DE2517066A1

DE2517066A1 - Brennverfahren fuer eine fremdgezuendete, mit wasserstoffeinblasung arbeitende hubkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2517066A1
Application number: DE19752517066
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Binder; Klaus Dipl Ing Drexl; Erwin Prof Dr Eisele
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-04-17
Filing date: 1975-04-17
Publication date: 1976-10-28
Also published as: US4086878A; DE2517066C2

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 10 233/U

Stuttgart-Untertürkheim ^.

Brennverfahren für eine fremdgezündete, mit Wasserstoffeinblasung arbeitende Hubkolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren für eine fremdgezündete, mit Wasserstoffeinblasung arbeitende Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei dem die Luft unabhängig vom Wasserstoff eingebracht und ein um die Zylinderachse rotierender Luftring mit radial nach außen zunehmender Dichte aufgebaut wird, in den der Wasserstoff eingeblasen wird.

Bei einem bekannten Brennverfahren dieser Art (GB-PS k62 605; US-PS 2 183 674) wird in den rotierenden Luftring von radial außen der Wasserstoff im wesentlichen in Drehrichtung der Luft eingeblasen, und es soll durch diese Einblasung des ' Wasserstoffes in den Luftring eine besonders schnelle und rasche Vermischung zwischen den Gasen erfolgen, um die Bildung lokaler Wasserstoffzellen zu unterbinden, die dadurch eine Zerstörung der Maschine zur Folge haben sollen, daß der im wesentlichen reine Wasserstoff in das Kurbelgehäuse der Maschine gelangt und dort unter explosionsartiger Verbrennung zu Zerstörungen führt.

Die Erfindung geht demgegenüber von der Erkenntnis aus, daß eine starke Vermengung und rasche wechselseitige Durch-

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dringung des Wasserstoffes mit der Luft nicht angestrebt werden darf, da die Verbrennung des Wasserstoff-Luftgemisches sehr plötzlich erfolgt und die Maschine dementsprechend harten, schlagartigen Belastungen ausgesetzt ist, die insbesondere auch schon aus Gründen der Laufkultur für eine neuzeitliche Brennkraftmaschine als nicht tragbar angesehen werden müssen.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Wasserstoffeinblasung einerseits eine gesicherte Zündung erreicht und andererseits eine möglichst gleichmäßige Durchbrennutig gewährleistet werden kann, wie sie in Verbindung mit einer Zündung zum richtigen Zeitpunkt Voraussetzung für ein brauchbares Maschinenlaufverhalten ist.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einem Brennverfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß bei Einblasung des Wasserstoffes in den zentralen Bereich der rotierenden Zylinderluftladung im Übergangsbereich zwischen dem dadurch entstehenden zentralen Wasserstoffkern und dem außen rotierenden Luftring gezündet wird. Das vorgenannte, erfindungsgemäße Vorgehen führt deswegen zu der angestrebten gleichmäßigen Durchbrennung bei gesicherter Zündung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, weil sich einerseits die Luft unter dem Einfluß der bei der Rotation auftretenden Massenkräfte im wesentlichen gegen die Zylinderwandungen verschiebt, in deren Bereich die Luft die größte Dichte erreicht und weil sich andererseits der bevorzugt axial eingeblasene Wasserstoff aufgrund seiner erheblich geringeren Dichte zunächst im wesentlichen im Achs-Zentrum der rotierenden

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Luftsäule konzentriert. Im Übergangsbereich vom mittigen Wasserstoffkern zum außen rotierenden Luftring entsteht aufgrund der Diffusion ein zündwilliges Gemisch. Als Folge des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit eine gewisse Schichtung gegeben, die ein sofortiges schlagartiges Durchbrennen verhindert, da für die vollständige Verbrennung erst die im weiteren Verlauf rasch eintretende wechselseitige Durchdringung von Wasserstoff und Luft erfolgen muß.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Rotation der Luftladung im Zylinder in bekannter Weise dadurch erreicht werden, daß die Luft in den Zylinderraum über einen Einlaß-Drallkanal angesaugt wird, oder auch dadurch, daß ein Schirm-Ventil der Ansaugluft einen Drall aufzwingt. Schließlich kann der Drall auch durch entsprechende Kolbengestaltung erzielt und verstärkt werden, wobei in üblicher Weise auch verschiedene dieser Maßnahmen gemeinsam Anwendung finden können.

