WO2020249277A1 - Method for operating an internal combustion engine with hydrogen, hydrogen internal combustion engine, and motor vehicle - Google Patents

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Bruno Barciela Díaz-Blanco
Thomas Malischewski
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with hydrogen as, preferably the only fuel, an internal combustion engine operated with hydrogen and a motor vehicle with an internal combustion engine operated with hydrogen.
  • the diesel engine has been the most efficient internal combustion engine since its invention. For several reasons, the diesel engine is being substituted by "clean" engines today. According to the currently planned C02 EU legislation, a reduction in C02 emissions of at least 20% by 2025 and at least 35% by 2030 compared to a 2019 value This is forcing automobile manufacturers, such as bus and truck manufacturers, to develop other technologies, one of which is based on the combustion of hydrogen in engines, and since hydrogen does not have a carbon atom, it does not burn C02 emissions, so the EU target can be achieved.
  • US Pat. No. 7,162,994 B2 discloses a method for generating a compression ignition environment in a combustion chamber for a gas fuel, e.g. B. hydrogen.
  • the compression ignition environment is created by a glow plug, in the direction of which a pilot quantity of gas fuel is injected.
  • the invention is based on the object of creating an alternative and / or improved technology for operating an internal combustion engine with hydrogen.
  • the invention created a method for operating an internal combustion engine with hydrogen as, preferably the only, fuel.
  • the method includes generating hydrogen auto-ignition conditions in a combustion chamber of the internal combustion engine by load-dependent adaptation of at least one, preferably at least two or three parameters.
  • the parameters can have a combustion air ratio of the internal combustion engine and a feed time (z. B. injection time or injection time) of the hydrogen.
  • the parameters can have a valve control curve, preferably a closing time, an air inlet valve to the combustion chamber and a compression ratio of the combustion chamber.
  • the method can furthermore have a (z. B. high pressure) direct feeding (z. B. direct blowing or direct injection) of the hydrogen into the combustion chamber, preferably in a compression cycle (eg at one end of the compression cycle).
  • the method can include self-ignition of the directly supplied hydrogen in the combustion chamber as a result of the hydrogen self-ignition conditions generated.
  • the method can offer the advantage that, through constant load-dependent changing of one or more predetermined parameters during operation of the internal combustion engine, auto-ignition of the hydrogen is made possible for each or at least a plurality of engine operating points. It is preferred that at least two parameters are adapted, since in this way a comparatively precise and rapid setting of the desired hydrogen auto-ignition conditions is possible within a comparatively large range. When three or even four parameters are adjusted, even more precise and faster settings of the desired hydrogen auto-ignition conditions can accordingly be made possible within a particularly large range. When adapting two or more parameters, specific couplings between the parameters can also be used, e.g. B. Influences of the valve control curve of the intake valve and the supply of hydrogen on the combustion air ratio.
  • the hydrogen can be supplied towards the end of the compression cycle, so that combustion according to the diesel principle and the associated high efficiency takes place.
  • the invention can combine the advantages of an environmentally friendly fuel (hydrogen) with the most efficient combustion process. This allows maximum utilization of the chemical energies bound in hydrogen. Ignition does not require a pilot amount of diesel fuel to be injected. This means that there are actually no CO2 emissions and the system can be structured more simply.
  • the direct supply and auto-ignition of the hydrogen can prevent knocking problems because the fuel is supplied towards the end of the compression phase. Due to the high turbulence in the combustion chamber, which is not broken down by the late addition of hydrogen, the subsequent diffusion combustion can take place even faster and more efficiently.
  • the method can expediently be carried out without a pre-injection, without using a glow plug, without using a spark plug and / or without supplying other fuels.
  • the hydrogen can be fed into the combustion chamber at high pressure, e.g. B. with a pressure in a range between 150 bar and 500 bar.
  • the hydrogen is supplied by means of a hydrogen fuel injector which expediently opens into the combustion chamber.
  • the load-dependent adaptation is carried out based on a (e.g. predetermined) characteristic field (e.g. coordinate system, diagram, formula, tables, etc.) that is available for a large number (e.g. at least two, three, four, etc.) .) of different load points and / or different load ranges to set values of at least one, preferably at least two or three, the parameters or combinations of the parameters.
  • a characteristic field e.g. coordinate system, diagram, formula, tables, etc.
  • a large number e.g. at least two, three, four, etc.
  • the load-dependent adaptation takes place continuously or continuously during the operation of the internal combustion engine, preferably when a load of the internal combustion engine changes. It can thus be ensured, for example, that hydrogen auto-ignition conditions are present in the combustion chamber at all times during the operation of the internal combustion engine.
  • the hydrogen auto-ignition conditions are generated in a load range above a low load range of the internal combustion engine, preferably up to and including a full load range of the internal combustion engine. If necessary, ignition of the hydrogen can thus be promoted in an additional and / or alternative manner in the low-load range.
  • the low load range can expediently have a range between 0% and 30% of a nominal load or maximum load of the internal combustion engine.
  • the method also includes an external ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine, preferably by means of a spark plug.
  • an external ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine preferably by means of a spark plug.
  • the spark plug can for example only be used in the low load range of the internal combustion engine to ignite the hydrogen. Since the service life of the spark plug can be extended.
  • the method includes auto-ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine, preferably supported by a glow plug.
  • the glow plug can, for example, only be used to increase the temperature in the low-load range of the internal combustion engine. This can extend the life of the glow plug.
  • the hydrogen self-ignition conditions can expediently be adapted to hydrogen self-ignition conditions that are more favorable for self-ignition when a load on the internal combustion engine is reduced. Self-ignition of the hydrogen can thus be ensured even when the load is lower.
  • the hydrogen self-ignition conditions can preferably be adapted to hydrogen self-ignition conditions that are less favorable to self-ignition when a load on the internal combustion engine is increased.
  • a high load can favor spontaneous ignition anyway.
  • the adaptation made can thus have the effect that thermal and / or mechanical stress on the components is reduced.
  • the internal combustion engine can be operated in an area with higher efficiency or closer to the respective design point.
  • the combustion air ratio is increased if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more easily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine is reduced.
  • the combustion air ratio can be reduced if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine is increased.
  • the hydrogen feed time is adjusted earlier if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the feed time and / or a load on the internal combustion engine is reduced.
  • the hydrogen feed time can be adjusted later if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the feed time and / or a load on the internal combustion engine is increased.
  • a closing time of the air inlet valve is adjusted later (e.g. in order to maximize the degree of delivery) when the hydrogen self-ignition conditions are to be adjusted more easily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine is reduced.
  • a closing time of the air inlet valve can be adjusted earlier (e.g. in order to minimize the degree of delivery) if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine is increased.
  • the compression ratio of the combustion chamber is increased when the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine is reduced.
  • the compression ratio of the combustion chamber can be reduced if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine is increased.
  • a combustion air ratio is within a range between 1.2 and 3, preferably between 1.8 and 2.2. The combustion air ratio is preferably adjustable within this range.
  • a hydrogen feed time in the compression cycle is within a range between 60 ° CA before TDC (top dead center of a piston movement of the piston) and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC .
  • the feed time can preferably be adjusted within this range.
  • the late supply of hydrogen can significantly reduce the risk of knocking problems. High turbulence in the combustion chamber is not reduced by the late supply of hydrogen.
  • a closing time of the air inlet valve with respect to the intake stroke is within a range between 20 ° CA before BDC (bottom dead center of a piston movement of the piston) and 80 ° CA after BDC, preferably between 0 ° CA before BDC and 60 ° CA after BDC .
  • the closing time can preferably be adjusted within this range.
  • a compression ratio is within a range between 15 and 26, preferably between 20 and 23.
  • the compression ratio is preferably adjustable within this range.
  • the combustion air ratio can be adjusted by adapting the operation of a hydrogen fuel injector.
  • the metering of the directly supplied hydrogen can thus be adjustable.
  • the feed time can be adjusted by adapting an operation of a hydrogen fuel injector.
  • Operation of the hydrogen fuel injector can expediently be adaptable by adapting a control to an electrical control of the hydrogen fuel injector, by means of a variable valve drive and / or by means of a camshaft phaser.
  • the valve control curve is adjustable by adjusting an operation of the air inlet valve, e.g. B. by adapting a control to an electrical control of the air inlet valve, by means of a variable valve train and / or by means of a camshaft phaser.
  • the compression ratio can be adjusted by means of a variable compression ratio system of the internal combustion engine, preferably by adjusting a piston position at top dead center, for example by means of an adjustable and / or displaceable piston, an adjustable connecting rod and / or an adjustable and / o the movable crankshaft.
  • the method further comprises feeding air into a combustion chamber of the internal combustion engine (expediently in an intake stroke) and compressing the air fed in in the combustion chamber (expediently in a compression stroke).
  • the hydrogen can be fed directly into the compressed air, preferably before the end of the compression stroke, for. B. between 60 ° CA before TDC and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC.
  • a rotary flow preferably a swirl flow or a tumble flow
  • the generation of turbulence associated with the rotary flow can generally favor the self-ignition of the hydrogen.
  • the rotary flow in the combustion chamber is greater than or equal to approximately 30 Hz (30 revolutions per second). It was recognized that, in particular from this threshold value (with tolerance), there is a sufficiently high level of turbulence in the combustion chamber to contribute sufficiently to reliable self-ignition of the hydrogen.
  • the rotary flow is generated by a duct geometry of at least one air inlet duct which is arranged for supplying air to the combustion chamber.
  • a course of the air inlet channel and an arrangement of an orifice opening of the air inlet channel can lead to the generation of the rotary flow.
  • fixed or adjustable guide flaps can be arranged in the air inlet duct, which lead to the generation of the rotary flow.
  • the rotary flow is generated, maintained or intensified by an adapted geometry of the piston head of a piston.
  • the invention also relates to a hydrogen internal combustion engine or a motor vehicle, preferably a commercial vehicle (for example a truck or bus), with a hydrogen internal combustion engine.
  • the hydrogen internal combustion engine is expedient for carrying out a Method set up as disclosed herein.
  • the hydrogen internal combustion engine expediently has a control unit which is set up to carry out a method as disclosed herein.
  • the hydrogen internal combustion engine can have at least one air inlet duct for supplying air into a combustion chamber of the hydrogen internal combustion engine.
  • the at least one air inlet duct is designed to generate a rotary flow, preferably a swirl flow or a turbulent flow, of the air fed into the combustion chamber, preferably greater than or equal to about 30 Hz.
  • the hydrogen internal combustion engine has a piston for limiting a combustion chamber on the hydrogen engine.
  • the piston is designed to generate, maintain or intensify a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, of the air fed into the combustion chamber, preferably greater than or equal to about 30 Hz.
  • the hydrogen internal combustion engine can achieve the same advantages such as the method disclosed herein for operating an internal combustion engine with hydrogen.
  • control unit can preferably refer to electronics (e.g. with microprocessors and data storage) and / or a mechanical controller which, depending on the training, can take on control tasks and / or regulating tasks. Even if the term “control” is used here, it can also expediently include “regulation” or “control with feedback”.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 10.
  • Internal combustion engine 10 is designed as a reciprocating internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 10 has one or more cylinders. To improve clarity, only one cylinder is shown in FIG. 1.
  • the internal combustion engine 10 is expedient as a single-fuel internal combustion engine designed to operate using hydrogen as fuel.
  • the internal combustion engine 10 can be in a vehicle, e.g. B. a motor vehicle, a rail vehicle or a water vehicle to be included for driving the vehicle.
  • the Brennkraftma machine 10 is in a utility vehicle, e.g. B. a truck or bus for driving the utility vehicle. It is also possible, the internal combustion engine 10 in a stationary Ren system z. B. to be used to drive a generator.
