EP4461949A1 - Vorrichtung und verfahren für eine homogene gemischbildung bei einer gaskraftstoff-brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren für eine homogene gemischbildung bei einer gaskraftstoff-brennkraftmaschine Download PDF

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EP4461949A1
EP4461949A1 EP24173481.3A EP24173481A EP4461949A1 EP 4461949 A1 EP4461949 A1 EP 4461949A1 EP 24173481 A EP24173481 A EP 24173481A EP 4461949 A1 EP4461949 A1 EP 4461949A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas fuel
combustion chamber
cylinder head
injection device
jet
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.)
Pending
Application number
EP24173481.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Hinrichsen
Martina Leistner
Thomas Malischewski
Dominic Hyna
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE filed Critical MAN Truck and Bus SE
Publication of EP4461949A1 publication Critical patent/EP4461949A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0248—Injectors
    • F02M21/0275—Injectors for in-cylinder direct injection, e.g. injector combined with spark plug
    • 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
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    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0248—Injectors
    • F02M21/0281—Adapters, sockets or the like to mount injection valves onto engines; Fuel guiding passages between injectors and the air intake system or the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a device for supplying gas fuel to a combustion chamber of an internal combustion engine and to a motor vehicle with such a device.
  • the invention further relates to a method for supplying gas fuel to a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • gas injection valves for the direct supply of gas fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • gas injection valves for the direct supply of gas fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • multi-hole nozzles or multi-hole nozzle tips on needle valves are known in this context.
  • Gas injectors with disk valves also exist.
  • the object of the invention is to provide a solution for an improved supply of gas fuel to a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a first independent aspect of the present disclosure relates to a device for supplying gaseous fuel (e.g. hydrogen) to a (e.g. cylindrical) combustion chamber of an internal combustion engine (e.g. a hydrogen internal combustion engine).
  • gaseous fuel e.g. hydrogen
  • a combustion chamber of an internal combustion engine e.g. a hydrogen internal combustion engine
  • the device has a cylinder head for covering the combustion chamber.
  • the cylinder head preferably serves to close off the combustion chamber at the top.
  • the device has (at least) one (e.g. curved) air inlet channel (e.g. a swirl air inlet channel) which is arranged (at least in sections) in the cylinder head.
  • the air inlet channel is designed to supply the combustion chamber with an air flow with a swirl around a longitudinal center axis of the combustion chamber.
  • the air inlet channel can be designed to impart a swirl or a rotary movement to the air flowing into the combustion chamber via the air inlet channel. This can be achieved, for example, via a corresponding (e.g. spiral and/or curved) shape or channel routing of the air inlet channel.
  • the air inlet channel can also comprise a swirl device (e.g. an air guide element).
  • the device further comprises a gas fuel injection device (e.g. a gas fuel injector, in particular a hydrogen injector), wherein the gas fuel injection device is arranged (at least in sections) in the cylinder head.
  • the gas fuel injection device is designed to generate a (e.g. directed) gas fuel jet (in the combustion chamber) which is directed against the swirl of the air flow, preferably in order to mix the air flow and the gas fuel jet with one another (e.g. turbulently).
  • this directed injection of the gas fuel which is specifically coordinated with the air circulation in the combustion chamber, can advantageously achieve the most homogeneous mixture formation possible in the combustion chamber, thereby reducing emissions from the internal combustion engine and avoiding or reducing unwanted self-ignition.
  • the gas fuel injection device can be arranged off-center (or decentrally) in the cylinder head.
  • the gas fuel injection device can be arranged in an outer edge region of a combustion chamber side of the cylinder head facing the combustion chamber.
  • the gas fuel injection device can be arranged offset and/or parallel to the longitudinal center axis of the combustion chamber.
  • the gas fuel injection device can be radially spaced from the longitudinal center axis.
  • the term longitudinal center axis can generally refer to, for example, the axis of the combustion chamber that corresponds to the direction of its greatest extent and/or that runs centrally through the combustion chamber.
  • the combustion chamber is preferably designed to be rotationally symmetrical with respect to the longitudinal center axis. This advantageously ensures that the gas fuel jet can be directed as reliably as possible against the swirl of the air flow.
  • the gas fuel injection device can be designed to generate the gas fuel jet in such a way that the gas fuel jet has a swirl direction that is oriented opposite to a swirl direction of the air flow.
  • the gas fuel injection device can be designed to generate the gas fuel jet in such a way that it has a right-hand swirl if the air flow has a left-hand swirl and vice versa. In an advantageous manner, this can ensure the most turbulent mixing possible between air and gas fuel.
  • the gas fuel injection device can be designed to generate the gas fuel jet in such a way that the gas fuel jet is oriented essentially transversely (e.g. perpendicularly) to a longitudinal axis of the gas fuel injection device.
  • the gas fuel injection device can be designed to generate the gas fuel jet in such a way that the gas fuel jet is directed essentially laterally from the gas fuel injection device or away from its longitudinal axis.
  • the longitudinal axis of the gas fuel injection device can generally be, for example, the axis of the gas fuel injection device which corresponds to the direction of its greatest extent.
  • the gas fuel injection device is preferably arranged such that its longitudinal axis is offset and/or parallel to the longitudinal center axis of the combustion chamber.
  • the gas fuel injection device can be designed to inject the gas fuel jet not (exactly) tangentially with respect to the longitudinal center axis of the combustion chamber.
  • the gas fuel jet should therefore preferably be oriented in a plane perpendicular to the longitudinal center axis of the combustion chamber and not perpendicular to an (imaginary) direct connection between the gas fuel injection device and the longitudinal center axis.
  • the gas fuel injection device can be designed to generate the gas fuel jet such that the gas fuel jet runs in a secant shape in the combustion chamber (in a plane perpendicular to the longitudinal center axis).
  • the gas fuel injection device can be designed to generate the gas fuel jet in such a way that the gas fuel jet is inclined towards the longitudinal center axis, preferably (in a plane perpendicular to the longitudinal center axis) with respect to an (imaginary) tangent (at the location of the gas fuel injection device) to the longitudinal center axis.
  • the gas fuel jet can be inclined with respect to the tangent by an angle of between 10° and 30° to the longitudinal center axis.
  • the gas fuel jet can thereby be curved or directed away from a wall of the combustion chamber, whereby high gas fuel concentrations at the edge of a piston of the internal combustion engine or between the piston and the cylinder wall can be avoided as far as possible.
  • the gas fuel injection device can have a (e.g. closable) gas fuel outlet opening.
  • the gas fuel outlet opening is preferably arranged (e.g. completely) in the cylinder head and/or integrated into the cylinder head.
  • the gas fuel injection device preferably also has a (e.g. gas fuel) poppet valve, e.g. electrically and/or hydraulically actuated, by means of which the gas fuel outlet opening can be opened and/or closed.
  • the gas fuel outlet opening and/or the gas fuel injection device can be flush with a combustion chamber side of the cylinder head facing the combustion chamber. In this way, exposed or Points that protrude into the combustion chamber, which heat up accordingly and can therefore serve as ignition sources for spontaneous ignition, should be avoided as far as possible.
  • the gas fuel outlet opening and/or the gas fuel injection device can be arranged set back with respect to a combustion chamber side of the cylinder head facing the combustion chamber.
  • the gas fuel outlet opening can be arranged in a recess provided in the combustion chamber side of the cylinder head.
  • the gas fuel injection device (towards the combustion chamber) can end before the combustion chamber side of the cylinder head.
  • the cylinder head can have a fire deck with a recess (e.g. in the form of a material recess).
  • a fire deck can be understood as an area of the cylinder head close to the combustion chamber (e.g. lower) or an area of the cylinder head that is exposed to correspondingly strong thermal loads.
  • the gas fuel outlet opening is preferably arranged in the recess. In this way, an arrangement of the gas fuel outlet opening or the gas fuel injection device that is as protected and as little exposed as possible can be achieved, whereby excessive heating of these parts and thus glow ignitions can be avoided as far as possible.
  • the gas fuel injection device can have a (e.g. non-rotationally symmetrical) jet shaping element (e.g. a molded part, in particular made of metal) for shaping the gas fuel jet.
  • the jet shaping element can be designed in the form of an insert.
  • the jet shaping element is preferably arranged in a or the depression of the combustion chamber side of the cylinder head and/or in a or the recess of a or the fire deck of the cylinder head.
  • the jet shaping element preferably surrounds the gas fuel outlet opening in sections (e.g. in the form of a circular ring segment). In this way, targeted jet shaping or jet shaping adapted to the swirl of the air flow can advantageously be achieved.
  • the jet shaping element can be arranged flush with and/or set back from one or the combustion chamber side of the cylinder head facing the combustion chamber.
  • the jet shaping element can be arranged entirely within the cylinder head and/or integrated into the cylinder head.
  • the jet-forming element can be arranged downstream of the gas fuel from a valve head (e.g. a poppet valve) and/or a gas fuel outlet opening of the gas fuel injection device. This advantageously ensures that the jet-forming element is arranged in a way that is as protected and as little exposed as possible.
  • a valve head e.g. a poppet valve
  • the jet-forming element can have an arcuate and/or (e.g. circular) ring-segment-shaped web section.
  • the web section preferably extends (in a plane perpendicular to the longitudinal center axis) over an angular range of 180° to 270°, preferably from 195° to 225°, and/or the web section has a center angle between 180° to 270°, preferably between 195° and 225°.
  • the jet-forming element can be non-rotationally symmetrical and/or partially open in a plane perpendicular to the longitudinal center axis.
  • the jet-forming element can be at least a quarter open, but preferably at most half open.