In Ausgestaltung der Erfindung kann mit der Wasserstoffeinblasung bereits während des Saugtaktes, so insbesondere nacli Auslaßschluß begonnen werden. Ein derart früh liegender Einlaßbeginn kann sich als zweckmäßig erweisen, um den Wasserstoff mit nur geringem Überdruck einblasen zu müssen, so daß die bei so früher Einblasung in Kauf zu nehmenden Liefergradverluste zumindest teilweise durch den geringen erforderlichen Einblasedruck wieder ausgeglichen werden.

Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Einblasebeginn in den frühen Kompressionstakt zu legen, so insbesondere das Einblasen nach Einlaßschluß zu beginnen, womit zwar ein derartiger Liefergradverlust vermieden wird, jedoch ein höherer Einblasdruck erforderlich ist. Dieser bleibt jedoch insgesamt noch verhältnismäßig gering, da nicht bis zum

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oberen Totpunkt oder gar in die Verbrennung hineingeblasen werden muß. Die Mengenregelung für den eingeblasenen Wasserstoff kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch in üblicher Weise durch Veränderung der Blaszeiten und/oder Veränderung des Blasdruckes erfolgen.

Für eine zur Durchführung des Verfahrens verwendete Hubkolben-Brennkraftmaschine erweist sich insbesondere eine möglichst zentrale Anordnung der Einblasdüse als zweckmäßig, und der Abstand der Einblasdüse von der Zylinderachse sollte im Rahmen der Erfindung maximal dem halben Zylinderradius entsprechen.

In bezug auf die Anordnung der Einblasdüse zur Zündquelle erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Zündquelle in einem verglichen mit dem Abstand der Einblasdüse größeren radialen Abstand von der Zylinderachse angeordnet ist. Für die Zündquelle finden bevorzugt Zündkerzen, gegebenenfalls in ihrer Ausbildung als Gleitfunkenzündkerzen, Zündkerzen mit Folgefunken u.dgl. Verwendung.

Die Erfindung wird in folgendem anhand eines Ausführungsbeispieles mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Zylinderkopfbereich einer mit Wasserstoffeinblasung arbeitenden Hubkolben-Brennkraftmaschine in einer Schnittdarstellung, wobei in zwei voneinander unabhängigen Schnittführungen einerseits ein Einlaßventil mit zugeordnetem Drallkanal und andererseits die Anordnung der Einblasdüse und der Zündquelle gezeigt sind, und

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Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II - II in Fig. 1, wobei Einblasdüse und Zündquelle im Hinblick auf ihre Lage angedeutet sind und wobei weiter die sich ergebende Schichtung zwischen Wasserstoff und Luft veranschaulicht ist.

In Fig. 1 ist mit 1 der Zylinderblock bezeichnet, in dessen Bohrung 2 ein Kolben 3 angeordnet ist, der über ein Pleuel 4 in nicht näher dargestellter Weise mit der Kurbelwelle der Maschine verbunden ist. Der Kolben 3 ist mit einer Kolbenmulde 5 versehen, die symmetrisch zur Zylinderachse 6 ausgebildet ist und die einen Teil des Verdichtungsraumes bildet, der nach oben durch den Zylinderkopf 7 begrenzt ist.

Im Zylinderkopf 7 ist neben wenigstens einem hier nicht dargestellten Auslaßventil ein Einlaßventil 8 angeordnet, dem ein ·Einlaßkanal 9 zugeordnet ist, der als Drallkanal ausgebildet ist, so daß über den Einlaßkanal 9 und das Einlaßventil 8 angesaugte Luft eine um die Zylinderachse 6 kreisende Bewegung ausführt, also ein sich drehender Luftring entsteht, der aufgrund der bei der Rotation auftretenden Massenkräfte im Bereich der Wandung der Bohrung 2, also im Bereich der Zylinderwandung 10 seine größte Dichte aufweist. Das Ventil 8 kann in üblicher, hier nicht weiter dargestellter Weise betätigt werden.

Im Ausführungsbeispiel ist ferner eine Einblasdüse 11 für den Wasserstoff vorgesehen, der in üblicher, hier nicht gezeigter Weise der Wasserstoff zugeführt wird und die zentral auf die Bohrung 2 ausmündet. Die Mündungsöffnung 12 liegt dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Zylinderachse 6. Radial außerhalb ist als Zündquelle eine Zündkerze

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angeordnet, und zwar, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, derart, daß die Zündung in dem Übergangsbereich zwischen Luft und
Wasserstoff vorgenommen wird, in dem die wechselseitige Durchdringung und die Mischung von Luft und Wasserstoff im wesentlichen erfolgt.

