EP4702227A1 - Verfahren zum betreiben einer hubkolben-verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer hubkolben-verbrennungskraftmaschine

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EP4702227A1
EP4702227A1 EP24719528.2A EP24719528A EP4702227A1 EP 4702227 A1 EP4702227 A1 EP 4702227A1 EP 24719528 A EP24719528 A EP 24719528A EP 4702227 A1 EP4702227 A1 EP 4702227A1
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EP
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ammonia
air
hydrogen
internal combustion
combustion engine
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EP24719528.2A
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Ronny Werner
Tilo Roß
Frank Atzler
Konstantin Schmidt
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Technische Universitaet Dresden
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Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Bei dem Verfahren wird einem Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine im Ansaugtakt ein Luft-Wasserstoffgemisch unter Einhaltung eines Luft-Wasserstoffverhältnisses von mindestens 4, bevorzugt mindestens 5 zugeführt und bei einem Kurbelwinkel beginnend ab mindestens 55°KW vor dem Erreichen des oberen Totpunkts bei dem eine Zündung erfolgt (ZOT) und/oder nach dem Schließen von einem oder mehreren Einlassventil(en) eines jeweiligen Zylinders der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einer Zündvorrichtung zur Zündung gebracht. Durch die Verdichtung und die Verbrennung von Wasserstoff wird ein lokal begrenzter auf über 1100 K erhitzter Volumenbereich im Brennraum erreicht und nachfolgend Ammoniak in diesen erhitzten Volumenbereich innerhalb des Brennraums eingespritzt und zur Zündung gebracht. Die durch die Verbrennung von Ammoniak freigesetzte mechanische Energie wird zum Antrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine genutzt.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Verbren- nungskraftmaschine, die im Zwei- oder Viertaktmodus betrieben werden kann. Dabei soll als Hauptbrennstoff Ammoniak eingesetzt werden.
Ammoniak weist im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen, die üblicherweise bei Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, einen größeren Zündverzug und einer damit einhergehendem geringeren Brenn- und Flammausbreitungsgeschwindigkeit auf. Dies führt wiederum zu einer erheblich ungleichförmigen Verbrennung, wenn diese überhaupt erst möglich geworden ist. Daher wurde Ammoniak als Kraftstoff für Hubkloben-Verbrennungskraftmaschinen nur bei solchen eingesetzt, die eine sehr geringe Drehzahl aufweisen und sehr großvolumig ausgeführt sind, was zu einer starken Beschränkung beim Einsatz solcher Verbrennungskraftmaschinen führt. Insbesondere im mobilen Einsatz und bei erforderlicher hoher Leistung ist ein Einsatz bisher ausgeschlossen.
Um diesen Nachteilen entgegen zu treten wurden Versuche mit einer direkten Zudosierung von Wasserstoff beim Einspritzen von Ammoniak in die jeweiligen Zylinder durchgeführt. Dies führt aber zu häufigen Fehlzündungen oder Rückzündungen, die die jeweilige Verbrennungskraftmaschine schädigen und beim Betrieb hinderlich sind.
Man könnte auch eine Erhöhung der Temperatur der angesaugten Luft anwenden. Diese Möglichkeit ist aber sehr ineffektiv und mit hohem Energieeintrag für die notwendige Erwärmung verbunden. Es ist auch fraglich, ob die erforderliche Anhebung der Temperatur der Ansaugluft überhaupt durch eine externe Heizung erreicht werden kann.
Ebenso kommt eine Anhebung des Verdichtungsverhältnisses in Betracht, um der Zündunwilligkeit, einem zu großen Zündverzug oder einer stark ungleichmäßigen Verbrennung des Ammoniaks entgegen zu wirken. Die Anhebung des Verdichtungsverhältnisses bewirkt aber gleichzeitig eine Erhöhung des Verbrennungsspitzendruckes was teilweise sehr große Kräfte und Momente, die insbesondere auf Kolben Pleuel, Kurbelwelle und Lager ausüben, nach sich zieht und zu hohen mechanischen Belastungen aller Komponenten führt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für einen verbesserten Betrieb von mit Ammoniak als Kraftstoff betriebenen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen auch bei höheren Drehzahlen anzugeben, mit denen insbesondere Probleme des schlechteren Zünd- und Brennverhaltens von Ammoniak im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen berücksichtigt werden können. Dabei soll man unter höheren Drehzahlen, Drehzahlen oberhalb 1000 U/min verstehen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird einem Zylinder der Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine im Ansaugtakt ein Luft-Wasserstoffgemisch unter Einhaltung eines Luft-Wasserstoff-Verhältnisses (Verbrennungsluftverhältnisses) von mindestens 4, bevorzugt mindestens 5 zugeführt. Im Verdichtungstakt wird bei einem Kurbelwinkel (KW) beginnend ab mindestens 55° KW vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (ZOT) bei der Kolbenbewegung das verdichtete Luft-Wasserstoffgemisch und/oder nach dem Schließen eines cider mehrerer Einlassventile(s) eines jeweiligen Zylinders der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einer Zündvorrichtung zur Zündung gebracht und durch die Verdichtung und die Verbrennung von Wasserstoff eine Erwärmung eines lokal begrenzten Volumenbereichs im Brennraum auf über 1100K erreicht wird. Dabei sollte die Zündung bevorzugt immer erst nach dem Schließen des/der Einlassventile(s) erfolgen.
