DE102022128904A1

DE102022128904A1 - Hubkolbenverbrennungsmotor, Betriebsverfahren und Kraftstoffdüse für den Hubkolbenverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102022128904A1
Application number: DE102022128904.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Leberwurst; Olaf Eckhard Weber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit einem Zylinder, einer Düse (1) zum Einblasen von Wasserstoff in den Zylinder, welche eine Eintrittsfläche (A1), über welche der Düse (1) Wasserstoff zuführbar ist, sowie eine Austrittsfläche (A2), über welche Wasserstoff in den Zylinder abführbar ist. Die Austrittsfläche (A2) der Düse (1) weist einen unveränderlichen Querschnitt auf, und die Eintrittsfläche (A1) der Düse (1) ist veränderlich. Die Erfindung betrifft ferner eine Düse (1) für einen derartigen Hubkolbenmotor und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverbrennungsmotor mit einem Zylinder, einer Düse zum Einblasen von Wasserstoff in den Zylinder, welche eine Eintrittsfläche, über welche der Düse Wasserstoff zuführbar ist, sowie eine Austrittsfläche, über welche Wasserstoff in den Zylinder abführbar ist. Sie betrifft ferner eine Düse für einen Hubkolbenverbrennungsmotor.
Aus DE 43 24 642 A1 ist eine Otto-Brennkraftmaschine bekannt. Die Zündung und Entflammung des Gemisches erfolgt im Schichtladungsbetrieb rasch nach Beendigung der Kraftstoff-Einspritzung, bevor eine zunehmende Homogenisierung des geschichteten Gemisches eintritt und die zündfähige Gemischwolke sich in Richtung des Kraftstoffstrahls von den injektornah angeordneten Elektroden fortbewegt. Die Elektroden der Zündkerze ragen bei der bekannten Anordnung tief in den Brennraum und ins Innere des bei der Einspritzung erzeugten kegelförmigen Kraftstoffstrahls. Die Elektroden werden bei der Einspritzung mit Kraftstoff benetzt, welcher bis zum Zündzeitpunkt nicht vollständig verdampfen kann und beim Verbrennungsvorgang Ablagerungen auf den Elektroden verursacht. Die zunehmende Verkokung der Elektroden führt zu Gleitentladungen und somit zu Zündaussetzern und die Zündkerze wird rasch funktionsuntüchtig. Darüber hinaus steht bei einem solchen „strahlgeführten“ Direkteinspritzkonzept, wobei der Kraftstoff von der Strömungsbewegung im Kraftstoffstrahl an die injektornahen Elektroden gebracht wird, bis zum Zündzeitpunkt nur eine kurze Zeitspanne zur Gemischaufbereitung zur Verfügung, so dass häufig eine unvollständige Kraftstoffverbrennung bei ungenügender Gemischaufbereitung erfolgt.
Zur Vermeidung des Problems schlägt DE 197 49 295 A1 vor, das Brennraumdach kegelförmig zu gestalten, um eine auswärts gerichtete Ablenkung des im Kegelmantel geführten Kraftstofftröpchen zu erreichen. Weitere Injektoren und Brennkraftmaschinen, die eine gute Verwirbelung erreichen sollen, sind aus EP 0 680 559 B2 oder EP 3 004 625 B1 bekannt.
Für Motoren, die wie in DE 10 2015 223 351 A1 mit Gasen betrieben werden, sind die auf flüssige Brennstoffe ausgelegten Injektoren nicht geeignet. Zur Schaffung einer CO₂-neutralen Mobilität muss ein Verbrennungsmotoreinen Kraftstoff verbrennen, welcher keinen Kohlenstoffanteil besitzt, damit so auch kein CO₂ bei der Verbrennung gebildet wird. Einen potenziellen Kraftstoff für die beschriebene Herausforderung stellt Wasserstoff dar.
Zur Verwendung von Wasserstoff im Verbrennungsmotor ist dessen Zufuhr in den Zylinder essenziell, wobei bisher die naheliegende Lösung einer Saugrohr-Einblasung eingesetzt wurde, welche typisch für Gasmotoren-Anwendungen ist. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass der Wasserstoff vor dem Einlassventil zugeführt wird und mit seiner geringen Dichte ein großes Volumen einnimmt. Das Volumen der Luft in Kombination mit dem großen Volumen des Wasserstoffes im begrenzten Raum des Saugrohres sorgt für einen großen Ladedruck, welcher für die Erreichung einer ausreichend großen Füllung benötigt wird, da nur so die Nennleistung des Motors erbracht werden kann. Die Umsetzung dieses Ladedruckes mit einem Turbolader ist allerdings komplex und in Teillastarbeitspunkten nicht immer realisierbar. Daraus folgend wird häufig eine zu niedrige Füllung erreicht, was zur Leistungsreduzierung des Motors im Gegensatz zu einem Diesel-Äquivalent führt. Diese Herausforderung wird in der Praxis durch die Vergrößerung des Hubraumes begrenzt, was allerdings nur eine geringe Verbesserung erbringt.