  • the internal combustion engine 10 has at least one air inlet duct 12, at least one exhaust gas outlet duct 14, a combustion chamber 16, a piston 18 and a hydrogen fuel injector 20 for each cylinder.
  • the air inlet duct 12 opens into the combustion chamber 16. (Charge) air can be supplied to the combustion chamber 16 via the air inlet duct 12.
  • the air inlet duct 12 is arranged in a cylinder head. The cylinder head delimits the combustion chamber 16 from above.
  • An air supply system can be arranged upstream of the air inlet duct 12. Depending on the requirement, the air supply system can, for example, have one or more compressors of a turbocharger assembly, a charge air cooler and / or an exhaust gas recirculation line.
  • the air inlet duct 12 is expediently designed to supply the air with a rotary flow into the combustion chamber 16.
  • the rotary flow is preferably a swirl flow (rotation about a longitudinal axis of the cylinder).
  • the rotary flow is implemented as a T umbleströmung (rotation around a transverse axis of the cylinder).
  • the air inlet channel 12 can be designed as a tangential channel that supplies the air tangentially to the cylinder wall, or as a spiral channel (helically wound inlet channel) for generating the rotary flow.
  • the air inlet duct 12 can have fixed or adjustable air guide flaps for generating the rotary flow.
  • An opening of the air inlet channel 12 into the combustion chamber 16 can be opened and closed by means of an air inlet valve 22.
  • the air inlet valve 22 is preferably designed as a poppet valve.
  • the air inlet valve 22 can be operated using any technique.
  • a valve control curve of the air inlet valve 22 is expediently changeable or variable.
  • the air inlet valve 22 can be actuated by means of a variable valve drive 24.
  • the variable valve train 24 may be a power transmission device such.
  • the power transmission device can establish an operative connection between the camshaft and the air inlet valve 22.
  • the valve control curve of the air inlet valve 22 can be adjusted, for example, by means of a camshaft phaser for the camshaft and / or a sliding cam system for the camshaft.
  • a closing time of the air inlet valve 22 can preferably be adjustable within a range between 20 ° CA before UT and 80 ° CA after UT, preferably between 0 ° CA before UT and 60 ° CA after UT.
  • the adjustability of the valve control curve of the air intake valve 22 can advantageously be used to generate auto-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10.
  • the exhaust gas outlet valve 26 can be designed, for example, as a poppet valve.
  • the exhaust outlet channel 14 is arranged in the cylinder head.
  • An exhaust system can be arranged downstream of the exhaust gas outlet duct 14.
  • the exhaust system can have, for example, one or more exhaust gas turbines of a turbocharger assembly.
  • the piston 18 is arranged to be movable back and forth in the cylinder.
  • the piston 18 is connected to a crankshaft 30 via a connecting rod 28.
  • the piston 18 limits the combustion chamber 16 downward.
  • a piston head 32 of the piston 18 delimits the combustion chamber 16 downwards.
  • the piston head 32 is expediently designed to promote a rotary flow, preferably a swirl flow, in the combustion chamber 16.
  • the piston crown 32 can for example have a piston recess and / or surface contour that is adapted to the geometry of the at least one air inlet channel 12.
  • the optimized design of the piston crown 32 allows the existing flow in the combustion chamber 16 to be forced in a desired (rotational) direction during the compression phase and thus to increase the turbulence.
  • a rotational flow-generating, preferably swirl-generating, geometry of the air inlet duct 12 and a rotational flow-maintaining, preferably swirling, or rotational flow-enhancing, preferably swirl-enhancing, geometry of the piston bottom 32 work together in such a way that a swirl flow of at least 30 Hz, that is 30 revolutions per second, results.
  • Such a high level of turbulence in the combustion chamber 16 favors the generation of auto-ignition conditions for the hydrogen.
  • the internal combustion engine 10 can furthermore have a variable compression ratio system 34 (also called VCR system: variable compression ratio system).
  • the variable compression ratio system 34 enables a discrete or continuous change in the compression ratio e by adapting a piston position of the piston 18 at top dead center.
  • the variable compression ratio system 34 may be implemented by adjustability of the connecting rod 28.
  • the connecting rod 28 can be changeable in length.
  • the connecting rod 28 can be designed as a telescopic connecting rod.
  • the variable compression ratio system 34 can also be implemented differently.
  • an adjustment and / or a displacement of the piston 18 may be possible.
  • an adjustment and / or displacement of the crankshaft 30 may be possible.
  • the compression ratio e can preferably be adjustable within a range between 15 and 26, preferably between 18 and 23.
  • the adjustability of the compression ratio e can advantageously be used to generate self-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10.
  • the hydrogen fuel injector 20 is designed to supply hydrogen as fuel directly into the combustion chamber 16, preferably to inject it.
  • the feed takes place at a high pressure, for example in a range between 150 and 500 bar.
  • the what hydrogen fuel injector 20 can be operated in any way, for example by means of an electromagnet or mechanically z. B. by means of a cam control of the variable valve drive 24.
  • a feed time of the hydrogen fed by the hydrogen fuel injector 20 into the combustion chamber 16 can be adjusted.
  • the feed time can be brought about by means of the variable valve drive 24 or a changed control of the hydrogen fuel injector 20.
  • the hydrogen feed time can preferably be adjusted within a range between 60 ° CA before TDC and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC.
  • the adjustability of the feed time can be used in an advantageous manner to generate self-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10. It is possible for an amount of fuel supplied by the hydrogen fuel injector 20 to be adjustable.
  • the metering of the amount of fuel can be effected, for example, by changing an opening duration of the hydrogen fuel injector 20.
  • the change in the amount of fuel supplied can be brought about by means of a variable valve drive or a changed control of the hydrogen fuel injector 20.
  • a combustion air ratio l or an air-fuel ratio AFR can be adjusted appropriately.
  • the combustion air ratio l can preferably be adjustable within a range between 1, 2 and 3, preferably between 1.8 and 2.2.
  • the adjustability of the combustion air ratio l can also advantageously be used to generate self-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10.
  • the internal combustion engine 10 can also have an expedient electronic control unit 36.
  • the control unit 36 is designed to operate the internal combustion engine 10.
  • the control unit 36 may be in communication with the variable valve train 24, the hydrogen fuel injector 20, and / or the variable compression ratio system 34.
  • the resulting exhaust gas is pushed out of the combustion chamber 16 through the opened exhaust gas outlet valve 26 into the exhaust gas outlet duct 14.
  • the piston 18 moves from bottom dead point to top dead center.
  • the high level of turbulence in the combustion chamber 16 brought about by the geometry of the air inlet duct 12 and the piston crown 32 promotes auto-ignition and the combustion of the hydrogen.
  • a high basic compression ratio, e.g. B. in a range between 20 and 23 also favor the auto-ignition of hydrogen.
  • the internal combustion engine 10 can furthermore be operated by the control unit 36 such that hydrogen supplied into the combustion chamber 16 is caused to self-ignite.
  • the control unit 36 is designed in such a way that, during operation of the internal combustion engine 10, depending on a load on the internal combustion engine 10, one or more parameters relating to the air inlet valve 22, the hydrogen fuel injector 20 and / or the variable compression ratio system 34 are always present be adjusted.
  • the parameter or parameters are adapted in such a way that the generation of auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 is ensured.
  • the control unit 36 can have one or more characteristic maps, for example in the form of coordinate systems, diagrams, formulas, tables, etc., for example.
  • the at least one map can each load or each operating point of the internal combustion engine 10 a parameter to be set with respect to a valve control curve of the air inlet valve 22, a supply time of hydrogen by the hydrogen fuel injector 20, a supply amount of hydrogen by the hydrogen fuel injector 20 and / or the Assign compression ratio e by the variable compression ratio system 34.
  • combustion air ratio l can, for. B. its increase lead to the fact that the auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 are more favorable to auto-ignition.
  • z. B. a reduction in the combustion air ratio l lead to the fact that the auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 are less likely to auto-ignite.
  • the effects can be different depending on other operating parameters of the internal combustion engine 10 and from the current combustion air ratio l.
  • an earlier adjustment can mean that the auto-ignition conditions in the combustion chamber 16 become more easily ignitable. This may be necessary for example when the load on the internal combustion engine 10 is reduced. Adjusting the time at which the hydrogen is supplied to later can result in the auto-ignition conditions in the combustion chamber 16 becoming less favorable for auto-ignition. A later point in time for the hydrogen to be added can promote earlier spontaneous ignition. Depending on the design of the hydrogen fuel injector 20, it is useful to take into account that the desired amount of fuel for the desired engine torque is achieved.
  • an increase in the compression ratio e favors auto-ignition by positively influencing the auto-ignition conditions in the combustion chamber 16.
  • a reduction in the compression ratio e leads to less auto-ignition-friendly auto-ignition conditions in the combustion chamber 16.
  • reducing the load on the internal combustion engine 10 can lead to the control unit 36 adjusting the closing time of the air inlet valve 22 later, reducing the combustion air ratio l, increasing the compression ratio e and / or adjusting the hydrogen feed time earlier in order to continue to provide adequate auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 to be generated.
  • the measures specified here high rotary flow generation in the combustion chamber, high basic compression ratio, adaptability of the valve control curve of the intake valve, adaptability of the combustion air ratio, adaptability of the time of direct hydrogen supply and adaptability of the compression ratio individually, partly in any combination with one another or can be fully implemented to produce the auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16.
  • the auto-ignition conditions are only generated in a load range above a low-load range of the internal combustion engine.
  • the supplied hydrogen can be spark-ignited, for example by means of a spark plug. It is also possible for the hydrogen to auto-ignite even in the low-load range, for example with the help of a glow plug.

Abstract

The invention relates, inter alia, to a method for operating an internal combustion engine (10) with hydrogen. The method comprises producing of hydrogen autoignition conditions in a combustion chamber (16) of the internal combustion engine (10) by way of load-dependent adaptation of at least one parameter of a combustion air ratio of the internal combustion engine (10), a feed time of the hydrogen, a valve control cam, preferably a closing time, of an air inlet valve (22) to the combustion chamber (16), and a compression ratio of the combustion chamber (16). The method can afford the advantage that autoignition of the hydrogen is made possible in the case of different load conditions by way of constant load-dependent changing of one or more predefined parameters during the operation of the internal combustion engine.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff, Wasserstoff- Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug Method for operating an internal combustion engine with hydrogen, hydrogen internal combustion engine and motor vehicle
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff als, vorzugsweise einzigen, Kraftstoff, eine mit Wasserstoff betriebene Brennkraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine. The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with hydrogen as, preferably the only fuel, an internal combustion engine operated with hydrogen and a motor vehicle with an internal combustion engine operated with hydrogen.
Der Dieselmotor ist seit seiner Erfindung die effizienteste Verbrennungskraftmaschine. Aus mehreren Gründen wird heute der Dieselmotor durch„saubere" Motoren substituiert. Nach der derzeit geplanten C02-EU-Gesetzgebung ist eine Reduktion der C02-Emissionen von min destens 20% bis 2025 und mindestens 35% bis 2030 im Vergleich zu einem Wert von 2019 zu erreichen. Dies zwingt Hersteller von Kraftfahrzeugen, wie z. B. Bus- und LKW-Hersteller, andere Technologien zu entwickeln. Eine dieser Technologien basiert auf der motorischen Verbrennung von Wasserstoff. Da der Kraftstoff Wasserstoff kein Kohlenstoffatom hat, verur sacht dessen Verbrennung keine C02-Emissionen. Somit kann das EU-Ziel erreicht werden. The diesel engine has been the most efficient internal combustion engine since its invention. For several reasons, the diesel engine is being substituted by "clean" engines today. According to the currently planned C02 EU legislation, a reduction in C02 emissions of at least 20% by 2025 and at least 35% by 2030 compared to a 2019 value This is forcing automobile manufacturers, such as bus and truck manufacturers, to develop other technologies, one of which is based on the combustion of hydrogen in engines, and since hydrogen does not have a carbon atom, it does not burn C02 emissions, so the EU target can be achieved.
