EP2054613A1 - Einrichtung und verfahren zur bereitstellung eines kraftstoff-luft-gemisches für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung und verfahren zur bereitstellung eines kraftstoff-luft-gemisches für eine brennkraftmaschine

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EP2054613A1
EP2054613A1 EP07786278A EP07786278A EP2054613A1 EP 2054613 A1 EP2054613 A1 EP 2054613A1 EP 07786278 A EP07786278 A EP 07786278A EP 07786278 A EP07786278 A EP 07786278A EP 2054613 A1 EP2054613 A1 EP 2054613A1
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EP
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fuel
nozzle
internal combustion
combustion engine
cryogenic
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Withdrawn
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EP07786278A
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English (en)
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Inventor
Simon Ellgas
Alexander Krohmer
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for providing a fuel-air mixture of air and a cryogenic fuel, in particular cryogenic hydrogen, for an internal combustion engine with at least one luftbeaufschlagbaren inlet channel and at least one assigned thereto injector with nozzle for injecting the cryogenic fuel.
  • cryogenic fuel such as cryogenic hydrogen
  • the cryogenic fuel is usually supplied by means of an injector, as is apparent from DE 100 60 786 A1, for example.
  • an injector which results in the problem that due to the injection of the cryogenic fuel, the nozzle of the injector cools below the freezing point of water. On the cold surface, water vapor from the intake air accumulates in the form of frost.
  • This Eisstromrung leads to restrictions in the operation of the internal combustion engine to the complete freezing of the injector and thus to the failure of the internal combustion engine.
  • the cryogenic fuel impinges on the opposite side of the inlet channel to the injector. Due to the intensive contact with the cold fuel, this surface is cooled below the freezing point of water, so that here also deposits ice. This ice layer leads to an impairment of the inlet cross-section.
  • the intake air is cooled in several stages, dehumidified to a final temperature level before cooling, and the low-temperature fuel is supplied to the dehumidified intake air.
  • the object of the invention is therefore to further develop a device and a method mentioned above, so that in a simplified manner, icing of the injector nozzle and / or the inlet channel is prevented and the advantages of the cryogenic mixture formation are maintained.
  • the solution of this object is achieved with a device having the features of claim 1, wherein according to the invention the nozzle is at least partially heated and with a method having the features of claim 7, wherein according to the invention the nozzle is at least partially heated.
  • precipitation of atmospheric moisture is effectively prevented, especially in icing-prone areas of the injector or the inlet channel, at the same time is limited to a minimum only in some areas heating the heat input into the cold fuel.
  • the invention thus makes it possible to exploit the advantages of the cryogenic mixture formation on the internal combustion engine operation in terms of power, emission and efficiency and at the same time avoids icing in the mixture formation range. In this case, an implementation of the invention requires only a small effort.
  • contact of the cryogenic fuel with heated nozzle areas is temporally and locally limited. This avoids excessive heating of the cold fuel as well as measures for thermal decoupling of the fuel supply from the heated nozzle.
  • waste heat of the internal combustion engine can be used for passive heating of the nozzle.
  • a guide for the targeted beam guidance of the cryogenic fuel is provided in the inlet channel. This is - optionally in conjunction with an oblique to the inlet duct longitudinal axis arrangement of the injector - a targeted beam guidance of the cryogenic fuel in the inlet channel allows so that the cold fuel jet is isolated by an air jacket of the warmer inlet duct wall or the warm cylinder head and heat input into the fuel is minimized.
  • cryogenic fuel is brought into contact with only a partial region of the heated region of the nozzle to avoid excessive heating and / or is conducted past heated regions of the nozzle at a high flow velocity.
  • waste heat of the internal combustion engine is used for passive heating of the nozzle.
  • to minimize the heat input of the jet of cryogenic fuel in the inlet channel is at least partially centrally isolated with an air jacket against the engine.
  • the figure shows a detail of an internal combustion engine 102 with a combustion chamber 108 and a cylinder head 104.
  • the combustion chamber 108 has an inlet 110 which can be closed by means of a valve 12. Via the inlet 110, the combustion chamber 108 of the internal combustion engine 102 can be filled with a combustible fuel-air mixture during its operation.
  • the inlet 110 is associated with an inlet channel 106, the outlet side opens into the combustion chamber 108. On the inlet side of the inlet channel 106 can be acted upon with air.
  • an injector 114 For injection of fuel into the inlet air flow, an injector 114 is provided which comprises a nozzle 116 on the outlet side.
  • the injector is inclined with respect to the longitudinal axis of the intake passage so that the nozzle 116 comes close to the flange 105 to the warm cylinder head 104 in operation, without the average distance between the cold operating injector 114 and the cylinder head 104 warm compared to a conventional arrangement is reduced.
  • the injector 1 14 is mounted in the cryogenic mixture formation unit 124. This is made of heat-insulating material to minimize the heat input into the injector 1 14.
  • a guide plate 118 is arranged, which is thermally well connected to the cylinder head 104 and therefore heat-treated during operation of the internal combustion engine 102. Opposite the fuel supply line, the guide plate 118 is thermally insulated.
  • the baffle 1 18 is made of a highly thermally conductive material, such as aluminum, and is attached to the inner wall of the inlet channel 106 around the nozzle 116 of the injector 114 around.
  • the guide plate 118 forms a nozzle directed in the flow direction of the inlet air flow.
  • Deep-freeze hydrogen stored in the vehicle in a liquid state is applied to the injector 114 via a feed line.
  • the injector 114 actuated by a control device, so that a predetermined volume flow of fuel via the nozzle 116 exits.
  • the cold fuel stream 120 impinges on the baffle 118, which thermally engages the warm cylinder head 104 connected is. As a result, a cooling below the freezing point of water is avoided and an accumulation of moisture from the air flowing through the inlet channel 106 air in the form of frost or ice effectively prevented.
  • the fuel jet 122 From the guide plate 1 18 of the fuel jet 122 flows radially spreading in the flow direction of the intake air flow.
  • the fuel jet 122 is guided in particular close to the nozzle so that an air layer remains between the fuel jet 122 and the inlet channel wall, which causes an insulation with respect to the inlet channel wall.
  • accumulation of moisture from the air flowing in through the inlet channel 106 in the form of frost or ice on the inlet channel wall is effectively prevented.
  • the fuel stream fans out, mixes with air and heats up.
  • baffle 118 With the baffle 118 on the one hand, a derivative of cold from the fuel supplied and a dissipation of heat from the cylinder head, on the other hand so that the fuel flow is injected centrally at least partially insulated with an air jacket against the inlet wall in the inlet air stream.

