DE10359445A1

DE10359445A1 - Wasserstoff-Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10359445A1
Application number: DE10359445A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Herbert Clemens; Detlef Wüsthoff
Original assignee: Enginion AG
Current assignee: Amovis GmbH
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2005-07-28
Also published as: US20070105928A1; US20050133002A1

Abstract

Ein Verbrennungsmotor (14) zur Verbrennung eines Wasserstoff-Luft-Gemischs unter Arbeitsleistung, enthaltend einen Zylinder (10, 36), einen in dem Zylinder (10; 36) zwischen einem oberen Totpunkt und unteren Totpunkt (18) beweglichen Kolben (12; 34), eine Einspritzdüse (20; 44) zum Einbringen von Wasserstoff in den Zylinder (10; 36) und eine Zündeinrichtung (32) zum Zünden des Wasserstoff-Luft-Gemischs, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder und der Kolben am oberen Totpunkt einen Hohlraum (24; 38) bilden, in welchen der Wasserstoff einspritzbar ist. Die Einbringung des Wasserstoffs kann in einer Serie von mehreren Einspritzvorgängen (52) erfolgen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor zur Verbrennung eines Gemischs aus einem schnell brennenden Gas und Luft unter Arbeitsleistung, enthaltend einen Zylinder, einen in dem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und unterem Totpunkt beweglichen Kolben, und eine Einspritzdüse zum Einbringen des Gases in den Zylinder.
Mit einem solchen Verbrennungsmotor kann zum Beispiel eine Kurbelwelle angetrieben werden, die ein Fahrzeug bewegt oder eine Maschine antreibt. In einem Zylinder sitzt ein Kolben, der mit der Kurbelwelle verbunden ist. Der Kolben bewegt sich zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt. Am oberen Totpunkt ist das Volumen zwischen dem Kolben und dem Zylinder-Innenraum (Expansionsvolumen) minimal. Am unteren Totpunkt ist das Expansionsvolumen maximal.
Die Bewegung des Kolbens erfolgt aufgrund der Expansion eines Gases. Ein Brennstoff wird vor Erreichen des oberen Totpunkts in den Zylinder eingebracht, mit Luft gemischt und verbrannt. Bei diesem exothermen Prozess wird Wärme und Arbeit erzeugt. Das verbrannte Gas ist stark komprimiert und expandiert. Dabei drückt es den Kolben aus dem Zylinder heraus. Diese Bewegung wird auf die Kurbelwelle übertragen und kann als mechanische Arbeit genutzt werden. Das expandierte, heiße Abgas wird am unteren Totpunkt an die Umgebung abgegeben. Dann bewegt sich der Kolben wieder in die andere Richtung.

Je nach Brennstoff wird zwischen den unterschiedlichen Motorentypen unterschieden. In der Fahrzeugtechnik werden unter anderem Otto-Motoren eingesetzt, bei welchen der Brennstoff, nämlich Benzin, zunächst im Brennraum mit Luft verwirbelt wird. Erst dann wird das Gemisch mit einer separaten Zündkerze gezündet. Dabei bildet sich eine Flammenfront aus, die sich von der Zündkerze in Richtung auf die Zylinderwand fortbewegt. Die Zylinderwand bleibt während der Verbrennung ständig mit dem brennenden Kraftstoff-Luft-Gemisch in Kontakt, bis die Verbrennung abgeschlossen ist. Der dabei entstehende Druck übt die erforderliche Kraft auf den Kolben aus.

Bei einem einspritzenden Dieselmotor wird der Brennstoff am Ende des Kompressionstaktes direkt in die verdichtete Luft im Brennraum eingespritzt. Die komprimierte Luft im Zylinder ist heiß und führt zur Selbstzündung des Kraftstoffs ohne separate Zündkerze. Zur Vermeidung von unkomfortabler Geräuschbildung und Vibrationen ist es bekannt, den Brennstoff in ein bis fünf Phasen einzuspritzen. Dies geschieht vor und nach Erreichen des oberen Totpunkts. Bei der Voreinspritzung wird eine geringe Menge des pro Einspritztakts einzuspritzenden Diesels eingeführt. Dieser wird mit einem Teil des Sauerstoffs verbrannt. Die darauf folgende Haupteinspritzung wird durch die vorhandene Flamme der Voreinspritzung entzündet. Auf diese Weise wird der Gradient des Druckanstiegs verringert und somit Geräuschbildung und Vibrationen entgegen gewirkt. Es ist weiterhin ein Nachführtakt bekannt, in welchem erneut eine kleinere Menge Diesel eingespritzt wird. Dies dient der Reduzierung der Partikelemissionen.