Eine mögliche Lösung zur Verbrennung von Wasserstoff im Motor basiert auf dem Ottomotor- Prinzip. Dieses Prinzip weist jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad als das Prinzip des Die selmotors auf. Eine andere Lösung ist es, Wasserstoff mit dem Diesel-Prinzip zu verbrennen. Durch eine Einblasung von Wasserstoffkraftstoff im oberen Totpunktbereich kann der Motor einen ähnlichen Wirkungsgrad wie der Dieselmotor erreichen. Da der Wasserstoff bei der Ver brennung schneller als der Dieselkraftstoff umgesetzt wird, kann ein Wasserstoffmotor mit Hochdruckdirekteinspritzung somit theoretisch sogar einen höheren Wirkungsgrad erreichen als ein Dieselmotor. Ein Nachteil bei dieser Art von Verbrennung liegt in der Zündung des Wasserstoffkraftstoffes. Um dieses Problem zu lösen, kann Dieselkraftstoff als Zündquelle ein gespritzt werden. Die Selbstzündung des Dieselkraftstoffes entflammt den im Brennraum vor handene Wasserstoffkraftstoff. Hierfür sind jedoch komplexe Systeme mit Dieseltank und Die seleinspritzsystem notwendig. Zusätzlich verursacht die eingespritzte Pilotmenge Diesel wie der C02. One possible solution for the combustion of hydrogen in the engine is based on the Otto engine principle. However, this principle is less efficient than the principle of the diesel engine. Another solution is to burn hydrogen using the diesel principle. By injecting hydrogen fuel in the top dead center area, the engine can achieve a level of efficiency similar to that of the diesel engine. Since the hydrogen is converted faster than the diesel fuel during combustion, a hydrogen engine with high-pressure direct injection can theoretically even achieve a higher degree of efficiency than a diesel engine. A disadvantage with this type of combustion is the ignition of the hydrogen fuel. To solve this problem, diesel fuel can be injected as an ignition source. The self-ignition of the diesel fuel ignites the hydrogen fuel in the combustion chamber. However, this requires complex systems with a diesel tank and a diesel injection system. In addition, the injected pilot quantity causes diesel such as C02.
Die US 7, 162,994 B2 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen einer Selbstzündungsumgebung in einer Verbrennungskammer für einen Gaskraftstoff, z. B. Wasserstoff. Die Selbstzündungs umgebung wird durch eine Glühkerze erzeugt, in deren Richtung eine Pilotmenge von Gas kraftstoff eingespritzt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative und/oder verbesserte T echnik zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff zu schaffen. US Pat. No. 7,162,994 B2 discloses a method for generating a compression ignition environment in a combustion chamber for a gas fuel, e.g. B. hydrogen. The compression ignition environment is created by a glow plug, in the direction of which a pilot quantity of gas fuel is injected. The invention is based on the object of creating an alternative and / or improved technology for operating an internal combustion engine with hydrogen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Wei terbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben. The object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous further developments are given in the dependent claims and the description.
Die Erfindung schaffte ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff als, vorzugsweise einzigen, Kraftstoff. Das Verfahren weist ein Erzeugen von Wasserstoff- Selbstzündungsbedingungen in einer Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine durch lastabhängiges Anpassen von mindestens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, Parametern auf. Die Parameter können ein Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftma schine und einen Zuführzeitpunkt (z. B. Einspritzzeitpunkt oder Einblaszeitpunkt) des Wasser stoffs aufweisen. Die Parameter können eine Ventilsteuerkurve, vorzugweise einen Schließ zeitpunkt, eines Lufteinlassventils zu der Verbrennungskammer und ein Verdichtungsverhält nis der Verbrennungskammer aufweisen. Das Verfahren kann ferner ein (z. B. Hochdruck-) Direktzuführen (z. B. Direkteinblasen oder Direkteinspritzen) des Wasserstoffs in die Verbren nungskammer, vorzugsweise in einem Verdichtungstakt (z. B. zu einem Ende des Verdich tungstaktes) aufweisen. Das Verfahren kann ein Selbstzünden des direktzugeführten Wasser stoffs in der Verbrennungskammer durch die erzeugten Wasserstoff-Selbstzündungsbedin- gungen aufweisen. The invention created a method for operating an internal combustion engine with hydrogen as, preferably the only, fuel. The method includes generating hydrogen auto-ignition conditions in a combustion chamber of the internal combustion engine by load-dependent adaptation of at least one, preferably at least two or three parameters. The parameters can have a combustion air ratio of the internal combustion engine and a feed time (z. B. injection time or injection time) of the hydrogen. The parameters can have a valve control curve, preferably a closing time, an air inlet valve to the combustion chamber and a compression ratio of the combustion chamber. The method can furthermore have a (z. B. high pressure) direct feeding (z. B. direct blowing or direct injection) of the hydrogen into the combustion chamber, preferably in a compression cycle (eg at one end of the compression cycle). The method can include self-ignition of the directly supplied hydrogen in the combustion chamber as a result of the hydrogen self-ignition conditions generated.
Das Verfahren kann den Vorteil bieten, dass durch ständiges lastabhängiges Verändern von einem oder mehreren vorbestimmten Parametern während des Betriebs der Brennkraftma schine eine Selbstzündung des Wasserstoffs für jeden oder zumindest eine Vielzahl von Mo torbetriebspunkten ermöglicht wird. Bevorzugt ist, dass zumindest zwei Parameter angepasst werden, da so bereits eine vergleichsweise genaue und schnelle Einstellung der gewünschten Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen innerhalb eines vergleichsweise großen Bereichs möglich ist. Bei der Anpassung von drei oder sogar vier Parametern können dementsprechend noch genauere und schnellere Einstellungen der gewünschten Wasserstoff-Selbstzündungs bedingungen innerhalb eines besonders großen Bereichs ermöglicht werden. Bei der Anpas sung von zwei oder mehr Parametern können zudem gezielt Koppelungen zwischen den Pa rametern ausgenutzt werden, z. B. Einflüsse von der Ventilsteuerkurve des Einlassventils und der Zuführung des Wasserstoffs auf das Verbrennungsluftverhältnis. The method can offer the advantage that, through constant load-dependent changing of one or more predetermined parameters during operation of the internal combustion engine, auto-ignition of the hydrogen is made possible for each or at least a plurality of engine operating points. It is preferred that at least two parameters are adapted, since in this way a comparatively precise and rapid setting of the desired hydrogen auto-ignition conditions is possible within a comparatively large range. When three or even four parameters are adjusted, even more precise and faster settings of the desired hydrogen auto-ignition conditions can accordingly be made possible within a particularly large range. When adapting two or more parameters, specific couplings between the parameters can also be used, e.g. B. Influences of the valve control curve of the intake valve and the supply of hydrogen on the combustion air ratio.
Im Unterschied zum Otto-Brennverfahren kann der Wasserstoff gegen Ende des Verdich tungstaktes zugeführt werden, sodass eine Verbrennung gemäß dem Dieselprinzip und dem damit verbundenen hohen Wirkungsgrad erfolgt. Die Erfindung kann die Vorteile aus einem umweltfreundlichen Kraftstoff (Wasserstoff) mit dem effizientesten Verbrennungsprozess kom binieren. Dadurch kann eine maximale Ausnutzung der im Wasserstoff gebundenen chemi schen Energien erfolgen. Zur Zündung erfordert keine Einspritzung einer Pilotmenge von Die selkraftstoff. Somit ergeben sich tatsächlich keine C02-Emissionen und das System kann ein facher aufgebaut sein. Gegenüber anderen Technologien zur Wasserstoffverbrennung kann die Direktzuführung und Selbstzündung des Wasserstoffs dazu führen, dass keine Klopfprob lematik auftritt, weil die Zuführung des Kraftstoffs gegen Ende der Verdichtungsphase ge schieht. Durch hohe Turbulenzen in der Verbrennungskammer, welche durch die späte Was serstoff-Zuführung nicht abgebaut werden, kann die anschließende Diffusionsverbrennung noch schneller und effizienter erfolgen. In contrast to the Otto combustion process, the hydrogen can be supplied towards the end of the compression cycle, so that combustion according to the diesel principle and the associated high efficiency takes place. The invention can combine the advantages of an environmentally friendly fuel (hydrogen) with the most efficient combustion process. This allows maximum utilization of the chemical energies bound in hydrogen. Ignition does not require a pilot amount of diesel fuel to be injected. This means that there are actually no CO2 emissions and the system can be structured more simply. Compared to other technologies for hydrogen combustion, the direct supply and auto-ignition of the hydrogen can prevent knocking problems because the fuel is supplied towards the end of the compression phase. Due to the high turbulence in the combustion chamber, which is not broken down by the late addition of hydrogen, the subsequent diffusion combustion can take place even faster and more efficiently.
Zweckmäßig kann das Verfahren ohne eine Voreinspritzung, ohne Verwendung einer Glüh kerze, ohne Verwendung einer Zündkerze und/oder ohne Zuführung von anderen Kraftstoffe durchgeführt werden. The method can expediently be carried out without a pre-injection, without using a glow plug, without using a spark plug and / or without supplying other fuels.
Vorzugsweise kann der Wasserstoff mit Hochdruck in die Verbrennungskammer zugeführt werden, z. B. mit einem Druck in einem Bereich zwischen 150 bar und 500 bar. Preferably, the hydrogen can be fed into the combustion chamber at high pressure, e.g. B. with a pressure in a range between 150 bar and 500 bar.
Es ist möglich, dass der Wasserstoff mittels eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors, der zweck mäßig in die Verbrennungskammer mündet, zugeführt wird. It is possible that the hydrogen is supplied by means of a hydrogen fuel injector which expediently opens into the combustion chamber.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das lastabhängige Anpassen basierend auf einem (z. B. vorbestimmten) Kennfeld (z. B. Koordinatensystem, Diagramm, Formel, Tabellen usw.), das für eine Vielzahl (z. B. mindestens zwei, drei, vier usw.) von unterschiedlichen Lastpunkten und/oder unterschiedlichen Lastbereichen unterschiedliche einzustellende Werte von mindes tens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, der Parameter oder Kombinationen der Parameter bereitstellt. Somit kann sehr genau auf unterschiedliche Lastbedingungen reagiert und weiterhin Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer erzeugt werden. In one exemplary embodiment, the load-dependent adaptation is carried out based on a (e.g. predetermined) characteristic field (e.g. coordinate system, diagram, formula, tables, etc.) that is available for a large number (e.g. at least two, three, four, etc.) .) of different load points and / or different load ranges to set values of at least one, preferably at least two or three, the parameters or combinations of the parameters. Thus, it is possible to react very precisely to different load conditions and to continue to generate hydrogen auto-ignition conditions in the combustion chamber.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das lastabhängige Anpassen ständig oder kontinuierlich während des Betriebs der Brennkraftmaschine, vorzugsweise bei Änderungen einer Last der Brennkraftmaschine. Damit kann bspw. sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Brennkraftmaschine Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in der Verbren nungskammer vorliegen. In einer Ausführungsform wird das Erzeugen der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in einem Lastbereich oberhalb von einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugs weise bis einschließlich eines Vollastbereichs der Brennkraftmaschine, durchgeführt. Gege benenfalls kann somit im Niedriglastbereich eine Zündung des Wasserstoffs auf zusätzliche und/oder alternative Weise begünstigt werden oder erfolgen. In one embodiment, the load-dependent adaptation takes place continuously or continuously during the operation of the internal combustion engine, preferably when a load of the internal combustion engine changes. It can thus be ensured, for example, that hydrogen auto-ignition conditions are present in the combustion chamber at all times during the operation of the internal combustion engine. In one embodiment, the hydrogen auto-ignition conditions are generated in a load range above a low load range of the internal combustion engine, preferably up to and including a full load range of the internal combustion engine. If necessary, ignition of the hydrogen can thus be promoted in an additional and / or alternative manner in the low-load range.
