WO2022189054A1 - Verbesserte wasserstoff-einblasanlage mit zwei gasinjektoren pro brennraum - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Einblasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Saugrohr und einem Brennraum, umfassend einen ersten Gasinjektor (3), welcher eingerichtet ist, eine Einblasung von Wasserstoff in das Saugrohr (6) der Brennkraftmaschine auszuführen, und einen zweiten Gasinjektor (4), welcher eingerichtet ist, eine Einblasung von Wasserstoff direkt in einen Brennraum (8) der Brennkraftmaschine auszuführen.
Description
Beschreibung
Titel
Verbesserte Wasserstoff-Einblasanlage mit zwei Gasinjektoren pro Brennraum
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Einblasanlage für eine mit Wasserstoff betriebene Brennkraftmaschine, die je Brennraum zwei Gasinjektoren aufweist und ein verbessertes Betriebsverhalten bei reduziertem Wasserstoffverbrauch aufweist.
In jüngster Zeit gibt es verstärkt Anstrengungen, Wasserstoff als Kraftstoff für Brennkraftmaschinen zu verwenden. Bei der Wasserstoffeinblasung werden hierbei zwei Grundkonzepte verfolgt, nämlich einmal ein Einblasen über ein Saugrohr oder ein Direkteinblasen von Wasserstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Weiterhin sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 102008041 239 A1 Brennkraftmaschinen bekannt, welche zwei Einspritzventile für flüssigen Kraftstoff vorschlagen. Derartige Konzepte für Brennkraftmaschinen mit flüssigen Kraftstoffen können jedoch bei einer Einblasung von gasförmigem Wasserstoff nicht unmittelbar umgesetzt werden, da aufgrund des gasförmigen Wasserstoffs andere Randbedingungen herrschen. Bei einer Einblasung von gasförmigem Wasserstoff in ein Saugrohr tritt eine Luftverdrängung auf, wodurch eine maximal erreichbare Zylinderleistung begrenzt ist. Bei einer Direkteinblasung von gasförmigem Wasserstoff in einen Brennraum müssen derartige direkteinblasende Gasinjektoren sehr große Dichtsitzquerschnitte aufweisen, um in Verbindung mit einer hohen Injektordynamik bei kurzen Öffnungs- und Schließzeiten überhaupt eine Einblasung von Wasserstoff direkt in den Brennraum zu ermöglichen. Derartige direkteinblasende Gasinjektoren und Einblaskonzepte sind dabei äußerst anspruchsvoll, sofern sich diese zu vertretbaren Kosten überhaupt realisieren lassen. Es wäre daher wünschenswert, eine verbesserte Möglichkeit einer Einbringung von gasförmigem Wasserstoff in eine Brennkraftmaschine zu haben.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Wasserstoff-Einblasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine verbesserte Wasserstoffeinblasung bei allen Lastzuständen der Brennkraftmaschine möglich ist. Hierbei kann die erfindungsgemäße Wasserstoff-Einblasanlage sehr einfach aufgebaut sein und kostengünstig ausgeführt werden. Weiterhin kann eine verbesserte Gemischbildung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff im Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden sowie ein Verbrauch der Brennkraftmaschine reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Wasserstoff-Einblasanlage einen ersten und einen zweiten Gasinjektor aufweist. Der erste Gasinjektor ist eingerichtet, eine Einblasung von Wasserstoff in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine auszuführen. Der zweite Gasinjektor ist eingerichtet, eine Einblasung von Wasserstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine auszuführen. Dadurch kann insbesondere in Abhängigkeit eines Lastzustandes der Brennkraftmaschine eine Einblasung mit nur einem der Gasinjektoren oder mit beiden Gasinjektoren ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß werden insbesondere bei einer Kleinmengenzumessung von Wasserstoff, beispielsweise in einem Leerlauf oder einem unteren Teillastbereich große Vorteile erreicht, da bei einem reinen System zur Direkteinblasung häufig eine schnelle Vordruckregelung unabdingbar ist, welcher im Betrieb der Brennkraftmaschine die Druckregelung entsprechend den Lastzuständen anpassen muss.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Weiter bevorzugt umfasst die Wasserstoff-Einblasanlage eine Zündeinrichtung, beispielsweise eine Zündkerze. Dadurch kann die Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip betrieben werden.
