DE3323683A1 - Reciprocating-piston engine for operation with hydrogen - Google Patents
Reciprocating-piston engine for operation with hydrogenInfo
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Abstract
Description
HOEGER, ST E LlIiR-E C HT" *&: PARTNERHOEGER, ST E LlIiR-E C HT "* &: PARTNER
UHLANDSTRASSE 14 c D 7OO0 STUTTGART 1UHLANDSTRASSE 14 c D 7OO0 STUTTGART 1
A 45 525 u Anmelderin: Deutsche Forschungs- uncA 45 525 u Applicant: German research unc
u - 183 Versuchsanstalt für Luftu - 183 Research Institute for Air
30. April 19 83 und Raumfahrt e.V.April 30, 19 83 and Raumfahrt e.V.
5 300 Bonn5 300 Bonn
Beschreibung Hubkolbenmotor für WasserstoffbetriebDescription Reciprocating piston engine for hydrogen operation
Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit einer Luftzufuhr und mit einer Zufuhr für Wasserstoff als Brennstoff und mit einem Einlaßventil für ein Luftwasserstoff gemisch in jeden Zylinder des Motors, das über Kipphebel gesteuert geöffnet und geschlossen wird.The invention relates to a reciprocating engine with an air supply and with a supply for hydrogen as Fuel and with an inlet valve for an air-hydrogen mixture in each cylinder of the engine, which over Rocker arm is controlled open and closed.
Bei Motoren dieser Art ergeben sich dadurch Probleme, daß ein Wasserstoffluftgemisch eine etwa zehnmal höhere Brenngeschwindigkeit aufweist als ein konventionelles Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisch. Aus diesem Grunde kann bei äußerer Gemischbildung während der Saugphase, also insbesondere bei geöffnetem Einlaßventil bei Viertaktmotoren, infolge unkontrollierter Frühzündung an der heißen Restladung ein Rückschlagen der Verbrennung in die Saugleitung erfolgen.In engines of this type, problems arise in that a hydrogen-air mixture is about ten times higher Burning rate than a conventional hydrocarbon-air mixture. For this reason can occur with external mixture formation during the suction phase, i.e. especially when the inlet valve is open in four-stroke engines, as a result of uncontrolled pre-ignition on the hot residual charge, a kickback of the combustion into the suction line.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man bereits elektronisch gesteuerte Magnetventile sowie von der Nockenwelle über einen Zahnriemen angetriebene, rotierende Gasverteiler verwendet. Es ist auch bekannt, zusätzliche Einlaßventile am Zylinderkopf zu verwenden, die dann unter Umständen noch entsprechend modifiziert worden sind. Wegen der großen zu öffnenden bzw. zu schließenden Querschnitte ergeben sich bei Magnetventilen hinsichtlich der geforderten öffnungs- und Schließungszeiten im Bereich von Millisekunden erhebliche Probleme. Insbesondere können bei Verwendung zweistufiger, elektronisch gasausgelöster Magnetventile keine höheren Einlaßdrücke als etwa fünf Bar verarbeitet werden. Bei rotierenden Gasverteilern ergeben sich bei höheren Drücken Dichtungsprobleme.To avoid these disadvantages, one already has electronic controlled solenoid valves as well as rotating ones driven by the camshaft via a toothed belt Gas distributor used. It is also known to use additional intake valves on the cylinder head that then possibly have been modified accordingly. Because of the large opening and closing Cross-sections result from solenoid valves with regard to the required opening and closing times significant problems in the millisecond range. In particular, when using two-stage, electronic Gas-triggered solenoid valves do not process inlet pressures higher than about five bar. With rotating Gas distributors have sealing problems at higher pressures.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine konstruktiv einfache und sicher arbeitende Möglichkeit anzugeben, mit der Frühzündungen in wasserstoffgetriebenen Motoren verhindert werden können. · :■It is the object of the invention to provide a structurally simple and safe working possibility with which Prevents pre-ignition in hydrogen-powered engines can be. ·: ■
Diese Aufgabe wird bei einem Hubkolbenmotor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wasserstoffzufuhr vor dem Einlaßventil in die Luft-In the case of a reciprocating piston engine, this task is described type according to the invention solved in that the hydrogen supply upstream of the inlet valve into the air