Zweckmäßig kann der Niedriglastbereich einen Bereich zwischen 0 % und 30 % einer Nenn last bzw. Maximallast der Brennkraftmaschine aufweisen. The low load range can expediently have a range between 0% and 30% of a nominal load or maximum load of the internal combustion engine.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Fremdzünden des direktzu- geführten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugsweise mittels einer Zündkerze, auf. Es ist möglich, dass beispielsweise in Abhängigkeit von der Aus führung der Brennkraftmaschine die Erzeugung von Wasserstoff-Selbstzündungsbedingun- gen in dem Niedriglastbereich nur mit großem Aufwand unter Hinnahme unterschiedlichster Nachteile oder gar nicht möglich ist. Derartige Schwierigkeiten können durch die Fremdzün dung auf einfache Weise umgangen werden. Die Zündkerze kann beispielsweise nur im Nied riglastbereich der Brennkraftmaschine zur Zündung des Wasserstoffs verwendet werden. Da mit kann eine Lebensdauer der Zündkerze verlängert werden. In a further embodiment, the method also includes an external ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine, preferably by means of a spark plug. It is possible that, for example, depending on the design of the internal combustion engine, the generation of hydrogen auto-ignition conditions in the low-load range is only possible with great effort and with the most varied of disadvantages, or not at all. Such difficulties can be easily circumvented by the Fremdzün training. The spark plug can for example only be used in the low load range of the internal combustion engine to ignite the hydrogen. Since the service life of the spark plug can be extended.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ein Selbstzünden des direktzugeführ- ten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugsweise unter stützt durch eine Glühkerze, auf. Die Glühkerze kann beispielsweise nur im Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine zur Temperaturerhöhung verwendet werden. Damit kann eine Le bensdauer der Glühkerze verlängert werden. In a further embodiment, the method includes auto-ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine, preferably supported by a glow plug. The glow plug can, for example, only be used to increase the temperature in the low-load range of the internal combustion engine. This can extend the life of the glow plug.
Zweckmäßig kann eine Anpassung der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen hin zu selbstzündungsfreudigeren Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen vorgenommen werden, wenn eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Damit kann auch bei geringer werden der Last eine Selbstzündung des Wasserstoffs gewährleistet sein. The hydrogen self-ignition conditions can expediently be adapted to hydrogen self-ignition conditions that are more favorable for self-ignition when a load on the internal combustion engine is reduced. Self-ignition of the hydrogen can thus be ensured even when the load is lower.
Vorzugsweise kann eine Anpassung der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen hin zu we niger selbstzündungsfreudigeren Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen vorgenommen werden, wenn eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird. Eine hohe Last kann ohnehin die Selbstzündung begünstigen. Die vorgenommene Anpassung kann somit bewirken, dass eine thermische und/oder mechanische Belastung der Komponenten verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine je nach Auslegung in einem Bereich mit höherem Wirkungsgrad bzw. dichter am jeweiligen Auslegungspunkt betrieben werden. The hydrogen self-ignition conditions can preferably be adapted to hydrogen self-ignition conditions that are less favorable to self-ignition when a load on the internal combustion engine is increased. A high load can favor spontaneous ignition anyway. The adaptation made can thus have the effect that thermal and / or mechanical stress on the components is reduced. Alternatively or in addition, depending on the design, the internal combustion engine can be operated in an area with higher efficiency or closer to the respective design point.
In einer Ausführungsvariante wird das Verbrennungsluftverhältnis erhöht, wenn die Wasser- stoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses selbstzündungs freudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alter nativ oder zusätzlich kann das Verbrennungsluftverhältnis verringert werden, wenn die Was- serstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird. In one embodiment variant, the combustion air ratio is increased if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more easily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine is reduced. Alternatively or additionally, the combustion air ratio can be reduced if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine is increased.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach früher verstellt, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeitpunkts selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verrin gert wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach später verstellt werden, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeit punkts weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftma schine erhöht wird. In a further embodiment variant, the hydrogen feed time is adjusted earlier if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the feed time and / or a load on the internal combustion engine is reduced. As an alternative or in addition, the hydrogen feed time can be adjusted later if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the feed time and / or a load on the internal combustion engine is increased.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils nach später verstellt (z. B. um den Liefergrad zu maximieren), wenn die Wasserstoff-Selbstzün dungsbedingungen mittels des Schließzeitpunkts selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils nach früher verstellt werden (z. B. um den Liefergrad zu minimieren), wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Schließzeit punkts weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftma schine erhöht wird. In a further embodiment variant, a closing time of the air inlet valve is adjusted later (e.g. in order to maximize the degree of delivery) when the hydrogen self-ignition conditions are to be adjusted more easily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine is reduced. Alternatively or additionally, a closing time of the air inlet valve can be adjusted earlier (e.g. in order to minimize the degree of delivery) if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine is increased.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskam mer erhöht, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsver hältnisses selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftma schine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Verdichtungsverhältnis der Verbren nungskammer verringert werden, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsverhältnisses weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird. In einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verbrennungsluftverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 1 ,2 und 3, vorzugsweise zwischen 1 ,8 und 2,2. Vorzugsweise ist das Verbrennungs luftverhältnis innerhalb dieses Bereichs verstellbar. In a further embodiment variant, the compression ratio of the combustion chamber is increased when the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine is reduced. Alternatively or additionally, the compression ratio of the combustion chamber can be reduced if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine is increased. In one embodiment, a combustion air ratio is within a range between 1.2 and 3, preferably between 1.8 and 2.2. The combustion air ratio is preferably adjustable within this range.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt ein Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs im Verdich tungstakt innerhalb eines Bereichs zwischen 60°KW vor OT (oberer Totpunkt einer Kolbenbe wegung des Kolbens) und 0°KW vor OT, vorzugsweise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT. Vorzugsweise ist der Zuführzeitpunkt innerhalb dieses Bereichs verstellbar. Durch die späte Zuführung des Wasserstoffs kann das Risiko des Auftretens einer Klopfproblematik deutlich verringert werden. Hohe Turbulenzen in der Verbrennungskammer werden durch die späte Wasserstoff-Zuführung nicht abgebaut. In a further exemplary embodiment, a hydrogen feed time in the compression cycle is within a range between 60 ° CA before TDC (top dead center of a piston movement of the piston) and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC . The feed time can preferably be adjusted within this range. The late supply of hydrogen can significantly reduce the risk of knocking problems. High turbulence in the combustion chamber is not reduced by the late supply of hydrogen.
In einer Ausführungsform liegt ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils bezüglich des Ein lasstaktes innerhalb eines Bereichs zwischen 20°KW vor UT (unterer Totpunkt einer Kolben bewegung des Kolbens) und 80°KW nach UT, vorzugsweise zwischen 0°KW vor UT und 60°KW nach UT. Vorzugsweise ist der Schließzeitpunkt innerhalb dieses Bereichs verstellbar. In one embodiment, a closing time of the air inlet valve with respect to the intake stroke is within a range between 20 ° CA before BDC (bottom dead center of a piston movement of the piston) and 80 ° CA after BDC, preferably between 0 ° CA before BDC and 60 ° CA after BDC . The closing time can preferably be adjusted within this range.
In einer weiteren Ausführungsform liegt ein Verdichtungsverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 15 und 26, vorzugsweise zwischen 20 und 23. Vorzugsweise ist das Verdichtungs verhältnis innerhalb dieses Bereichs verstellbar. In a further embodiment, a compression ratio is within a range between 15 and 26, preferably between 20 and 23. The compression ratio is preferably adjustable within this range.
In einer Ausführungsvariante ist das Verbrennungsluftverhältnis mittels Anpassen eines Be triebs eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors verstellbar. So kann eine Dosierung des direktzu- geführten Wasserstoffs verstellbar sein. In one embodiment, the combustion air ratio can be adjusted by adapting the operation of a hydrogen fuel injector. The metering of the directly supplied hydrogen can thus be adjustable.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist der Zuführzeitpunkt mittels Anpassen eines Betriebs eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors verstellbar. In a further embodiment variant, the feed time can be adjusted by adapting an operation of a hydrogen fuel injector.
Zweckmäßig kann ein Betrieb des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors durch Anpassen einer An steuerung einer elektrischen Ansteuerung des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors, mittels eines variablen Ventiltriebs und/oder mittels eines Nockenwellenphasenverstellers anpassbar sein. Operation of the hydrogen fuel injector can expediently be adaptable by adapting a control to an electrical control of the hydrogen fuel injector, by means of a variable valve drive and / or by means of a camshaft phaser.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Ventilsteuerkurve mittels Anpassen eines Betriebs des Lufteinlassventils verstellbar, z. B. durch Anpassen einer Ansteuerung einer elektrischen An steuerung des Lufteinlassventils, mittels eines variablen Ventiltriebs und/oder mittels eines Nockenwellenphasenverstellers. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verdichtungsverhältnis mittels eines Variables- Verdichtungsverhältnis-Systems der Brennkraftmaschine verstellbar, vorzugsweise durch An passen einer Kolbenposition im oberen Totpunkt, zum Beispiel durch einen verstellbaren und/oder verlagerbaren Kolben, einen verstellbaren Pleuel und/oder eine verstellbare und/o der verlagerbare Kurbelwelle. In one embodiment, the valve control curve is adjustable by adjusting an operation of the air inlet valve, e.g. B. by adapting a control to an electrical control of the air inlet valve, by means of a variable valve train and / or by means of a camshaft phaser. In a further embodiment, the compression ratio can be adjusted by means of a variable compression ratio system of the internal combustion engine, preferably by adjusting a piston position at top dead center, for example by means of an adjustable and / or displaceable piston, an adjustable connecting rod and / or an adjustable and / o the movable crankshaft.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Zuführen von Luft in eine Verbren nungskammer der Brennkraftmaschine (zweckmäßig in einem Einlasstakt) und ein Verdichten der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer (zweckmäßig in einem Verdichtungstakt) auf. Zweckmäßig kann der Wasserstoff direkt in die verdichtete Luft zugeführt werden, vor zugsweise zum Ende des Verdichtungstaktes, z. B. zwischen 60°KW vor OT und 0°KW vor OT, vorzugsweise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT. In one embodiment, the method further comprises feeding air into a combustion chamber of the internal combustion engine (expediently in an intake stroke) and compressing the air fed in in the combustion chamber (expediently in a compression stroke). Appropriately, the hydrogen can be fed directly into the compressed air, preferably before the end of the compression stroke, for. B. between 60 ° CA before TDC and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine T umbleströmung, der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer erzeugt. Die mit der Drehströmung verbundene Turbulenzgenerierung kann die Selbstzündung des Wasser stoffs generell begünstigen. In a further embodiment, a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, is generated for the supplied air in the combustion chamber. The generation of turbulence associated with the rotary flow can generally favor the self-ignition of the hydrogen.
