Verfahren zum Betreiben einer BrennkraftmaschineMethod for operating an internal combustion engine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer gasbetriebenen, insbesondere wasserstoffbetriebenen, Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Einblasen des Kraftstoffes in den Brennraum und einer Einrichtung zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches.The invention relates to a method for operating a gas-operated, in particular hydrogen-powered, internal combustion engine with a device for injecting the fuel into the combustion chamber and a device for igniting the fuel-air mixture.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine in Abgrenzung zu einer benzin- oder dieselbetriebenen Brennkraftmaschine ein Betrieb mit einem Brennstoff verstanden, welcher vergleichsweise weite Zündgrenzen aufweist, wie Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Gasgemische, welche insbesondere auch Kohlenmonoxid und/oder -dioxid und/oder Stickstoff und/oder Methan umfassen, wobei Wasserstoff nicht notwendigerweise den größten Anteil innehaben muss.In the context of the present invention, a gas-fueled internal combustion engine, in contrast to a gasoline or diesel-fueled internal combustion engine, means an operation with a fuel which has comparatively wide ignition limits, such as hydrogen or hydrogen-containing gas mixtures, which in particular also include carbon monoxide and / or dioxide and / or Nitrogen and / or methane include, with hydrogen not necessarily having the largest share.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 37 31 986 A1 bekannt. Ausgehend von der Problematik, eine Brennkraftmaschine mit Wasserstoff (H2) so zu betreiben, dass einerseits die Stickoxidemission (NOχ-Emission) soweit wie möglich herabgesetzt wird und andererseits eine einfache Leistungsregelung möglich ist, schlägt die DE 37 31 986 A1 vor, die äußere Gemischbildung,
Such a method is known from DE 37 31 986 A1. Based on the problem of operating an internal combustion engine with hydrogen (H 2 ) so that on the one hand, the nitrogen oxide emission (NOχ emission) is reduced as much as possible and on the other hand, a simple power control is possible, proposes DE 37 31 986 A1, the outer mixture formation,
bei welcher der Kraftstoff der Ansaugluft zugeführt und so ein Kraftstoff-Luft- Gemisch außerhalb des Brennraumes gebildet wird, in einem Hybridverfahren mit der inneren Gemischbildung, bei welcher der Kraftstoff unmittelbar in den Brennraum eingeblasen wird, zu kombinieren. Gemäß der DE 37 31 986 A1 ist zur Kraftstoffeinblasung in die Ansaugleitung bei äußerer Gemischbildung ein erster Injektor und zur Kraftstoffeinblasung in den Brennraum bei innerer Gemischbildung ein zweiter Injektor vorgesehen, eine Steuerung der Injektoren erfolgt mittels der Motorsteuerung.in which the fuel is supplied to the intake air and thus a fuel-air mixture is formed outside the combustion chamber to combine in a hybrid process with the internal mixture formation, in which the fuel is injected directly into the combustion chamber. According to DE 37 31 986 A1, a second injector is provided for fuel injection into the intake line with external mixture formation and for fuel injection into the combustion chamber with internal mixture formation, a control of the injectors by means of the engine control.