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Abstract

Einrichtung (100) und Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine (102) mit wenigstens einem luftbeauf schlagbaren Einlasskanal (106) und wenigstens einem diesem zugeordneten Injektor (114) mit zumindest bereichsweise beheizbarer Düse (116) zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs.

Description

Beschreibung
Einrichtung und Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft- Gemisches für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem luftbeaufschlagbaren Einlasskanal und wenigstens einem diesem zugeordneten Injektor mit Düse zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs.
Brennkraftmaschinen, die mit kryogenem Kraftstoff, wie tiefkaltem Wasserstoff, betrieben werden, wird der kryogene Kraftstoff üblicherweise mittels eines Injektors zugeführt, wie beispielsweise aus der DE 100 60 786 A1 hervor geht. Dabei ergibt sich die Problematik, dass aufgrund der Einblasung des tiefkalten Kraftstoffs die Düse des Injektors unter den Gefrierpunkt von Wasser abkühlt. An der kalten Oberfläche lagert sich Wasserdampf aus der Ansaugluft in Form von Reif an. Diese Eisanlagerung führt zu Einschränkungen im Betrieb der Brennkraftmaschine bis hin zur vollständigen Zufrieren des Injektors und somit zum Ausfall der Brennkraftmaschine. Außerdem trifft aufgrund des Einbaus des Injektors senkrecht zum Einlasskanal der tiefkalte Kraftstoff auf der dem Injektor gegenüberliegenden Seite des Einlasskanals auf. Durch den intensiven Kontakt mit dem kalten Kraftstoff wird diese Oberfläche unter den Gefrierpunkt von Wasser gekühlt, so dass sich auch hier Eis anlagert. Diese Eisschicht führt zu einer Beeinträchtigung des Einlassquerschnitts.
Darüber hinaus strömt auf dem Weg vom Gemischbildungsbereich bis zum Brennraum der Brennkraftmaschine das kalte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch betriebswarme Bereiche (Zylinderkopf) der Brennkraftmaschine. Aufgrund des großen Temperaturunterschieds zwischen der Einlasskanalwandung und dem Kraftstoff-Luft-Gemisch kommt es zu einer unerwünschten Erwärmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die den positiven Effekt der kryogenen Gemischbildung zumindest teilweise wieder zunichte macht, da ein wärmeres Gemisch einen schlechteren Luftaufwand bedingt und die Klopfneigung der Brennkraftmaschine erhöht.
Um der beschriebenen Problematik entgegenzuwirken, wird gemäß der DE 100 60 786 A1 die Ansaugluft in mehreren Stufen abgekühlt, vor der Abkühlung auf ein Endtemperaturniveau entfeuchtet und der tiefkalte Kraftstoff erst der entfeuchteten Ansaugluft zugeführt. Damit kann zwar einer Vereisung der Injektordüse respektive des Einlasskanals vorgebeugt werden, allerdings ist hierzu ein beträchtlicher Aufwand erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Einrichtung und ein Verfahren weiter zu bilden, so dass in vereinfachter Weise einer Vereisung der Injektordüse und/oder des Einlasskanals vorgebeugt wird und die Vorteile der kryogenen Gemischbildung erhalten bleiben. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , wobei erfindungsgemäß die Düse zumindest bereichsweise beheizbar ist sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7, wobei erfindungsgemäß die Düse zumindest bereichsweise beheizt wird. Auf diese Weise wird insbesondere in vereisungsgefährdeten Bereichen des Injektors bzw. des Einlasskanals einem Niederschlag von Luftfeuchtigkeit wirksam vorgebeugt, zugleich wird insbesondere bei einer nur bereichsweise Beheizung der Wärmeeintrag in den kalten Kraftstoff auf ein Minimum begrenzt. Die Erfindung ermöglicht so die Nutzung der Vorteile der kryogenen Gemischbildung auf den Brennkraftmaschinenbetrieb hinsichtlich Leistung, Emission und Wirkungsgrad und vermeidet gleichzeitig eine Vereisung im Gemischbildungsbereich. Dabei erfordert eine Umsetzung der Erfindung einen nur geringen Aufwand.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise ist ein Kontakt des kryogenen Kraftstoffs mit beheizten Düsenbereichen zeitlich und örtliche begrenzbar. Dadurch ist eine übermäßige Erwärmung des kalten Kraftstoffs vermieden ebenso, wie durch Maßnahmen zur thermischen Entkoppelung der Kraftstoffzuführung von der beheizbaren Düse.