zufuhr jedes Zylinders eingeleitet ist und mit einem Schließventil versehen ist, welches vom Kipphebel des Zylinders gegenüber dem Einlaßventil zeitlich verzögert geöffnet wird. Dadurch wird beim öffnen des Einlaßventils zunächst nur Luft - also ein nicht brennfähigesfeed of each cylinder is initiated and with a Closing valve is provided, which is delayed in time from the rocker arm of the cylinder relative to the inlet valve is opened. As a result, when the inlet valve is opened, initially only air - i.e. non-combustible
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Gas - in den Brennraum eingeleitet und kühlt die heiße Restladung bzw. heiße Stellen im Brennraum. Erst 'später erfolgt die Einleitung von Wasserstoff in den vorgekühlten Brennraum, so daß unkontrollierte Frühzündungen auf diese Weise vermieden werden können. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung, äaß die Schließventile für die Wasserstoffzufuhren auch bei üblichen Kohlenwasserstoffmotoren nachgerüstet v/erden können, da die Kipphebel ohnehin zur Betätigung der Einlaßventile jedes Zylinders vorhanden sind.Gas - introduced into the combustion chamber and cools the remaining hot charge or hot spots in the combustion chamber. Later the introduction of hydrogen into the pre-cooled combustion chamber takes place, so that uncontrolled pre-ignition occurs this way can be avoided. It is particularly advantageous in the arrangement according to the invention that the Shut-off valves for the hydrogen supplies also with usual Hydrocarbon engines can be retrofitted, since the rocker arms are anyway available for actuating the intake valves of each cylinder.
Vorteilhaft ist es, wenn das Schließventil über einen Ventilstößel betätigbar ist, der sich auf dem Kipphebel abstützt. Die Ventilstößel sind vorzugsweise auswechselbar, so daß durch Auswahl unterschiedlich langer Ventilstößel der Zeitpunkt eingestellt werden kann, an dem dasIt is advantageous if the closing valve can be actuated via a valve tappet which is located on the rocker arm supports. The valve tappets are preferably interchangeable so that valve tappets of different lengths can be selected the time can be set at which the
Schließventil öffnet und wieder schließt. Es ist selbst-The closing valve opens and closes again. It is self-
verständlich auch möglich, die Ventilstößel in ihrer Länge verstellbar auszugestalten, so daß auf diese Weise der zeitliche Verlauf der öffnunq der Schließventile einstellbar ist.understandably also possible to make the valve tappets adjustable in length, so that in this way the timing of the opening of the closing valves is adjustable.
Günstig ist es, wenn der Kipphebel im Anlagebereich des das Schließventil betätigenden Teils eine verschleißfesteIt is beneficial if the rocker arm in the contact area of the the closing valve actuating part has a wear-resistant
Einlage oder Auflage trägt.Insert or pad.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß das Schließventil auf dem Zylinderkopfdeckel des Motors angeordnet ist. Diese Anordnung hatIn a preferred embodiment of the invention it is provided that the closing valve on the cylinder head cover of the engine is arranged. This arrangement has
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den Vortail, daß das Schließventil, das normalerweise von sehr kaltem Wasserstoff beaufschlagt wird, durch den Motor aufgeheizt wird.the advantage that the closing valve that normally is acted upon by very cold hydrogen, is heated by the engine.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn gegeneinander verschiebliche Teile des Schließventils durch Verwendung selbstschmierender Materialien, beispielsweise Polytetrafluoräthylen oder kohlenfaserverstärkte Kunststoffe, bei tiefen Temperaturen betreibbar sind, beispielsweise herab bis zu Temperaturen von 20 K.It is also advantageous if they can be moved relative to one another Parts of the closing valve by using self-lubricating Materials such as polytetrafluoroethylene or carbon fiber reinforced plastics can be operated at low temperatures, for example down to temperatures of 20 K.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Wasserstoff zufuhren aller Zylinder von einer einzigen Wasserstoff leitung gespeist, in der sich ein Steuerventil befindet. Auf diese Weise kann die Wasserstoffzufuhr zu den einzelnen Zylindern zentral in einfachster Weise gesteuert werden.In a preferred embodiment, these are hydrogen all cylinders are fed by a single hydrogen line in which there is a control valve. In this way, the hydrogen supply to the individual cylinders can be controlled centrally in the simplest way will.