In einer Weiterbildung ist die Drehströmung in der Verbrennungskammer größer oder gleich ca. 30 Hz (30 Umdrehungen pro Sekunde). Es wurde erkannt, dass insbesondere ab diesem Schwellwert (mit Toleranz) ein ausreichend hohes Turbulenzniveau in der Verbrennungskam mer vorliegt, um ausreichend zu einer sicheren Selbstzündung des Wasserstoffs beizutragen. In a further development, the rotary flow in the combustion chamber is greater than or equal to approximately 30 Hz (30 revolutions per second). It was recognized that, in particular from this threshold value (with tolerance), there is a sufficiently high level of turbulence in the combustion chamber to contribute sufficiently to reliable self-ignition of the hydrogen.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Drehströmung durch eine Kanalgeometrie mindestens eines Lufteinlasskanals, der zum Zuführen von Luft zu der Verbrennungskammer angeordnet ist, erzeugt. Beispielsweise können ein Verlauf des Lufteinlasskanals und eine Anordnung ei ner Mündungsöffnung des Lufteinlasskanals zur Erzeugung der Drehströmung führen. Es ist bspw. auch möglich, dass feste oder verstellbare Leitklappen im Lufteinlasskanal angeordnet sind, die zur Erzeugung der Drehströmung führen. In one embodiment, the rotary flow is generated by a duct geometry of at least one air inlet duct which is arranged for supplying air to the combustion chamber. For example, a course of the air inlet channel and an arrangement of an orifice opening of the air inlet channel can lead to the generation of the rotary flow. It is also possible, for example, for fixed or adjustable guide flaps to be arranged in the air inlet duct, which lead to the generation of the rotary flow.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Drehströmung durch eine angepasste Geo metrie des Kolbenbodens eines Kolbens erzeugt, gehalten oder verstärkt. In a further exemplary embodiment, the rotary flow is generated, maintained or intensified by an adapted geometry of the piston head of a piston.
Die Erfindung betrifft auch eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine oder ein Kraftfahrzeug, vor zugsweise Nutzfahrzeug (z. B. Lastkraftwagen oder Omnibus), mit einer Wasserstoff-Brenn- kraftmaschine. Zweckmäßig ist die Wasserstoff-Brennkraftmaschine zum Ausführen eines Verfahrens wie hierin offenbart eingerichtet. Zweckmäßig weist die Wasserstoff-Brennkraftma- schine eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren wie hierin offenbart aus zuführen. Optional kann die Wasserstoff-Brennkraftmaschine mindestens einen Lufteinlasska nal zum Zuführen von Luft in eine Verbrennungskammer der Wasserstoff-Brennkraftmaschine aufweisen. Der mindestens eine Lufteinlasskanal ist dazu ausgebildet, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine T umbleströmung, der in die Verbrennungskammer zugeführten Luft zu erzeugen, vorzugsweise größer oder gleich ca. 30 Hz. Alternativ oder zu sätzlich weist die Wasserstoff-Brennkraftmaschine einen Kolben zum Begrenzen einer Ver brennungskammer der Wasserstoff-Brennkraftmaschine auf. Der Kolben ist dazu ausgebildet, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der in die Verbrennungskammer zugeführten Luft zu erzeugen, zu halten oder zu verstärken, vorzugs weise größer oder gleich ca. 30 Hz. Die Wasserstoff-Brennkraftmaschine kann die gleichen Vorteile erzielen wie das hierin offenbarte Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff. The invention also relates to a hydrogen internal combustion engine or a motor vehicle, preferably a commercial vehicle (for example a truck or bus), with a hydrogen internal combustion engine. The hydrogen internal combustion engine is expedient for carrying out a Method set up as disclosed herein. The hydrogen internal combustion engine expediently has a control unit which is set up to carry out a method as disclosed herein. Optionally, the hydrogen internal combustion engine can have at least one air inlet duct for supplying air into a combustion chamber of the hydrogen internal combustion engine. The at least one air inlet duct is designed to generate a rotary flow, preferably a swirl flow or a turbulent flow, of the air fed into the combustion chamber, preferably greater than or equal to about 30 Hz. Alternatively or additionally, the hydrogen internal combustion engine has a piston for limiting a combustion chamber on the hydrogen engine. The piston is designed to generate, maintain or intensify a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, of the air fed into the combustion chamber, preferably greater than or equal to about 30 Hz. The hydrogen internal combustion engine can achieve the same advantages such as the method disclosed herein for operating an internal combustion engine with hydrogen.
Vorzugsweise kann sich der Begriff„Steuereinheit“ auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozes soren) und Datenspeicher) und/oder eine mechanische Steuerung beziehen, die je nach Aus bildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff„Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch„Regeln“ bzw.„Steuern mit Rückkopplung“ umfasst sein. The term “control unit” can preferably refer to electronics (e.g. with microprocessors and data storage) and / or a mechanical controller which, depending on the training, can take on control tasks and / or regulating tasks. Even if the term “control” is used here, it can also expediently include “regulation” or “control with feedback”.
Es ist auch möglich, das Verfahren und die Brennkraftmaschine wie hierin offenbart für Perso nenkraftwagen, Großmotoren, geländegängige Fahrzeuge, stationäre Motoren, Marinemoto ren usw. zu verwenden. It is also possible to use the method and the internal combustion engine as disclosed herein for passenger vehicles, large engines, all-terrain vehicles, stationary engines, marine engines, and the like.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt: The preferred embodiments and features of the invention described above can be combined with one another as desired. Further details and advantages of the invention are described below with reference to the accompanying drawing. It shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. FIG. 1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
Die Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist als eine Hubkol- ben-Brennkraftmaschine ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 10 weist einen oder mehrere Zylinder auf. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist lediglich ein Zylinder in Figur 1 darge stellt. Die Brennkraftmaschine 10 ist zweckmäßig als eine Einkraftstoff-Brennkraftmaschine zum Betreiben mittels Wasserstoff als Kraftstoff ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 10 kann in einem Fahrzeug, z. B. einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug oder einem Wasser fahrzeug, zum Antreiben des Fahrzeugs umfasst sein. Vorzugsweise ist die Brennkraftma schine 10 in einem Nutzfahrzeug, z. B. einem Lastkraftwagen oder Omnibus, zum Antreiben des Nutzfahrzeugs umfasst. Es ist auch möglich, die Brennkraftmaschine 10 in einer stationä ren Anlage z. B. zum Antreiben eines Generators zu verwenden. FIG. 1 shows an internal combustion engine 10. Internal combustion engine 10 is designed as a reciprocating internal combustion engine. The internal combustion engine 10 has one or more cylinders. To improve clarity, only one cylinder is shown in FIG. 1. The internal combustion engine 10 is expedient as a single-fuel internal combustion engine designed to operate using hydrogen as fuel. The internal combustion engine 10 can be in a vehicle, e.g. B. a motor vehicle, a rail vehicle or a water vehicle to be included for driving the vehicle. Preferably, the Brennkraftma machine 10 is in a utility vehicle, e.g. B. a truck or bus for driving the utility vehicle. It is also possible, the internal combustion engine 10 in a stationary Ren system z. B. to be used to drive a generator.
Die Brennkraftmaschine 10 weist je Zylinder mindestens einen Lufteinlasskanal 12, mindes tens einen Abgasauslasskanal 14, eine Verbrennungskammer 16, einen Kolben 18 und einen Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 auf. The internal combustion engine 10 has at least one air inlet duct 12, at least one exhaust gas outlet duct 14, a combustion chamber 16, a piston 18 and a hydrogen fuel injector 20 for each cylinder.
Der Lufteinlasskanal 12 mündet in die Verbrennungskammer 16. Über den Lufteinlasskanal 12 kann (Lade-)Luft zu der Verbrennungskammer 16 zugeführt werden. Der Lufteinlasskanal 12 ist in einem Zylinderkopf angeordnet. Der Zylinderkopf begrenzt die Verbrennungskammer 16 von oben. Stromaufwärts des Lufteinlasskanals 12 kann ein Luftzuführsystem angeordnet sei. Das Luftzuführsystem kann je nach Anforderung bspw. einen oder mehrere Verdichter einer Turboladerbaugruppe, einen Ladeluftkühler und/oder eine Abgasrückrührleitung aufwei sen. The air inlet duct 12 opens into the combustion chamber 16. (Charge) air can be supplied to the combustion chamber 16 via the air inlet duct 12. The air inlet duct 12 is arranged in a cylinder head. The cylinder head delimits the combustion chamber 16 from above. An air supply system can be arranged upstream of the air inlet duct 12. Depending on the requirement, the air supply system can, for example, have one or more compressors of a turbocharger assembly, a charge air cooler and / or an exhaust gas recirculation line.
Der Lufteinlasskanal 12 ist zweckmäßig dazu ausgebildet, die Luft mit einer Drehströmung in die Verbrennungskammer 16 zuzuführen. Vorzugsweise ist die Drehströmung eine Drallströ mung (Drehung um eine Längsachse des Zylinders). Es ist allerdings auch möglich, dass die Drehströmung als eine T umbleströmung (Drehung um eine Querachse des Zylinders) realisiert ist. Beispielsweise kann der Lufteinlasskanal 12 als ein Tangentialkanal, der die Luft tangential zur Zylinderwand zuführt, oder als ein Spiralkanal (spiralförmig gewundener Einlasskanal) zum Erzeugen der Drehströmung ausgeführt sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass der Lufteinlasskanal 12 feste oder verstellbare Luftleitklappen zum Erzeugen der Drehströmung aufweist. The air inlet duct 12 is expediently designed to supply the air with a rotary flow into the combustion chamber 16. The rotary flow is preferably a swirl flow (rotation about a longitudinal axis of the cylinder). However, it is also possible that the rotary flow is implemented as a T umbleströmung (rotation around a transverse axis of the cylinder). For example, the air inlet channel 12 can be designed as a tangential channel that supplies the air tangentially to the cylinder wall, or as a spiral channel (helically wound inlet channel) for generating the rotary flow. It is also possible, for example, for the air inlet duct 12 to have fixed or adjustable air guide flaps for generating the rotary flow.
Eine Mündungsöffnung des Lufteinlasskanals 12 in die Verbrennungskammer 16 ist mittels eines Lufteinlassventils 22 öffenbar und schließbar. Das Lufteinlassventil 22 ist vorzugsweise als ein Tellerventil ausgeführt. Das Lufteinlassventil 22 kann mittels jeglicher Technik betätigt werden. Zweckmäßig ist eine Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22 veränderbar bzw. variabel. Z. B. kann das Lufteinlassventil 22 mittels eines variablen Ventiltriebs 24 betätigt sein. Der variable Ventiltrieb 24 kann eine Kraftübertragungsvorrichtung, wie z. B. einen Stößel, io An opening of the air inlet channel 12 into the combustion chamber 16 can be opened and closed by means of an air inlet valve 22. The air inlet valve 22 is preferably designed as a poppet valve. The air inlet valve 22 can be operated using any technique. A valve control curve of the air inlet valve 22 is expediently changeable or variable. For example, the air inlet valve 22 can be actuated by means of a variable valve drive 24. The variable valve train 24 may be a power transmission device such. B. a plunger, ok
einen Schlepphebel oder einen Kipphebel, und eine Nockenwelle aufweisen. Die Kraftübertra gungsvorrichtung kann eine Wirkverbindung zwischen der Nockenwelle und dem Lufteinlass ventil 22 hersteilen. Ein Verstellung der Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22 kann bspw. mittels eines Nockenwellenphasenverstellers für die Nockenwelle und/oder eines Schiebeno ckensystems für die Nockenwelle bewirkt werden. Vorzugsweise kann ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils 22 innerhalb eines Bereichs zwischen 20°KW vor UT und 80°KW nach UT, vorzugsweise zwischen 0°KW vor UT und 60°KW nach UT, verstellbar sein. Die Verstell barkeit der Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22 kann auf vorteilhafte Weise dazu ge nutzt werden, um Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 zu erzeugen. have a rocker arm or a rocker arm, and a camshaft. The power transmission device can establish an operative connection between the camshaft and the air inlet valve 22. The valve control curve of the air inlet valve 22 can be adjusted, for example, by means of a camshaft phaser for the camshaft and / or a sliding cam system for the camshaft. A closing time of the air inlet valve 22 can preferably be adjustable within a range between 20 ° CA before UT and 80 ° CA after UT, preferably between 0 ° CA before UT and 60 ° CA after UT. The adjustability of the valve control curve of the air intake valve 22 can advantageously be used to generate auto-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10.