In diesen erhitzten Volumenbereich im Brennraum und bei einem Kurbelwinkel, der mindestens 5°, bevorzugt mindestens 10° größer ist als der Kurbelwinkel an dem die Zündung erfolgt ist, wird Ammoniak in den jeweiligen Zylinder eingespritzt.
Dieses Verfahren führt zu einer Herabsetzung des Zündverzugs und der beschleunigten Umsetzung von Ammoniak in Bewegungsenergie zum Antrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine.
Die Einspritzung von Ammoniak kann auf herkömmliche Weise mit einer Einspritzdüse, bevorzugt einer Mehrlocheinspritzdüse erfolgen. Wasserstoff kann analog einer herkömmlichen Saugrohreinspritzung der Ansaugluft zugegeben werden. Die zur Verbrennung des Ammoniaks erforderliche Verbrennungsluft kann auf herkömmliche Art und Weise über das Ansaugrohr und ggf. mindestens ein Einlassventil in den jeweiligen Zylinder zugeführt werden. Es sollte dabei ein Luft-Wasserstoffverhältnisses von minimal 4 und maximal 19, bevorzugt maximal 9, besonders bevorzugt von 5 eingehalten werden, so dass sich ein Verbrennungsluftverhältnis in der Ansaugluft zwischen 4 und 10, bevorzugt zwischen 5 und 8 ergibt.
In einem jeweiligen Verdichtungstakt sollte Ammoniak nach der Zündung des Luft-Wasserstoffgemischs und möglichst auch bei einem Kurbelwinkel beginnend ab mindestens 55° KW vor dem oberen Totpunkt bei dem die Zündung erfolgt (vZOT) (Kurbelwinkel vor Zünd-OT), bevorzugt ab 50° KW vZOT das verdichtete Luft-Wasserstoffgemisch mit einer Zündvorrichtung, z.B. eine Zündkerze zur Zündung gebracht werden. Die Zündung sollte spätestens bei einem Kurbelwinkel von 30° KW v. ZOT erfolgen. Die Verbrennung des Wasserstoffs nach der Zündung dient im Wesentlichen der Erhöhung der Temperatur in mindestens einem Volumenbereich des jeweiligen Zylinders um die Zündwilligkeit des später zugeführten Ammoniaks infolge der erhöhten Temperaturen zu verbessern. Der Beitrag zur Drehmomentengewinnung kann vernachlässigt werden.
Bei oder nach dem Verdichten sollte Ammoniak mit einem Luft-Ammoniakver- hältnis von mindestens 0,8, bevorzugt mindestens 0,9 direkt in den jeweiligen Zylinder eingespritzt werden.
Bevorzugt sollte das Luft-Wasserstoffgemisch in tangentialer oder radialer Richtung außer mittig durch mindestens ein Einlassventil in den jeweiligen Zylinder einströmen. Dadurch kann eine vorgegebene drallbehaftete kreisende Strömung des Luft-Wasserstoffgemisches in einem bestimmten Winkel in Bezug zur mittleren Längsachse des jeweiligen Zylinders geneigt und kreisend im Zylinder erreicht werden. Alternativ kann auch eine Tumbleströmung (Rotation der Ladung um eine senkrecht zur Zylinderachse liegende Rotationsachse) verwendet werden. Dadurch kann sich das gezündete Luft-Wasser- stoffgemisch während der Verbrennung im Zylinder gezielt ausbreiten und der eingespritzte und zumindest teilweise verdampfte Ammoniak sukzessive mit der sich ausbreitende Flamme des brennenden Wasserstoffs gezündet werden, um ein gleichmäßige Verbrennung des Ammoniaks zu erreichen.