Auch wenn mit dem Verfahren nach der DE 37 31 986 A1 eine Reihe von Vorteilen einer zweistufigen Kraftstoffeinbringung vor und nach der Zündung erreicht werden, ergeben sich bedingt durch die äußere Gemischbildung viele Nachteile. Beispielsweise muss mit erheblichen Leistungseinbussen aufgrund des Verdrängungseffektes gerechnet werden. Das - erhebliche - Volumen H2, welches durch äußere Gemischbildung eingebracht wird, verdrängt ein entsprechendes Volumen Luft, so dass im befüllten Brennraum entsprechend weniger Sauerstoff zur Verfügung steht. Ferner können am heißen Restgas oder an heißen Stellen im Brennraum unkontrollierte Frühzündungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches auftreten, insbesondere bei hoher Verdichtung und Aufladung. Zur Optimierung der Verbrennung kann die über äußere Gemischbildung zugeführte Kraftstoffmenge nur in Grenzen verändert werden. Eine Beeinflussung der Verbrennungsführung über Einblasezeitpunkt und -druck der ersten Einblasemenge ist nicht möglich. Ferner sind zwei Gemischbildungs-/lnjektionssysteme erforderlich.Although a number of advantages of a two-stage fuel injection before and after ignition are achieved with the method according to DE 37 31 986 A1, resulting from the external mixture formation many disadvantages. For example, considerable performance losses due to the displacement effect must be expected. The - significant - volume H 2 , which is introduced by external mixture formation, displaces a corresponding volume of air, so that in the filled combustion chamber correspondingly less oxygen is available. Furthermore, uncontrolled pre-ignition of the fuel-air mixture can occur at the hot residual gas or at hot spots in the combustion chamber, especially at high compression and charge. To optimize the combustion, the amount of fuel supplied via external mixture formation can only be changed within limits. Influencing the combustion management via injection time and pressure of the first injection quantity is not possible. Furthermore, two mixture formation / injection systems are required.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, welches unter Vermeidung der Nachteile einer äußeren Gemischbildung die Vorteile einer mehrstufigen Kraftstoffeinbringung vor und nach der Zündung in sich vereinigt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , wobei gemäß der zugrundeliegenden Idee wenigstens eine erste Kraftstoffmenge in den Brennraum eingeblasen wird, wobei sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet, das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird und wenigstens eine zweite Kraftstoffmenge in das brennende Kraftstoff-Luft-Gemisch eingeblasen wird.The invention is therefore based on the object to provide an aforementioned method, which combines the advantages of a multi-stage fuel injection before and after the ignition while avoiding the disadvantages of an external mixture formation in itself. The object is achieved by the features of claim 1, wherein according to the underlying idea at least a first amount of fuel is injected into the combustion chamber, forming a fuel-air mixture, the fuel-air mixture is ignited and at least a second amount of fuel is blown into the burning fuel-air mixture.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.Particularly preferred embodiments and further developments of the method according to the invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das mit der wenigstens einen ersten Kraftstoffmenge gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch einen Luftüberschuss auf, so dass mit der ersten Kraftstoffmenge ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Luftverhältnis λ>1 gebildet wird.According to a particularly advantageous embodiment, the fuel-air mixture formed with the at least one first amount of fuel has an excess of air, so that with the first amount of fuel, a fuel-air mixture with an air ratio λ> 1 is formed.
Bei einem Verfahren bei welchem bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft- Gemisches der Verlauf der Stickoxid-Emissionen (NOχ-Emissionen) in Abhängigkeit des Luftverhältnisses (λ) ausgehend von einem stöchiometrischen Luftverhältnis (λ=1) in Richtung größerer λ-Werte ansteigt, einen Maximalwert erreicht und im folgenden auf ein vernachlässigbares Niveau absinkt, weist zweckmäßigerweise das mit der wenigstens einen ersten Kraftstoffmenge gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch ein Luftverhältnis (λ) auf, welches zumindest annähernd im Bereich des Überganges zum vernachlässigbaren Niveau liegt.In a method in which during the combustion of the fuel-air mixture, the profile of the nitrogen oxide (NOχ) emissions as a function of the air ratio (λ), starting from a stoichiometric air ratio (λ = 1) increases in the direction of larger λ values, reaches a maximum value and subsequently decreases to a negligible level, expediently the fuel-air mixture formed with the at least one first fuel quantity has an air ratio (λ) which lies at least approximately in the region of the transition to the negligible level.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens weist das mit der wenigstens einen ersten Kraftstoffmenge gebildete Kraftstoff- Luft-Gemisch ein Luftverhältnis (λ) im Bereich 1 ,5<λ, insbesondere im Bereich 1 ,8<λ, auf.