Es ist weiterhin bekannt, eine Aussparung im Kolben eines Dieselmotors vorzusehen, die so ausgebildet ist, dass sie die Verwirbelung des Brennstoff Luftgemischs fördert. Es ist weiterhin bekannt, eine Ausnehmung im Kolben vorzusehen, damit die Ventile am oberen Totpunkt nicht auf den Kolben aufschlagen. Bei diesen Aussparungen und Ausnehmungen wird aber darauf geachtet, daß das Totvolumen möglichst klein bleibt, um den Wirkungsgrad nicht zu verschlechtern.

Alle Einspritzvorgänge erfolgen aus einem Ventil mit einer oder mehreren Öffnungen.

Für die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff werden üblicherweise modifizierte Otto-Motoren verwendet. Bei diesen wird der Wasserstoff mittels einer Düse in den Brennraum eingebracht und mit einer Zündkerze gezündet. Dabei bildet sich eine Flammenfront aus, die sich von der Zündkerze in Richtung auf die Zylinderwand ausbreitet. Die Verbrennungsgeschwindigkeit von Wasserstoff liegt im Bereich von 200 m/s und ist bei gleichen Umgebungsbedingungen wesentlich höher als die Verbrennungsgeschwindigkeit der Brennstoffe Diesel und Benzin (ca. 20 m/s). Neben Wasserstoff-Motoren sind weiterhin Erdgas- und Biogasmotoren, sowie die Verwendung anderer Brenngase bekannt.

Bei einem solchen Wasserstoff-Verbrennungsmotor wird die Energie des Verbrennungsprozesses nicht nur an die Welle abgegeben, sondern zu großen Teilen auch als Wärme im Abgas und als Wärme an das Kühlwasser, welches den Zylinder kühlt. Der Wirkungsgrad des Motors erhöht sich, wenn bei gleicher Brennstoffmenge mehr Energie in Form von mechanischer Arbeit an die Welle abgegeben wird. Mit anderen Worten: Der Wirkungsgrad erhöht sich, wenn die Wärmeverluste gering bleiben.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Gas-Verbrennungsmotor zu schaffen, der einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, der Zylinder und der Kolben am oberen Totpunkt einen zusätzlichen Hohlraum bilden, in welchen der Wasserstoff einspritzbar ist, wobei der Hohlraum an die Flammenform des Verbrennungsprozesses angepasst ist und so groß ist, daß an der Hohlraumwandung keine Verbrennungsreaktionen stattfinden.

Entgegen der technischen Entwicklung, welche ein geringes Totvolumen zum Ziel hat, um den Wirkungsgrad zu verbessern, wird hier das Totvolumen mit einem zusätzlichen Hohlraum vergrößert. Die damit verbundenen Nachteile werden jedoch durch eine Erhöhung des Wirkungsgrads aufgewogen.

Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß bei Brennstoffen mit hoher Brenngeschwindigkeit wie z.B. Wasserstoff der Wirkungsgrad erhöht werden kann, wenn ein Hohlraum um die Einspritzdüse vorgesehen ist, obwohl dadurch ein Totvolumen gebildet wird, welches nicht zur Arbeitsleistung beiträgt. Die Ausbildung eines solchen zusätzlichen Hohlraums mit besonderen geometrischen Eigenschaften verringert den Wärmeübergang zwischen der Flamme des brennenden Gases und der Zylinder- und Kolbenwandung und reduziert auf diese Weise die Abwärme. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad. Der Effekt wird gefördert, wenn die Luft – anders als bei bekannten Otto- oder Dieselmotoren – entweder wenig verwirbelt wird, oder so verwirbelt wird, daß der wärmeerzeugende Brennvorgang vorzugsweise nicht an der Zylinderwandung, sondern im Zentrum des Expansionsraums erfolgt.

Durch die hohe Brenngeschwindigkeit verbrennt der Brennstoff bereits vor Erreichen der Zylinderwandung. Der Wärmeübergang auf Kolben und Zylinder wird verringert.

Das Brenngas ist vorzugsweise Wasserstoff. Wasserstoff hat eine hohe Brenngeschwindigkeit, ist umweltfreundlich und in großen Mengen herstellbar. Andere Brenngase mit hoher Brenngeschwindigkeit, wie z.B. Propan, Ethanol oder Acetylen können aber bei geeigneten Bedingungen ebenfalls verwendet werden.