Die Rotation des Luftringes wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Kolbenform (Kolbenmulde 5) und den im
Übergang zwischen der Mulde 5 und dem Außenrand des Kolbens 3 vorgesehenen Quetschspalt 14 verstärkt.

In Fig. 2 ist der rotierende Luftring mit seiner radial nach
außen zunehmenden Dichte durch die Pfeile 15 symbolisch angedeutet, während der zentral eingeblasene Wasserstoff als zunächst im wesentlichen ruhender Kern 16 angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt somit das erfindungsgemäße Prinzip, bei dem Luft und Wasserstoff im Zylinder durch die zentrale Einblasung des Wasserstoffes und durch die Rotation der Luft stark geschichtet sind. Aufgrund der großen Diffusionsfreudigkeit des Wasserstoffes ergibt sich im weiteren Verlauf eine Vermischung, die von dem Übergangsbereich zwischen dem Kern 16 und dem äußeren
Luftring 15 ausgeht, wobei die Zündquelle 13 in diesem Übergangsbereich angeordnet ist, und diese Vermischung letztlich auch
zu einer Durchdringung der äußeren Luftschichten mit Wasserstoff führt, in denen allerdings nur ein verhältnismäßig
mageres Gemisch zustandekommt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Verbrennung allmählich abläuft und daß explosionsartige Verbrennungserscheinungen ausgeschlossen sind, und zwar bei gleichzeitig optimalen Voraussetzungen für eine sichere
Zündung wegen der weiten Zündgrenzen der Luft/Wasserstoffgemische.

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Bei der an die Zündung anschließenden Verbrennung bildet sich als Hauptprodukt der Verbrennung überhitzter Wasserdampf, der sich in seinem spezifischen Gewicht vor allem im Vergleich zum sehr leichten, innenliegenden Wasserstoff von der Luft nur wenig unterscheidet und sich mit dieser vermascht, so daß die Verbrennung in ihrem Ablauf vor allem im Hinblick auf Druckanstieg und Brenndauer durch die erreichte Schichtung kontrolliert wird.

Vor allem wenn der Wasserstoff im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens so eingebracht wird, daß er mit dem drehenden Luftring um die Zylinderachse stark mitrotiert, ist aufgrund der großen Dichteunterschiede zwischen Wasserstoff und Luft die angestrebte Schichtung gewährleistet. Eine schnellere Aufbereitung, eine schnellere Durchdringung von Wasserstoff und Luft, wie sie u.U. bei relativ später Einblasung wünschenswert sein kann, ließe sich dabei in einfacher Weise dadurch erreichen, daß der Wasserstoff entgegen der Luft-Drehrichtung eingeblasen wird.

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Claims

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Ansprüche

Brennverfahren für eine fremdgezündete, mit Wasserstoffeinblasung arbeitende Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei dem die Luft unabhängig vom Wasserstoff eingebracht und ein um die Zylinderachse rotierender Luftring mit radial nach außen zunehmender Dichte aufgebaut wird, in den der Wasserstoff eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einblasung des Wasserstoffs in den zentralen Bereich des Luftringes im Übergangsbereich zwischen dem zentralen Wasserstoffkern und dem außen rotierenden Luftring gezündet wird.
2. Brennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der· Wasserstoff axial in den zentralen Bereich des Luftringes eingeblasen wird.
3. Brennverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Wasserstoffeinblasung zwischen Auslaßschluß und 60 vor dem oberen Totpunkt liegt, in dem der Übergang von der Kompression zur Expansion stattfindet.
h. Brennverfahren nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch den Beginn der Wasserstoffeinblasung im Saugtakt.
5· Brennverfahren nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch den Beginn der Wasserstoffeinblasung nach Einlaßschluß.
6. Brennverfahren nach Anspruch 31 gekennzeichnet durch den Beginn der Wasserstoffeinblasung im frühen Kompressionstakt.

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7. Mit Wasserstoff betriebene und nach einem Brennverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche arbeitente Hubkolben-Brennkraftmaschine, bei der die Wasserstoff-Einblasdüse für einen Zylinder im achsnahen Bereich des Zylinderkopfes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasdüse (11) maximal in einem dem halben Zylinderradius entsprechenden Abstand von der Zylinderachse (6) liegt.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Zündquelle (12) in einem zumindest dem Abstand der Einblasdüse (11) entsprechenden Radialabstand von der Zylinderachse (6) angeordnet ist.

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