Die Zündung kann mit der jeweiligen Zündkerze mit einer Energie im Bereich 20 mJ bis 40 mJ über einen Zeitraum von 0,5 ms bis 1,5 ms durchgeführt werden. Dabei kann die Zündkerze im jeweiligen Zylinder in nahezu üblicher Anordnung im Zylinder außermittig und bevorzugt so angeordnet sein, dass sich das in den jeweiligen Zylinder einströmende Luft-Wasserstoffgemisch auf die Zündkerze zu bewegt.
Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine sollte mit einer mittleren Min- destdrehzahl von 1200 U/min betrieben werden.
Das eingespritzte Ammoniak wird mittels der Flamme des gezündeten Wasserstoffs bei dessen Oxidation zur Zündung gebracht und mit der dabei frei werdenden mechanischen Energie wird der Kolben des jeweiligen Zylinders bewegt und die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine wird dadurch angetrieben.
Bei der Erfindung kann man besonders vorteilhaft dem jeweiligen Zylinder mit der Ansaugluft Wasserstoff zuführen, der durch katalytische Aufspaltung von Ammoniak erhalten worden ist. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Tank verzichtet werden, in dem bevorzugt flüssiger Wasserstoff gespeichert vorgehalten wird, der im mobilen Einsatz mit einem entsprechenden Fahrzeug mitgeführt und gesondert in Abständen befüllt werden muss.
Die katalytische Aufspaltung kann beispielsweise wie von Q.F. Lin in „Instante- ous hydrogen production from ammonia by non-thermal arc plasma combining with catalyst"; Energy Reports 7 (2021); S. 4064-4070 beschrieben, durch geführt werden. Dabei wird ein Niedertemperatur Plasma von Ammoniak mit Hilfe einer Elektrode gezündet und die so mittels des Plasmas aktivierten Spezies in den Einflussbereich eines Katalysators, der mit NiO/AhCh als katalytisch wirksame Komponente gebildet ist, gebracht und aufgespalten werden, so dass freier Wasserstoff erhalten wird. Der Wasserstoff muss dann lediglich separiert und ggf. über einen Zwischenspeicher kann er dann in dosierter Form der Ansaugluft mit dem o.g. Luft-Wasserstoff-Verhältnis zugegeben werden, bevor dieses Gemisch in den jeweiligen Zylinder einströmt.
Es besteht natürlich auch die Möglichkeit Wasserstoff aus einem gesonderten Speichertank, bevorzugt in flüssiger Form zu nutzen, der dann ggf. an einem mit der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Fahrzeug auch mitgeführt werden kann.
Mit dem einem jeweiligen Zylinder mit der Ansaugluft im geeigneten Verhältnis zugeführten Wasserstoff kann nach der Zündung dieses Gemischs der Zündverzug des nachfolgend eingespritzten Ammoniaks vorteilhaft beeinflusst werden. Mit dem Wasserstoff im Zylinder wird nach der Zündung mit der Zündkerze eine Flamme erzeugt, die sich vom nachströmenden Luft-Wasser- stoffgemisch beeinflusst, im Brennraum ausbreitet. Mit der mageren Verbrennung dieses Gemischs, die neben der Druckerhöhung im Zylinder, die infolge der Kompression während eines Verdichtungstaktes auftritt, kommt es zu einer weiteren Temperaturerhöhung, die sich vorteilhaft auf das Zündverhalten von Ammoniak auswirkt. Dabei kann sich ein heißer Ring um eine Einspritzdüse für das Ammoniak ausbilden, der weiter zu einer gleichmäßigen Verbrennung von Ammoniak im Brennraum beiträgt.
Mit der Erfindung kann Ammoniak als Kraftstoff auch bei klein dimensionierten Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen, die mit relativ großer Drehzahl betrieben werden, eingesetzt und seine ungleichförmige bzw. unzureichende Verbrennung vermieden werden. Da die Verbrennung vollständig ohne eine Freisetzung von Kohlendioxid abläuft, wird das Klima durch den Betrieb nicht nachteilig beeinflusst.