Vorzugsweise ist mindestens eine Zündeinrichtung vorhanden. Eine solche Zündeinrichtung ist zum Beispiel eine Zündkerze. Die Entzündung erfolgt dann durch Fremdzündung. Die Entzündung des Brenngases im Zylinder des Motors kann aber auch durch Selbstzündung erfolgen.

Vorzugsweise weist der Kolben eine konkave Mulde auf. Dann kann die Einspritzdüse mittig im Zylinder angeordnet sein, so daß der Abstand zwischen der Einspritzdüse und der Muldenwandung in allen Richtungen etwa gleich ist.

Auch der Zylinderkopf kann eine konkave Mulde aufweisen, die zusammen mit der konkaven Mulde im Kolben den zusätzlichen Hohlraum bildet. Der zusätzliche Hohlraum kann im wesentlichen kugelförmig ausgebildet sein und das Ende der Einspritzdüse kann im Zentrum des Hohlraums angeordnet sein. Dann ist die Einspritzdüse bereits am oberen Totpunkt vollständig in einem Abstand von der Wandung des Expansionsvolumens getrennt.

Statt einer Zündeinrichtung können auch mehrere Zündeinrichtungen vorgesehen sein. Hierfür kann es sinnvoll sein, mehr als einen zusätzlichen Hohlraum vorzusehen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einspritzdüse mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgestattet. Die Kontaktoberflächen der je Düsenöffnung einströmenden Brenngasstrahlen mit der Verbrennungsluft ist somit größer und das Brennstoff-Luft-Gemischkann besondern schnell verbrennen. Vorzugsweise sind die Öffnungen dann so ausgerichtet, daß sie einen gößmöglichen Abstand zur Zylinder- bzw. Kolbenwand haben.

Die Einspritzdüse kann am Ende aus hochtemperaturfestem Material, insbesondere Keramik bestehen. Dann besteht die Möglichkeit, daß die Düse etwas in den Hohlraum hineinragt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einspritzdüse mit Mitteln zur schnellen Steuerung des Einspritzvorgangs versehen. Dann lässt sich der Einspritzvorgang im Zeitfenster um den oberen Totpunkt herum, bzw. bis zum oberen Totpunkt so steuern, daß der Brennvorgang sich auf den zentralen Bereich des Hohlraums bzw. Expansionsraums konzentriert.

Die Einbringung des Brenngases kann dabei in einer Serie von mehreren Einspritzvorgängen erfolgen. Der Einspritzvorgang wird in sehr schnellen Takten unterbrochen, so lange, bis die jeweilige Brennstoff-Teilmenge praktisch vollständig verbrannt ist. Danach erfolgt die nächste Teileinspritzung. Auf diese Weise verbrennt der Brennstoff jeder Einzeleinspritzung eigenständig. Dadurch wird die Ausbildung einer Flammenfront behindert, die bis zur Wandung des Expansionsvolumens läuft. Im Gegensatz zu einer Voreinspritzung bei einem Dieselmotor wird der Brennstoff fast vollständig verbrannt und eine Verwirbelung ist nicht angestrebt. Bei einem Dieselmotor erfolgt hingegen die Haupteinspritzung in die Verbrennung der Voreinspritzung. Durch eine gepulste Einspritzung wird der Effekt der Verbrennung ohne Wandkontakt verstärkt.