  • the jet-forming element is preferably open in a plane perpendicular to the longitudinal center axis in an angular range between 90° and 180°, preferably between 135° and 165°. This in turn advantageously enables jet formation to be achieved that is tailored to the swirl of the air flow.
  • a direct thermal connection of the jet-forming element to the gas fuel injection device can also ensure good heat dissipation and thus advantageously reduce the component temperature.
  • the gas fuel injection device can be designed to generate a further (e.g. second) gas fuel jet.
  • the gas fuel injection device can be designed to generate the gas fuel jet, which in this context can also be referred to as the first gas fuel jet, directed in a first jet direction (against the swirl of the air flow) and to generate the further (or second) gas fuel jet directed in a second jet direction that is different from the first jet direction.
  • the first gas fuel jet and second gas fuel jet should therefore preferably be oriented differently.
  • the gas fuel injection device may be designed to generate the further (or second) gas fuel jet such that the further (or second) gas fuel jet extends from the cylinder head path and/or that the further gas fuel jet is substantially parallel to the longitudinal center axis of the combustion chamber
  • the further (or second) gas fuel jet can be oriented essentially downwards and/or towards a piston of the combustion chamber opposite the cylinder head. In this way, the most homogeneous mixture formation possible can be achieved quickly in the entire combustion chamber.
  • the air inlet channel can have an air inlet opening through which the air outlet channel opens into the combustion chamber.
  • the air inlet opening is preferably arranged (e.g. completely) in the cylinder head.
  • the device can have (at least) one air outlet channel for discharging exhaust gas from the combustion chamber.
  • the air outlet channel can also be arranged at least in sections in the cylinder head.
  • the air outlet channel can have an air outlet opening (e.g. completely arranged in the cylinder head) through which the air outlet channel opens into the combustion chamber.
  • the gas fuel injection device can be arranged downstream of the air inlet opening and upstream of the air outlet opening with respect to a swirl direction of the air flow. This advantageously makes it possible to provide a gas fuel jet that is aligned as effectively as possible against the swirl of the air flow.
  • the device can further comprise a spark plug or a glow plug.
  • the spark plug or glow plug can be arranged centrally in the cylinder head, for example.
  • the spark plug or glow plug can be arranged in a central region of a combustion chamber side of the cylinder head facing the combustion chamber.
  • the spark plug or glow plug can also be arranged on the longitudinal center axis of the combustion chamber.
  • the disclosure further relates to an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has a cylinder block with at least one cylinder.
  • the internal combustion engine further has a piston which is arranged within the at least one cylinder for a forward and backward movement therein.
  • the internal combustion engine or the at least one cylinder further has a (e.g. cylindrical) combustion chamber.
  • the combustion chamber can be delimited (e.g. below) by the piston and/or (e.g. laterally) by the cylinder block.
  • the combustion chamber can be designed rotationally symmetrically around an axis, which can also be referred to as the longitudinal central axis.
  • the longitudinal central axis is a vertical axis, i.e. oriented along the direction of gravity.
  • the internal combustion engine has a device, as described in this document, for Supply of gas fuel to the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the cylinder head of the device covers the combustion chamber.
  • the internal combustion engine can be designed as a direct-injection gas fuel engine, preferably a hydrogen engine.
  • the disclosure further relates to a motor vehicle having an internal combustion engine and/or device as described in this document.
  • the motor vehicle is preferably a commercial vehicle.
  • a commercial vehicle can generally be understood to mean, for example, a vehicle which, due to its design and equipment, is specifically designed for transporting people, transporting goods or towing trailers.
  • the commercial vehicle can be a truck, a semitrailer, a construction vehicle, a bus and/or an agricultural machine (e.g. a tractor).
  • the disclosure further relates to a method for supplying gas fuel (e.g. hydrogen) to a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • gas fuel e.g. hydrogen
  • the method is preferably carried out by means of a device as described in this document.
  • the method comprises supplying an air flow with a swirl around a longitudinal center axis of the combustion chamber by means of an air inlet channel.
  • the method further comprises generating a (e.g. directed) gas fuel jet, which is directed against the swirl of the air flow, by means of a gas fuel injection device, preferably in order to turbulently mix the air flow and the gas fuel jet with one another.
  • the Figures 1A, 1B , 2A, 2B and 3 show at least a section of a device 10 for supplying gas fuel to a combustion chamber 11 of an internal combustion engine.
  • the gas fuel ie the gaseous fuel
  • the gas fuel can also contain methane, natural gas (e.g. CNG) and/or propane.
  • the internal combustion engine can be included, for example, in a motor vehicle, preferably a commercial vehicle (for example in a truck or bus), for driving the motor vehicle.
  • the device 10 has a cylinder head 12, an air inlet channel 14 and a gas fuel injection device 16, wherein the air inlet channel 14 and the gas fuel injection device 16 are arranged at least in sections in the cylinder head 12.
  • the cylinder head 12 can have a bottom or combustion chamber side 12a, which covers the combustion chamber 11 (cf. e.g. Figures 1A and 2B ).
  • the cylinder head 12 can have an upper side which is directed, for example, opposite to the combustion chamber side 12a.
  • the cylinder head 12 can have a lower region or region close to the combustion chamber, the so-called fire deck 12b.
  • the cylinder head 12 can have an upper region or region facing away from the combustion chamber 11. Cooling channels for cooling the cylinder head 12 can be arranged in the upper region.
  • the cylinder head 12 can be connected to the internal combustion engine by a cylinder block.
  • the cylinder head 12 can be a single-cylinder cylinder head 12 for covering only one combustion chamber 11. However, it is also possible for the cylinder head 12 to be a multi-cylinder cylinder head 12 for covering several combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the air inlet channel 14 can run at least partially in the cylinder head 12 (see e.g. Figure 1B ) .
  • the air inlet channel 14 can connect the combustion chamber side 12a with the top.
  • the air inlet channel 14 can open into the combustion chamber 11, e.g. via an air inlet opening 14a of the air inlet channel 14 (cf. e.g. Figures 1A and 3 ).
  • Air drawn in from the atmosphere (and possibly subsequently filtered) can be fed into the combustion chamber 11 via the air inlet channel 14 or the air inlet opening 14a.
  • the air inlet opening 14a can be closed by means of an inlet poppet valve (not shown).
  • the inlet poppet valve can be actuated, for example, via a mechanical valve drive comprising a camshaft and a rocker arm, a drag lever or tappet.
  • the air inlet channel 14 is designed to supply the combustion chamber 11 with an air flow 2 with a swirl (around a longitudinal center axis M of the combustion chamber) (see arrow in Figures 1A, 1B and 3 ). Accordingly, the supplied air flow 2 should preferably rotate about the longitudinal center axis M of the combustion chamber 11 or carry out a helical movement about the longitudinal center axis M of the combustion chamber 11.
  • the air inlet channel 14 can thus be designed, for example, as a swirl channel.
  • the air inlet channel 14 can, for example, have (at least in sections) a swirl-generating (e.g. spiral and/or curved) channel geometry.
  • the air inlet channel 14 can be designed such that the air flow 2 flows essentially tangentially into the combustion chamber 11 and is thereby set in a rotary movement.
  • at least one air guide element for generating swirl can also be arranged in the air inlet channel 14.
  • the device 10 can also have a further air inlet channel 14' (see e.g. Figures 1A, 1B and 3 ).
  • the further air inlet channel 14' can basically be designed like the aforementioned air inlet channel 14.
  • the further air inlet channel 14' can also be arranged at least in sections in the cylinder head 12 and open into the combustion chamber 11 via a further air inlet opening 14a'.
  • the further air inlet opening 14a' can be closed by means of a further inlet poppet valve.
  • the further air inlet channel 14' is designed as a filling channel or is not designed to impart a swirl or a rotary movement to air flowing into the combustion chamber 11 via the further air inlet channel 14'.
  • the further Air inlet channel 14' can have a flap mechanism by means of which the further air inlet channel 14' can be opened or closed depending on the operating point.
  • the further air inlet channel 14' can, however, also be a swirl channel.
  • the device 10 can have an air outlet channel 15 and optionally (e.g. in the case of a 4-valve arrangement) a further air outlet channel 15' (cf. e.g. Figures 1A, 1B and 3 ).
  • the air outlet channel 15 or the further air outlet channel 15' can be arranged at least in sections in the cylinder head 12 and/or run at least in sections in the cylinder head 12.
  • the air outlet channel 15 can be connected to the combustion chamber 11 via an air outlet opening 15a of the air outlet channel 15.
  • the further air outlet channel 15' can be connected to the combustion chamber 11 via a further air outlet opening 15a' of the further air outlet channel 15'.
  • Exhaust gas can be conducted out of the combustion chamber 11 via the air outlet channel 15 or the further air outlet channel 15'.
  • the air outlet opening 15a can be closed by means of an outlet poppet valve (not shown).
  • the further air outlet opening 15a ⁇ can be closed by means of a further outlet poppet valve (not shown).
  • the exhaust poppet valve or the further exhaust poppet valve can be actuated, for example, via a corresponding mechanical valve train, comprising a camshaft and a rocker arm, a rocker arm or tappet.
  • the air inlet opening 14, the further air inlet opening 14a', the air outlet opening 15a and the further air outlet opening 15a ⁇ can be arranged in a square in the cylinder head 12 around the longitudinal center axis M of the combustion chamber 11.
  • the cylinder head 12 can thus be designed as a four-valve engine or have a 4-valve arrangement.
  • a spark plug 18 or a glow plug of the device 10 can be arranged in the center, ie on the longitudinal center axis M.
