DE102019106722A1 - Internal combustion engine and method for operating this internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betrieb dieses Verbrennungsmotors zu entwickeln, bei dem die Nutzleistung und der Wirkungsgrad erheblich verbessert sowie die Abgasemissionen fast vollständig vermieden werden.Erreicht wird dies dadurch, dass der Verbrennungsmotor mindestens eine Brennkammer mit:- einem Einlass (7), welcher zur Lieferung von Inertgas geeignet ist,- einem Auslass (8), welcher zum Abtransport des erwärmten Inertgases und des Wassers aus der Brennkammer geeignet ist,- einer Verbindung zwischen Einlass (7) und Auslass (8), welche für den Transport und die Kühlung des Inertgases sowie die Abscheidung des Wassers geeignet ist,- mindestens ein Einblasventil (5), welches für die Sauerstoffdirekteinblasung geeignet ist und- mindestens ein Einblasventil (6), welches für die Wasserstoffdirekteinblasung geeignet ist, wobei die Einblasventile (5, 6) von einer Steuervorrichtung angesteuert werden, welche geeignet ist, den reinen Sauerstoff und den reinen Wasserstoff derart in den Brennraum einzublasen, dass ein zündfähiges Gemisch entsteht, aufweist, wobei durch Kolben (2), Zylinder (1) und Zylinderkopf (3) ein Brennraum ausgebildet wird.Derartige Verbrennungsmotoren werden zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt.The invention is based on the object of developing an internal combustion engine and a method for operating this internal combustion engine in which the useful power and efficiency are significantly improved and exhaust emissions are almost completely avoided. This is achieved by the internal combustion engine having at least one combustion chamber with: an inlet (7) which is suitable for the supply of inert gas, - an outlet (8) which is suitable for the removal of the heated inert gas and the water from the combustion chamber, - a connection between inlet (7) and outlet (8), which is suitable for the transport and cooling of the inert gas as well as the separation of the water, - at least one injection valve (5) which is suitable for direct oxygen injection and - at least one injection valve (6) which is suitable for direct hydrogen injection, the injection valves (5, 6) can be controlled by a control device which is suitable for the pure sow The substance and the pure hydrogen are to be blown into the combustion chamber in such a way that an ignitable mixture is produced, a combustion chamber being formed by the piston (2), cylinder (1) and cylinder head (3). Internal combustion engines of this type are used, for example, to drive vehicles .

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb dieses Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Derartige Verbrennungsmotoren werden zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt.The invention relates to an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a method for operating this internal combustion engine according to the preamble of claim 4.
Such internal combustion engines are used, for example, to drive vehicles.

Durch die steigenden Anforderungen hinsichtlich der Verbesserung des Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors, bei gleichzeitiger Verminderung der Abgasemissionen, wurden durch die Hersteller von Verbrennungsmotoren zahlreiche technische Lösungen erarbeitet.
Diese bisherigen innermotorischen Lösungen beruhten jedoch auf:

  • - einer Luftmengeerhöhung in dem durch einen Kolben, einen Zylinder und einen Zylinderkopf ausgebildeten Brennraum,
  • - einer Anreicherung der Luft mit Sauerstoff oder
  • - der Absenkung des Sauerstoffanteils in der Luft.
Due to the increasing demands with regard to improving the efficiency of an internal combustion engine while reducing exhaust emissions, the manufacturers of internal combustion engines have developed numerous technical solutions.
However, these previous in-engine solutions were based on:
  • - an increase in the amount of air in the combustion chamber formed by a piston, a cylinder and a cylinder head,
  • - an enrichment of the air with oxygen or
  • - the lowering of the oxygen content in the air.

So wurde z.B. in der Offenlegungsschrift DE199 43 131 A1 die Einspritzung mit Sauerstoff angereicherter Luft spät im Verbrennungszyklus bei einem Verbrennungsmotor beschrieben. Mittels einer Einlasslufttrennvorrichtung wird die vom Motor angesaugte Luft in mit Sauerstoff und Stickstoff angereicherte Luft aufgeteilt und der mit Sauerstoff angereicherte Anteil dem Motor erst im späten Verbrennungszyklus wieder zugeführt.For example, in the Offenlegungsschrift DE199 43 131 A1 describes the injection of oxygen-enriched air late in the combustion cycle in an internal combustion engine. By means of an intake air separation device, the air drawn in by the engine is divided into air enriched with oxygen and nitrogen and the oxygen-enriched portion is only returned to the engine in the late combustion cycle.