Eine effektivere Lösungsmöglichkeit kann die Umsetzung einer Direkteinblasung mit sich bringen, wobei der Wasserstoff erst im abgeschlossenen Zylinder der Luft beigemischt wird, sodass nur das Luftvolumen durch den Turbolader in den Zylinder gefördert werden muss. Dadurch kann der Ladedruck reduziert werden, wodurch auch in der Teillast genügend Ladedruck durch die Abgasturbine aufgebringbar ist, um die geforderte Nennleistung zu erreichen. Das einzige Kriterium, was nun noch die Nennleistung eines Wasserstoffmotors reduziert, ist der hohe Luftbedarf des Kraftstoffes zur vollständigen Umsetzung. Die Direkt-Einblasung besitzt allerdings einen Nachteil zur Saugrohr-Einblasung in Form der Gemischbildung. Bei der Gemischbildung im Saugrohr steht eine längere Zeit zur Homogenisierung zur Verfügung, und es besteht ein Vermischungseffekt bei dem gemeinsamen Durchfluss der Reaktionspartner durch den Einlassventilspalt. Die vollständige Homogenisierung des Gemisches im Bereich von Lambda=3 ist essenziell, da in fetteren Gemischzonen die Stickoxidbildung erhöht ist. Diese ist zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hubkolbenverbrennungsmotor, der mit Wasserstoff betrieben wird und eine gute Durchmischung des Brenngases mit Sauerstoff bereitstellt, zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren und eine Düse für einen derartigen Hubkolbenverbrennungsmotor mit einer Direkteinblasung vorzuschlagen, ermöglicht, deren Gemischbildungsqulität und Homogenisierung auf dem Niveau einer Saugrohr-Einblasung.
Die Aufgabe wird durch eine Hubkolbenverbrennungsmotor mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 9 sowie durch eine Düse nach Anspruch 8 gelöst.
Damit die Füllung auch in unterschiedlichen Lastsituationen optimal ist, wird der Hubkolbenverbrennungsmotor mit einer Kombination aus variablem Wasserstoffvordruck und kurbelwinkelabhängiger Einblaseventilgeometrie betrieben. Das Ziel ist die homogene Verteilung des Wasserstoffs und der Verbrennungsluft im Zylinder, welcher bei einer frühen Einblasung noch viel vom Kolben freigegebenes Volumen besitzt. Mittels der Düse kann der Wasserstoff durch Direkteinblasung in definierte Bereiche des Brennraums befördert werden, da der gasförmige Wasserstoff kompressibel ist und daher einblaseverfahrenstechnische Freiheiten bietet. Im Gegensatz zu Einspritzdüsen von flüssigen Kraftstoffen, die häufig durch die Konstruktion festgelegt werden müssen, lassen sich Eindringtiefe und der Strahlwinkel der Einblasedüse ändern.
Der engste Querschnitt der Düse begrenzt den Durchfluss, weil dort maximal die Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Findet anschließend eine hinreichende Querschnittserweiterung statt, kann das Brennmittel von der Schallgeschwindigkeit aus weiter beschleunigt werden. In einer solchen Düse ändern sich die Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Fluids, welche abhängig von Querschnittsflächenänderung sind.
Im Gegensatz zu saugrohrseitigen Installationen einer Einblasedüse oder zu brennraumseitigen Installationen von Einspritzdüsen für flüssige und damit inkompressible Kraftstoffe, bei denen der Parameter Ventilhub bei der Gemischbildung nur eine untergeordnete Rolle spielt, erfolgt die Gemischbildung nach der Erfindung erfindungsgemäß von allem mittels des Ventilhubs. Auslassdruck- und Geschwindigkeiten lassen sich so über den Ventilhub gezielt variieren.
Weiterhin lässt sich durch gezielte Geometrien direkt am Auslassquerschnitt nicht nur die Strahlform wie Eindringtiefe und Strahlbreite über dem Ventilhub gezielt variieren, sondern auch der Strahlwinkel. Hierzu können unterschiedliche Radien oder Kerben in dem Bereich angebracht sein, der zu einer breitgefächerten Strahlrichtung in Abhängigkeit des Ventilhubes führt.