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist zur passiven Beheizung der Düse Abwärme der Brennkraftmaschine nutzbar. So kann unter Vermeidung einer gesonderten aktiven Heizeinrichtung auf besonders einfache Weise eine Beheizung erfolgen und zugleich die Brennkraftmaschine gekühlt werden. Einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zufolge ist im Einlasskanal eine Leiteinrichtung zur gezielten Strahlführung des kryogenen Kraftstoffs vorgesehen. Damit ist - gegebenenfalls in Verbindung mit einer zur Einlasskanallängsachse schrägen Anordnung des Injektors - eine gezielte Strahlführung des kryogenen Kraftstoffs im Einlasskanal ermöglicht, sodass der kalte Kraftstoffstrahl durch einen Luftmantel von der wärmeren Einlasskanalwandung oder dem warmen Zylinderkopf isoliert und ein Wärmeeintrag in den Kraftstoff minimiert ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders bevorzug, wenn der kryogene Kraftstoff zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung nur mit einem Teilbereich des beheizten Bereichs der Düse in Kontakt gebracht und/oder mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit an beheizten Bereichen der Düse vorbei geleitet wird. Zweckmäßigerweise wird zur passiven Beheizung der Düse Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt. Zusätzlich oder alternativ wird zur Minimierung des Wärmeeintrags der Strahl des kryogenen Kraftstoffs im Einlasskanal zumindest bereichsweise zentral mit einem Luftmantel gegen die Brennkraftmaschine isoliert geführt.
Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf die einzige Figur, die eine Einrichtung zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und kryogenem Wasserstoff zeigt, ein besonders zu bevorzugenden Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die Figur zeigt ausschnittsweise eine Brennkraftmaschine 102 mit einem Brennraum 108 und einem Zylinderkopf 104. Der Brennraum 108 weist einen Einlass 110 auf, der mittels eines Ventils 1 12 verschließbar ist. Über den Einlass 110 ist der Brennraum 108 der Brennkraftmaschine 102 bei deren Betrieb mit einem brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch befüllbar. Hierzu ist dem Einlass 110 ein Einlasskanal 106 zugeordnet, der auslassseitig in den Brennraum 108 mündet. Einlassseitig ist der Einlasskanal 106 mit Luft beaufschlagbar.
Zur Einblasung von Kraftstoff in den Einlassluftstrom ist ein Injektor 114 vorgesehen, der auslassseitig eine Düse 116 umfasst. Der Injektor ist gegenüber der Längsachse des Einlasskanals geneigt angeordnet, sodass die Düse 116 nahe am Flansch 105 zu dem in Betrieb warmen Zylinderkopf 104 zu liegen kommt, ohne dass der mittlere Abstand zwischen betriebskaltem Injektor 114 und betriebswarmem Zylinderkopf 104 gegenüber einer herkömmlichen Anordnung verringert ist.
Der Injektor 1 14 ist in der kryogenen Gemischbildungseinheit 124 montiert. Diese ist aus wärmedämmendem Material gefertigt, um den Wärmeeintrag in den Injektor 1 14 zu minimieren.
Im Einlasskanal 106 ist ein Leitblech 118 angeordnet, das thermisch gut mit dem Zylinderkopf 104 verbunden und daher beim Betrieb der Brennkraftmaschine 102 wärmebeaufschlagt ist. Gegenüber der Kraftstoffzuleitung ist das Leitblech 118 thermisch isoliert. Das Leitblech 1 18 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Aluminium, und ist an der Innenwand des Einlasskanals 106 um die Düse 116 des Injektors 114 herum angebracht. Das Leitblech 118 bildet eine in Strömungsrichtung des Einlassluftstroms gerichtete Düse.
Tiefkalter Wasserstoff, der im Fahrzeug in flüssigem Zustand gespeichert ist, liegt über eine Zuleitung mit Druck am Injektor 114 an. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 102 öffnet zur Befüllung des Brennraums 108 der Brennkraftmaschine 102 bei geöffnetem Ventil 112 der Injektor 114 mittels einer Steuereinrichtung betätigt, sodass eine vorbestimmter Volumenstrom Kraftstoff über die Düse 116 austritt. Der kalte Kraftstoffstrom 120 trifft auf das Leitblech 118, das thermisch mit dem warmen Zylinderkopf 104 verbunden ist. Dadurch wird eine Abkühlung unter den Gefrierpunkt von Wasser vermieden und eine Anlagerung von Feuchtigkeit aus der durch den Einlasskanal 106 einströmenden Luft in Form von Reif oder Eis wirksam verhindert.
Vom Leitblech 1 18 strömt der Kraftstoffstrahl 122 sich radial ausbreitend in Strömungsrichtung des Einlassluftstroms ab. Dabei wird der Kraftstoffstrahl 122 insbesondere düsennah so geführt, dass zwischen Kraftstoffstrahl 122 und Einlasskanalwandung eine Luftschicht verbleibt, die eine Isolation gegenüber der Einlasskanalwandung bewirkt. Dadurch wird Anlagerung von Feuchtigkeit aus der durch den Einlasskanal 106 einströmenden Luft in Form von Reif oder Eis an der Einlasskanalwandung wirksam verhindert. Stromab fächert sich der Kraftstoffstrom auf, vermischt sich mit Luft und erwärmt sich.
Mit dem Leitblech 118 erfolgt einerseits eine Ableitung von Kälte aus dem zugeführten Kraftstoff sowie eine Ableitung von Wärme aus dem Zylinderkopf, andererseits wird damit der Kraftstoffstrom zentral zumindest bereichsweise mit einem Luftmantel gegen die Einlasskanalwandung isoliert in den Einlassluftstrom eingeblasen.