Als sehr vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Bestimmung der Einblaseparameter wie Zeitpunkt, Dauer oder Menge/Zeit der wenigstens einen ersten Kraftstoffmenge in Hinblick auf eine optimierte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt.According to a particularly preferred embodiment of the method, the fuel-air mixture formed with the at least one first fuel quantity has an air ratio (λ) in the range 1, 5 <λ, in particular in the range 1, 8 <λ. It is regarded as very advantageous if the determination of the injection parameters such as time, duration or quantity / time of the at least one first fuel quantity takes place with a view to optimized homogenization of the fuel-air mixture.
Zweckmäßigerweise beginnt die Einblasung der wenigstens einen ersten Kraftstoffmenge nach dem Schließen des Einlassventils und/oder die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt zumindest annähernd im Bereich des oberen Totpunktes (OT), wobei gemäß einer weiteren, ebenfalls zu bevorzugenden Ausgestaltung die Zündung des Kraftstoff-Luft- Gemisches auch vor erreichen des oberen Totpunktes (OT) erfolgen kann.Appropriately, the injection of the at least one first amount of fuel after closing the intake valve and / or the ignition of the fuel-air mixture begins at least approximately in the region of top dead center (TDC), wherein according to another, also preferred embodiment, the ignition of the fuel Air mixture can also be done before reaching the top dead center (TDC).
Ferner wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Einblasung der wenigstens einen zweiten Kraftstoffmenge abhängig von der Brenngeschwindigkeit und/oder dem Brennverlauf des Kraftstoff-Luft- Gemisches, beispielsweise -10-30° Kurbelwellenwinkel, insbesondere 0-20° Kurbelwellenwinkel, nach OT, erfolgt. Bevorzugt wird zudem die Abhängigkeit der wenigstens einen zweiten Einblasmenge vom Lasthebel, wobei erst ab einem Lasthebel von ca. 50% in Richtung 100% Lasthebel eine zunehmende Menge Kraftstoff eingeblasen wird.Furthermore, it is considered to be particularly advantageous if the injection of the at least one second quantity of fuel depends on the burning rate and / or the course of combustion of the fuel-air mixture, for example -10-30 ° crankshaft angle, in particular 0-20 ° crankshaft angle, after TDC, he follows. In addition, the dependence of the at least one second injection quantity on the load lever is preferred, whereby an increasing amount of fuel is injected only from a load lever of approximately 50% in the direction of the 100% load lever.
Einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge korreliert das Einblasende der wenigstens einen ersten Kraftstoffmenge mit dem Einblasbeginn der wenigstens einen zweiten Kraftstoffmenge zumindest annähernd.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the injection end of the at least one first fuel quantity correlates at least approximately with the start of injection of the at least one second fuel quantity.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird insbesondere die hohe Zündwilligkeit des Brennstoffes bei sehr weiten Zündgrenzen genutzt, wobei die Verbrennung mittels Fremdzündung initiiert wird und eine Druck- /Brennverlaufsformung über die Einblasestrategie, d.h. über die Regulierung
der Kraftstoffmenge vor und nach der Zündung erfolgt, ohne das dabei Rußbildung auftritt.With the solution according to the invention in particular the high ignitability of the fuel is used at very wide ignition limits, the combustion is initiated by means of spark ignition and a pressure / Brennverlaufsformung about the Einblasestrategie, ie via the regulation the amount of fuel before and after ignition takes place without the formation of soot occurs.
In der Teillast sind weiterhin eine sehr homogene Verbrennung mit Luftüberschuss und damit ein qualitätsgeregelter Betrieb des Motors möglich. Der Wirkungsgradvorteil durch Betrieb bei hohem Luftverhältnis und ohne Drosselverluste bleibt weiter bestehen.In the partial load, a very homogeneous combustion with excess air and thus a quality-controlled operation of the engine are still possible. The efficiency advantage through operation at high air ratio and without throttle losses remains.
Der Zündzeitpunkt kann beliebig zur Optimierung von Wirkungsgrad und Leistung gewählt werden.The ignition timing can be chosen arbitrarily to optimize efficiency and performance.