Die Einspritzung kann in einer großen Vielzahl von Einspritzvorgängen, z.B. bis z.B. 50 Vorgängen pro Arbeitstakt erfolgen. Vorzugsweise erfolgen die Einspritzvorgänge ausschließlich in einem Zeitraum bis zum oberen Totpunkt oder um den oberen Totpunkt herum und dieser Zeitraum umfasst maximal ein Zehntel von einem Arbeitszyklus.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Querschnitt durch einen schematisch dargestellten Wasserstoff-Verbrennungsmotor mit einem halbkugelförmigen Hohlraum am OT
2 ist ein Querschnitt durch einen schematisch dargestellten Wasserstoff-Verbrennungsmotor mit einem kugelförmigen Hohlraum am OT
3 zeigt das bei dem jeweiligen Kurbelwinkel eingespritzte Volumen
4 ist ein Querschnitt durch einen schematisch dargestellten Wasserstoff-Verbrennungsmotor mit zwei kreisflächig ausgebildeten, zusätzlichen Hohlräumen am OT mit strömungsbegünstigender seitlicher Einspritzung Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Querschnitt durch einen schematisch dargestellten Zylinder 10 und einen Kolben 12 eines allgemein mit 14 bezeichneten Wasserstoff-Verbrennungsmotors gezeigt. Der Kolben 12 ist in Richtung des mit 16 bezeichneten Pfeils in dem Zylinder beweglich angeordnet. In 1 befindet sich der Kolben 12 am oberen Totpunkt (OT). Das bedeutet, daß das Expansionsvolumen ein Minimum hat. Von dort aus bewegt sich der Kolben 12 nach unten in 1 zum unteren Totpunkt (UT). Dieser ist durch eine gestrichelte Linie 18 dargestellt. Das schraffiert dargestellte Expansionsvolumen 19 hat dann ein Maximum.
Am oberen Ende des Zylinders 10 ist eine Düse 20 angeordnet. Die Düse 20 endet an der Wandung 22 des Zylinders 10. Durch eine Ventilsteuerung (nicht dargestellt) der Düse 20 tritt Wasserstoff in alle Richtungen aus der Düse. Dies ist durch Pfeile 26 repräsentiert. Der Wasserstoff gelangt in einen Hohlraum 24, der durch eine Mulde in dem Kolben 12 gebildet ist. Der Hohlraum 24 wird von der oberen Zylinderwandung 22 und der Wandung der Mulde 30 gebildet. An der Düse 20 sind Zündkerzen 32 und 33 vorgesehen. Mit den Zündkerzen 32 und 33 wird der Brennvorgang gestartet. Der Wasserstoff und der in dem Hohlraum befindliche Luftsauerstoff reagieren in einer exothermen Reaktion. Dabei entsteht eine Druckwelle, welche den Kolben 12 nach unten in 1 drückt. Die Reaktion erfolgt sehr schnell und ist im wesentlichen beendet, bevor sie die Wandung des Zylinders bzw. des Kolbens erreicht. Der wesentliche Teil der Reaktion erfolgt im Bereich des zentralen Startpunkts für Verbrennungen an den Zündkerzen bzw. Düse.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt. Auch hier ist ein Kolben 34 in einem Zylinder 36 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Hohlraum 38 jedoch kugelförmig ausgebildet. Dabei wird die untere Kugelhälfte von einer konkaven Mulde 40 im Kolben gebildet. Die obere Kugelhälfte wird von einer konkaven Mulde 42 im Zylinderkopf 36 gebildet. Die Mulden 40 und 42 liegen übereinander. Eine hochtemperaturfeste Einspritzdüse 44 aus Keramik ragt in die Kugelmitte 46. Das Ende 48 der Einspritzdüse ist kugelförmig und mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen. Durch diese Öffnungen wird der Wasserstoff in alle Richtungen in den kugelförmigen Hohlraum eingespritzt. Die Öffnungen sind so verteilt, daß sich ein maximaler Abstand zu allen Hohlraumbegrenzungen ergibt. Entsprechend bildet sich die Verbrennung im wesentlichen in der Mitte in einem durch eine gepunktete Linie 50 repräsentierten Bereich um die Düse aus. Auch hier erfolgt die Verbrennung im wesentlichen bevor Wärme an die Wandung abgegeben werden kann. Die Zündung des Brenngases im Hohlraum 38 geschieht in diesem Ausführungsbeispiel durch Selbstzündung.
Zur Optimierung des Verbrennungsvorgangs wird ein sehr schnell steuerbarer Injektor verwendet. Ein solcher Injektor ist in der nicht vorveröffentlichten DE 102 34 50 31 der Anmelderin beschrieben. Mit dem Injektor ist es möglich, den Einspritzvorgang sehr genau zu kontrollieren. Der Einspritzvorgang wird kurz vor dem oberen Totpunkt OT begonnen. Dies ist in 3 dargestellt. Dort ist das Einspritzvolumen über dem Kurbelwinkel aufgetragen. In 3 sind zwei Takte dargestellt. Der Einspritzvorgang wird mehrfach unterbrochen, so daß der gesamte Brennstoff pulsartig eingespritzt wird. In 3 sind fünf Einspritzvorgänge 52 pro Takt dargestellt. Die Pulsfrequenz ist dabei sehr hoch. Durch diese Vorgehensweise erfolgt eine fast vollständige Verbrennung des Wasserstoffs bereits in der Nähe der Düsenöffnungen 24 bzw. 50. Durch die, unter sehr hohem Druck erfolgte, gepulste Einspritzung brennt die Flamme in pulsierender Art ab. Während der Einspritzungen verändert sich ständig die Größe der Flamme in Abhängigkeit von der Frequenz und der Länge der Teileinspritzungen. Dieses Flackern verhindert ein Wandern der Flammenfront bis an die Zylinder- und Kolbenwandung. In der Summe ergibt sich aber die gleiche Menge an Abgas, wie bei der kontinuierlichen Einspritzung.
Weiterer Vorteil der gepulsten Einspritzung ist es, dass hohe Temperaturen vermieden werden und sich die Flammenfront nicht bis an die Zylinderwandung ausbilden kann. Dadurch wird der Wandwärmeübergang erheblich gemindert. Bei niedrigeren Abgastemperaturen erhöht sich der Wirkungsgrad und die Bildung von schädlichen Stickoxiden NOx wird vermieden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Kolben 60 und Zylinderkopf 62 im Querschnitt kreisförmige Hohlräume 68 bilden. Solche Hohlräume können von zwei Kugeln, zwei liegenden Zylindern oder einem Torus gebildet werden. Die tangential bzw. seitliche Einspritzung 64 erfolgt in gepulster Art. Dadurch bildet sich die flackernde Verbrennungsflamme 66 so aus, dass sie nicht den gesamten Hohlraum 68 ausfüllt und nicht in direkten Kontakt mit den Zylinderwandungen 70 kommt. Durch den Kreisquerschnitt des Hohlraums 68 entsteht durch die Flamme 66 ein Wirbel 72 im Hohlraum, der wiederum die Flamme mit Verbrennungsluft versorgt. Dies begünstigt eine düsennahe und stabile Ausbildung der pulsierenden Flamme.