Weiter bevorzugt ist ein erster Einblasdruck des ersten Gasinjektors für das Saugrohr kleiner als ein zweiter Einblasdruck des zweiten Gasinjektors für die Direkteinblasung in den Brennraum. Der erste Einblasdruck liegt in einem Bereich von vorzugsweise 3 x 105 Pa bis 7 x 105 Pa und beträgt vorzugsweise ungefähr 5 x 105 Pa. Der zweite Einblasdruck des zweiten Gasinjektors liegt
bevorzugt in einem Bereich von 15 x 105 Pa bis 30 x 105 Pa und beträgt vorzugsweise ungefähr 25 x 105 Pa.
Ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau ist möglich, wenn der erste Einblasdruck des ersten Gasinjektors und/oder der zweite Einblasdruck des zweiten Gasinjektors im Betrieb jeweils konstant ist. Vorzugsweise sind der erste und zweite Einblasdruck gleich groß.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Wasserstoff-Einblasanlage ferner eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Lastzustandes der Brennkraftmaschine eine Wasserstoffeinblasung mittels des ersten Gasinjektors und/oder des zweiten Gasinjektors zu steuern.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass in einem Leerlauf und in einem unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine, bis ca. 50% einer Volllast, Wasserstoff ausschließlich mittels des ersten Gasinjektors eingeblasen wird. Weiterhin ist die Steuereinheit vorzugsweise eingerichtet, im übrigen Lastzustand der Brennkraftmaschine, d.h., wenn der Lastzustand über der Grenze des unteren Teillastbereichs (ca. 50% Volllast) liegt, den Wasserstoff mittels des ersten Gasinjektors und des zweiten Gasinjektors einzublasen. Somit kann die bei Direkteinblasung schwierige und schnelle Vordruckregelung entfallen, da im unteren Lastbereich bzw. im Leerlaufbereich die Einblasung nur über den ersten Gasinjektor erfolgen kann. Bei höheren Lastzuständen werden vorzugsweise beide Gasinjektoren eingesetzt, so dass die erforderliche Wasserstoffmenge pro Verbrennungszyklus in den Brennraum eingeblasen werden kann. Dadurch kann insbesondere auch der zweite Gasinjektor, welcher den Wasserstoff direkt in den Brennraum einbläst, signifikant kleiner gebaut werden, so dass entsprechende Kosteneinsparungen, insbesondere bei diesem Gasinjektor, möglich sind.
Besonders bevorzugt sind der erste und zweite Gasinjektor gleich ausgebildet. Dadurch können die Gasinjektoren als Massenbauteile kostengünstiger hergestellt werden.