D.\e nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine Teilschnittansicht eines Hubkolbenmotors mit einem Einlaßventil, dazugehörigen Steuereinrichtung und mit einem Schließventil in der Wasserstoffzufuhr.D. \ e following description of preferred embodiments the invention is used in conjunction with the drawing for a more detailed explanation. The drawing shows a partial sectional view of a reciprocating piston engine with an inlet valve, associated control device and with a shut-off valve in the hydrogen supply.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten konventionellen Hubkolbenmotor ist ein Zylinder 1 an seiner Oberseite über eine Einlaßöffnung 2 mit einer Gemischzufuhrleitung 3 verbunden, die mittels eines Ventilkörpers 4 verschließbar ist. Dieser umfaßt einen im Inneren des Zylinders angeord-In the conventional reciprocating engine shown in the drawing, a cylinder 1 is over on its top an inlet opening 2 connected to a mixture supply line 3, which can be closed by means of a valve body 4. This includes a arranged inside the cylinder
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neten Ventilteller 5 sowie einen den Zylinderkopf durchsetzenden Stößel 6, der außerhalb des Ventilkopfes von einer Druckfeder 7 umgeben ist, die sich einerseits am Ventilkopf und andererseits an einer Stützscheibe 8 am Stößel 6 abstützt und den Ventilkörper 4 in die Schließstellung schiebt. Am Zylinderkopf ist - schwenkbar ein zweiarmiger Kipphebel 9 gelagert, der an seinem freien Ende 'φ- über eine frei drehbare Rolle 10 an der Rückseite des Stößels 6 anliegt und mit dem gegenüberliegenden Ende am Umfang einer Steuernocke 11, die auf der drehbaren Nockenwelle 12 des Motors sitzt. Insoweit entspricht der in der Zeichnung dargestellte Motor einem konventionellen Motor, bei dem der Ventilkörper 4 bei jeder Umdrehung der Nockenwelle geöffnet und geschlossen wird.Neten valve plate 5 and a plunger 6 penetrating the cylinder head, which is surrounded outside the valve head by a compression spring 7, which is supported on the one hand on the valve head and on the other hand on a support disc 8 on the plunger 6 and pushes the valve body 4 into the closed position. A two-armed rocker arm 9 is pivotably mounted on the cylinder head, which rests at its free end 'φ- via a freely rotatable roller 10 on the back of the plunger 6 and with the opposite end on the circumference of a control cam 11, which is mounted on the rotatable camshaft 12 of the Engine sits. In this respect, the engine shown in the drawing corresponds to a conventional engine in which the valve body 4 is opened and closed with each revolution of the camshaft.
Auf dem Zylinderkopfdeckel 13 des Motors ist ein Schließventil 14 angeordnet, dessen Gehäuse 15 auf einem im Zylinderkopf de ekel 13 befestigten Sockel 16 abgedichtet gehalten ist. In dem Sockel 16 ist eine in das Innere des α Zylinderkopfraumes ragende Öffnung vorgesehen, die mit ei- ~~~ ner Lagerbuchse 17 ausgekleidet ist. In dieser Lagerbuchse ist längsverschieblich ein Ventilstößel 18 gelagert, dessen dem Zylinder zugewandtes Ende an einem Gleitschuh 19 auf der Oberseite des Kipphebels 9 anliegt. Der Gleitschuh ist aus einem verschleißfesten Material hergestellt, beispielsweise aus gehärtetem Stahl.On the cylinder head cover 13 of the engine, a closing valve 14 is arranged, the housing 15 of which is kept sealed on a base 16 fastened in the cylinder head de disgusting 13. Provided in the base 16 is an opening which protrudes into the interior of the cylinder head space and is lined with a bearing bush 17. A valve tappet 18, whose end facing the cylinder rests on a slide shoe 19 on the upper side of the rocker arm 9, is mounted in this bearing bush so as to be longitudinally displaceable. The sliding shoe is made of a wear-resistant material, for example hardened steel.
Das Gehäuse 15 des Schließventils ist in einen Einlaßraum 20 und einen Auslaßraum 21 unterteilt, wobei beide RäumeThe housing 15 of the closing valve is divided into an inlet space 20 and an outlet space 21, both spaces
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über eine Ventilöffnung 22 in Verbindung stehen. In den Einlaßraum 20 mündet über einen Einlaßstutzen 23 eine Wasserstoffzufuhr, der Auslaßraum 21 ist über einen Auslaßstutzen 24 in aus der Zeichnung nur schematisch angedeuteter Weise mit der Gemischzufuhrleitung 3 verbunden.are in communication via a valve opening 22. In the inlet chamber 20 opens via an inlet port 23 a Hydrogen supply, the outlet space 21 is via an outlet connection 24 in only schematically indicated from the drawing Connected to the mixture supply line 3.