  • the centers of the respective air inlet or air outlet opening 15a, 15a' can each have the same distance from the longitudinal center axis M or from the spark plug or glow plug.
  • the gas fuel injection device 16 can be designed to directly inject the gas fuel into the combustion chamber 11.
  • the gas fuel injection device 16 can be designed as a gas fuel injector.
  • the gas fuel injection device 16 or the gas fuel injector can have an injection pressure between 8 and 60 bar.
  • the gas fuel injection device 16 is preferably a low-pressure gas fuel injector with an injection pressure in a range between 10 bar and 30 bar. preferably around 20 bar.
  • the gas fuel injection device 16 can be integrated into the cylinder head 12 at least in sections.
  • the cylinder head 12 can have a through-opening into which the gas fuel injection device 16 is accommodated (e.g. pressed in and/or inserted) (cf. e.g. Figure 2B ).
  • the gas fuel injection device 16 may have a gas fuel supply line 16d (cf. Figure 2B ).
  • the gas fuel supply line 16d or the gas fuel injection device 16 can have a gas fuel outlet opening 16a.
  • the gas fuel supply line 16d can open into the combustion chamber 11 via the gas fuel outlet opening 16a.
  • Gas fuel provided from a gas fuel reservoir e.g. a gas fuel tank
  • the gas fuel outlet opening 16a can be closed by means of a gas fuel poppet valve 16b.
  • the gas fuel poppet valve 16b can be actuated, for example, via a mechanical valve train comprising a camshaft and a rocker arm, a drag lever or tappet.
  • the gas fuel poppet valve 16b can be actuated, for example, by means of an actuator.
  • the gas fuel outlet opening 16a can preferably be arranged set back from the combustion chamber side 12a of the cylinder head 12.
  • the fire deck 12b of the cylinder head 12 can have a recess 17 in which the gas fuel outlet opening 16a is arranged.
  • the gas fuel outlet opening 16a it is also possible for the gas fuel outlet opening 16a to be flush with the combustion chamber side 12a of the cylinder head 12.
  • the gas fuel injection device 16 can have a jet forming element 16c which is designed to form the gas fuel jet 4 (cf. Figures 2A and 2B ) .
  • the jet shaping element 16c can also be referred to as a mask.
  • the jet shaping element 16c is also arranged in the recess 17.
  • the jet shaping element 16c can be arranged downstream of the gas fuel outlet opening 16a of the gas fuel injection device 16.
  • the jet shaping element 16c can be arranged with respect to the longitudinal center axis M between the gas fuel outlet opening 16a and the combustion chamber side 12a.
  • the jet-forming element 16c and/or the gas fuel injection device 16 is preferably not rotationally symmetrical with respect to a longitudinal axis L of the gas fuel injection device 16.
  • the jet-forming element 16c can be arranged in a plane have a circular ring-segment-shaped and/or partially open cross-section perpendicular to the longitudinal axis L of the gas fuel injection device 16.
  • the jet shaping element 16c can surround the gas fuel outlet opening 16a (circumferentially) in sections (e.g. in an arc shape).
  • the jet-forming element 16c can have a web section 16c.1, e.g. at an end of the jet-forming element 16c facing the combustion chamber 11.
  • the web section 16c.1 can be formed, for example, on a sleeve, e.g. on an end face of the sleeve, of the jet-forming element 16c and/or of the gas fuel injection device 16.
  • the web section 16c.1 can be arranged set back from the combustion chamber side 12a of the cylinder head 12 and/or arranged completely within the cylinder head 12 (cf. Figure 2B ).
  • the web portion 16c.1 can be arranged downstream of the gas fuel outlet opening 16a.
  • the web section 16c.1 can be (in a plane perpendicular to the longitudinal central axis M) arc-shaped and/or (e.g. circular) ring-segment-shaped (cf. Figure 2A ).
  • the web section 16c.1 should therefore preferably not be closed on the circumference.
  • the web section 16c.1 can be open, for example, at least one quarter of the way in a plane perpendicular to the longitudinal center axis M.
  • the web section 16c.1 can be curved around the longitudinal axis L of the gas fuel injection device 16.
  • the web section 16c.1 can extend over a center angle of between 180° and 270°, preferably between 195° and 225°, with respect to the longitudinal axis L of the gas fuel injection device 16. Accordingly, a corresponding area with a center angle of between 180° and 90°, preferably between 165° and 135°, can be open. As in Figure 2B As shown, a rotationally symmetrical spread of the gas fuel can be blocked or hindered by the web section 16c.1 when the gas fuel poppet valve is open. For example, an outflow area for the gas fuel between a valve head 16b.1 of the gas fuel poppet valve 16b and the cylinder head 12 can be narrowed (section by section) by the web section 16c.1.
  • the gas fuel injection device 16 can be designed to generate the gas fuel jet 4 in such a way that the gas fuel jet 4 is oriented essentially transversely, preferably perpendicularly, to the longitudinal axis L of the gas fuel injection device 16.
  • the gas fuel jet 4 can thus, for example, extend essentially in a plane perpendicular to the longitudinal center axis M of the combustion chamber 11 or primarily have radial and tangential flow components with respect to the longitudinal center axis M of the combustion chamber 11.
  • the gas fuel injection device 16 can be arranged and/or designed to generate the gas fuel jet 4 in the combustion chamber 11 such that it is directed against the swirl of the air flow 2.
  • the gas fuel injection device 16 can be arranged and/or designed to generate the gas fuel jet 4 such that the gas fuel jet 4 has a swirl direction that is opposite to a swirl direction (cf. e.g. arrows in Figures 1A and 3 ) of the air flow 2.
  • a swirl direction cf. e.g. arrows in Figures 1A and 3
  • the gaseous fuel jet 4 generated by the gaseous fuel injection device 16 should preferably have a left-hand twist or be oriented opposite to the right-hand twist of the air flow 2.
  • the gaseous fuel injection device 16 can thus have an injection direction that is directed against the twist of the air flow 2.
  • the gas fuel injection device 16 can be designed to generate the gas fuel jet 4 such that the gas fuel jet 4 (in a plane perpendicular to the longitudinal center axis M) is inclined towards the longitudinal center axis M, e.g. with respect to a (in Figure 1A shown in dashed lines) tangent T (at the location of the gas fuel injection device 16) to the longitudinal center axis M.
  • the gas fuel jet 4 can be inclined with respect to the tangent T by an angle between 10° and 30° to the longitudinal center axis M.
  • the gas fuel injection device 16 can be designed to generate the gas fuel jet 4 such that the gas fuel jet 4 is essentially curved and/or essentially directed away from a wall of the combustion chamber 11.
  • the gas fuel injection device 16 can also be designed to generate a further gas fuel jet 4a.
  • this can also be referred to as a second gas fuel jet 4a, for example, while the above-mentioned gas fuel jet 4 can also be referred to as a first gas fuel jet 4 for better differentiation.
  • the gas fuel injection device 16 is preferably designed to generate the second gas fuel jet 4a in such a way that the second gas fuel jet 4a extends away from the cylinder head 12 and/or runs essentially parallel to the longitudinal center axis M of the combustion chamber 11. Accordingly, the second gas fuel jet 4a can have essentially axial flow components.
  • the gas fuel injection device 16 is arranged off-center in the cylinder head 12.
  • the gas fuel injection device 16 can be arranged offset and/or parallel to the longitudinal center axis M of the combustion chamber 11.
  • the gas fuel injection device 16 can be arranged, for example, in an outer edge region of the combustion chamber side 12a of the cylinder head 12.
  • the gas fuel injection device 16 is arranged downstream of the air inlet opening 14a and/or the further air inlet opening 14a' with respect to the swirl direction of the air flow 2 and upstream of the air outlet opening 15a and/or the further air outlet opening 15a' (cf. Figure 1A ).
  • the gas fuel injection device 16 can be arranged in a mirror plane between the air inlet openings 14a, 14a ⁇ and the air outlet openings 15a, 15a'.
  • the gas fuel injection device 16 can be arranged downstream of the air outlet opening 15a and upstream of the further air outlet opening 15a' with respect to the swirl direction of the air flow 2 and/or on a mirror plane between the two air outlet openings 15a, 15a'.
  • the gas fuel injection device 16 can be arranged downstream of the air inlet opening 14a and upstream of the further air inlet opening 14a' with respect to the swirl direction of the air flow 2 (shown in dotted lines).
  • the gas fuel injection device 16 can also be arranged downstream of the air outlet opening 15a and/or the further air outlet opening 15a' with respect to the swirl direction of the air flow 2 and arranged upstream of the air inlet opening 14a and/or the further air inlet opening 14a' (shown in dotted lines).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Zuführung von Gaskraftstoff zu einer Verbrennungskammer (11) einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung (10) weist einen Zylinderkopf (12) zum Abdecken der Verbrennungskammer (11) auf. Ferner weist die Vorrichtung (10) einen Lufteinlasskanal (14) auf, der in dem Zylinderkopf (12) angeordnet ist und ausgebildet ist, der Verbrennungskammer (11) eine Luftströmung (2) mit einem Drall um eine Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) zuzuführen. Weiterhin weist die Vorrichtung (10) eine Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) auf, die in dem Zylinderkopf (12) angeordnet ist und ausgebildet ist, einen Gaskraftstoffstrahl (4) zu erzeugen, der gegen den Drall der Luftströmung (2) gerichtet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer ebensolchen Vorrichtung (10) sowie ein Verfahren zur Zuführung von Gaskraftstoff zu einer Verbrennungskammer (11) einer Brennkraftmaschine.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer ebensolchen Vorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zuführen von Gaskraftstoff zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine.