Weiter bevorzugt umfasst die Wasserstoff-Einblasanlage ferner einen gemeinsamen Wasserstoffspeicher und ein Leitungssystem zum Zuführen des
Wasserstoffs zum ersten und zweiten Gasinjektor. Dabei ist in einer Zuleitung zum ersten Gasinjektor ein erster Druckregler angeordnet und in einer Zuleitung zum zweiten Gasinjektor ist ein zweiter Druckregler angeordnet. Die Druckregler reduzieren dabei den üblicherweise unter einem sehr hohen Druck von ca. 700 x 105 Pa gespeicherten Wasserstoff auf die entsprechend notwendigen Druckhöhen für den ersten und zweiten Gasinjektor. Der erste und/oder zweite Druckregler sind dabei vorzugsweise einstellbar, um eine Druckregelung des dem ersten und zweiten Gasinjektor zugeführten Wasserstoffs zu ermöglichen. Vorzugsweise wird für einen konstanten Druck ein mechanischer Druckregler verwendet und für einen variablen Druck ein elektrischer Druckregler verwendet
Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit eingerichtet, einen Einblasdruck und/oder eine Öffnungsdauer des ersten und zweiten Gasinjektors in Abhängigkeit eines Lastzustands der Brennkraftmaschine auszuführen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Einblasanlage. Die Brennkraftmaschine ist dabei vorzugsweise derart aufgebaut, dass der zweite Gasinjektor zentral oder seitlich am Brennraum in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Wasserstoff als Kraftstoff, wobei ein erster Gasinjektor zum Einblasen des Wasserstoffs in ein Saugrohr vorhanden ist und ein zweiter Gasinjektor zum Einblasen des Wasserstoffs direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Das Verfahren führt die Wasserstoffeinblasung dabei derart aus, dass in Abhängigkeit eines Lastzustandes der Brennkraftmaschine eine Einblasung ausschließlich nur mit einem der Gasinjektoren oder mit beiden Gasinjektoren vorgenommen wird.
Vorzugsweise führt das Verfahren die Gaseinblasung von Wasserstoff im Leerlauf und in einem unteren Teillastbereich nur mit dem ersten Gasinjektor, der in das Saugrohr einbläst, aus. In allen anderen Lastbereichen über der Grenze zum unteren Teillastbereich sowie bei Volllast führt das Verfahren die Wasserstoffeinblasung mit beiden Gasinjektoren oder nur mit dem zweiten Gasinjektor aus.
Es sei angemerkt, dass der untere Teillastbereich zwischen dem Leerlauf der Brennkraftmaschine und ca. 50% der Volllast, vorzugsweise 20% der Volllast der Brennkraftmaschine liegt.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Wasserstoff-Einblasanlage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Wasserstoff-Einblasanlage 2 sowie ein Verfahren zum Einblasen von Wasserstoff in eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus der schematischen Ansicht von Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Brennkraftmaschine 1 ein Saugrohr 6, welches zu einem Brennraum 8 führt, und ein Abgasrohr 7, welches vom Brennraum 8 abführt. Ein Kolben 9 ist in einem Zylinder in bekannter Weise angeordnet. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Zündeinrichtung 5, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine Zündkerze ist.
Weiterhin umfasst die Wasserstoff-Einblasanlage 2 einen ersten Gasinjektor 3 und einen zweiten Gasinjektor 4. Der erste Gasinjektor 3 ist dabei derart angeordnet, um den gasförmigen Wasserstoff in das Saugrohr 6 einzublasen.
Der zweite Gasinjektor 4 ist derart angeordnet, dass der gasförmige Wasserstoff direkt in den Brennraum 8 eingeblasen werden kann. Dabei ist der zweite Gasinjektor 4 zentral in einem Zylinderkopf 17 der Brennkraftmaschine angeordnet. Alternativ kann der zweite Gasinjektor auch seitlich am Brennraum angeordnet sein.
Die Wasserstoff-Einblasanlage 2 umfasst ferner einen Wasserstofftank 11 sowie ein Leitungssystem zum Zuführen des Wasserstoffs zum ersten und zweiten Gasinjektor 3, 4. Dabei ist eine Hauptleitung 12 vom Wasserstofftank 11 zum ersten Gasinjektor 3 als Zuleitung vorgesehen. Weiterhin ist eine Abzweigleitung 13, welche von der Hauptleitung 12 abzweigt, vorgesehen, welche zum zweiten Gasinjektor 4 führt.
Ein erster Druckregler 14 ist hierbei in der Hauptleitung 12 in Strömungsrichtung vom Wasserstofftank 11 zum ersten Gasinjektor 3 nach dem Abzweig der Abzweigleitung 13 angeordnet. In der Abzweigleitung 13 ist ferner ein zweiter Druckregler 15 angeordnet.