Nach der Verbrennung verlässt das Abgas die Verbrennungskammer 16 durch den mittels eines Abgasauslassventils 26 geöffneten Abgasauslasskanal 14. Das Abgasauslassventil 26 kann beispielsweise als ein Tellerventil ausgeführt sein. Der Abgasauslasskanal 14 ist in dem Zylinderkopf angeordnet. Stromabwärts des Abgasauslasskanals 14 kann ein Abgassystem angeordnet sein. Das Abgassystem kann beispielsweise eine oder mehrere Abgasturbinen einer Turboladerbaugruppe aufweisen. After the combustion, the exhaust gas leaves the combustion chamber 16 through the exhaust gas outlet channel 14, which is opened by means of an exhaust gas outlet valve 26. The exhaust gas outlet valve 26 can be designed, for example, as a poppet valve. The exhaust outlet channel 14 is arranged in the cylinder head. An exhaust system can be arranged downstream of the exhaust gas outlet duct 14. The exhaust system can have, for example, one or more exhaust gas turbines of a turbocharger assembly.
Der Kolben 18 ist hin- und her bewegbar in dem Zylinder angeordnet. Der Kolben 18 ist über einen Pleuel 28 mit einer Kurbelwelle 30 verbunden. Der Kolben 18 begrenzt die Verbren nungskammer 16 nach unten. Im Einzelnen begrenzt ein Kolbenboden 32 des Kolbens 18 die Verbrennungskammer 16 nach unten. The piston 18 is arranged to be movable back and forth in the cylinder. The piston 18 is connected to a crankshaft 30 via a connecting rod 28. The piston 18 limits the combustion chamber 16 downward. In detail, a piston head 32 of the piston 18 delimits the combustion chamber 16 downwards.
Der Kolbenboden 32 ist zweckmäßig dazu ausgeführt, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung, in der Verbrennungskammer 16 zu begünstigen. Hierzu kann der Kolbenboden 32 beispielsweise eine an die Geometrie des mindestens einen Lufteinlasskanals 12 ange passte Kolbenmulde und/oder Oberflächenkontur aufweisen. Die optimierte Auslegung des Kolbenbodens 32 erlaubt während der Verdichtungsphase die vorhandene Strömung in der Verbrennungskammer 16 in eine gewünschte (Dreh-)Richtung zu zwingen und damit die Tur bulenzen zu steigern. The piston head 32 is expediently designed to promote a rotary flow, preferably a swirl flow, in the combustion chamber 16. For this purpose, the piston crown 32 can for example have a piston recess and / or surface contour that is adapted to the geometry of the at least one air inlet channel 12. The optimized design of the piston crown 32 allows the existing flow in the combustion chamber 16 to be forced in a desired (rotational) direction during the compression phase and thus to increase the turbulence.
Zweckmäßig wirken eine drehströmungserzeugende, vorzugsweise drallerzeugende, Geo metrie des Lufteinlasskanals 12 und eine drehströmungshaltende, vorzugsweise drallhal tende, oder drehströmungsverstärkende, vorzugsweise drallverstärkende, Geometrie des Kol benbodens 32 so zusammen, dass sich eine Drallströmung von mindestens 30 Hz, das heißt 30 Umdrehungen pro Sekunde, ergibt. Ein derartig hohes Turbulenzniveau in der Verbren nungskammer 16 begünstigt die Erzeugung von Selbstzündungsbedingungen für den Was serstoff. A rotational flow-generating, preferably swirl-generating, geometry of the air inlet duct 12 and a rotational flow-maintaining, preferably swirling, or rotational flow-enhancing, preferably swirl-enhancing, geometry of the piston bottom 32 work together in such a way that a swirl flow of at least 30 Hz, that is 30 revolutions per second, results. Such a high level of turbulence in the combustion chamber 16 favors the generation of auto-ignition conditions for the hydrogen.
Die Brennkraftmaschine 10 kann ferner ein Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 (auch VCR-System genannt: variable compression ratio-system) aufweisen. Zweckmäßig ermöglicht das Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 durch Anpassen einer Kolbenposition des Kolbens 18 im oberen Totpunkt eine diskrete oder kontinuierliche Veränderung des Verdich tungsverhältnisses e. Zum Beispiel kann das Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 durch eine Verstellbarkeit des Pleuels 28 implementiert sein. Der Pleuel 28 kann längenver änderlich sein. Zum Beispiel kann der Pleuel 28 als ein Teleskoppleuel ausgeführt sein. Das Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 kann auch anders ausgeführt sein. Beispiels weise kann eine Verstellung und/oder eine Verlagerung des Kolbens 18 möglich sein. Alter nativ kann beispielsweise eine Verstellung und/oder Verlagerung der Kurbelwelle 30 möglich sein. Vorzugsweise kann das Verdichtungsverhältnis e innerhalb eines Bereichs zwischen 15 und 26 vorzugsweise zwischen 18 und 23, verstellbar sein. Die Verstellbarkeit des Verdich tungsverhältnisses e kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um Selbstzündungsbedin gungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 zu erzeugen. The internal combustion engine 10 can furthermore have a variable compression ratio system 34 (also called VCR system: variable compression ratio system). Expediently, the variable compression ratio system 34 enables a discrete or continuous change in the compression ratio e by adapting a piston position of the piston 18 at top dead center. For example, the variable compression ratio system 34 may be implemented by adjustability of the connecting rod 28. The connecting rod 28 can be changeable in length. For example, the connecting rod 28 can be designed as a telescopic connecting rod. The variable compression ratio system 34 can also be implemented differently. For example, an adjustment and / or a displacement of the piston 18 may be possible. Alternatively, for example, an adjustment and / or displacement of the crankshaft 30 may be possible. The compression ratio e can preferably be adjustable within a range between 15 and 26, preferably between 18 and 23. The adjustability of the compression ratio e can advantageously be used to generate self-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10.
Der Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 ist dazu ausgebildet, Wasserstoff als Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 16 zuzuführen, vorzugsweise einzublasen. Die Zuführung erfolgt mit einem hohen Druck, zum Beispiel in einem Bereich zwischen 150 und 500 bar. Der Was serstoff-Kraftstoffinjektor 20 kann auf jegliche Art und Weise betätigt sein, zum Beispiel mittels eines Elektromagneten oder mechanisch z. B. mittels einer Nockensteuerung des variablen Ventiltriebs 24. The hydrogen fuel injector 20 is designed to supply hydrogen as fuel directly into the combustion chamber 16, preferably to inject it. The feed takes place at a high pressure, for example in a range between 150 and 500 bar. The what hydrogen fuel injector 20 can be operated in any way, for example by means of an electromagnet or mechanically z. B. by means of a cam control of the variable valve drive 24.
Zweckmäßig kann ein Zuführzeitpunkt des durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 zuge führten Wasserstoffs in die Verbrennungskammer 16 verstellbar sein. Beispielsweise kann der Zuführzeitpunkt mittels der variablen Ventiltriebs 24 oder einer veränderten Ansteuerung des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 bewirkt werden. Vorzugsweise kann der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs innerhalb eines Bereichs zwischen 60°KW vor OT und 0°KW vor OT, vorzugs weise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT, verstellbar sein. Die Verstellbarkeit des Zuführzeitpunkts kann auf vorteilhafte Weise dazu genutzt werden, um Selbstzündungsbedin gungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 zu er zeugen. Es ist möglich, dass eine durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 zugeführte Kraftstoff menge verstellbar ist. Die Dosierung der Kraftstoffmenge kann beispielsweise durch eine Ver änderung einer Öffnungsdauer des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 bewirkt werden. Bei spielsweise kann die Veränderung der zugeführten Kraftstoffmenge mittels eines variablen Ventiltriebs oder einer veränderten Ansteuerung des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 bewirkt werden. Durch die Veränderung der Kraftstoffmenge kann zweckmäßig ein Verbrennungsluft verhältnis l bzw. ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFR (engl für air-fuel-ratio) angepasst werden. Vorzugsweise kann das Verbrennungsluftverhältnis l innerhalb eines Bereichs zwischen 1 ,2 und 3, vorzugsweise zwischen 1 ,8 und 2,2, verstellbar sein. Auch die Verstellbarkeit des Ver brennungsluftverhältnisses l kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um Selbstzün dungsbedingungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftma schine 10 zu erzeugen. Expediently, a feed time of the hydrogen fed by the hydrogen fuel injector 20 into the combustion chamber 16 can be adjusted. For example, the feed time can be brought about by means of the variable valve drive 24 or a changed control of the hydrogen fuel injector 20. The hydrogen feed time can preferably be adjusted within a range between 60 ° CA before TDC and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC. The adjustability of the feed time can be used in an advantageous manner to generate self-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10. It is possible for an amount of fuel supplied by the hydrogen fuel injector 20 to be adjustable. The metering of the amount of fuel can be effected, for example, by changing an opening duration of the hydrogen fuel injector 20. For example, the change in the amount of fuel supplied can be brought about by means of a variable valve drive or a changed control of the hydrogen fuel injector 20. By changing the amount of fuel, a combustion air ratio l or an air-fuel ratio AFR can be adjusted appropriately. The combustion air ratio l can preferably be adjustable within a range between 1, 2 and 3, preferably between 1.8 and 2.2. The adjustability of the combustion air ratio l can also advantageously be used to generate self-ignition conditions for the hydrogen as a function of a load on the internal combustion engine 10.
Die Brennkraftmaschine 10 kann zudem eine zweckmäßig elektronische Steuereinheit 36 auf weisen. Die Steuereinheit 36 ist zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 ausgeführt. Die Steuereinheit 36 kann mit dem variablen Ventiltrieb 24, dem Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 und/oder dem Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 in Kommunikationsverbindung stehen. The internal combustion engine 10 can also have an expedient electronic control unit 36. The control unit 36 is designed to operate the internal combustion engine 10. The control unit 36 may be in communication with the variable valve train 24, the hydrogen fuel injector 20, and / or the variable compression ratio system 34.