Daraus lässt sich ableiten, dass sich durch eine Veränderung des Sauerstoffanteils der Luft die Nutzleistung, der Wirkungsgrad und die Abgasemissionen verbessern lassen. Damit ist allerdings nur eine innermotorische Minimierung der Abgasemissionen möglich, jedoch keine vollständige Vermeidung.From this it can be deduced that changing the oxygen content of the air can improve the useful power, the efficiency and the exhaust gas emissions. However, this only enables the exhaust emissions to be minimized within the engine, but not completely avoiding them.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betrieb dieses Verbrennungsmotors zu entwickeln, bei dem die Nutzleistung und der Wirkungsgrad erheblich verbessert sowie die Abgasemissionen fast vollständig vermieden werden.The invention is therefore based on the object of developing an internal combustion engine and a method for operating this internal combustion engine, in which the useful power and the efficiency are considerably improved and the exhaust gas emissions are almost completely avoided.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich vorrichtungsseitig aus den Unteransprüchen 2 und 3 sowie verfahrensseitig aus dem Unteranspruch 5.This object is achieved on the device side by the characterizing features of claim 1 and on the method side by the characterizing features of claim 4. Appropriate refinements result from the device side from the dependent claims 2 and 3 and from the method side from the dependent claim 5.

Der neue Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betrieb dieses Verbrennungsmotors beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verbrennungsmotors und Verfahren zum Betrieb dieses Verbrennungsmotors ist es, dass Sauerstoff in reiner Form direkt über ein Ventil in den Brennraum eingeblasen wird. Dabei befindet sich in dem Zylinder keine Luft, sondern ein Inertgas oder ein Inertgas/Wasserstoffgemisch, wobei durch die Zugabe des Sauerstoffes ein zündfähiges Gemisch entsteht, welches entweder fremd gezündet wird oder sich von selbst entzündet und anschließend abgasemissionsfrei verbrennt. Dabei wird das erwärmte Inertgas dem Motor über einen Kühler wieder zurückgeführt und das entstehende Wasser über einen Wasserabscheider entfernt.The new internal combustion engine and method for operating this internal combustion engine eliminate the aforementioned disadvantages of the prior art.
When using the new internal combustion engine and method for operating this internal combustion engine, it is advantageous that pure oxygen is blown directly into the combustion chamber via a valve. There is no air in the cylinder, but an inert gas or an inert gas / hydrogen mixture, with the addition of the oxygen creating an ignitable mixture which is either ignited externally or ignites by itself and then burns without exhaust emissions. The heated inert gas is returned to the engine via a cooler and the water produced is removed via a water separator.

Der neue Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betrieb dieses Verbrennungsmotors soll nun an einem Ausführungsbeispiel eines fremdgezündeten 4-Takt-Motors erläutert werden.The new internal combustion engine and method for operating this internal combustion engine will now be explained using an exemplary embodiment of a spark-ignited 4-stroke engine.

Dazu zeigen:

  • 1: Schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors in einer vereinfachten Seitenansicht,
  • 2: Schematische Darstellung des Verbrennungsmotors in einer vereinfachten Ansicht von oben und
  • 3: Schematische Darstellung des Verbrennungsmotors in einer vereinfachten räumlichen Ansicht.
To show:
  • 1 : Schematic representation of an internal combustion engine in a simplified side view,
  • 2 : Schematic representation of the internal combustion engine in a simplified view from above and
  • 3 : Schematic representation of the internal combustion engine in a simplified spatial view.

Der neue Verbrennungsmotor besteht, gemäß der 1 bis 3, im Wesentlichen aus einem Zylinder 1 mit einem Kolben 2 und einem Zylinderkopf 3 mit einer Zündkerze 4, wobei durch den Kolben 2, Zylinder 1 und Zylinderkopf 3 ein in den Figuren nicht dargestellter Brennraum ausgebildet wird.
Außerdem weist der Zylinderkopf 3 ein Einblasventil 5 für Sauerstoff und ein Einblasventil 6 für Wasserstoff auf. Zusätzlich sind am Zylinderkopf 3 ein Einlass 7 und ein Auslass 8 für ein Inertgas abgeordnet, welche über einen Kühler 9 mit einem in den Figuren nicht dargestellten Wasserabscheider strömungstechnisch miteinander verbunden sind.The new internal combustion engine exists, according to the 1 to 3 , essentially from a cylinder 1 with a piston 2 and a cylinder head 3 with a spark plug 4th , being through the piston 2 , Cylinder 1 and cylinder head 3 a combustion chamber not shown in the figures is formed.
Also has the cylinder head 3 an injection valve 5 for oxygen and an injection valve 6th for hydrogen. Additionally are on the cylinder head 3 an inlet 7th and an outlet 8th delegated for an inert gas, which via a cooler 9 are fluidically connected to one another with a water separator not shown in the figures.