Im Innern des Gehäuses 15 ist ferner längsverschieblieh ein Ventilkörper 25 gelagert, dessen Ventilteller 26 die Ventilöffnung 22 verschließt. Ein mit dem Ventilteller 26 verbundener Schaft 27 ist in einer Längsführung 2 8 gelagert, die eine Bohrung im Boden 29 des Auslaßraumes 21 auskleidet. In dieser Bohrung befindet sich weiterhin eine Ringdichtung 30, die den Boden 29 gegenüber dem verschieblich gelagerten Schaft 27 abdichtet. Der Boden 29 und das Gehäuse 15 sind ferner gegenüber dem Sockel 16 durch eine Ringdichtung 31 abgedichtet. Auf dem Ventilteller 26 ruht eine im Einlaßraum 20 angeordnete Druckfeder 32, die sich mit ihrem anderen Ende an einem Deckel 33 abstützt, der das Gehäuse auf der dem Zylinderkopfdekkel gegenüberliegenden Seite dicht verschließt. Diese Druckfeder 32 verschiebt den Ventilkörper 25 in die Schließstellung. Inside the housing 15 is also longitudinally displaceable a valve body 25 is mounted, the valve disk 26 of which closes the valve opening 22. One with the valve disc 26 connected shaft 27 is mounted in a longitudinal guide 28, which has a bore in the bottom 29 of the outlet space 21 lines. In this bore there is also a ring seal 30, which the bottom 29 is displaceable with respect to the mounted shaft 27 seals. The base 29 and the housing 15 are also opposite the base 16 sealed by an annular seal 31. A compression spring arranged in the inlet chamber 20 rests on the valve disk 26 32, which is supported with its other end on a cover 33, which the housing on the cylinder head cover opposite side tightly sealed. This compression spring 32 moves the valve body 25 into the closed position.
Der Schaft 27 ist so angeordnet, daß bei abgesenktem Kipphebel 9 ein Spalt 34 zwischen dem Ventilstößel 18 und dem gegenüberliegenden Ende des Schaftes 27 verbleibt, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Beim Verschwenken des Kipphebels wird der Ventilstößel 18 in Richtung auf das Schließventil verschoben und gelangt dabei an dem ihmThe shaft 27 is arranged so that when the rocker arm 9 is lowered, a gap 34 between the valve stem 18 and the opposite end of the shaft 27 remains, as shown in the drawing. When pivoting of the rocker arm, the valve stem 18 is in the direction of shifted the closing valve and thereby arrives at him
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gegenüberliegenden Ende des Schaftes 27 zur Anlage, so daß bei einer weiteren Anhebebewegung des Ventilstößels 18 der Ventilteller 26 abgehoben wird, wobei die Ventilöffnung freigegeben wird.opposite end of the shaft 27 to the plant, so that with a further lifting movement of the valve stem 18 the valve disk 26 is lifted off, the valve opening being released.
Die Abmessungen sind so gewählt, daß im Betrieb bei einem Verschwenken des Kipphebels zunächst der Ventilkörper 4 des Einlaßventils in die Offenstellung verschoben wird, und daß erst kurze Zeit nach der Öffnung des Einlaßventils der Ventilkörper 25 des Schließventils in die Offenstellung verschoben wird. Auf diese Weise wird das Innere des Zylinders bei jedem Takt zunächst nur mit Luft gefüllt, die über die Gemischzufuhrleitung 3 in den Zylinder eingeführt wird. Erst nach dieser Einführung von Luft wird das Schließventil geöffnet, das sich in der Wasserstoff zufuhr befindet, d.h. erst nach der Zufuhr reiner Luft in den Zylinder wird diesem zusätzlich Wasserstoff zugeführt, so daß das Brennstoffgemisch im Zylinder entsteht. The dimensions are chosen so that, during operation, when the rocker arm is pivoted, the valve body is first of all 4 of the inlet valve is moved into the open position, and that only a short time after the opening of the inlet valve the valve body 25 of the closing valve is moved into the open position. That way it becomes The inside of the cylinder is initially only filled with air for each cycle, which is fed into the cylinder via the mixture supply line 3 is introduced. Only after this introduction of air is the closing valve opened, which is located in the hydrogen supply is located, i.e. only after the supply of pure air into the cylinder will this additional hydrogen supplied so that the fuel mixture arises in the cylinder.