In einem Einlasstakt wird Luft durch den Lufteinlasskanal 12 und das geöffnete Lufteinlass ventil 22 in die Verbrennungskammer 16 zugeführt. Der Kolben 18 bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. Im Verdichtungstakt wird die zugeführte Luft in der Verbren nungskammer 16 verdichtet. Der Kolben 18 bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. Im Unterschied zu einem Otto-Brennverfahren wird der Wasserstoff gegen Ende des Verdichtungstaktes zugeführt. Der Wasserstoff wird direkt durch den Wasserstoff-Kraftstoffin jektor 20 in die Verbrennungskammer 16 zugeführt. Kurz nach der Zuführung zündet der Was serstoff durch Selbstzündung. Der Wasserstoff verbrennt nach dem für Dieselmotoren bekann ten Diffusionsprinzip, der aus thermodynamischen Gründen mit einem hohen Wirkungsgrad verbunden ist. Dabei wird der Kolben 18 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt be schleunigt und treibt dabei die Kurbelwelle 30 an. Im anschließenden Auslasstakt wird das entstandene Abgas aus der Verbrennungskammer 16 durch das geöffnete Abgasauslassventil 26 in den Abgasauslasskanal 14 ausgeschoben. Der Kolben 18 bewegt sich vom unteren Tot punkt zum oberen Totpunkt. Das durch die Geometrie des Lufteinlasskanals 12 und des Kolbenbodens 32 bewirkte hohe Turbulenzniveau in der Verbrennungskammer 16 begünstigt die Selbstzündung und die Ver brennung des Wasserstoffs. Zusätzlich oder alternativ kann ein hohes Grundverdichtungsver hältnis, z. B. in einem Bereich zwischen 20 und 23 die Selbstzündung des Wasserstoffs ebenso begünstigen. In an intake stroke, air is fed into the combustion chamber 16 through the air intake duct 12 and the open air intake valve 22. The piston 18 moves from top dead center to bottom dead center. In the compression stroke, the air supplied in the combustion chamber 16 is compressed. The piston 18 moves from bottom dead center to top dead center. In contrast to an Otto combustion process, the hydrogen is supplied towards the end of the compression cycle. The hydrogen is fed directly into the combustion chamber 16 through the hydrogen fuel injector 20. Shortly after the supply, the hydrogen ignites by self-ignition. The hydrogen burns according to the diffusion principle known for diesel engines, which for thermodynamic reasons is associated with a high degree of efficiency. The piston 18 is accelerated from top dead center to bottom dead center and drives the crankshaft 30. In the subsequent exhaust stroke, the resulting exhaust gas is pushed out of the combustion chamber 16 through the opened exhaust gas outlet valve 26 into the exhaust gas outlet duct 14. The piston 18 moves from bottom dead point to top dead center. The high level of turbulence in the combustion chamber 16 brought about by the geometry of the air inlet duct 12 and the piston crown 32 promotes auto-ignition and the combustion of the hydrogen. Additionally or alternatively, a high basic compression ratio, e.g. B. in a range between 20 and 23 also favor the auto-ignition of hydrogen.
Die Brennkraftmaschine 10 kann ferner von der Steuereinheit 36 so betrieben, dass in die Verbrennungskammer 16 zugeführter Wasserstoff zur Selbstzündung gebracht wird. Die Steu ereinheit 36 ist hierzu derart ausgebildet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 ständig ein oder mehrere Para meter bezüglich des Lufteinlassventils 22, des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 und/oder des Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 angepasst werden. Der oder die Parameter wer den derart angepasst, dass die Erzeugung von Selbstzündungsbedingungen für den Wasser stoff in der Verbrennungskammer 16 gewährleistet ist. Hierzu kann die Steuereinheit 36 bei spielsweise eines oder mehrere Kennfelder, zum Beispiel in Form von Koordinatensystemen, Diagrammen, Formeln, Tabellen usw. aufweisen. Das mindestens eine Kennfeld kann jeder Last bzw. jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 einen einzustellenden Parameter bezüglich einer Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22, einem Zuführzeitpunkt von Was serstoff durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20, einer Zuführmenge von Wasserstoff durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 und/oder dem Verdichtungsverhältnis e durch das Vari- ables-Verdichtungsverhältnisse-System 34 zuordnen. The internal combustion engine 10 can furthermore be operated by the control unit 36 such that hydrogen supplied into the combustion chamber 16 is caused to self-ignite. For this purpose, the control unit 36 is designed in such a way that, during operation of the internal combustion engine 10, depending on a load on the internal combustion engine 10, one or more parameters relating to the air inlet valve 22, the hydrogen fuel injector 20 and / or the variable compression ratio system 34 are always present be adjusted. The parameter or parameters are adapted in such a way that the generation of auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 is ensured. For this purpose, the control unit 36 can have one or more characteristic maps, for example in the form of coordinate systems, diagrams, formulas, tables, etc., for example. The at least one map can each load or each operating point of the internal combustion engine 10 a parameter to be set with respect to a valve control curve of the air inlet valve 22, a supply time of hydrogen by the hydrogen fuel injector 20, a supply amount of hydrogen by the hydrogen fuel injector 20 and / or the Assign compression ratio e by the variable compression ratio system 34.
Hinsichtlich des Verbrennungsluftverhältnisses l kann z. B. dessen Erhöhung dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 selbstzündungsfreudiger werden. Hingegen kann z. B. eine Verringerung des Verbrennungs luftverhältnisses l dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 weniger selbstzündungsfreudig werden. Die Auswirkungen kön nen in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 und in Ab hängigkeit vom aktuellen Verbrennungsluftverhältnis l unterschiedlich sein. With regard to the combustion air ratio l can, for. B. its increase lead to the fact that the auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 are more favorable to auto-ignition. However, z. B. a reduction in the combustion air ratio l lead to the fact that the auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 are less likely to auto-ignite. The effects can be different depending on other operating parameters of the internal combustion engine 10 and from the current combustion air ratio l.
Hinsichtlich des Zuführzeitpunkts des Wasserstoffs kann eine Verstellung nach früher dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16 selbstzün dungsfreudiger werden. Dies kann beispielsweise bei einer Lastverringerung der Brennkraft maschine 10 notwendig sein. Eine Verstellung des Zuführzeitpunkts des Wasserstoffs nach später kann dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16 weniger selbstzündungsfreudig werden. Ein späterer Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs kann eine frühere Selbstzündung begünstigen. Abhängig von einer Auslegung des Wasser stoff-Kraftstoffinjektors 20 ist zweckmäßig zu berücksichtigen, dass die gewünschte Kraftstoff menge für das gewünschte Motordrehmoment erreicht wird. With regard to the point in time at which the hydrogen is supplied, an earlier adjustment can mean that the auto-ignition conditions in the combustion chamber 16 become more easily ignitable. This may be necessary for example when the load on the internal combustion engine 10 is reduced. Adjusting the time at which the hydrogen is supplied to later can result in the auto-ignition conditions in the combustion chamber 16 becoming less favorable for auto-ignition. A later point in time for the hydrogen to be added can promote earlier spontaneous ignition. Depending on the design of the hydrogen fuel injector 20, it is useful to take into account that the desired amount of fuel for the desired engine torque is achieved.
Hinsichtlich des Schließzeitpunkts des Lufteinlassventils 22 kann eine Verstellung nach später zur Maximierung des Liefergrads dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 selbstzündungsfreudiger werden. Hingegen kann einer Verstellung nach früher zur Minimierung des Liefergrads dazu führen, dass die Selbst zündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 weniger selbst zündungsfreudig werden. Prinzipiell können Steuerzeiten mit einem sehr frühen Schließzeit punkt des Lufteinlassventils vor dem unteren Totpunkt (bis 20°KW vor UT) dazu führen, dass es zu einem schnellen Turbulenzabbau während des Verdichtungstaktes (die Verdichtungs phase dauert länger) kommt und auch dass die Luftmenge in der Verbrennungskammer 16 begrenzt wird. Eine geringe Luftmenge in der Verbrennungskammer 16 führt dazu, dass das Luftverbrennungsverhältnis l niedriger wird. Dadurch wird die Selbstzündung gehemmt. With regard to the closing time of the air inlet valve 22, an adjustment to later in order to maximize the degree of delivery can lead to the self-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 becoming more readily self-igniting. By contrast, an earlier adjustment to minimize the degree of delivery can lead to the self-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 becoming less readily self-igniting. In principle, control times with a very early closing time of the air inlet valve before bottom dead center (up to 20 ° CA before BDC) can lead to a rapid reduction in turbulence during the compression stroke (the compression phase takes longer) and the amount of air in the Combustion chamber 16 is limited. A small amount of air in the combustion chamber 16 causes the air combustion ratio to become lower. This inhibits self-ignition.
Hinsichtlich der Veränderung des Verdichtungsverhältnisses e begünstigt ein Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses e die Selbstzündung durch positive Beeinflussung der Selbstzün dungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16. Eine Verringerung des Verdichtungsver hältnis e führt hingegen zu weniger selbstzündungsfreudigen Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16. With regard to the change in the compression ratio e, an increase in the compression ratio e favors auto-ignition by positively influencing the auto-ignition conditions in the combustion chamber 16. A reduction in the compression ratio e, on the other hand, leads to less auto-ignition-friendly auto-ignition conditions in the combustion chamber 16.
Beispielsweise kann eine Lastverringerung der Brennkraftmaschine 10 dazu führen, dass die Steuereinheit 36 den Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils 22 nach später verstellt, das Ver brennungsluftverhältnis l verringert, das Verdichtungsverhältnis e erhöht und/oder den Zuführ zeitpunkt des Wasserstoffs nach früher verstellt, um weiterhin ausreichende Selbstzündungs bedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 zu erzeugen. For example, reducing the load on the internal combustion engine 10 can lead to the control unit 36 adjusting the closing time of the air inlet valve 22 later, reducing the combustion air ratio l, increasing the compression ratio e and / or adjusting the hydrogen feed time earlier in order to continue to provide adequate auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16 to be generated.