Der Arbeitszyklus des neuen Verbrennungsmotors, gemäß der 1 bis 3, soll nun anhand der einzelnen Arbeitstakte beschrieben werden.The duty cycle of the new internal combustion engine, according to the 1 to 3 will now be described using the individual work cycles.

Takt - Ansaugen:Stroke - suction:

Der Kolben 2 befindet sich im oberen Totpunkt und bewegt sich nach unten. Dadurch wird trockenes und gekühltes Inertgas über den Einlass 7 in den durch den Kolben 2, Zylinder 1 und Zylinderkopf 3 ausgebildeten Brennraum angesaugt. Nach 135° Kurbelwellenwinkel bzw. 225° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt der Zündung wird für eine Dauer von 6° Kurbelwellenwinkel bei ca. 20 bar reiner Sauerstoff über das Sauerstoffeinblasventil 5 direkt in den Brennraum eingeblasen.The piston 2 is at top dead center and moving down. This will bring dry and cooled inert gas through the inlet 7th in the through the piston 2 , Cylinder 1 and cylinder head 3 trained combustion chamber sucked. After 135 ° crankshaft angle or 225 ° crankshaft angle before top dead center the ignition is for a period of 6 ° crankshaft angle at approx. 20 bar pure oxygen via the oxygen injection valve 5 blown directly into the combustion chamber.

Takt - Verdichten:Stroke - compress:

Der Kolben 2 befindet sich im unteren Totpunkt und bewegt sich nach oben, wobei der Einlass 7 und der Auslass 8 verschlossen sind. Das Wasserstoffeinblasventil 6 wird für die Dauer von 25° Kurbelwellenwinkel (bei einer Drehzahl von 700 l/min) geöffnet und bläst reinen Wasserstoff bei einem Druck von 50 bar direkt in den Brennraum ein. Das Gemisch aus Inertgas, Sauerstoff und Wasserstoff wird durch den nach oben fahrenden Kolben 2 im Brennraum verdichtet.The piston 2 located at bottom dead center and moving upwards, being the inlet 7th and the outlet 8th are locked. The hydrogen injection valve 6th is opened for a period of 25 ° crankshaft angle (at a speed of 700 l / min) and injects pure hydrogen directly into the combustion chamber at a pressure of 50 bar. The mixture of inert gas, oxygen and hydrogen is generated by the piston moving upwards 2 compressed in the combustion chamber.

Takt - Arbeiten:Tact - work:

Bei 1° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt wird das verdichtete Gasgemisch aus Wasserstoff, Sauerstoff und Inertgas durch die Zündkerze 4 entzündet, wobei der Einlass 7 und Auslass 8 weiter geschlossen bleiben. Durch die Verbrennung entsteht ein hoher Druck im Brennraum, wodurch der Kolben 2 nach unten gedrückt und somit Arbeit verrichtet wird.At 1 ° crankshaft angle before top dead center, the compressed gas mixture of hydrogen, oxygen and inert gas is released through the spark plug 4th ignited, with the inlet 7th and outlet 8th remain closed. The combustion creates a high pressure in the combustion chamber, which causes the piston 2 pressed down and thus work is done.

Takt - Ausstoßen:Stroke - ejection:

Beim Erreichen des unteren Totpunktes wird der Auslass 8 geöffnet, wodurch das erwärmte Inertgas sowie das durch die Verbrennung entstandene Wasser in Form von Wasserdampf entweichen können. Der Kolben 2 bewegt sich aufgrund seiner Trägheit weiter nach oben und schiebt das restliche Inertgas und den restlichen Wasserdampf aus dem Brennraum. Das erwärmte Inertgas und der Wasserdampf strömen in Strömungsrichtung 10 über den Kühler 9, wodurch das Inertgas erkaltet und der Wasserdampf auskondensiert. Das auskondensierte Wasser wird dann über den in den Figuren nicht dargestellten Wasserabscheider aus dem Kühler 9 entfernt.When the bottom dead center is reached, the exhaust 8th opened, whereby the heated inert gas and the water created by the combustion can escape in the form of water vapor. The piston 2 moves further upwards due to its inertia and pushes the remaining inert gas and the remaining water vapor out of the combustion chamber. The heated inert gas and the water vapor flow in the direction of flow 10 about the cooler 9 , whereby the inert gas cools down and the water vapor condenses out. The condensed water is then removed from the cooler via the water separator (not shown in the figures) 9 away.