Die ersten und zweiten Druckregler 14, 15 sind dabei einstellbar, so dass jeweils ein Druckniveau des Wasserstoffs an dem ersten und zweiten Gasinjektor 3, 4 geregelt werden kann.
Am zweiten Gasinjektor 4 ist ferner noch ein Drucksensor 16 vorgesehen, um ein Druckniveau in der Abzweigleitung 13 im Bereich des zweiten Gasinjektors 4 direkt zu messen.
Die Wasserstoff-Einblasanlage 2 umfasst ferner eine Steuereinheit 10. Die Steuereinheit 10 ist eingerichtet, in Abhängigkeit eines Lastzustandes der Brennkraftmaschine 1 die Wasserstoffeinblasung mittels des ersten und/oder zweiten Gasinjektors zu steuern. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die Steuereinheit 10 dabei sowohl mit dem ersten und zweiten Gasinjektor 3, 4 als auch der erste und zweite Druckregler 14, 15 und der Zündeinrichtung 5 verbunden. Weiterhin liefert auch der Drucksensor 16 an der Zweigleitung 13 entsprechende Druckwerte in der Zweigleitung 13 an die Steuereinheit 10.
Die Steuereinheit 10 ist dabei vorzugsweise derart eingerichtet, dass im Leerlauf und in einem unteren Teillastbereich, welcher kleiner als 50% der Volllast ist, die Wasserstoffeinblasung ausschließlich mittels des ersten Gasinjektors 3 in das Saugrohr 6 ausgeführt wird. Ein Druckniveau des Wasserstoffs für die Einblasung mittels des ersten Gasinjektors 3 liegt dabei vorzugsweise bei ca. 5 x 105 Pa. Im restlichen Lastzustandsbereich, d.h., bei Lastzuständen zwischen dem unteren Teillastbereich und dem Volllastbereich erfolgt eine
Wasserstoffeinblasung mit beiden Gasinjektoren 3, 4. Ein Druckniveau des zweiten Gasinjektors 4 liegt dabei vorzugsweise bei 25 x 105 Pa.
Die Steuereinheit 10 ist weiter bevorzugt derart eingerichtet, dass für die Einblasung in Abhängigkeit des Lastzustands jeweils die Einblasdauern angepasst werden und/oder auch die Drücke des Wasserstoffs für die Einblasung mittels des ersten und zweiten Gasinjektors 3, 4. Hierdurch ist es möglich, dass durch Steuerung von zwei Größen eine möglichst optimale Wasserstoffeinblasung in Abhängigkeit des Lastzustands realisiert wird.
Somit kann erfindungsgemäß auf überraschend einfache Weise die Problematik bei der Wasserstoffeinblasung, dass die reine Direkteinblasung von Wasserstoff die im Leerlauf und im unteren Lastbereich erforderlichen kleinen Mengen von Wasserstoff durch eine schnelle Vordruckregelung nicht zufriedenstellend bereitstellen können, gelöst werden. Dadurch kann ein Energieverbrauch der
Brennkraftmaschine 1 weiter verbessert werden. Ferner ist es auch möglich, dass in Abhängigkeit des Lastzustands eine optimierte Gemischbildung erreicht wird. Weiterhin kann auch das Problem, welches bei reinen Saugrohreinblasungen vorhanden ist, dass hierbei unerwünschte Rückzündungen aufgrund von reduzierten Wasserstoffmengen im Saugrohr auftreten können, gelöst werden. Dabei kann die Brennkraftmaschine auch für hohe Motornennleistungen beispielsweise 120 kW pro Liter ermöglicht werden.
Claims
1. Wasserstoff-Einblasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Saugrohr und einem Brennraum, umfassend: einen ersten Gasinjektor (3), welcher eingerichtet ist, eine Einblasung von Wasserstoff in das Saugrohr (6) der Brennkraftmaschine auszuführen, und einen zweiten Gasinjektor (4), welcher eingerichtet ist, eine Einblasung von Wasserstoff direkt in einen Brennraum (8) der Brennkraftmaschine auszuführen.