Das vorgeschlagene Verfahren nach Anspruch 9 betrifft ein Arbeitsverfahren für eine Düse zum Einblasen eines Gases in eine Kammer. Bei der Kammer kann es sich um einen Brennraum wie einen Zylinder, einen Zwischenspeicher oder ein Saugrohr handeln. Das Gas ist vorzugsweise Wasserstoff. In einem ersten Betriebszustand der Düse strömt beim Einblasen des Gases in die Kammer dieses durch den Coanda-Effekt entlang einer Leitfläche. Damit kann trotz vorgegebener Kammergeometrie eine gleichmäßigere Verteilung des Gases in der Kammer erfolgen, indem das Gas eine Ablenkung quer zu seiner Einströmrichtung erfährt. In einem zweiten Betriebszustand der Düse erfolgt eine Gasverteilung in der Kammer unter Abwesenheit des Coanda-Effekts an der Leitfläche. In diesem Zustand liegt damit ein anderes Füllungsverhalten vor. Ein derartiges Verfahren ermöglicht damit die Änderung der Einblasestrahlform und/oder der Eindringtiefe im Betrieb der Düse. Je nach Brennraumform oder Ladungsbewegung kann so die Vermischung eines Brenngases und der Verbrennungsluft im Brennraum optimiert werden.
Ferner weist die Düse einen Schaltmechanismus aufweist, durch den sie aus dem einen Betriebszustand in den jeweils anderen Betriebszustand versetzbar ist. Dieser Schaltmechanismus kann eine Veränderung des Einblasedrucks sein. Die Düse kann auch ein Ventil aufweisen, und der Schaltmechanismus ist durch die Veränderung der Ventilstellung ausgebildet. Ebenfalls ist eine Kombination beider Parameteränderungen denkbar.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt eines Teils einer ersten Düse in einer vereinfachten Darstellung,
2 einen Längsschnitt eines Teils einer zweiten Düse in einer vereinfachten Darstellung.

Die 1 und 2 zeigen eine Düse 1, durch die Wasserstoff in einem Kanal 2 strömen kann. Der Kanal 2 ist nach radial außen durch eine Wand 4 begrenzt, die beispielsweise durch die Zylinderwand gebildet ist. Nach radial innen wird der Kanal 2 durch ein hubbewegliches Element 3 begrenzt, das vorliegend als ein Ventil 8 mit einem Ventilteller 9 ausgebildet ist.
In den beiden dargestellten Konstruktionen liegt der engste Querschnitt am Beginn des Kanals 2 und bildet die Eintrittsfläche A₁. Die Eintrittsfläche A₁ wird direkt über den Hub des Ventils 8 verändert. Die Endfläche als Austrittsfläche A₂ bleibt bei einer Hubbewegung des Ventils 8 konstant. Somit ist eine genaue Einstellung des Flächenverhältnisses und daraus folgend des Düsenzustandes möglich.
Des Weiteren wird über den Massenstrom im engsten Querschnitt und die Öffnungsdauer die Füllung bestimmt.
Durch die verschiedenen Stellungen des hubbeweglichen Elements 3 kann die Düse 1 unterexpandierend oder überexpandierend sein. Bei der unterexpandierenden Düse, liegt der Enddruck unter dem Umgebungsdruck, und die kinetische Energie (Endgeschwindigkeit) in der Strömung ist maximal. Daraus folgend wird dieser Zustand eine geringe Strahlaufweitung und hohe Eindringtiefe des Strahls hervorrufen. In einer anderen Stellung bildet die Düse 1 eine überexpandierende Düse, wobei der Enddruck über dem Umgebungsdruck liegt und die kinetische Energie (Endgeschwindigkeit) in der Strömung geringer ist. Durch den höheren Druck in der Strömung ist das Gas bestrebt, sich in das Umgebungsmedium ausdehnen, da es einen Druckausgleich anstrebt. Daraus folgend wird dieser Zustand eine große Strahlaufweitung und geringe Eindringtiefe des Strahls hervorrufen.
Für die Einstellung dieser beiden Zustände wird eine Variation des Startdruckes und des Flächenverhältnisses aus Eintrittsfläche A₁ und Austrittsfläche A₂ benötigt.