Mit dem Erreichen des oberen Totpunktes beginnt der Arbeitszyklus erneut mit dem 1. Takt.When the top dead center is reached, the work cycle starts again with the 1st cycle.

Vorrichtungsseitig ist es auch denkbar, dass nach dem Kühler 9 ein Auffangbehälter für das Kondensat verbaut ist, wobei dieser unterhalb des Kühlers 9 installiert ist, damit sich das flüssige Wasser durch die Schwerkraft in diesem Auffangbehälter sammeln kann.
Dabei ist es dann auch denkbar, dass sich in dem Auffangbehälter ein Schwimmerventil befindet, welches bei einem definierten Füllstand öffnet und das Wasser an die Umgebung abgibt. Beim Erreichen eines definierten unteren Schwellwertes wird dieses Schwimmerventil wieder geschlossen, damit kein Inertgas entweicht.On the device side, it is also conceivable that after the cooler 9 a collecting container for the condensate is installed, this being below the cooler 9 installed so that the liquid water can collect in this collecting container by gravity.
It is then also conceivable that there is a float valve in the collecting container, which opens at a defined fill level and releases the water to the environment. When a defined lower threshold value is reached, this float valve is closed again so that no inert gas escapes.

Denkbar ist es auch, dass der fremdgezündete 4-Takt Prozess nur eine mögliche Anwendung für die Sauerstoffdirekteinblasung darstellt. So kann beispielsweise auch durch eine lokale Sauerstofferhöhung im Brennraum der Verbrennungsprozess eingeleitet werden, ohne dass es eine Zündkerze oder eine andere Form der Fremdzündung bedarf.
Zusätzlich lässt sich die Sauerstoffkonzentration im Brennraum beliebig dem jeweiligen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors anpassen, wodurch eine höhere Verdichtung und dadurch ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad ermöglicht werden.
Auch ist es denkbar, dass innerhalb eines Arbeitszyklus mehrfach über das Sauerstoffeinblasventil 5 und/oder das Wasserstoffeinblasventil 6 die jeweiligen Gase in den Brennraum eingeblasen werden.
Denkbar ist es auch, dass als Inertgas ein Edelgas oder Kohlenstoffdioxid eingesetzt wird.It is also conceivable that the externally ignited 4-stroke process is only one possible application for direct oxygen injection. For example, the combustion process can also be initiated by a local increase in oxygen in the combustion chamber without the need for a spark plug or any other form of external ignition.
In addition, the oxygen concentration in the combustion chamber can be adapted as required to the respective operating state of the internal combustion engine, which enables higher compression and thus a significantly improved degree of efficiency.
It is also conceivable that several times within a working cycle via the oxygen injection valve 5 and / or the hydrogen injection valve 6th the respective gases are blown into the combustion chamber.
It is also conceivable that a noble gas or carbon dioxide is used as the inert gas.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Zylindercylinder
22
Kolbenpiston
33
ZylinderkopfCylinder head
44th
Zündkerzespark plug
55
Einblasventil für SauerstoffInjection valve for oxygen
66th
Einblasventil für WasserstoffInjection valve for hydrogen
77th
Einlass für InertgasInert gas inlet
88th
Auslass für Inertgas und WasserdampfOutlet for inert gas and water vapor
99
Kühler für Inertgas inkl. WasserabscheiderCooler for inert gas including water separator
1010
Strömungsrichtung des InertgasesDirection of flow of the inert gas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 19943131 A1 [0003]DE 19943131 A1 [0003]

Claims (5)