Da der zugeführte Wasserstoff lediglich die Aufgabe einer verbesserten Zündung und Verbrennung von Ammoniak zu erfüllen hat, wird die Leistung der so betriebenen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen durch die Menge an eingespritztem und verbranntem Ammoniak bestimmt. Die Regelung kann daher so erfolgen, wie es auch bei herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen bisher erfolgt.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
Figur 1 ein Diagramm der Zylinder- und Heizwertverläufe für unterschiedliche Luft-Wasserstoffverhältnisse und Für die Basisuntersuchungen wurde ein 4-Takt Vierzylinder-Reihen-Dieselmo- tor mit Common-Rail-Direkteinspritzung, Verdichtungsverhältnis von 16 und 0.5 Liter Einzelzylinderhubraum verwendet. Exemplarisch erfolgte die Bewertung des neuen Brennverfahrens in einem Betriebspunkt mit einem indizierten Mitte Id ruck pmi von 14 bar und einer Motordrehzahl von 2280 min -1. Bei dem Betriebspunkt handelt es sich um einen typischen Beschleunigungspunkt im Bereich der mittleren Teillast, wie er in aktuellen Zulassungszyklen vorkommt. Er kann sowohl mit als auch ohne Abgasrückführung betrieben werden, wobei sich die Untersuchungen in dieser Arbeit auf die Betrachtung ohne AGR-Rate beschränken. Die Randbedingungen werden aus Vergleichsmessungen entnommen bzw. berechnet (Ladelufttemperatur 60 °C, Ladeluftdruck 1825 mbar, Öl- und Kühlwassertemperatur 90 °C).
Im direkten Vergleich ist zu erkennen, dass a) ohne die Vorverbrennung das Ammoniak nicht umgesetzt wird b) mit einem höheren EU-Anteil eine deutlich schnellere Energiefreisetzung des Ammoniaks stattfindet (kürzerer Zündverzug) Ammoniak zündet bei Einspritzung c) eine gezielte Steuerung des Zündverzuges über das angesaugte Luft-Was- serstoffverhältnis möglich ist.
Das Verfahren umfasst die Einbringung einer geringen Menge Wasserstoff in das Saugrohr. Das magere Gemisch wird angesaugt und regulär während der Kompression gezündet. Im Anschluss wird, wie im herkömmlichen Dieselverfahren Ammoniak über eine zentral verbaute Mehrlochdüse direkteingespritzt und wenigstens ein Teil der Einspritzstrahlen gezündet. Der Druck-und Temperaturanstieg führt dabei im Anschluss zur Zündung der übrigen Strahlen. Sowohl für ein Luft-Wasserstoffverhältnis von X = 5, als auch X = 8 konnte die Funktion des Betriebsverfahrens nachgewiesen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, bei dem einem Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine im Ansaugtakt ein Luft-Wasserstoffgemisch unter Einhaltung eines Luft-Wasser- stoffverhältnisses von mindestens 4, bevorzugt mindestens 5 zugeführt und bei einem Kurbelwinkel beginnend ab mindestens 55°KW vor dem Erreichen des oberen Totpunkts bei dem eine Zündung erfolgt (ZOT) und/oder nach dem Schließen von einem oder mehreren Einlassventilfen) eines jeweiligen Zylinders der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einer Zündvorrichtung zur Zündung gebracht wird, wodurch durch die Verdichtung und die Verbrennung von Wasserstoff ein lokal begrenzter auf über 1100 K erhitzter Volumenbereich im Brennraum erreicht wird und nachfolgend Ammoniak in diesen erhitzten Volumenbereich innerhalb des Brennraums eingespritzt und zur Zündung gebracht wird und die durch die Verbrennung von Ammoniak freigesetzte mechanische Energie zum Antrieb der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft- Wasserstoff-Verhältnis von maximal 18, bevorzugt maximal 9, besonders bevorzugt maximal 5 eingehalten wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im jeweiligen Verdichtungstakt bei einem Kurbelwinkel beginnend ab mindestens 55° KW vor dem oberen Totpunkt das verdichtete Luft-Wasserstoffgemisch mit einer Zündvorrichtung zur Zündung gebracht und Ammoniak nach erfolgter Zündung des Luft- Wasserstoffgemischs eingespritzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei oder nach dem Verdichten Ammoniak mit einem Luft-Ammoniakverhältnis von mindestens 0,8, bevorzugt mindestens 0,9 direkt in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Wasserstoffgemisch in tangentialer Richtung außer mittig oder in radialer Richtung in den jeweiligen Zylinder einströmend durch mindestens ein Einlassventil einströmt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung mit der jeweiligen Zündvorrichtung mit einer Energie im Bereich 20 mJ bis 40 mJ über einen Zeitraum von 0,5 bis 1,5 ms durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im jeweiligen Zylinder ein Verdichtungsverhältnis von mindestens 12 eingehalten wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit einer mittleren Mindestdrehzahl von 1200 U/min betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem jeweiligen Zylinder mit der Ansaugluft Wasserstoff zugeführt wird, der durch katalytische Aufspaltung von Ammoniak erhalten worden ist.
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