2. Wasserstoff-Einblasanlage nach Anspruch 1, wobei ein Einblasdruck des ersten Gasinjektors (3) kleiner ist als ein Einblasdruck des zweiten Gasinjektors (4) oder wobei die Einblasdrücke des ersten und zweiten Gasinjektors gleich groß sind.
3. Wasserstoff-Einblasanlage nach Anspruch 2, wobei der Einblasdruck des ersten Gasinjektors (3) und/oder des zweiten Gasinjektors (2) in jedem Lastzustand der Brennkraftmaschine konstant ist.
4. Wasserstoff-Einblasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit (10), welche eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Lastzustandes der Brennkraftmaschine die Wasserstoffeinblasung mittels des ersten Gasinjektors (3) und/oder des zweiten Gasinjektors (4) zu steuern.
5. Wasserstoff-Einblasanlage nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, im Leerlauf und in einem unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine Wasserstoff ausschließlich mittels des ersten Gasinjektors (3) in das Saugrohr (6) einzublasen und wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, im restlichen Lastzustand der Brennkraftmaschine vom unteren Teillastbereich bis zur Volllast Wasserstoff mittels des ersten Gasinjektors (3) und des zweiten
Gasinjektors (4) oder ausschließlich mittels des zweiten Gasinjektors (4) einzublasen.
6. Wasserstoff-Einblasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Wasserstofftank (11) und ein Leitungssystem zum Zuführen des Wasserstoffs zum ersten und zweiten Gasinjektor (3, 4), wobei in einer Zuleitung (12) zum ersten Gasinjektor ein erster Druckregler (14) und in einer Abzweigleitung (13) zum zweiten Gasinjektor ein zweiter Druckregler (15) angeordnet ist.
7. Wasserstoff-Einblasanlage nach Anspruch 6, wobei der erste Druckregler (14) und/oder der zweite Druckregler (15) einstellbar sind, um eine Druckregelung des Wasserstoffs, der dem ersten Gasinjektor (3) und/oder dem zweiten Gasinjektor (4) zugeführt wird, zu ermöglichen.
8. Wasserstoff-Einblasanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, einen Einblasdruck des Wasserstoffs am ersten und/oder zweiten Gasinjektor in Abhängigkeit des Lastzustands der Brennkraftmaschine auszuführen, und/oder eine Öffnungsdauer des ersten und/oder zweiten Gasinjektors in Abhängigkeit des Lastzustands der Brennkraftmaschine auszuführen.
9. Brennkraftmaschine, umfassend eine Wasserstoff-Einblasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei der zweite Gasinjektor (4) zentral in einer Mittellinie des Brennraums an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist oder wobei der zweite Gasinjektor seitlich am Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
11. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit gasförmigem Wasserstoff, welche einen ersten Gasinjektor (3) zum Einblasen von Wasserstoff in ein Saugrohr (6) und einen zweiten Gasinjektor (4) zum Einblasen von Wasserstoff in einen Brennraum (8) aufweist, wobei in Abhängigkeit eines Lastzustandes der Brennkraftmaschine eine Einblasung ausschließlich mit nur einem der Gasinjektoren (3, 4) vorgenommen wird
oder wobei in Abhängigkeit des Lastzustands der Brennkraftmaschine eine Einblasung von Wasserstoff mittels beider Gasinjektoren (3, 4) vorgesehen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei im Leerlauf und in einem unteren Teillastbereich, welcher zwischen dem Leerlaufbereich und 50% der Volllast liegt, nur mittels des ersten Gasinjektors (3) in das Saugrohr (6) eingeblasen wird, und wobei in einem Lastbereich ausgehend vom unteren Teillastbereich bis zur Volllast mittels des ersten Gasinjektors (3) und des zweiten
Gasinjektors (4) oder ausschließlich mittels des zweiten Gasinjektors (4) Wasserstoff eingeblasen wird.
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