Verbrennungsmotor, wobei der Motor mindestens eine Brennkammer mit: - einem Einlass (7), welcher zur Lieferung von Inertgas geeignet ist, - einem Auslass (8), welcher zum Abtransport des erwärmten Inertgases und des Wassers aus der Brennkammer geeignet ist, - einer Verbindung zwischen Einlass (7) und Auslass (8), welche für den Transport und die Kühlung des Inertgases sowie die Abscheidung des Wassers geeignet ist, - mindestens ein Einblasventil (5), welches für die Sauerstoffdirekteinblasung geeignet ist und - mindestens ein Einblasventil (6), welches für die Wasserstoffdirekteinblasung geeignet ist, wobei die Einblasventile (5, 6) von einer Steuervorrichtung angesteuert werden, welche geeignet ist, den reinen Sauerstoff und den reinen Wasserstoff derart in den Brennraum einzublasen, dass ein zündfähiges Gemisch entsteht, aufweist, wobei durch Kolben (2), Zylinder (1) und Zylinderkopf (3) ein Brennraum ausgebildet wird.Internal combustion engine, the engine having at least one combustion chamber with: - an inlet (7) which is suitable for the supply of inert gas, - an outlet (8) which is suitable for removing the heated inert gas and the water from the combustion chamber, - a connection between inlet (7) and outlet (8), which is suitable for transporting and cooling the inert gas and separating the water, - At least one injection valve (5) which is suitable for direct injection of oxygen and - At least one injection valve (6) which is suitable for direct injection of hydrogen, the injection valves (5, 6) being controlled by a control device which is suitable for injecting the pure oxygen and pure hydrogen into the combustion chamber in such a way that an ignitable mixture arises, having, wherein a combustion chamber is formed by the piston (2), cylinder (1) and cylinder head (3). Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Kühler (9) ein Auffangbehälter für das Kondensat angeordnet ist, wobei dieser sich unterhalb des Kühlers (9) befindet, damit sich das flüssige Wasser durch die Schwerkraft in diesem Auffangbehälter sammeln kann.Internal combustion engine after Claim 1 , characterized in that a collecting container for the condensate is arranged after the cooler (9), this being located below the cooler (9) so that the liquid water can collect in this collecting container by gravity. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Auffangbehälter ein Schwimmerventil befindet, welches bei einem definierten Füllstand öffnet und das Wasser an die Umgebung abgibt und beim Erreichen eines definierten unteren Schwellwertes dieses Schwimmerventil wieder geschlossen wird, damit kein Inertgas entweicht.Internal combustion engine after Claim 2 , characterized in that there is a float valve in the collecting container, which opens at a defined level and releases the water to the environment and this float valve is closed again when a defined lower threshold value is reached so that no inert gas escapes. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Reihenfolge wiederholend: - trockenes und gekühltes Inertgas über den Einlass (7) in den durch Kolben (2), Zylinder (1) und Zylinderkopf (3) ausgebildeten Brennraum angesaugt wird und anschließend reiner Sauerstoff über das Sauerstoffeinblasventil (5) direkt in den Brennraum eingeblasen wird, dieses Gemisch verdichtet und anschließend entzündet wird, wobei der Einlass (7) und Auslass (8) weiter geschlossen bleiben und durch die Verbrennung ein hoher Druck im Brennraum entsteht, wodurch der Kolben (2) nach unten gedrückt und somit Arbeit verrichtet wird, und - danach der Auslass (8) geöffnet wird, wodurch das erwärmte Inertgas sowie das durch die Verbrennung entstandene Wasser in Form von Wasserdampf entweichen können und anschließend der Kolben (2) sich aufgrund seiner Trägheit weiter nach oben bewegt und dabei das restliche Inertgas und den restlichen Wasserdampf aus dem Brennraum schiebt, wodurch das erwärmte Inertgas und der Wasserdampf in Strömungsrichtung (10) über den Kühler (9) strömen und dabei das Inertgas erkaltet, so dass der Wasserdampf auskondensiert und das auskondensierte Wasser über einen Wasserabscheider aus dem Kühler (9) entfernt wird.Method for operating an internal combustion engine according to Claim 1 , characterized in that it is repeated in the following order: - dry and cooled inert gas is sucked in via the inlet (7) into the combustion chamber formed by the piston (2), cylinder (1) and cylinder head (3) and then pure oxygen via the oxygen injection valve (5) is blown directly into the combustion chamber, this mixture is compressed and then ignited, the inlet (7) and outlet (8) remain closed and the combustion creates a high pressure in the combustion chamber, causing the piston (2) to is pressed down and thus work is done, and - then the outlet (8) is opened, whereby the heated inert gas and the water created by the combustion can escape in the form of water vapor and then the piston (2) moves further upwards due to its inertia moves and thereby pushes the remaining inert gas and the remaining water vapor out of the combustion chamber, whereby the heated inert gas and the water vapor in Flow direction (10) flow over the cooler (9) and the inert gas cools down, so that the water vapor condenses out and the condensed water is removed from the cooler (9) via a water separator. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über das Sauerstoffeinblasventil (5) und/oder das Wasserstoffeinblasventil (6) mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklus die jeweiligen Gase in den Brennraum eingeblasen werden.Method for operating an internal combustion engine according to Claim 4 , characterized in that the respective gases are blown into the combustion chamber several times within one working cycle via the oxygen injection valve (5) and / or the hydrogen injection valve (6).
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