Claims

PatentansprücheEinrichtung und Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft- Gemisches für eine Brennkraftmaschine
1. Einrichtung (100) zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine (102) mit wenigstens einem luftbeaufschlagbaren Einlasskanal (106) und wenigstens einem diesem zugeordneten Injektor (1 14) mit Düse (116) zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (116) zumindest bereichsweise beheizbar ist.
2. Einrichtung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontakt des kryogenen Kraftstoffs mit beheizten Düsenbereichen zeitlich und örtliche begrenzbar ist.
3. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1-2, gekennzeichnet durch Maßnahmen zur thermischen Entkoppelung der Kraftstoffzuführung von der beheizbaren Düse (1 16).
4. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass zur passiven Beheizung der Düse (1 16) Abwärme der Brennkraftmaschine (102)nutzbar ist.
5. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine Leiteinrichtung (118) im Einlasskanal (106) zur gezielten Stahlführung des kryogenen Kraftstoffs.
6. Einrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 -5, gekennzeichnet durch eine zur Einlasskanallängsachse schräge Anordnung des Injektors (114).
7. Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches aus Luft und einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere tiefkaltem Wasserstoff, für eine Brennkraftmaschine (102) mit wenigstens einem luftbeaufschlagbaren Einlasskanal (106) und wenigstens einem diesem zugeordneten Injektor (114) mit Düse (116) zur Einblasung des kryogenen Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (116) zumindest bereichsweise beheizt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kryogene Kraftstoff zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung nur mit einem Teilbereich des beheizten Bereichs der Düse (116) in Kontakt gebracht und/oder mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit an beheizten Bereichen der Düse (1 16) vorbei geleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, dass zur passiven Beheizung der Düse (116) Abwärme der Brennkraftmaschine (102) genutzt wird.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung des Wärmeeintrags der Strahl (122) des kryogenen Kraftstoffs im Eiπlasskanal (106) zumindest bereichsweise zentral mit einem Luftmantel gegen die Brennkraftmaschine isoliert geführt wird.
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