Es ist eine hohe dieselähnliche Verdichtung zur weiteren Steigerung des Motorwirkungsgrades umsetzbar, nachdem Klopfphänomene über die Einblasestrategie in der Volllast beherrschbar werden. Durch die Einbringung nur einer Teilmenge vor Zündung wird das Klopfverhalten deutlich verbessert, da eine reduzierte Zündwilligkeit bei mageren Gemischen mit den angeführten Kraftstoffen, wie Wasserstoff, vorliegt und die zur Volllast erforderliche Zusatzmenge erst direkt in die Verbrennung eingebracht wird.It is a high diesel-like compression to further increase the engine efficiency feasible after knocking phenomena on the injection strategy in full load are manageable. By introducing only a subset before ignition the knocking behavior is significantly improved because a reduced ignitability in lean mixtures with the listed fuels, such as hydrogen, is present and required for full load additional amount is only introduced directly into the combustion.
Aus gleichem Grund ist auch eine Aufladung des Motors zur Steigerung der Leistungsdichte wie bei Dieselmotoren und eine Umsetzung von Downsizing- Ansätzen zur weiteren Verbrauchsverbesserung darstellbar, ohne dass wirkungsgradungünstige Zündzeitpunkte zur Vermeidung von Klopfphänomenen in der Volllast in Kauf genommen werden müssen.For the same reason, a charging of the engine to increase the power density as in diesel engines and an implementation of downsizing approaches to further fuel consumption can be represented, without that low-efficiency ignition to avoid knocking phenomena in full load must be taken into account.
Im Vergleich zu konventionellen Dieselmotoren ermöglicht dieses Brennverfahren trotz Einblasung in die Verbrennung und dem damit nur kurzen Zeitraum für Kraftstoffeinbringung, Gemischaufbereitung und Verbrennung ohne die Bildung von Ruß ähnliche Drehzahlen wie bei einem Ottomotor, da der Anteil an zuzuführenden Kraftstoff direkt in dieCompared to conventional diesel engines, this combustion process, despite being injected into the combustion and thus the short period for fuel injection, mixture preparation and combustion without the formation of soot allows similar speeds as in a gasoline engine, since the proportion of fuel to be supplied directly into the
Verbrennung nicht so groß wie bei konventionellen Dieselmotoren ist und da
durch die voreingebrachte Kraftstoffmenge bereits ein sehr zündwilliges und verbrennungsfördemdes homogenes Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum vorliegt.Combustion is not as big as conventional diesel engines and there already present a very willing to ignite and Verbrennungsfördemdes homogeneous fuel / air mixture in the combustion chamber by the pre-introduced amount of fuel.
Ferner lassen die Zündwilligkeit und Verbrennungseigenschaften, beispielsweise die höhere Brenngeschwindigkeit, der angeführten Kraftstoffe eine schnellere Umsetzung selbst bei nicht vorgemischter Verbrennung zu und die turbulenten Strömungsbedingungen im Brennraum können explizit auf die Verbrennung der nach Zündung eingebrachten Kraftstoffmenge optimiert werden, so dass auch von dieser Seite hohe Drehzahlen möglich sind.Furthermore, the ignitability and combustion characteristics, for example the higher burning speed, of the stated fuels allow a faster conversion even with non-premixed combustion and the turbulent flow conditions in the combustion chamber can be explicitly optimized for the combustion of the amount of fuel introduced after ignition, so that high from this side Speeds are possible.
Über die Verbrennungssteuerung können extreme dieselähnliche Druckanstiege und Spitzendrücke im Brennraum unterbunden werden. Die moderateren Druckverläufe liegen beispielsweise im Bereich dp/dα = 4-6 bar; pmax=100-125 bar und haben eine deutlich bessere Motorakustik zu Folge.About the combustion control extreme diesel-like pressure increases and peak pressures in the combustion chamber can be prevented. The more moderate pressure gradients are, for example, in the range dp / dα = 4-6 bar; p max = 100-125 bar and have a much better engine acoustics result.