Es versteht sich, dass die hierin angegebenen Maßnahmen (hohe Drehströmungserzeugung in der Verbrennungskammer, hohes Grundverdichtungsverhältnis, Anpassbarkeit der Ventil steuerkurve des Einlassventils, Anpassbarkeit des Verbrennungsluftverhältnisses, Anpassbar keit des Zeitpunkts der Wasserstoffdirektzuführung und Anpassbarkeit des Verdichtungsver hältnisses) einzeln, teilweise in jeglicher Kombination miteinander oder vollständig implemen tiert werden können, um die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbren nungskammer 16 zu erzeugen. Je nach Ausführung der Brennkraftmaschine 10 kann es möglich sein, in jedem Lastbereich, also auch bei Niedriglast, Selbstzündungsbedingungen für Wasserstoff in der Verbrennungs kammer 16 zu erzeugen. Es ist allerdings möglich, dass die Selbstzündungsbedingungen nur in einem Lastbereich oberhalb von einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine erzeugt werden. Beispielsweise kann im Niedriglastbereich der zugeführte Wasserstoff fremdgezündet sein, zum Beispiel mittels einer Zündkerze. Es ist auch möglich, dass der Wasserstoff auch im Niedriglastbereich zur Selbstzündung gebracht wird, zum Beispiel unterstützt durch eine Glüh kerze. It goes without saying that the measures specified here (high rotary flow generation in the combustion chamber, high basic compression ratio, adaptability of the valve control curve of the intake valve, adaptability of the combustion air ratio, adaptability of the time of direct hydrogen supply and adaptability of the compression ratio) individually, partly in any combination with one another or can be fully implemented to produce the auto-ignition conditions for the hydrogen in the combustion chamber 16. Depending on the design of the internal combustion engine 10, it may be possible to generate auto-ignition conditions for hydrogen in the combustion chamber 16 in any load range, that is to say even at low loads. However, it is possible that the auto-ignition conditions are only generated in a load range above a low-load range of the internal combustion engine. For example, in the low-load range, the supplied hydrogen can be spark-ignited, for example by means of a spark plug. It is also possible for the hydrogen to auto-ignite even in the low-load range, for example with the help of a glow plug.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. 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 Be reichs. The invention is not restricted to the preferred exemplary embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible which also make use of the inventive concept and therefore fall within the scope of protection. In particular, the invention also claims protection for the subject matter and the features of the subclaims independently of the claims referred to. In particular, the individual features of independent claim 1 are disclosed independently of one another. In addition, the features of the subclaims are also disclosed independently of all the features of independent claim 1. All range specifications herein are to be understood as disclosed in such a way that all values falling within the respective range are disclosed individually, e.g. B. also as each preferred narrower external borders of the respective Be rich.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 Brennkraftmaschine 10 internal combustion engine
12 Lufteinlasskanal 12 air inlet duct
14 Abgasauslasskanal 14 Exhaust outlet duct
16 Verbrennungskammer 16 combustion chamber
18 Kolben 18 pistons
20 Wasse rstoff- Kraftstoff! nj e ktor 20 Hydrogen fuel! nj e ktor
22 Lufteinlassventil 22 Air inlet valve
24 Variabler Ventiltrieb 24 Variable valve train
26 Abgasauslassventil 26 Exhaust outlet valve
28 Pleuel 28 connecting rods
30 Kurbelwelle 30 crankshaft
32 Kolbenboden 32 piston crown
34 Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 Variable Compression Ratio System
36 Steuereinheit 36 control unit

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit Wasserstoff als, vorzugs weise einzigen, Kraftstoff, aufweisend: 1. A method for operating an internal combustion engine (10) with hydrogen as, preferably single, fuel, comprising:
Erzeugen von Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in einer Verbrennungs kammer (16) der Brennkraftmaschine (10) durch lastabhängiges Anpassen von mindes tens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, Parametern von: Generation of hydrogen auto-ignition conditions in a combustion chamber (16) of the internal combustion engine (10) by load-dependent adaptation of at least one, preferably at least two or three, parameters of:
einem Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftmaschine (10), einem Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs, a combustion air ratio of the internal combustion engine (10), a supply time of the hydrogen,
einer Ventilsteuerkurve, vorzugweise einem Schließzeitpunkt, eines Luftein lassventils (22) zu der Verbrennungskammer (16), a valve control curve, preferably a closing time, of an air inlet valve (22) to the combustion chamber (16),
einem Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskammer (16); a compression ratio of the combustion chamber (16);
Direktzuführen des Wasserstoffs in die Verbrennungskammer (16), vorzugsweise in einem Verdichtungstakt; und Feeding the hydrogen directly into the combustion chamber (16), preferably in a compression stroke; and
Selbstzünden des direktzugeführten Wasserstoffs in der Verbrennungskammer (16) durch die erzeugten Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen. Autoignition of the directly supplied hydrogen in the combustion chamber (16) by the generated hydrogen autoignition conditions.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei: 2. The method of claim 1, wherein:
das lastabhängige Anpassen basierend auf einem Kennfeld erfolgt, das für eine Vielzahl von unterschiedlichen Lastpunkten und/oder unterschiedlichen Lastbereichen un terschiedliche einzustellende Werte von mindestens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, der Parameter oder Kombinationen der Parameter bereitstellt; und/oder das lastabhängige Anpassen ständig oder kontinuierlich während des Betriebs der Brennkraftmaschine (10), vorzugsweise bei Änderungen einer Last der Brennkraftma schine (10), erfolgt. the load-dependent adaptation takes place based on a characteristic map which provides different values to be set of at least one, preferably at least two or three, of the parameters or combinations of the parameters for a plurality of different load points and / or different load ranges; and / or the load-dependent adaptation takes place continuously or continuously during operation of the internal combustion engine (10), preferably when a load on the internal combustion engine (10) changes.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei: 3. The method of claim 1 or claim 2, wherein:
das Erzeugen der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in einem Lastbereich oberhalb von einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine (10), vorzugsweise bis einschließlich eines Vollastbereichs der Brennkraftmaschine (10), durchgeführt wird. the generation of the hydrogen auto-ignition conditions is carried out in a load range above a low load range of the internal combustion engine (10), preferably up to and including a full load range of the internal combustion engine (10).
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: 4. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
Fremdzünden des direktzugeführten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine (10), vorzugsweise mittels einer Zündkerze, oder External ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine (10), preferably by means of a spark plug, or
Selbstzünden des direktzugeführten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine (10), vorzugsweise unterstützt durch eine Glühkerze. Auto-ignition of the directly supplied hydrogen in a low-load range of the internal combustion engine (10), preferably supported by a glow plug.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein:
das Verbrennungsluftverhältnis erhöht wird, wenn die Wasserstoff-Selbstzün dungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) verringert wird; und/o der the combustion air ratio is increased when the hydrogen self-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine (10) is reduced; and or
das Verbrennungsluftverhältnis verringert wird, wenn die Wasserstoff-Selbstzün dungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses weniger selbstzündungs freudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) erhöht wird. the combustion air ratio is reduced when the hydrogen self-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the combustion air ratio and / or a load on the internal combustion engine (10) is increased.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein:
der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach früher verstellt wird, wenn die Wasser- stoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeitpunkts selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) verringert wird; und/o der the supply time of the hydrogen is adjusted earlier if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the supply time and / or a load on the internal combustion engine (10) is reduced; and or
der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach später verstellt wird, wenn die Wasser- stoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeitpunkts weniger selbstzündungs freudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) erhöht wird. the supply time of the hydrogen is adjusted later if the hydrogen auto-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the supply time and / or a load on the internal combustion engine (10) is increased.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein:
ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils (22) nach später verstellt wird, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Schließzeitpunkts selbstzündungs freudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) verringert wird; und/oder a closing time of the air inlet valve (22) is adjusted to later when the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted more readily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine (10) is reduced; and or
ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils (22) nach früher verstellt wird, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Schließzeitpunkts weniger selbst zündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) erhöht wird. a closing time of the air inlet valve (22) is adjusted earlier if the hydrogen self-ignition conditions are to be adjusted less readily by means of the closing time and / or a load on the internal combustion engine (10) is increased.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein:
das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskammer (16) erhöht wird, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsverhältnisses selbst zündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) ver ringert wird; und/oder das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskammer (16) verringert wird, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsverhältnisses we niger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine (10) erhöht wird. the compression ratio of the combustion chamber (16) is increased when the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted to be more readily ignition-friendly by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine (10) is reduced; and or the compression ratio of the combustion chamber (16) is reduced when the hydrogen auto-ignition conditions are to be adapted less readily by means of the compression ratio and / or a load on the internal combustion engine (10) is increased.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein:
das Verbrennungsluftverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 1 ,2 und 3, vor zugsweise zwischen 1 ,8 und 2,2, verstellbar ist; und/oder the combustion air ratio is within a range between 1, 2 and 3, preferably between 1, 8 and 2.2, adjustable; and or
der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs im Verdichtungstakt innerhalb eines Bereichs zwischen 60°KW vor OT und 0°KW vor OT, vorzugsweise zwischen 40°KW vor OT und 10° KW vor OT, verstellbar ist; und/oder the time at which the hydrogen is fed in in the compression stroke can be adjusted within a range between 60 ° CA before TDC and 0 ° CA before TDC, preferably between 40 ° CA before TDC and 10 ° CA before TDC; and or
ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils (22) innerhalb eines Bereichs zwischen 20°KW vor UT und 80°KW nach UT, vorzugsweise zwischen 0°KW vor UT und 60°KW nach UT, verstellbar ist; und/oder a closing time of the air inlet valve (22) can be adjusted within a range between 20 ° CA before UT and 80 ° CA after UT, preferably between 0 ° CA before UT and 60 ° CA after UT; and or
das Verdichtungsverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 15 und 26, vorzugs weise zwischen 20 und 23, verstellbar ist. the compression ratio within a range between 15 and 26, preferably between 20 and 23, is adjustable.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein:
das Verbrennungsluftverhältnis mittels Anpassen eines Betriebs eines Wasser stoff-Kraftstoffinjektors (20) verstellbar ist; und/oder the combustion air ratio is adjustable by adapting an operation of a hydrogen fuel injector (20); and or
der Zuführzeitpunkt mittels Anpassen eines Betriebs eines Wasserstoff-Kraftstoff injektors (20) verstellbar ist; und/oder the feed time can be adjusted by adapting an operation of a hydrogen fuel injector (20); and or
die Ventilsteuerkurve mittels Anpassen eines Betriebs des Lufteinlassventils (22) verstellbar ist; und/oder the valve control curve is adjustable by adjusting an operation of the air inlet valve (22); and or
das Verdichtungsverhältnis mittels eines Variables-Verdichtungsverhältnis-Sys- tems (34) der Brennkraftmaschine (10) verstellbar ist, vorzugsweise durch Anpassen einer Kolbenposition im oberen Totpunkt, zum Beispiel durch einen verstellbaren oder verlager baren Kolben (18), einen verstellbaren Pleuel (28) und/oder eine verstellbare oder verla gerbare Kurbelwelle (30). the compression ratio is adjustable by means of a variable compression ratio system (34) of the internal combustion engine (10), preferably by adapting a piston position at top dead center, for example by means of an adjustable or displaceable piston (18), an adjustable connecting rod (28) and / or an adjustable or displaceable crankshaft (30).
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: 11. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
Zuführen von Luft in eine Verbrennungskammer (16) der Brennkraftmaschine (10); Verdichten der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer (16), Supplying air into a combustion chamber (16) of the internal combustion engine (10); Compressing the supplied air in the combustion chamber (16),
wobei der Wasserstoff direkt in die verdichtete Luft zugeführt wird. whereby the hydrogen is fed directly into the compressed air.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei: eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer (16) erzeugt wird. 12. The method of claim 11, wherein: a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, is generated for the supplied air in the combustion chamber (16).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei: 13. The method of claim 12, wherein:
die Drehströmung in der Verbrennungskammer (16) größer oder gleich ca. 30 Hz ist. the rotary flow in the combustion chamber (16) is greater than or equal to approximately 30 Hz.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei: 14. The method of claim 12 or claim 13, wherein:
die Drehströmung durch eine Kanalgeometrie mindestens eines Lufteinlasskanals (12), der zum Zuführen von Luft zu der Verbrennungskammer (16) angeordnet ist, erzeugt wird; und/oder the rotary flow is generated through a duct geometry of at least one air inlet duct (12) which is arranged for supplying air to the combustion chamber (16); and or
die Drehströmung durch eine angepasste Geometrie eines Kolbenbodens (32) ei nes Kolbens (18) erzeugt, gehalten oder verstärkt wird. the rotary flow is generated, maintained or amplified by an adapted geometry of a piston head (32) egg nes piston (18).
15. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (10) oder Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, mit einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (10), wobei: 15. Hydrogen internal combustion engine (10) or motor vehicle, preferably a commercial vehicle, with a hydrogen internal combustion engine (10), wherein:
wobei die Wasserstoff-Brennkraftmaschine (10) und/oder eine Steuereinheit (36) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (10) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen; wherein the hydrogen internal combustion engine (10) and / or a control unit (36) of the hydrogen internal combustion engine (10) is set up to carry out a method according to one of the preceding claims;
wobei die Wasserstoff-Brennkraftmaschine (10) optional aufweist: wherein the hydrogen internal combustion engine (10) optionally has:
mindestens einen Lufteinlasskanal (12) zum Zuführen von Luft in eine Verbren nungskammer (16) der Wasserstoff-Brennkraftmaschine (10), der dazu ausgebildet ist, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der in die Verbrennungskammer (16) zugeführten Luft zu erzeugen, vorzugsweise größer oder gleich ca. 30 Hz; und/oder at least one air inlet duct (12) for feeding air into a combustion chamber (16) of the hydrogen internal combustion engine (10), which is designed to supply a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, to the air fed into the combustion chamber (16) generate, preferably greater than or equal to about 30 Hz; and or
einen Kolben (18) zum Begrenzen einer Verbrennungskammer (16) der Wasser- stoff-Brennkraftmaschine (10), der dazu ausgebildet ist, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der in die Verbrennungskammer (16) zu geführten Luft zu erzeugen, zu halten oder zu verstärken, vorzugsweise größer oder gleich ca. 30 Hz. a piston (18) for delimiting a combustion chamber (16) of the hydrogen internal combustion engine (10), which is designed to generate a rotary flow, preferably a swirl flow or a tumble flow, of the air to be fed into the combustion chamber (16), to hold or to amplify, preferably greater than or equal to approx. 30 Hz.
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