Im Falle der 1 weist der Kanal 2 weist einen Eingangsabschnitt 5, einen Mittelabschnitt 6 und einen Mündungsabschnitt 11 auf. Im Bereich des Eingangsabschnitts 5 ist der Kanal durch das Ventil 8 reversibel verschließbar. Gewinkelt zum Eingangsabschnitt 5 schließt sich in Strömungsrichtung ein Mittelabschnitt 6 an, der in einen Mündungsabschnitt 11 übergeht. Der Mündungsabschnitt 11 ist parallel zur Hubrichtung des hubbeweglichen Elements 3 gerichtet, und die Wand 4 ist in diesem Abschnitt parallel zur Oberfläche des Ventiltellers 9, so dass die Veränderung des Hubes keinen Einfluss auf den Querschnitt des Mündungsabschnitts 11 hat.
Im Falle der 2 sind der Mittelabschnitt 6 und der Mündungsabschnitt 11 identisch. Von der Oberfläche des Ventils 8 ist der Kanal 2 in diesem Bereich durch ein Ringelement 7 beabstandet. Das Ringelement 7 ist stationär und weist eine zum Ventil 8 gewandte Oberfläche auf, die parallel zur Ventiltelleroberfläche ist. Eine Bewegung des Ventils 8 in Hubrichtung hat durch den vom Ringelement 7 geschaffenen Abstand zum Mündungsabschnitt 11 keinen Einfluss auf die Austrittsfläche A₂.
Seitlich vom Mündungsabschnitt 11 ist eine Kerbe 10 angeordnet. Unter Ausnutzung des Coandaeffekts kann damit das einströmende Gas in Richtung Wand 4 abgelenkt und somit eine gleichmäßigere Füllung des Zylinders gewährleistet werden.
Bezugszeichenliste

1: Düse
2: Kanal
3: hubbewegliches Element
4: Wand
5: Eingangsabschnitt
6: Mittelabschnitt
7: Ringelement
8: Ventil
9: Ventilteller
10: Kerbe
11: Mündungsabschnitt
A1: Eintrittsfläche
A2: Austrittsfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4324642 A1 [0002]
DE 19749295 A1 [0003]
EP 0680559 B2 [0003]
EP 3004625 B1 [0003]
DE 102015223351 A1 [0004]

Claims

Hubkolbenmotor mit - einem Zylinder, - einer Düse (1) zum Einblasen von Wasserstoff in den Zylinder durch einen Kanal (2) mit einer Eintrittsfläche (A₁), über welche dem Kanal (1) Wasserstoff zuführbar ist, und einer Austrittsfläche (A₂), über welche Wasserstoff in den Zylinder abführbar ist, und mit einem hubbeweglichen Element (3), durch welches der Kanal (2) verschlossen und geöffnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass - bei Bewegung des hubbeweglichen Elements (3) die Austrittsfläche (A₂) der Düse (1) einen unveränderlichen Querschnitt und die Eintrittsfläche (A₁) der Düse (1) einen veränderlichen Querschnitt aufweist.
Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hubbewegliche Element (3) als ein Schieber ausgebildet ist.
Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hubbewegliche Element (3) als ein Ventil (8) mit einem Ventilteller (9) ausgebildet ist.
Hubkolbenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (9) von einem Ringelement (7) derart eingefasst ist, dass der Kanal (2) einen Mündungsabschnitt (11) aufweist, welcher an der Austrittsfläche (A₂) von dem Ventilteller (9) beabstandet ist.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (2) einen Mündungsabschnitt (11) aufweist, welcher im Bereich der Austrittsfläche (A₂) parallel zur Hubrichtung des hubbeweglichen Elements (3) verläuft.
Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar an die Austrittsfläche (A₂) Radien oder Kerben (10) angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung der Eintrittsfläche (A₁) der Düse (1) zeitgleich der Einblasdruck des Wasserstoffs verändert wird.
Düse (1) für einen Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (1) ein Ventil (7) mit einem Ventilteller (9) aufweist, der von Wänden (4) derart eingefasst ist, dass die Austrittsfläche (A₂) der Düse (1) von dem Ventilteller (9) beabstandet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Düse (1) zum Einblasen eines Gases in eine Kammer, wobei beim Einblasen in die Kammer in einem ersten Betriebszustand der Düse (1) das Gas durch den Coanda-Effekt entlang einer Leitfläche strömt und in einem zweiten Betriebszustand der Düse (1) eine Gasverteilung in der Kammer unter Abwesenheit des Coanda-Effekts an der Leitfläche erfolgt und wobei die Düse (1) einen Schaltmechanismus aufweist, durch den die Düse (1) aus dem einen Betriebszustand in den jeweils anderen Betriebszustand versetzbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltmechanismus eine Veränderung des Einblasedrucks ist oder dass Düse ein Ventil (8) aufweist und der Schaltmechanismus durch die Veränderung der Ventilstellung ausgebildet ist.