amount of water is added to a hydrogen combustion mixture in order to compensate for fuel-rich operation of the hydrogen engine. The targeted addition of water when there is a sudden change in load can reduce nitrogen oxide emissions. In addition, the lambda value can be further reduced in order to improve transient behavior. In addition, abnormal combustion of the hydrogen combustion mixture, such as premature ignition or knocking, can be prevented.
Der Verlauf 407 zeigt das tatsächliche Drehmoment nach der Zufuhr der Wassermenge für den Lastsprung 401. In dem Verlauf 407 ist kein Plateau erkennbar. Die zeitliche Verzögerung im Vergleich zum Lastsprung 401 der Drehmomentanforderung nimmt ab, so dass der Wasserstoff-Verbrennungsmotor direkter anspricht. Das Ansprechverhalten des Wasserstoff-Verbrennungsmotors kann durch die Zugabe der Wassermenge zu dem Wasserstoffverbrennungsgemisch verbessert werden und die gewünschte Drehmomentanforderung kann schneller erreicht werden. Bei einem Lastsprung, wie beispielsweise bei einem plötzlichen Wechsel von Leerlauf zu Volllast, kann schneller auf die neue Drehmomentanforderung reagiert werden. Das Ansprechverhalten des Wasserstoff-Verbrennungsmotors wird durch das Einbringen der Wassermenge verbessert.
Der Verlauf 409 (durchgezogene Linie) zeigt den Lambda-Wert ohne Zugabe der Wassermenge zu dem Wasserstoffverbrennungsgemisch. Der Verlauf 411 (gestrichelte Linie) zeigt den Lambda-Wert nach dem Zugeben der Wassermenge in das Wasserstoffverbrennungsgemisch (gestrichelte Linie 411). Ein Vergleich der beiden Verläufe 409 und 411 zeigt, dass die Zugabe der Wassermenge den Lambda-Wert um 0,2 verringert. Durch die Zugabe von Wasser kann also der Lambda-Wert reduziert werden, so dass der transiente Betrieb verbessert wird. Die Lambda-Grenze kann für ein verbessertes Lastverhalten auch zu niedrigeren Werten verschoben werden.The curve 409 (solid line) shows the lambda value without adding the amount of water to the hydrogen combustion mixture. The profile 411 (dashed line) shows the lambda value after adding the amount of water to the hydrogen combustion mixture (dashed line 411). A comparison of the two
Bei einem Lastsprung kommt es zu einem kraftstoffreichen Betrieb und damit einhergehenden erhöhten NOx-Emissionen, da die zugeführte Kraftstoffmenge schnell erhöht wird. Ein Vergleich der beiden Verläufe 413 und 415 zeigt, dass die gezielte Zugabe der Wassermenge die Bildung von NOx-Verbindungen verringert. Das Einbringen der Wassermenge in das Wasserstoffverbrennungsgemisch verursacht eine Kompensation der Kraftstoffanreicherung im transienten Betrieb.In the event of a load jump, fuel-rich operation occurs and the associated increased NO x emissions, since the amount of fuel supplied is increased rapidly. A comparison of the two
Aus den Verläufen der
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.All of the features explained and shown in connection with individual embodiments of the invention can be provided in different combinations in the object according to the invention in order to realize their advantageous effects at the same time.
Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.All method steps can be implemented by devices that are suitable for carrying out the respective method step. All functions performed by physical features can be a method step of a method.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2012260886 A1 [0004]US2012260886A1 [0004]
Claims (10)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022121521.0A DE102022121521A1 (en) | 2022-08-25 | 2022-08-25 | METHOD OF OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE |
DE102023003224.7A DE102023003224A1 (en) | 2022-08-25 | 2023-08-04 | METHOD FOR OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022121521.0A DE102022121521A1 (en) | 2022-08-25 | 2022-08-25 | METHOD OF OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022121521A1 true DE102022121521A1 (en) | 2023-02-16 |
Family
ID=85040218
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022121521.0A Withdrawn DE102022121521A1 (en) | 2022-08-25 | 2022-08-25 | METHOD OF OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE |
DE102023003224.7A Pending DE102023003224A1 (en) | 2022-08-25 | 2023-08-04 | METHOD FOR OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102023003224.7A Pending DE102023003224A1 (en) | 2022-08-25 | 2023-08-04 | METHOD FOR OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (2) | DE102022121521A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120260886A1 (en) | 2011-04-11 | 2012-10-18 | Nirmal Mulye | Internally cooled high compression lean-burning internal combustion engine |
-
2022
- 2022-08-25 DE DE102022121521.0A patent/DE102022121521A1/en not_active Withdrawn
-
2023
- 2023-08-04 DE DE102023003224.7A patent/DE102023003224A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120260886A1 (en) | 2011-04-11 | 2012-10-18 | Nirmal Mulye | Internally cooled high compression lean-burning internal combustion engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102023003224A1 (en) | 2024-03-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69716576T2 (en) | Spark-ignited internal combustion engine with multiple fuel injections | |
DE69631429T2 (en) | BRAKE ENGINE WITH SEVERAL STAGES | |
EP1608856A1 (en) | Self-igniting internal combustion engine | |
EP0208136A2 (en) | Method for operating an internal-combustion engine | |
WO2005100768A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine with direct fuel injection | |
EP3872330A1 (en) | Large diesel engine and method for operating a large diesel engine | |
WO2014060071A1 (en) | Method for operating a reciprocating-piston internal combustion engine | |
DE102015212244B4 (en) | Method for operating an internal combustion engine, control device for an internal combustion engine and internal combustion engine | |
DE102005003880A1 (en) | Method for controlling direct fuel injection and motor vehicle | |
WO2021191116A1 (en) | Co2-neutral liquid fuel | |
WO2004101972A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine | |
DE102017009613A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine of a motor vehicle, in particular of a motor vehicle | |
EP2320053A2 (en) | Method for operating a combustion machine with different fuel types and fuel qualities | |
DE102022121521A1 (en) | METHOD OF OPERATING A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE | |
DE102014005984A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine | |
DE2418423A1 (en) | Spark ignition engine drive - ensures reduced pollution, high efficiency under partial load and high performance | |
DE102011015629B4 (en) | Operating method of an internal combustion engine | |
EP3953574B1 (en) | Method for operating an internal combustion engine | |
DE102017201805A1 (en) | Method for injecting an additional medium into the cylinder of a spark-ignited internal combustion engine and internal combustion engine for carrying out such a method | |
DE102019008846A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine | |
EP4045784A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine | |
DE102009052219A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine with multiple combustion in a work cycle | |
DE10006640B4 (en) | Control device for an internal combustion engine with direct injection | |
WO2019063817A1 (en) | Method for operating an internal combustion engine | |
DE102015221325B4 (en) | Method for operating an internal combustion engine and internal combustion engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: RHEINISCH-WESTFAELISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE , DE Free format text: FORMER OWNER: FEV EUROPE GMBH, 52078 AACHEN, DE Owner name: FEV EUROPE GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: FEV EUROPE GMBH, 52078 AACHEN, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: BRANDT, MAXIMILIAN, DR., DE |
|
R230 | Request for early publication | ||
R084 | Declaration of willingness to licence | ||
R163 | Identified publications notified | ||
R118 | Application deemed withdrawn due to claim for domestic priority |