■'·"< " Bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff wird■ '· "<" When using hydrogen as a fuel
dieser normalerweise aus flüssigem Wasserstoff durch Verdampfen gewonnen, d.h. in der Regel hat der gasförmige Wasserstoff sehr niedrige Temperaturen, beispielsweise 20 K. Es ist daher günstig, das Schließventil selbstschmierend auszubilden, beispielsweise dadurch, daß die gegeneinander bewegten Teile, also insbesondere der Ventilkörper 25 und/oder die Längsführung 2 8, aus geeigneten Materialien hergestellt sind, beispielsweise Polytetra-this is usually obtained from liquid hydrogen by evaporation, i.e. usually the gaseous Hydrogen at very low temperatures, for example 20 K. It is therefore beneficial to have the closing valve self-lubricating to form, for example, in that the parts moved against one another, so in particular the valve body 25 and / or the longitudinal guide 2 8, are made of suitable materials, for example polytetra-
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fluoräthylen oder kohlenfaserverstärkten Kunststoffen. Dies gilt auch beispielsweise für den Ventilstößel 18 und die Lagerbuchse 17. In diesem Falle ist jedoch vorteilhaft, daß der Ventilstößel unmittelbar mit dem öl im Zylinderkopfraum in Verbindung kommt und dadurch aufgeheizt wird, so daß der Ventilstößel auch durch das öl im Zylinderkopfraum geschmiert werden kann.fluoroethylene or carbon fiber reinforced plastics. This also applies, for example, to the valve tappet 18 and the bearing bush 17. In this case, however, it is advantageous that the valve tappet comes into direct contact with the oil in the cylinder head space and is thereby heated up so that the valve tappet can also be lubricated by the oil in the cylinder head space.
Das Schließventil kann auch bei bestehenden Hubkolbenmotoren ohne weiteres nachgerüstet werden, indem ein entsprechend modifizierter Zylinderkopfdeckel aufgesetzt wird. Der Aufbau der Schließventile ist denkbar einfach und die Schließventile können klein und somit sehr schnell arbeitend ausgestattet werden, da durch sie lediglich die Wasserstoffzufuhr gesteuert werden muß, nicht jedoch die Luftzufuhr.The closing valve can also be easily retrofitted to existing reciprocating engines by adding a appropriately modified cylinder head cover is placed. The construction of the closing valves is very simple and the shut-off valves can be made small and therefore work very quickly, since only the Hydrogen supply must be controlled, but not the Air supply.
Die Öffnungszeit des Schließventils kann durch die Größe des Spaltes 34 variiert werden, entweder durch Auswechseln des Ventilstößels 18 bzw. des Ventilkörpers 25 oder durch eine Verstellung dieser Teile in ihrer Längsdimension. The opening time of the closing valve can be determined by the size of the gap 34 can be varied, either by replacing the valve stem 18 or the valve body 25 or by adjusting these parts in their longitudinal dimension.
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| DE3323683A Withdrawn DE3323683A1 (en) | 1983-07-01 | 1983-07-01 | Reciprocating-piston engine for operation with hydrogen |
Country Status (3)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104405538A (en) * | 2014-11-14 | 2015-03-11 | 宁波中策动力机电集团有限公司 | Fuel gas inlet control device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4308775C1 (en) * | 1993-03-19 | 1994-08-25 | Daimler Benz Ag | Gas injection valve for the injection of gaseous fuel, especially hydrogen, into the combustion chamber of an internal combustion engine |
| CH689565A5 (en) | 1995-03-09 | 1999-06-15 | Bosch Gmbh Robert | Method and apparatus for formation of a turbulent fuel-air mixture in the combustion chamber of each cylinder of a valve-controlled internal combustion engine. |
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| US11566545B2 (en) * | 2019-05-02 | 2023-01-31 | Caterpillar Inc. | Cam actuated gas admission valve with electro-hydraulic trim control |
Family Cites Families (4)
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- 1983-07-01 DE DE3323683A patent/DE3323683A1/en not_active Withdrawn
-
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- 1984-06-29 JP JP59133487A patent/JPS6069233A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104405538A (en) * | 2014-11-14 | 2015-03-11 | 宁波中策动力机电集团有限公司 | Fuel gas inlet control device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6069233A (en) | 1985-04-19 |
| FR2548278A1 (en) | 1985-01-04 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |