DE3731986A1 - Verfahren zum betrieb eines verbrennungsmotors mit wasserstoff als kraftstoff und verbrennungsmotor fuer dieses verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ver­ brennungsmotors mit Wasserstoff als Kraftstoff, bei dem man ein außerhalb des Brennraumes hergestelltes Kraftstoff-Luft- Gemisch in den Brennraum einführt und dort zündet.

Wasserstoff als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren ermög­ licht einen besonders schadstoffarmen Betrieb. Bei reinem Wasserstoff-Sauerstoff-Betrieb treten abgesehen von Ver­ brennungsrückständen des Schmieröles überhaupt keine stö­ renden Abgasemissionen auf, da bei der Verbrennung nur Was­ serdampf entsteht, welcher durch Kondensation abgeschieden werden kann. Bei Wasserstoff-Verbrennungsluft-Betrieb wer­ den als einzig potentielle Schadstoffe nur Stickoxide ab­ gegeben. Diese können jedoch durch entsprechende Maßnahmen, beispielsweise magere Verbrennung, weit unter das Emissions­ niveau von Katalysatorfahrzeugen mit konventionellem Kraft­ stoff gesenkt werden (W. Peschka: "Flüssiger Wasserstoff als Energieträger", Springer-Verlag, Wien - New York, 1984, S. 242 ff).

Bei Wasserstoffmotoren gibt es verschiedene Möglichkeiten der Gemischbildung: Wenn man Wasserstoff der Ansaugluft beifügt, wird ein Wasserstoff-Verbrennungsluft-Gemisch au­ ßerhalb des Brennraumes gebildet, man spricht daher von "äußerer Gemischbildung". Es besteht auch die Möglichkeit, Wasserstoff unmittelbar in den Brennraum einzublasen. Die­ se Art der Gemischbildung wird als "innere Gemischbildung" bezeichnet Diese Einblasung kann entweder zu Beginn des Verdichtungshubes nach Ende der Ventilüberschneidung er­ folgen ("frühe Einblasung") oder aber am Ende des Verdich­ tungshubes, beispielsweise 5° vor Erreichen des oberen Tot­ punktes ("späte Einblasung").

Bei der äußeren Gemischbildung ergeben sich gegenüber der Verwendung konventioneller Kraftstoffe Leistungseinbußen infolge des Verdrängungseffektes. Wasserstoff nimmt bei stöchiometrischer Mischung etwa 30% des Zylindervolumens ein. Außerdem treten unkontrollierte Frühzündungen der Zy­ linderladung am heißen Restgas oder an heißen Stellen im Brennraum auf. Die im Bereich der stöchiometrischen Mischung und damit im Bereich der maximal erzielbaren Motorleistung auftretenden Stickoxidemissionen entsprechen infolge des grundsätzlich gleichen Bildungsmechanismus derjenigen kon­ ventioneller Motoren. Eine Senkung der Stickoxidemissionen ist nur durch Magerbetrieb möglich, dieser führt jedoch zu Leistungseinbußen, die nur durch Aufladung, Ladungskühlung oder durch größeren Hubraum kompensiert werden können.

Bei innerer Gemischbildung mit früher Einblasung treten ebenfalls unkontrollierte Frühzündungen auf, insbesondere im Bereich maximaler Motorleistungen. Um auch bei dieser Betriebsart geringe Stickoxidemissionen zu erreichen, ist auch hier ein Magerbetrieb unter Inkaufnahme der damit ver­ bundenen Leistungseinbuße notwendig (Homann et al, "The Effect of Fuel Injecton on NO _x Emissions and Undesirable Combustion for Hydrogen Fueled Piston Engines", Int. J. Hydrogen Energy 8, No. 2, 1983).

Bei innerer Gemischbildung mit spätem Einblasungsbeginn werden die Probleme unkontrollierter Frühzündung vermieden, weil der Kraftstoff erst zu einem Zeitpunkt in den Zylinder eingebracht wird, an dem er unmittelbar verbrennen soll. Bei den üblichen hohen Drehzahlen von Verbrennungsmotoren (z.B. 4000 Umdrehungen pro Minute) steht jedoch zum Einbla­ sen, Vermischen, Zünden und Verbrennen des Kraftstoffes bei spätem Einblasungsbeginn nur sehr wenig Zeit zur Verfügung, beispielsweise 4 Millisekunden. Daher ergeben sich bei der Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft Pro­ bleme. Die Verbrennung in nicht vollständig homogenisier­ tem Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch führt zu einer er­ heblichen Stickoxidemission. Ferner ist es schwierig, in­ nerhalb der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit das erfor­ derliche Volumen an Wasserstoff in den Brennraum einzubla­ sen, zu verteilen und zu zünden. Im Vollastbereich muß mit Einblasdrücken von 100 bis 200 bar gearbeitet werden, weil die Öffnungsquerschnitte der Wasserstoffinjektoren begrenzt sind und Wasserstoff auch unter hohem Druck ein wesentlich größeres Volumen einnimmt als eine energetisch gleichwer­ tige Menge eines konventionellen, flüssigen Kraftstoffes.

Insgesamt erscheint es im Augenblick kaum möglich, mit ei­ nem der beschriebenen Verfahren einen Wasserstoffverbren­ nungsmotor zu betreiben, bei dem sich keinerlei Einbußen gegenüber dem Leistungsniveau und insbesondere den Stick­ oxidemissionswerten von Motoren mit konventionellem Kraft­ stoff ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb ei­ nes Wasserstoff-Verbrennungsmotors anzugeben, bei dem gleich­ zeitig eine Leistungssteigerung und eine Herabsetzung der Schadstoffemissionen erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man nur einen Teil der pro Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmenge mit der gesamten pro Arbeitstakt benötigten Verbrennungs­ luft vermischt in den Brennraum einführt, daß man diesen Kraftstoff im Brennraum zündet und daß man nach der Zündung dieses Kraftstoffes den übrigen Teil der pro Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmenge durch Hochdruckeinblasung unmit­ telbar in die Brennzone im Brennraum einführt.

Es werden also äußere Gemischbildung und innere Gemischbil­ dung in einem Hybridverfahren kombiniert. Der Brennraum wird zunächst in der üblichen Weise mit äußerer Gemischbildung gefüllt, wobei jedoch ein sehr mageres Gemisch in den Brenn­ raum gelangt. Dieses magere Gemisch wird zunächst gezündet, und in die heiße und entsprechend stark turbulente, homoge­ ne Brennzone wird daran anschließend mittels eines Injek­ tors Wasserstoff unter hohem Druck eingeblasen, also mittels des Verfahrens der inneren Gemischbildung. Der auf diese Wei­ se eingeführte Wasserstoff zündet in der Flammenfront ohne Verzug und verbrennt unter Vermeidung von Druck- und Tempe­ raturspitzen in einem näherungsweise konstanten zeitlichen Druckverlauf. Die Vermeidung von Temperaturspitzen führt zu einer Verringerung der Stickoxidbildung. Eine weitere Ver­ ringerung der Stickoxidbildung wird auf reaktionskineti­ schem Wege durch den bei der Verbrennung des zuerst einge­ füllten Wasserstoff-Verbrennungsluft-Gemisches entstehen­ den Wasserdampf bewirkt. Dieser führt außerdem zu einer Ver­ ringerung der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und bewirkt daher bei der Verbrennung des über innere Gemischbildung ein­ geführten Wasserstoffes einen Abbau von Druckspitzen und da­ mit eine "weichere Verbrennung". Obwohl die Gesamtladung im Mittelwert stöchiometrisch ist, findet die Verbrennung des mittels innerer Gemischbildung eingeführten Wasserstoffs unter lokalem Sauerstoffmangel statt, weil zu Beginn der Einblasung des Wasserstoffs mittels innerer Gemischbildung etwa 50% des zur Verfügung stehenden Sauerstoffs bereits verbraucht sind. Es ergeben sich deshalb im Übergangsbe­ reich zwischen Wasserstoffstrahl und der heißen Brenngas­ zone lokale Kraftstoffüberschüsse. Dies führt zu einer wei­ teren, sehr erheblichen Verringerung der Stickoxidbildung, ohne wie im Fall des konventionellen Dieselmotors Rußbil­ dung durch Pyrolyse zur Folge zu haben.

Insgesamt ergibt sich aufgrund der genannten Effekte nicht nur eine erhebliche Absenkung der Stickoxidemission, son­ dern auch eine Leistungssteigerung, da durch das Einspritzen des restlichen Wasserstoffes in die durch die Zündung turbu­ lent verwirbelte Brenngaszone eine verbesserte Homogenisie­ rung des Brenngases eintritt und damit eine vollständigere Verbrennung.

Der motorische Betrieb entspricht sowohl hinsichtlich der äußeren Gemischbildung als auch hinsichtlich der inneren Gemischbildung dem Betrieb im Teillastbereich, weil während jeder dieser beiden Phasen nur ein Teil der gesamten je Ver­ brennungstakt erforderlichen Wasserstoffmenge zugeführt wird. Es ist auf diese Weise möglich, den Arbeitsbereich, der durch maximale Stickoxidbildung gekennzeichnet ist, zu umgehen und dennoch den maximal möglichen Ladungsheizwert auszunützen.

Der Verbrennungsablauf im jeweiligen Teillastbereich hat ferner auch eine Verbesserung der Kraftstoffökonomie zur Folge, da Wasserstoffmotoren gegenüber solchen mit konven­ tionellem Kraftstoff im Teillastbereich einen größeren ther­ mischen Wirkungsgrad aufweisen.

Die Anforderungen für die zur inneren Gemischbildung die­ nenden Injektoren hinsichtlich des Öffnungsquerschnittes und des Vordruckes können im Vergleich zu Motoren, die aus­ schließlich mit innerer Gemischbildung arbeiten, erheblich reduziert werden.

Es ist vorteilhaft, wenn man 25 bis maximal 50% des pro Ar­ beitstakt benötigten Kraftstoffes außerhalb des Brennraumes mit der Verbrennungsluft vermischt und in den Brennraum ein­ führt (äußere Gemischbildung).

Vorzugsweise zündet man das außerhalb des Brennraumes her­ gestellte und in den Brennraum eingeführte Kraftstoff-Ver­ brennungsluft-Gemisch 20 bis 40° vor Erreichen des oberen Totpunktes. Mit der Hochdruckeinblasung des restlichen Kraft­ stoffteils beginnt man vorzugsweise etwa bei Erreichen des oberen Totpunktes.

Bei einem weiterentwickelten Verfahren kann vorgesehen sein, daß man den Verbrennungsmotor bei niedriger Last nur mit ei­ nem außerhalb des Brennraumes hergestellten Kraftstoff-Ver­ brennungsluft-Gemisch betreibt, welches nur einen Teil des bei Vollast pro Arbeitstakt benötigten Kraftstoffes sowie einen Verbrennungsluftüberschuß enthält, und daß man nur bei erhöhtem Leistungsbedarf zusätzlichen Kraftstoff durch Hoch­ druckeinblasung in den Brennraum einführt. Mit anderen Wor­ ten arbeitet man bei Teillast nur mit äußerer Gemischbildung mit einem mageren Gemisch und bei erhöhtem Leistungsbedarf schaltet man die innere Gemischbildung zu. Dies führt insge­ samt zu einer weiteren Verbesserung der Kraftstoffökonomie und zu einer Senkung der Geräuschemission.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungs­ motor für Wasserstoff als Kraftstoff mit einem Brennraum mit einer Zündung, in dem über ein Einlaßventil ein außer­ halb des Brennraumes hergestelltes Kraftstoff-Verbrennungs­ luft-Gemisch einführbar ist, derart zu verbessern, daß Ab­ gasemissionen gesenkt und die Leistung gesteigert werden kann. Dies wird bei einem solchen Verbrennungsmotor erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brennraum einen Injek­ tor aufweist, durch den zusätzlicher Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum einführbar ist, und daß eine Steue­ rung vorgesehen ist, die das durch das Einlaßventil einge­ führte Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zündet und erst danach den Injektor zur Einfuhr des restlichen Kraftstoffes öffnet.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Steuerung das Einlaßven­ til etwa 20 bis 400° vor Erreichen des oberen Druckpunktes schließt, unmittelbar danach die Zündung aktiviert und den Injektor etwa bei Erreichen des oberen Totpunktes öffnet.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Brenn­ raums einer Wasserstoff-Verbrennungs- Kraftmaschine im Saughub;

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 bei der Zündung der mittels äußerer Gemisch­ bildung hergestellten Ladung und

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 bei der Hochdruckeinblasung zusätzlichen Was­ serstoffs.

In der Zeichnung sind nur die wesentlichsten Teile einer Kolben-Verbrennungskraftmaschine schematisch dargestellt. In einem Zylinder 1 ist ein Kolben 2 verschieblich gelagert, der am oberen Ende des Zylinders 1 einen Brennraum 3 abteilt. Am Kolben 2 greift gelenkig ein Pleuel 4 an, der die oszil­ lierende Bewegung des Kolbens auf eine Kurbelwelle 5 über­ trägt.

In den Brennraum 3 mündet eine Ansaugleitung 6, die Einlaß­ öffnung ist mittels eines Einlaßventils 7 verschlossen, wel­ ches durch einen in der Zeichnung nur schematisch angedeute­ ten Antrieb 8 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 2 geöffnet und geschlossen wird. Weiterhin tritt aus dem Brennraum 3 eine Auslaßleitung 9 aus, die ebenfalls mittels eines Auslaßventiles 10 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolben 2 geöffnet und geschlossen wird. Das Auslaßventil 10 wird durch einen Antrieb 11 betätigt.

In den Brennraum 3 ragt eine Zündkerze 12 hinein, außerdem mündet ein Wasserstoffinjektor 13, durch den Wasserstoff un­ ter hohem Druck, zum Beispiel 100 bis 200 bar, in fluidem Zustand in den Brennraum 3 einblasbar ist.

In die Ansaugleitung 6, durch die Umgebungsluft angesaugt wird, mündet seitlich eine Wasserstoffzufuhr 14 ein, durch die gasförmiger Wasserstoff mit geringem Druck, beispiels­ weise 2 bis 3 bar, in die angesaugte Luft eingebracht wer­ den kann.

Eine Steuerung 15 mißt über einen geeigneten Sensor 16 die jeweilige Stellung des Kolbens 2 beziehungsweise der Kur­ belwelle 5 und steuert in Abhängigkeit von dieser Stellung die Antriebe 8 und 11 des Einlaßventils 7 und des Auslaß­ ventils 10, außerdem die Zündung der Zündkerzen 12 sowie die Zufuhr von Wasserstoff durch den Injektor 13 und die Wasserstoffzufuhr 14. Diese Steuerung kann teils mechanisch sein, wie dies insbesondere bei der Ventilsteuerung bekannt ist, es kann sich aber auch um eine elektrische Steuerung handeln, insbesondere bei der Betätigung des Wasserstoff­ injektors und der Wasserstoffzufuhr. Die Steuerung kann di­ gital arbeiten, so daß der Verbrennungsmotor mit digitalem Motormanagement betrieben werden kann.

Im Betrieb wird in der Ansaugphase durch das geöffnete Ein­ laßventil 7 Verbrennungsluft angesaugt, der bei geöffneter Wssserstoffzufuhr 14 Wasserstoff als Kraftstoff zugemischt ist. Das Mischungsverhältnis ist dabei so gewählt, daß nur etwa 25 bis 50% der zur stöchiometrischen Verbrennung not­ wendigen Menge an Wasserstoff in der Verbrennungsluft vor­ liegt, es handelt ich also um ein mageres Kraftstoff-Ver­ brennungsluft-Gemisch. Das Einlaßventil schließt etwa 20 bis 40° bevor der Kolben 2 den oberen Totpunkt erreicht, und unmittelbar nach dem Schließen des Ventils erfolgt die Zün­ dung dieses durch äußere Gemischbildung hergestellten Kraft­ stoff-Verbrennungsluft-Gemisches im Brennraum 3 durch Akti­ vierung der Zündkerze 12 (Fig. 2). Etwa bei Erreichen des oberen Totpunktes wird der Injektor 13 geöffnet, und durch diesen Injektor wird unter hohem Druck Wasserstoff in die Brennzone im Brennraum 3 eingeblasen, und zwar in einer Menge, daß insgesamt ein stöchiometrisches Verhältnis von Kraftstoff und Verbrennungsluft im Brennraum vorliegt. Durch die Zündung der durch die Ansaugleitung 6 eingeführten La­ dung ergibt sich im Brennraum eine turbulente Strömung, die zu einer guten Homogenisierung des durch den Injektor 13 eingeblasenen Wasserstoffes im Brennraum führt, so daß die vollständige Verbrennung des gesamten Kraftstoffes ohne Auf­ bau von lokalen Druck- und Temperaturspitzen begünstigt wird.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann vorgese­ hen sein, daß im Teillastbetrieb die Einblasung von zusätz­ lichem Wasserstoff durch den Injektor 13 unterbleibt, so daß dann der Verbrennungsmotor ausschließlich mit dem mageren, durch äußere Gemischbildung hergestellten Kraftstoff-Ver­ brennungsluft-Gemisch betrieben wird. Nur bei erhöhtem Lei­ stungsbedarf wird die Einblasung von Wasserstoff durch den Injektor 13 zugeschaltet, das heißt, der Hybridbetrieb mit äußerer und anschließender innerer Gemischbildung erfolgt nur bei erhöhtem Leistungsbedarf.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Was­ serstoff als Kraftstoff, bei dem man ein außerhalb des Brennraumes hergestelltes Kraftstoff-Verbrennungsluft- Gemisch in den Brennraum einführt und dort zündet, dadurch gekennzeichnet, daß man nur einen Teil der pro Arbeitstakt benötigten Kraft­ stoffmenge mit der gesamten pro Arbeitstakt benötigten Verbrennungsluft vermischt in den Brennraum einführt, daß man dieses Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch im Brennraum zündet und daß man nach der Zündung dieses Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisches den übrigen Teil der pro Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmenge durch Hochdruckeinblasung unmittelbar in die Brennzone im Brennraum einführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man 25 bis maximal 50% des pro Arbeitstakt benötigten Kraftstoffes außerhalb des Brennraumes mit der Verbren­ nungsluft vermischt und in den Brennraum einführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß man das außerhalb des Brennraumes hergestellte und in den Brennraum eingeführte Kraftstoff-Verbrennungs­ luft-Gemisch 20 bis 40° vor Erreichen des oberen Tot­ punktes zündet.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß man mit der Hochdruckeinbla­ sung des restlichen Kraftstoffteiles etwa bei Errei­ chen des oberen Totpunktes beginnt.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß man den Verbrennungsmotor bei niedriger Last nur mit einem außerhalb des Brennraumes hergestellten Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch be­ treibt, welches nur einen Teil des bei Vollast pro Ar­ beitstakt benötigten Kraftstoffes sowie einen Verbren­ nungsluft-Überschuß enthält, und daß man nur bei er­ höhtem Leistungsbedarf zusätzlichen Kraftstoff durch Hochdruckeinblasung in den Brennraum einführt.

6. Verbrennungsmotor für Wasserstoff als Kraftstoff mit einem Brennraum mit einer Zündung, in den über ein Ein­ laßventil ein außerhalb des Brennraumes hergestelltes Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (3) einen Injektor (13) aufweist, durch den zusätzlicher Kraftstoff unter hohem Druck in den Brenn­ raum (3) einführbar ist, und daß eine Steuerung (15) vorgesehen ist, die das durch das Einlaßventil (7) ein­ geführte Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zündet und erst danach den Injektor (13) zur Einfuhr des restli­ chen Kraftstoffes öffnet.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerung (15) das Einlaßventil (7) etwa 20 bis 40° vor Erreichen des oberen Totpunktes schließt, unmittelbar danach die Zündung (12) aktiviert und den Injektor (13) etwa bei Erreichen des oberen Totpunktes öffnet.