  • Es ist bekannt, Gaseinblasventile zum direkten Zuführen von Gaskraftstoff in eine Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine zu verwenden. Beispielsweise sind in diesem Zusammenhang Mehrlochdüsen bzw. Mehrlochdüsenkuppen an Nadelventilen bekannt. Ferner existieren auch Gasinjektoren mit Tellerventilen.
  • Insbesondere bei Niederdruck-Wasserstoff-Anwendungen mit einem Einblasedruck bis etwa 20 bar ergibt sich für eine Direkteinblasung bei geschlossenen Einlassventilen meist nur ein kurzes Zeitfenster, in dem Gas eingeblasen werden kann, da der Zylinderdruck geringer als der Gasdruck sein muss. Entsprechend muss in der Regel viel Gas innerhalb kurzer Zeit dem Brennraum zugeführt werden, was zu lokal hohen Konzentrationen führen kann, welche bis zur Zündung homogenisiert werden sollten, da ansonsten eine Gefahr für Selbstzündungen besteht und die Emissionen erhöht sein können.
  • Mit den bekannten Injektoren, welche in der Regel eine rotationssymmetrische bzw. eine am Umfang der Verbrennungskammer gleichmäßig verteilte Einströmung bewirken, wird oftmals keine ausreichende Homogenisierung des Gas-Luft-Gemisches erreicht, sodass sich zum Zündzeitpunkt mitunter lokal fette Gebiete ergeben, was wie eingangs erwähnt z. B. in erhöhten Emissionen resultieren kann.
  • Weiterhin nachteilig an den bekannten Injektoren ist, dass diese oftmals in die Verbrennungskammer hineinragen und sich entsprechend stark erhitzen, was bspw. zu Glühzündungen führen kann. Außerdem weisen die bislang bekannten Konzepte oftmals einen Totraum zwischen Öffnungsnadel und Kuppe bzw. zwischen Ventil und Blaskappe auf. Durch eine mangelnde Spülung dieses Totraums in Kombination mit den hohen Bauteiltemperaturen ist dort die Neigung zu Glühzündungen erhöht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für eine verbesserte Zuführung von Gaskraftstoff zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine zu schaffen. Bevorzugt ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels derer in kurzer Zeit eine möglichst homogene Gasverteilung in der Verbrennungskammer erreicht werden kann und/oder Glühzündungen möglichst vermieden werden können.
  • Diese Aufgaben können mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
  • Ein erster unabhängiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff (z. B. Wasserstoff) zu einer (z. B. zylinderförmigen) Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine (z. B. einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine) .
  • Die Vorrichtung weist einen Zylinderkopf zum Abdecken der Verbrennungskammer auf. Bevorzugt dient der Zylinderkopf dazu, die Verbrennungskammer nach oben hin abzuschließen.
  • Weiterhin weist die Vorrichtung (mindestens) einen (z. B. gekrümmten) Lufteinlasskanal (z. B. einen Drall-Lufteinlasskanal) auf, der (zumindest abschnittsweise) in dem Zylinderkopf angeordnet ist. Der Lufteinlasskanal ist hierbei ausgebildet, der Verbrennungskammer eine Luftströmung mit einem Drall um eine Längsmittelachse der Verbrennungskammer zuzuführen. Beispielsweise kann der Lufteinlasskanal ausgebildet sein, der über den Lufteinlasskanal in die Verbrennungskammer einströmenden Luft einen Drall bzw. eine Drehbewegung aufzuprägen. Dies kann bspw. über eine entsprechende (z. B. spiralförmige und/oder gekrümmte) Formgebung bzw. Kanalführung des Lufteinlasskanals erreicht werden. Zudem oder alternativ kann der Lufteinlasskanal auch eine Dralleinrichtung (z. B. ein Luftleitelement) umfassen.
  • Ferner weist die Vorrichtung eine Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (z. B. einen Gaskraftstoff-Injektor, insbesondere einen Wasserstoff-Injektor) auf, wobei die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (zumindest abschnittsweise) in dem Zylinderkopf angeordnet ist. Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ist dazu ausgebildet, einen (z. B. gerichteten) Gaskraftstoffstrahl (in der Verbrennungskammer) zu erzeugen, der gegen den Drall der Luftströmung gerichtet ist, vorzugsweise um die Luftströmung und den Gaskraftstoffstrahl (z. B. turbulent) miteinander zu vermischen.
  • Insgesamt kann durch diese gerichtete und gezielt auf die Luftzirkulation in der Verbrennungskammer abgestimmte Einblasung des Gaskraftstoffs auf vorteilhafte Weise eine möglichst homogene Gemischbildung in der Verbrennungskammer erreicht werden, wodurch Emissionen der Brennkraftmaschine vermindert und unerwünschte Selbstzündungen vermieden bzw. reduziert werden können.
  • Gemäß einem ersten Aspekt kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung außermittig (bzw. dezentral) in dem Zylinderkopf angeordnet sein. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung in einem Außenrandbereich einer der Verbrennungskammer zugewandten Brennraumseite des Zylinderkopfes angeordnet sein.
  • Zudem oder alternativ kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung versetzt und/oder parallel zur Längsmittelachse der Verbrennungskammer angeordnet sein. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung von der Längsmittelachse radial beabstandet sein. Der Ausdruck Längsmittelachse kann dabei im Allgemeinen bspw. jene Achse der Verbrennungskammer bezeichnen, die der Richtung ihrer größten Ausdehnung entspricht und/oder die zentral durch die Verbrennungskammer verläuft. Bevorzugt ist die Verbrennungskammer rotationssymmetrisch bzgl. der Längsmittelachse ausgebildet. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch sichergestellt werden, dass der Gaskraftstoffstrahl möglichst zuverlässig gegen den Drall der Luftströmung gerichtet werden kann.
  • Nach einem weiteren Aspekt kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl eine Drallrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu einer Drallrichtung der Luftströmung orientiert ist. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl derart zu erzeugen, dass dieser einen Rechtsdrall aufweist, falls die Luftströmung einen Linksdrall aufweist und umgekehrt. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch eine möglichst turbulente Durchmischung zwischen Luft und Gaskraftstoff sichergestellt werden.
  • Zudem oder alternativ kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl im Wesentlichen quer (z. B. senkrecht) zu einer Längsachse der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung orientiert ist. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl im Wesentlichen seitlich von der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung bzw. von deren Längsachse weg gerichtet ist. Als Längsachse der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung kann dabei im Allgemeinen bspw. jene Achse der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung verstanden werden, die der Richtung ihrer größten Ausdehnung entspricht. Bevorzugt ist die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung dabei derart angeordnet, dass deren Längsachse versetzt und/oder parallel zur Längsmittelachse der Verbrennungskammer angeordnet ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl nicht (exakt) tangential bezüglich der Längsmittelachse der Verbrennungskammer einzublasen. Der Gaskraftstoffstrahl soll somit vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse der Verbrennungskammer nicht senkrecht zur einer (gedachten) direkten Verbindung zwischen der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung und der Längsmittelachse orientiert sein.
  • Zudem oder alternativ kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl (in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse) sekantenförmig in der Verbrennungskammer verläuft.
  • Zudem oder alternativ kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl hin zur Längsmittelachse geneigt ist, vorzugsweise (in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse) bezüglich einer (gedachten) Tangente (am Ort der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung) zur Längsmittelachse. Beispielsweise kann der Gaskraftstoffstrahl bezüglich der Tangente um einen Winkel zwischen 10° und 30° zur Längsmittelachse hin geneigt sein. Auf vorteilhafte Weise kann der Gaskraftstoffstrahl dadurch von einer Wandung der Verbrennungskammer weg gekrümmt bzw. weg gerichtet sein, wodurch hohe Gaskraftstoffkonzentrationen am Rand eines Kolbens der Brennkraftmaschine bzw. zwischen Kolben und Zylinderwand möglichst vermieden werden können.
  • Nach einem weiteren Aspekt kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung eine (z. B. verschließbare) Gaskraftstoffaustrittsöffnung aufweisen. Bevorzugt ist die Gaskraftstoffaustrittsöffnung dabei (z. B. vollständig) in dem Zylinderkopf angeordnet und/oder in den Zylinderkopf integriert. Vorzugsweise weist die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ferner ein, z. B. elektrisch und/oder hydraulisch betätigbares, (z. B. Gaskraftstoff-) Tellerventil auf, mittels dessen die Gaskraftstoffaustrittsöffnung öffenbar und/oder verschließbar ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Gaskraftstoffaustrittsöffnung und/oder die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung bündig mit einer der Verbrennungskammer zugewandten Brennraumseite des Zylinderkopfes abschließen. Auf vorteilhafte Weise können dadurch exponierte bzw. in die Verbrennungskammer ragende Stellen, die sich entsprechend aufheizen und dadurch als Zündquellen für Selbstzündungen dienen können, möglichst vermieden werden.
  • Alternativ kann die Gaskraftstoffaustrittsöffnung und/oder die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung bezüglich einer bzw. der Verbrennungskammer zugewandten Brennraumseite des Zylinderkopfes zurückversetzt angeordnet sein. Beispielsweise kann die Gaskraftstoffaustrittsöffnung in einer in der Brennraumseite des Zylinderkopfes vorgesehenen Vertiefung angeordnet sein. Zudem oder alternativ kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (zur Verbrennungskammer hin) bereits vor der Brennraumseite des Zylinderkopfes enden.