Claims

Verbrennungsmotor (14) zur Verbrennung eines Gemischs aus einem schnell brennenden Gas und Luft unter Arbeitsleistung, enthaltend einen Zylinder (10; 36), einen in dem Zylinder (10; 36) zwischen einem oberen Totpunkt und unterem Totpunkt (18) beweglichen Kolben (12; 34), und eine Einspritzdüse (20; 44) zum Einbringen des Gases in den Zylinder (10; 36), dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder und der Kolben am oberen Totpunkt einen zusätzlichen Hohlraum (24; 38) bilden, in welchen der Wasserstoff einspritzbar ist, wobei der Hohlraum an die Flammenform des Verbrennungsprozesses angepasst ist und so groß ist, daß an der Hohlraumwandung keine Verbrennungsreaktionen stattfinden.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Wasserstoff ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündeinrichtung vorhanden ist
Verbrennungsmotor (14) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12; 34) eine konkave Mulde (24) aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (36) ebenfalls eine konkave Mulde aufweist, die zusammen mit der konkaven Mulde im Kolben den zusätzlichen Hohlraum (38) bildet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (38) im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist und das Ende der Einspritzdüse (44) im Zentrum (46) des Hohlraums (38) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (14) nach einem der vorgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse tangential oder seitlich gegenüber der Zylinderlängsachse in den Hohlraum einspritzt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorgehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (44) mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgestattet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen so ausgerichtet sind, daß sie einen größtmöglichen Abstand zur Zylinder. bzw. Kolbenwand haben.
Verbrennungsmotor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (44) am Ende (48) aus hochtemperaturfestem Material, insbesondere Keramik besteht.
Verbrennungsmotor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (20; 44) mit Mitteln zur schnellen Steuerung des Einspritzvorgangs versehen ist.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors zur Verbrennung eines Brenngas-Luft-Gemischs unter Arbeitsleistung mit einem Zylinder, einem in dem Zylinder zwischen einem oberen Totpunkt und unteren Totpunkt beweglichen Kolben, einer Einspritzdüse zum Einbringen von Wasserstoff in den Zylinder und einer Zündeinrichtung zum Zünden des Wasserstoff-Luft-Gemischs, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung des Brenngases in einer Serie von mehreren Einspritzvorgängen (52) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 10 bis 50 Einspritzvorgänge (52) pro Arbeitszyklus erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorgänge ausschließlich in einem Zeitraum bis zum oberen Totpunkt oder um den oberen Totpunkt herum erfolgen und dieser Zeitraum maximal ein Zehntel von einem Arbeitszyklus umfasst.