  • Zudem oder alternativ kann der Zylinderkopf ein Feuerdeck mit einer Aussparung (z. B. in Form einer Materialausnehmung) aufweisen. Als Feuerdeck kann dabei im Allgemeinen bspw. ein verbrennungskammernaher (z. B. unterer) Bereich des Zylinderkopfs verstanden werden bzw. ein Bereich des Zylinderkopfs, der entsprechend starken thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Bevorzugt ist die Gaskraftstoffaustrittsöffnung hierbei in der Aussparung angeordnet. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch wiederum eine möglichst geschützte und wenig exponierte Anordnung der Gaskraftstoffaustrittsöffnung bzw. der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung erreicht werden, wodurch ein übermäßiges Aufheizen dieser Teile und damit Glühzündungen möglichst vermieden werden können.
  • Nach einem weiteren Aspekt kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ein (z. B. nicht rotationssymmetrisches) Strahlformelement (z. B. ein Formteil, insbesondere aus Metall) zum Formen des Gaskraftstoffstrahls aufweisen. Beispielsweise kann das Strahlformelement in Form eines Einsatzes ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Strahlformelement in einer bzw. der Vertiefung der Brennraumseite des Zylinderkopfes angeordnet und/oder in einer bzw. der Aussparung eines bzw. des Feuerdecks des Zylinderkopfes angeordnet. Weiterhin bevorzugt umgibt das Strahlformelement die Gaskraftstoffaustrittsöffnung abschnittsweise (z. B. in Form eines Kreisringsegments). Auf vorteilhafte Weise kann dadurch eine gezielte bzw. an den Drall der Luftströmung angepasste Strahlformung erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Strahlformelement bündig mit und/oder zurückversetzt zu einer bzw. der, der Verbrennungskammer zugewandten Brennraumseite des Zylinderkopfes angeordnet sein.
  • Zudem oder alternativ kann das Strahlformelement vollständig innerhalb des Zylinderkopfes angeordnet sein und/oder in den Zylinderkopf integriert sein.
  • Zudem oder alternativ kann das Strahlformelement gaskraftstoffstromabwärts von einem Ventilkopf (z. B. eines Tellerventils) und/oder einer bzw. der Gaskraftstoffaustrittsöffnung der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung angeordnet sein. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch wiederum eine möglichst geschützte und wenig exponierte Anordnung des Strahlformelements sichergestellt werden.
  • Nach einem weiteren Aspekt kann das Strahlformelement einen bogenförmigen und/oder (z. B. kreis-) ringsegmentförmigen Stegabschnitt aufweisen. Bevorzugt erstreckt sich der Stegabschnitt dabei (in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse) über einen Winkelbereich von 180° bis 270°, vorzugsweise von 195° bis 225°, und/oder der Stegabschnitt weist einen Mittelpunktswinkel zwischen 180° bis 270°, vorzugsweise zwischen 195° und 225°, auf.
  • Zudem oder alternativ kann das Strahlformelement in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse nicht rotationssymmetrisch und/oder teilweise offen ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Strahlformelement mindestens zu einem Viertel offen, vorzugsweise höchstens jedoch halboffen sein. Bevorzugt ist das Strahlformelement in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse in einem Winkelbereich zwischen 90° und 180°, vorzugsweise zwischen 135° und 165°, offen. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch wiederum eine auf den Drall der Luftströmung abgestimmte Strahlformung erreicht werden. Durch eine direkte thermische Anbindung des Strahlformelements an die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung kann ferner eine gute Wärmableitung sichergestellt werden und so auf vorteilhafte Weise die Bauteiltemperatur gesenkt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, einen weiteren (z. B. zweiten) Gaskraftstoffstrahl zu erzeugen. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl, welcher in diesem Zusammenhang auch als erster Gaskraftstoffstrahl bezeichnet werden kann, in eine erste Strahlrichtung (gegen den Drall der Luftströmung) gerichtet zu erzeugen und den weiteren (bzw. zweiten) Gaskraftstoffstrahl in eine, von der ersten Strahlrichtung unterschiedliche, zweite Strahlrichtung gerichtet zu erzeugen. Der erste Gaskraftstoffstrahl und zweite Gaskraftstoffstrahl sollen somit bevorzugt unterschiedlich orientiert sein.
  • In einer Ausführungsform kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung ausgebildet sein, den weiteren (bzw. zweiten) Gaskraftstoffstrahl derart zu erzeugen, dass sich der weitere (bzw. zweite) Gaskraftstoffstrahl von dem Zylinderkopfweg erstreckt und/oder dass der weitere Gaskraftstoffstrahl im Wesentlichen parallel zu der Längsmittelachse der Verbrennungskammer verläuft. Beispielsweise kann der weitere (bzw. zweiten) Gaskraftstoffstrahl im Wesentlichen nach unten und/oder zu einem dem Zylinderkopf gegenüberliegenden Kolben der Verbrennungskammer orientiert sein. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch schnell eine möglichst homogene Gemischbildung in der gesamten Verbrennungskammer realisiert werden.
  • Nach einem weiteren Aspekt kann der Lufteinlasskanal eine Lufteinlassöffnung aufweisen, über die der Luftauslasskanal in die Verbrennungskammer mündet. Bevorzugt ist die Lufteinlassöffnung (z. B. vollständig) in dem Zylinderkopf angeordnet. Weiterhin kann die Vorrichtung (mindestens) einen Luftauslasskanal zum Abführen von Abgas aus der Verbrennungskammer aufweisen. Beispielsweise kann auch der Luftauslasskanal zumindest abschnittsweise in dem Zylinderkopf angeordnet sein. Der Luftauslasskanal kann dabei eine (z. B. vollständig in dem Zylinderkopf angeordnete) Luftauslassöffnung aufweisen, über die der Luftauslasskanal in die Verbrennungskammer mündet. Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung kann dabei, bezüglich einer Drallrichtung der Luftströmung, stromab von der Lufteinlassöffnung und stromauf von der Luftauslassöffnung angeordnet sein. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch das Bereitstellen eines möglichst effektiv gegen den Drall der Luftströmung ausgerichteten Gaskraftstoffstrahls ermöglicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Vorrichtung ferner eine Zündkerze oder eine Glühkerze aufweisen. Die Zündkerze oder Glühkerze kann bspw. mittig in dem Zylinderkopf angeordnet sein. Beispielsweise kann die Zündkerze oder Glühkerze in einem zentralen Bereich einer der Verbrennungskammer zugewandten Brennraumseite des Zylinderkopfes angeordnet sein. Zudem oder alternativ kann die Zündkerze oder Glühkerze auch auf der Längsmittelachse der Verbrennungskammer angeordnet sein.
  • Weiterhin betrifft die Offenbarung eine Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine weist einen Zylinderblock mit mindestens einem Zylinder auf. Die Brennkraftmaschine weist ferner einen Kolben auf, der innerhalb des mindestens einen Zylinders für eine Vor- und Rückwärtsbewegung darin angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine bzw. der mindestens eine Zylinder weist ferner eine (z. B. zylindrische) Verbrennungskammer auf. Die Verbrennungskammer kann (z. B. unten) von dem Kolben und/oder (z. B. seitlich) von dem Zylinderblock begrenzt werden. Die Verbrennungskammer kann rotationssymmetrisch um eine Achse herum ausgebildet sein, welche auch als Längsmittelachse bezeichnet werden kann. Bevorzugt ist die Längsmittelachse eine Hochachse, d. h. entlang der Schwerkraftrichtung orientiert. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine eine Vorrichtung, wie in diesem Dokument beschrieben ist, zur Zuführung von Gaskraftstoff zu der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine auf. Bevorzugt deckt der Zylinderkopf der Vorrichtung dabei die Verbrennungskammer ab. Beispielsweise kann die Brennkraftmaschine als ein direkteinblasender Gaskraftstoffmotor, vorzugsweise Wasserstoffmotor, ausgebildet sein.
  • Ferner betrifft die Offenbarung ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Brennkraftmaschine und/oder Vorrichtung, wie in diesem Dokument beschrieben. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Nutzfahrzeug. Unter einem Nutzfahrzeug kann dabei im Allgemeinen bspw. ein Fahrzeug verstanden werden, das durch seine Bauart und Einrichtung speziell zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. Beispielsweise kann das Nutzfahrzeug ein Lastkraftwagen, ein Sattelschlepper, ein Baustellenfahrzeug, ein Omnibus und/oder eine landwirtschaftliche Maschine (z. B. ein Traktor) sein.
  • Weiterhin betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Zuführen von Gaskraftstoff (z. B. Wasserstoff) zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine. Bevorzugt wird das Verfahren mittels einer Vorrichtung, wie in diesem Dokument beschrieben, durchgeführt. Das Verfahren weist ein Zuführen einer Luftströmung mit einem Drall um eine Längsmittelachse der Verbrennungskammer mittels eines Lufteinlasskanals auf. Ferner weist das Verfahren ein Erzeugen eines (z. B. gerichteten) Gaskraftstoffstrahls, der gegen den Drall der Luftströmung gerichtet ist, mittels einer Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung auf, vorzugsweise um die Luftströmung und den Gaskraftstoffstrahl turbulent miteinander zu vermischen.
  • Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1A
    eine Ansicht auf eine Brennraumseite einer Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff gemäß einer Ausführungsform;
    Figur 1
    B eine pseudo-dreidimensionale Ansicht einer Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff gemäß einer Ausführungsform;
    Figur 2A
    eine Detaildarstellung eines Strahlformelements einer Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff gemäß einer Ausführungsform;
    Figur 2B
    eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff gemäß einer Ausführungsform im Bereich einer Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung der Vorrichtung; und
    Figur 3
    eine Ansicht auf eine Brennraumseite einer Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • Die in den Figuren 1A, 1B, 2A, 2B und 3 gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, sodass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
  • Die Figuren 1A, 1B, 2A, 2B und 3 zeigen zumindest ausschnittsweise eine Vorrichtung 10 zur Zuführung von Gaskraftstoff zu einer Verbrennungskammer 11 einer Brennkraftmaschine. Bevorzugt handelt es sich bei dem Gaskraftstoff, d. h. dem gasförmigen Kraftstoff, um Wasserstoff. Zudem oder alternativ kann der Gaskraftstoff auch Methan, Erdgas (z. B. CNG) und/oder Propan aufweisen. Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise einem Nutzfahrzeug (zum Beispiel in einem Lastkraftwagen oder Omnibus), zum Antreiben des Kraftfahrzeugs umfasst sein.
  • Die Vorrichtung 10 weist einen Zylinderkopf 12, einen Lufteinlasskanal 14 und eine Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 auf, wobei der Lufteinlasskanal 14 und die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 zumindest abschnittsweise in dem Zylinderkopf 12 angeordnet sind.
  • Der Zylinderkopf 12 kann dabei eine Unterseite bzw. Brennraumseite 12a aufweisen, welche die Verbrennungskammer 11 abdeckt (vgl. z. B. Figuren 1A und 2B). Der Zylinderkopf 12 kann eine Oberseite aufweisen, die bspw. entgegengesetzt zu der Brennraumseite 12a gerichtet ist. Der Zylinderkopf 12 kann einen unteren bzw. verbrennungskammernahen Bereich, das sog. Feuerdeck 12b, aufweisen. Ferner kann der Zylinderkopf 12 wurde einen oberen bzw. der Verbrennungskammer 11 abgewandten Bereich aufweisen. In dem oberen Bereich können Kühlkanäle zum Kühlen des Zylinderkopfs 12 angeordnet sein. Der Zylinderkopf 12 kann mit einem Zylinderblock mit der Brennkraftmaschine verbunden sein. Der Zylinderkopf 12 kann ein Einzylinder-Zylinderkopf 12 zum Abdecken von nur einer Verbrennungskammer 11 sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Zylinderkopf 12 ein Mehrzylinder-Zylinderkopf 12 zum Abdecken mehrerer Verbrennungskammern der Brennkraftmaschine ist.
  • Der Lufteinlasskanal 14 kann zumindest abschnittsweise in dem Zylinderkopf 12 verlaufen (vgl. z. B. Figur 1B) . Beispielsweise kann der Lufteinlasskanal 14 die Brennraumseite 12a mit der Oberseite verbinden. Der Lufteinlasskanal 14 kann, z. B. über eine Lufteinlassöffnung 14a des Lufteinlasskanals 14, in die Verbrennungskammer 11 münden (vgl. z. B. Figuren 1A und 3). Über den Lufteinlasskanal 14 bzw. die Lufteinlassöffnung 14a kann aus der Atmosphäre angesaugte (ggf. anschließend gefilterte) Luft in die Verbrennungskammer 11 zuführbar sein. Die Lufteinlassöffnung 14a kann mittels eines Einlass-Tellerventils (nicht dargestellt) verschließbar sein. Das Einlass-Tellerventil kann bspw. über einen mechanischen Ventiltrieb umfassend eine Nockenwelle und einen Kipphebel, einen Schlepphebel oder Stößel betätigbar sein.
  • Weiterhin ist der Lufteinlasskanal 14 ausgebildet, der Verbrennungskammer 11 eine Luftströmung 2 mit einem Drall (um eine Längsmittelachse M der Verbrennungskammer) zuzuführen (vgl. Pfeil in Figuren 1A, 1B und 3). Entsprechend soll die zugeführte Luftströmung 2 bevorzugt um die Längsmittelachse M der Verbrennungskammer 11 rotieren bzw. eine schraubenförmige Bewegung um die Längsmittelachse M der Verbrennungskammer 11 ausführen. Der Lufteinlasskanal 14 kann somit bspw. als ein Drallkanal ausgebildet sein. Um der, der Verbrennungskammer 11 zugeführten Luftströmung 2 einen entsprechenden Drall bzw. eine entsprechende Drehbewegung aufzuprägen, kann der Lufteinlasskanal 14 bspw. (zumindest abschnittsweise) eine drallerzeugende (z. B. spiralförmige und/oder gekrümmte) Kanalgeometrie aufweisen. Es ist auch möglich, dass der Lufteinlasskanal 14 derart ausgebildet sein, dass die Luftströmung 2 im Wesentlichen tangential in die Verbrennungskammer 11 einströmt und dadurch in eine Drehbewegung versetzt wird. Zudem oder alternativ kann in dem Lufteinlasskanal 14 auch zumindest ein Luftleitelement zur Drallerzeugung angeordnet sein.
  • Zusätzlich zu dem vorgenannten Lufteinlasskanal 14 kann die Vorrichtung 10 (z. B. im Fall einer 4-Ventil-Anordnung) auch einen weiteren Lufteinlasskanal 14' aufweisen (vgl. z. B. Figuren 1A, 1B und 3). Der weitere Lufteinlasskanal 14' kann grundsätzlich wie der vorgenannte Lufteinlasskanal 14 ausgebildet sein. Beispielsweise kann sich auch der weitere Lufteinlasskanal 14' zumindest abschnittsweise in dem Zylinderkopf 12 angeordnet sein und über eine weitere Lufteinlassöffnung 14a' in die Verbrennungskammer 11 münden. Weiterhin kann die weitere Lufteinlassöffnung 14a`mittels eines weiteren Einlass-Tellerventils verschließbar sein. Bevorzugt ist der weitere Lufteinlasskanal 14`jedoch als ein Füllkanal ausgebildet bzw. gerade nicht dazu ausgebildet, einer über den weiteren Lufteinlasskanal 14' in die Verbrennungskammer 11 einströmenden Luft einen Drall bzw. eine Drehbewegung aufzuprägen. Der weitere Lufteinlasskanal 14' kann einen Klappenmechanismus aufweisen, mittels dessen der weitere Lufteinlasskanal 14' betriebspunktabhängig geöffnet oder geschlossen werden kann. Der weitere Lufteinlasskanal 14' kann jedoch auch ein Drallkanal sein.
  • Ferner kann die Vorrichtung 10 einen Luftauslasskanal 15 und ggf. z. B. im Fall einer 4-Ventil-Anordnung) einen weiteren Luftauslasskanal 15' aufweisen (vgl. z. B. Figuren 1A, 1B und 3). Der Luftauslasskanal 15 bzw. der weitere Luftauslasskanal 15' kann zumindest abschnittsweise in dem Zylinderkopf 12 angeordnet sein und/oder zumindest abschnittsweise in dem Zylinderkopf 12 verlaufen. Der Luftauslasskanal 15 kann über eine Luftauslassöffnung 15a des Luftauslasskanals 15 mit der Verbrennungskammer 11 verbunden sein. Ebenso kann der weitere Luftauslasskanal 15' über eine weitere Luftauslassöffnung 15a' des weiteren Luftauslasskanals 15' mit der Verbrennungskammer 11 verbunden sein. Über den Luftauslasskanal 15 bzw. den weiteren Luftauslasskanal 15' kann Abgas aus der Verbrennungskammer 11 fortführbar sein. Die Luftauslassöffnung 15a kann mittels eines Auslass-Tellerventils (nicht dargestellt) verschließbar sein. Ebenso kann die weitere Luftauslassöffnung 15a` mittels eines weiteren Auslass-Tellerventils (nicht dargestellt) verschließbar sein. Das Auslass-Tellerventil bzw. das weitere Auslass-Tellerventil kann bspw. über einen entsprechenden mechanischen Ventiltrieb, umfassend eine Nockenwelle und einen Kipphebel, einen Schlepphebel oder Stößel betätigbar sein.
  • Wie in Figur 1A dargestellt, können die Lufteinlassöffnung 14, die weitere Lufteinlassöffnung 14a', die Luftauslassöffnung 15a und die weitere Luftauslassöffnung 15a` quadratisch im Zylinderkopf 12 um die Längsmittelachse M der Verbrennungskammer 11 herum angeordnet sein. Der Zylinderkopf 12 kann somit als ein Vierventiler ausgebildet sein bzw. eine 4-Ventil-Anordnung aufweisen. Im Zentrum, d. h. auf der Längsmittelachse M, kann eine Zündkerze 18 oder eine Glühkerze der Vorrichtung 10 angeordnet sein. Die Mittelpunkte der jeweiligen Lufteinlass- bzw. Luftauslassöffnung 15a, 15a' können jeweils den gleichen Abstand zur Längsmittelachse M bzw. zur Zünd- oder eine Glühkerze aufweisen.
  • Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 kann zum direkten Einblasen des Gaskraftstoffs in die Verbrennungskammer 11 ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 als ein Gaskraftstoff-Injektor ausgebildet sein. Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 bzw. der Gaskraftstoff-Injektor kann einen Einblasdruck zwischen 8 und 60 bar aufweisen. Bevorzugt handelt es sich bei der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 um einen Niederdruck-Gaskraftstoff-Injektor mit einem Einblasdruck in einem Bereich zwischen 10 bar und 30 bar, vorzugsweise um 20 bar. Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 kann dabei zumindest abschnittsweise in den Zylinderkopf 12 integriert sein. Beispielsweise kann der Zylinderkopf 12 eine Durchgangsöffnung aufweisen, in die die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 aufgenommen (z. B. eingepresst und/oder eingesteckt) ist (vgl. z. B. Figur 2B).
  • Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 kann eine Gaskraftstoffzufuhrleitung 16d aufweisen (vgl. Figur 2B). Die Gaskraftstoffzufuhrleitung 16d bzw. die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 kann eine Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a aufweisen. Die Gaskraftstoffzufuhrleitung 16d kann über die Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a in die Verbrennungskammer 11 münden. Über die Gaskraftstoffzufuhrleitung 16d bzw. die Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a kann von einem Gaskraftstoffreservoir (z. B. einem Gaskraftstofftank) bereitgestellter Gaskraftstoff in die Verbrennungskammer 11 zuführbar sein. Die Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a kann mittels eines Gaskraftstoff-Tellerventils 16b verschließbar sein. Das Gaskraftstoff-Tellerventil 16b kann bspw. über einen mechanischen Ventiltrieb, umfassend eine Nockenwelle und einen Kipphebel, einen Schlepphebel oder Stößel, betätigbar sein. Alternativ kann das Gaskraftstoff-Tellerventil 16b beispielsweise mittels eines Aktors betätig werden.
  • Wie in Figur 2B dargestellt ist, kann die Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a bevorzugt zurückversetzt zur Brennraumseite 12a des Zylinderkopfes 12 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Feuerdeck 12b des Zylinderkopfes 12 eine Aussparung 17 aufweisen, in der die Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a auch bündig mit der Brennraumseite 12a des Zylinderkopfes 12 abschließt.
  • Ferner kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 ein Strahlformelement 16c aufweisen, das zum Formen des Gaskraftstoffstrahls 4 ausgebildet ist (vgl. Figur 2A und 2B) . Das Strahlformelement 16c kann auch als Maskierung bezeichnet werden. Bevorzugt ist auch das Strahlformelement 16c in der Aussparung 17 angeordnet. Das Strahlformelement 16c kann gaskraftstoffstromabwärts von der Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Strahlformelement 16c bzgl. der Längsmittelachse M zwischen der Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a und der Brennraumseite 12a angeordnet sein.
  • Weiterhin ist das Strahlformelement 16c und/oder die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 vorzugsweise nicht rotationssymmetrisch bezüglich einer Längsachse L der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 ausgebildet. Beispielsweise kann das Strahlformelement 16c in einer Ebene senkrecht zur Längsachse L der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 einen kreisringsegmentförmigen und/oder teilweise offen Querschnitt aufweisen. Entsprechend kann das Strahlformelement 16c die Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a (umfangseitig) abschnittsweise (z. B. bogenförmig) umgeben.
  • Das Strahlformelement 16c kann einen Stegabschnitt 16c.1 aufweisen, z. B. an einem der Verbrennungskammer 11 zugewandten Ende des Strahlformelements 16c. Der Stegabschnitt 16c.1 kann bspw. an eine Hülse, z. B. an eine Stirnseite der Hülse, des Strahlformelements 16c und/oder der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 angeformt sein. Der Stegabschnitt 16c.1 kann zurückversetzt zur Brennraumseite 12a des Zylinderkopfes 12 angeordnet sein und/oder vollständig innerhalb des Zylinderkopfes 12 angeordnet sein (vgl. Figur 2B). Der Stegabschnitt 16c.1 kann gaskraftstoffstromabwärts von der einer Gaskraftstoffaustrittsöffnung 16a angeordnet sein.
  • Der Stegabschnitt 16c.1 kann (in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse M) bogenförmigen und/oder (z. B. kreis-) ringsegmentförmig sein (vgl. Figur 2A). Der Stegabschnitt 16c.1 soll somit vorzugsweise umfangsseitig nicht geschlossen sein. Der Stegabschnitt 16c.1 kann in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse M bspw. mindestens zu einem Viertel offen sein. Der Stegabschnitt 16c.1 kann um die Längsachse L der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 herum gekrümmt ausgebildet sein. Beispielsweise kann sich der Stegabschnitt 16c.1 bzgl. der Längsachse L der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 über einen Mittelpunktswinkel zwischen 180° und 270°, vorzugsweise zwischen 195° und 225°, erstrecken. Entsprechend kann ein korrespondierender Bereich mit einem Mittelpunktswinkel zwischen 180° bis 90°, vorzugsweise zwischen 165° bis 135°, offen sein. Wie in Figur 2B dargestellt ist, kann durch den Stegabschnitt 16c.1 bei geöffnetem Gaskraftstoff-Tellerventil eine rotationssymmetrische Ausbreitung des Gaskraftstoffs blockiert bzw. behindert werden. So kann ein Ausströmbereich für den Gaskraftstoff zwischen einem Ventilkopf 16b.1 des Gaskraftstoff-Tellerventils 16b und dem Zylinderkopf 12 durch den Stegabschnitt 16c.1 (abschnittsweise) verengt werden.
  • Insbesondere aufgrund der vorgenannten Strahlformung kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl 4 derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl 4 im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Längsachse L der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 orientiert ist. Der Gaskraftstoffstrahl 4 kann sich somit bspw. im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse M der Verbrennungskammer 11 erstrecken bzw. vorrangig radiale und tangentiale Strömungsanteile bzgl. der Längsmittelachse M der Verbrennungskammer 11 aufweisen. Ferner kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 angeordnet und/oder ausgebildet, den Gaskraftstoffstrahl 4 in der Verbrennungskammer 11 so zu erzeugen, dass dieser gegen den Drall der Luftströmung 2 gerichtet ist. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 angeordnet und/oder ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl 4 derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl 4 eine Drallrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu einer Drallrichtung (vgl. z. B. Pfeile in Figuren 1A und 3) der Luftströmung 2 orientiert ist. Weist die exemplarische Luftströmung 2 in der Ansicht auf eine Brennraumseite 12a gemäß Figur 1A bspw. einen Rechtsdrall auf, soll der von der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 erzeugte Gaskraftstoffstrahl 4 vorzugsweise einen Linksdrall aufweisen bzw. entgegengesetzt zu dem Rechtsdrall der Luftströmung 2 orientiert sein. Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 kann somit z. B. eine Einblaserichtung aufweisen, die gegen den Drall der Luftströmung 2 gerichtet ist.
  • Weiterhin kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl 4 derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl 4 (in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse M) zur Längsmittelachse M hin geneigt ist, z. B. bezüglich einer (in Figur 1A gestrichelt dargestellten) Tangente T (am Ort der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16) zur Längsmittelachse M. Beispielsweise kann der Gaskraftstoffstrahl 4 bezüglich der Tangente T um einen Winkel zwischen 10° und 30° zur Längsmittelachse M hin geneigt sein. Zudem oder alternativ kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 ausgebildet sein, den Gaskraftstoffstrahl 4 derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl 4 von einer Wandung der Verbrennungskammer 11 im Wesentlichen weggekrümmt und/oder im Wesentlichen weggerichtet ist.
  • Wie in Figur 1B dargestellt ist, kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 ferner auch ausgebildet sein, einen weiteren Gaskraftstoffstrahl 4a zu erzeugen. Dieser kann in diesem Zusammenhang bspw. auch als zweiter Gaskraftstoffstrahl 4a bezeichnet werden, während der oben genannte Gaskraftstoffstrahl 4 zur besseren Unterscheidung auch als erster Gaskraftstoffstrahl 4 bezeichnet werden kann. Bevorzugt ist die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 dabei ausgebildet, den zweiten Gaskraftstoffstrahl 4a derart zu erzeugen, dass sich der zweite Gaskraftstoffstrahl 4a von dem Zylinderkopf 12 wegerstreckt und/oder im Wesentlichen parallel zu der Längsmittelachse M der Verbrennungskammer 11 verläuft. Entsprechend kann der zweite Gaskraftstoffstrahl 4a im Wesentlichen axiale Strömungsanteile aufweisen.
  • Bevorzugt ist die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 außermittig in dem Zylinderkopf 12 angeordnet. Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 versetzt und/oder parallel zur Längsmittelachse M der Verbrennungskammer 11 angeordnet sein. Die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 kann z. B. in einem Außenrandbereich der Brennraumseite 12a des Zylinderkopfes 12 angeordnet sein. Bevorzugt ist die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 bezüglich der Drallrichtung der Luftströmung 2 stromab von der Lufteinlassöffnung 14a und/oder der weiteren Lufteinlassöffnung 14a' angeordnet und stromauf von der Luftauslassöffnung 15a und/oder der weiteren Luftauslassöffnung 15a' angeordnet (vgl. Figur 1A). Beispielsweise kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 in einer Spiegelebene zwischen den Lufteinlassöffnungen 14a, 14a` und den Luftauslassöffnungen 15a, 15a' angeordnet sein.
  • Wie beispielhafte in Figur 3 dargestellt ist, ist es jedoch auch möglich, dass die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 bezüglich der Drallrichtung der Luftströmung 2 stromab der Luftauslassöffnung 15a und stromauf der weiteren Luftauslassöffnung 15a' und/oder auf einer Spiegelebene zwischen den zwei Luftauslassöffnungen 15a, 15a' angeordnet ist. Alternativ kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 bezüglich der Drallrichtung der Luftströmung 2 stromab der Lufteinlassöffnung 14a und stromauf der weiteren Lufteinlassöffnung 14a' angeordnet sein (gepunktet dargestellt) . Letztlich kann die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung 16 bezüglich der Drallrichtung der Luftströmung 2 auch stromab der Luftauslassöffnung 15a und/oder der weiteren Luftauslassöffnung 15a' angeordnet sein und stromauf von der Lufteinlassöffnung 14a und/oder der weiteren Lufteinlassöffnung 14a' angeordnet sein (gepunktet dargestellt).
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Alle Bereichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweils bevorzugte engere Außengrenzen des jeweiligen Bereichs.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Luftströmung
    4
    Gaskraftstoffstrahl
    4a
    Weiterer Gaskraftstoffstrahl
    10
    Vorrichtung
    11
    Verbrennungskammer
    12
    Zylinderkopf
    12a
    Brennraumseite
    12b
    Feuerdeck
    14
    Lufteinlasskanal
    14a
    Lufteinlassöffnung
    14'
    Weiterer Lufteinlasskanal
    14a'
    Weitere Lufteinlassöffnung
    15
    Luftauslasskanal
    15a
    Luftauslassöffnung
    15`
    Weiterer Luftauslasskanal
    15a'
    Weiterer Luftauslassöffnung
    16
    Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung
    16a
    Gaskraftstoffaustrittsöffnung
    16b
    Gaskraftstoff-Tellerventil
    16c
    Strahlformelement
    16c.1
    Stegabschnitt
    16d
    Gaskraftstoffzufuhrleitung
    17
    Aussparung
    18
    Zündkerze
    α
    Mittelpunktswinkel
    L
    Längsachse
    M
    Längsmittelachse
    T
    Tangente

Claims (15)

  1. Vorrichtung (10) zur Zuführung von Gaskraftstoff, vorzugsweise Wasserstoff, zu einer Verbrennungskammer (11) einer Brennkraftmaschine, aufweisend:
    einen Zylinderkopf (12) zum Abdecken der Verbrennungskammer (11);
    einen Lufteinlasskanal (14), der in dem Zylinderkopf (12) angeordnet ist und ausgebildet ist, der Verbrennungskammer (11) eine Luftströmung (2) mit einem Drall um eine Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) zuzuführen; und
    eine Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16), vorzugsweise ein Wasserstoff-Injektor, wobei die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) in dem Zylinderkopf (12) angeordnet ist und ausgebildet ist, einen Gaskraftstoffstrahl (4) zu erzeugen, der gegen den Drall der Luftströmung (2) gerichtet ist, vorzugsweise um die Luftströmung (2) und den Gaskraftstoffstrahl (4) turbulent miteinander zu vermischen.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16):
    außermittig in dem Zylinderkopf (12) angeordnet ist, vorzugsweise in einem Außenrandbereich einer der Verbrennungskammer (11) zugewandten Brennraumseite (12a) des Zylinderkopfes (12); und/oder
    versetzt und/oder parallel zur Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) ausgebildet ist, den Gaskraftstoffstrahl (4) derart zu erzeugen, dass:
    - der Gaskraftstoffstrahl (4) eine Drallrichtung aufweist, die entgegengesetzt zu einer Drallrichtung der Luftströmung (2) orientiert ist; und/oder
    - der Gaskraftstoffstrahl (4) im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu einer Längsachse (L) der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) orientiert ist.
  4. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) ausgebildet ist:
    - den Gaskraftstoffstrahl (4) nicht tangential bezüglich der Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) einzublasen; und/oder
    - den Gaskraftstoffstrahl (4) derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl (4) sekantenförmig in der Verbrennungskammer (11) verläuft; und/oder
    - den Gaskraftstoffstrahl (4) derart zu erzeugen, dass der Gaskraftstoffstrahl (4) hin zur Längsmittelachse (M) geneigt ist, vorzugweise bezüglich einer Tangente (T) zur Längsmittelachse (M), besonders bevorzugt um einem Winkel zwischen 10° und 30° zu der Tangente (T).
  5. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) aufweist:
    eine Gaskraftstoffaustrittsöffnung (16a), die in dem Zylinderkopf (12) angeordnet ist; und vorzugsweise:
    ein Tellerventil (16b), mittels dessen die Gaskraftstoffaustrittsöffnung (16a) öffenbar und/oder verschließbar ist.
  6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei:
    die Gaskraftstoffaustrittsöffnung (16a) und/oder die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) bündig mit einer der Verbrennungskammer (11) zugewandten Brennraumseite (12a) des Zylinderkopfes (12) abschließt.
  7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei:
    die Gaskraftstoffaustrittsöffnung (16a) und/oder die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) bezüglich einer der Verbrennungskammer (11) zugewandten Brennraumseite (12a) des Zylinderkopfes (12) zurückversetzt angeordnet ist; und/oder
    der Zylinderkopf (12) ein Feuerdeck (12b) mit einer Aussparung (17) aufweist, wobei die Gaskraftstoffaustrittsöffnung (16a) in der Aussparung (17) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) aufweist:
    ein, vorzugsweise nicht rotationssymmetrisches, Strahlformelement (16c) zum Formen des Gaskraftstoffstrahls (4), wobei vorzugsweise:
    das Strahlformelement (16c) in einer Aussparung (17) eines Feuerdecks (12b) des Zylinderkopfes (12) angeordnet ist und/oder die Gaskraftstoffaustrittsöffnung (16a) abschnittsweise umgibt.
  9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei das Strahlformelement (16c):
    bündig mit und/oder zurückversetzt zu einer der Verbrennungskammer (11) zugewandten Brennraumseite (12a) des Zylinderkopfes (12) angeordnet ist; und/oder
    vollständig innerhalb des Zylinderkopfes (12) angeordnet ist; und/oder gaskraftstoffstromabwärts von einem Ventilkopf (16b.1) und/oder einer Gaskraftstoffaustrittsöffnung (16a) der Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Strahlformelement (16c):
    einen bogenförmigen und/oder ringsegmentförmigen Stegabschnitt (16c.1) aufweist, der vorzugsweise einen Mittelpunktswinkel (α) zwischen 180° und 270°, vorzugsweise zwischen 195° und 225°, aufweist; und/oder
    in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) nicht rotationssymmetrisch und/oder teilweise offen ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) ausgebildet ist, einen weiteren Gaskraftstoffstrahl (4a) zu erzeugen, vorzugsweise derart:
    dass sich der weitere Gaskraftstoffstrahl (4a) von dem Zylinderkopf (12) wegerstreckt und/oder
    dass der weitere Gaskraftstoffstrahl (4a) im Wesentlichen parallel zu der Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) verläuft.
  12. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei:
    der Lufteinlasskanal (14) eine Lufteinlassöffnung (14a) aufweist, über die der Luftauslasskanal (14) in die Verbrennungskammer (11) mündet;
    die Vorrichtung (10) einen Luftauslasskanal (15) zum Abführen von Abgas aus der Verbrennungskammer (11) aufweist, wobei der Luftauslasskanal (15) eine Luftauslassöffnung (15a) aufweist, über die der Luftauslasskanal (15) in die Verbrennungskammer (11) mündet; und
    die Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16) bezüglich einer Drallrichtung der Luftströmung (2) stromab von der Lufteinlassöffnung (14a) und stromauf von der Luftauslassöffnung (15a) angeordnet ist.
  13. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend:
    eine Zündkerze (18) oder eine Glühkerze, die:
    mittig in dem Zylinderkopf (12) angeordnet ist, vorzugsweise in einem zentralen Bereich einer der Verbrennungskammer (11) zugewandten Brennraumseite (12a) des Zylinderkopfes (12); und/oder
    auf der Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) angeordnet ist.
  14. Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, aufweisend eine Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
  15. Verfahren zum Zuführen von Gaskraftstoff, vorzugsweise Wasserstoff, zu einer Verbrennungskammer (11) einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise mittels einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren aufweist:
    Zuführen einer Luftströmung (2) mit einem Drall um eine Längsmittelachse (M) der Verbrennungskammer (11) mittels eines Lufteinlasskanals (14); und
    Erzeugen eines Gaskraftstoffstrahls (4), der gegen den Drall der Luftströmung (2) gerichtet ist, mittels einer Gaskraftstoff-Einblaseinrichtung (16), vorzugsweise um die Luftströmung (2) und den Gaskraftstoffstrahl (4) turbulent miteinander zu vermischen.
EP24173481.3A 2023-05-09 2024-04-30 Vorrichtung und verfahren für eine homogene gemischbildung bei einer gaskraftstoff-brennkraftmaschine Pending EP4461949A1 (de)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10239555A1 (de) * 2002-08-23 2004-03-04 Volkswagen Ag Brennkraftmaschine mit Direkteinblasung von gasförmigem Kunststoff und Verfahren zum Betreiben derselben
CN105658928A (zh) * 2013-10-21 2016-06-08 三菱重工业株式会社 副室式燃气发动机
DE102016003398A1 (de) * 2016-03-19 2017-09-21 L'orange Gmbh Brenngasinjektor
DE102021005649A1 (de) * 2021-11-15 2023-05-17 Daimler Truck AG Wasserstoffmotor sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen Wasserstoffmotor

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4685432A (en) * 1983-10-31 1987-08-11 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Method and device for forming mixture gas in direct injection type internal combustion engine
DE102019006238A1 (de) * 2019-09-04 2021-03-04 Deutz Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit exzentrischer Tumblefase für einen Ottomotor mit Vierventil/Querstrom-Zylinderkopf

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10239555A1 (de) * 2002-08-23 2004-03-04 Volkswagen Ag Brennkraftmaschine mit Direkteinblasung von gasförmigem Kunststoff und Verfahren zum Betreiben derselben
CN105658928A (zh) * 2013-10-21 2016-06-08 三菱重工业株式会社 副室式燃气发动机
DE102016003398A1 (de) * 2016-03-19 2017-09-21 L'orange Gmbh Brenngasinjektor
DE102021005649A1 (de) * 2021-11-15 2023-05-17 Daimler Truck AG Wasserstoffmotor sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen Wasserstoffmotor

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