Durch die Verbrennungssteuerung kann das Spitzentemperaturniveau im Brennraum deutlich reduziert werden. Auf diese Weise wird die bei Wasserstoffmotoren charakteristische exponentiell unterhalb eines Luftverhältnisses von λ=2 ansteigende NOx-Bildung durch zu hohe Brennraumtemperaturen unterbunden. Messungen haben bereits eine Reduzierung der Stickoxidemissionen in ausgewählten Betriebspunkten von über 90% ergeben.By the combustion control, the peak temperature level in the combustion chamber can be significantly reduced. In this way, the characteristic of hydrogen engines exponentially below an air ratio of λ = 2 increasing NOx formation is prevented by excessive combustion chamber temperatures. Measurements have already resulted in a reduction of nitrogen oxide emissions at selected operating points of more than 90%.
Die geringere druck- und temperaturseitige Belastung über die Verbrennungssteuerung ermöglicht eine dem Ottomotor ähnliche Bauteilauslegung. Trotz hoher Verdichtung treten daher für den Dieselmotor höhere Reibleistungen und die damit verbundene Verminderung des
effektiven Wirkungsgrades nicht auf. Durch die Verbrennungssteuerung können außerdem die Wandwärmeverluste reduziert werden.The lower pressure and temperature-side load on the combustion control allows a component design similar to the gasoline engine. Despite high compression therefore occur for the diesel engine higher friction losses and the associated reduction of the effective efficiency does not occur. The combustion control can also reduce wall heat losses.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt Einfluss auf den Verbrennungsablauf, insbesondere auf den Verbrennungsstart und die Druckverlaufsform, genommen werden kann, so dass sowohl eine hohe Leistungsdichte, entsprechend einer hohen Drehzahl, eine geringe Reibleistung sowie aufgrund geringerer Druckanstiege und Spitzendrücke ein weicheres Motorgeräusch als auch bedingt durch das hohe Verdichtungsverhältnis ein hoher Wirkungsgrad sowie ein hohes Drehmoment erreicht werden und zugleich die Bildung von Stickoxiden bei hohen Motorlasten deutlich reduziert werden kann.In summary, it can be stated that the method according to the invention has a specific influence on the combustion process, in particular on the start of combustion and the pressure waveform, so that both a high power density, corresponding to a high rotational speed, a low friction power and due to lower pressure increases and peak pressures softer engine noise and due to the high compression ratio high efficiency and high torque can be achieved and at the same time the formation of nitrogen oxides at high engine loads can be significantly reduced.
Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf Figuren eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaftHereinafter, with reference to figures, a particularly preferred embodiment of the method according to the invention is explained in more detail, show schematically and by way of example
Figur 1 einen Druckverlauf bei zweistufiger Kraftstoffeinblasung vor und nach Fremdzündung,FIG. 1 shows a pressure curve during two-stage fuel injection before and after spark ignition,
Figur 2 Druckverläufe bei Einfach- und Mehrfacheinblasung imFigure 2 Pressure curves for single and multiple injection in
Vergleich,Comparison,
Figur 3a eine diskrete zweistufige Einblasung sowieFigure 3a shows a discrete two-stage injection as well
Figur 3b eine übergehende zweistufige Einblasung.FIG. 3b shows a transitional two-stage injection.
Figur 1 bezieht sich auf eine hier nicht näher dargestellte wasserstoffbetriebene Viertakt-Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung und Fremdzündung, wobei die Erfindung selbstverständlich auch bei einer anderen Brennkraftmaschine, wie Wankelmotor oder
Zweitakt-Brennkraftmaschine, zum Einsatz kommen kann. Die Brennräume der Zylinder sind im Ladungswechseltakt jeweils über wenigstens ein Einlassventil mit Luft befüllbar, wobei die zugeführte Luft gegebenenfalls rückgeführtes Abgas und/oder alternativ oder zusätzlich weitere Beigaben enthalten kann und/oder mit erhöhtem Druck (Aufladung) zugeführt werden kann. Zur Einblasung des Kraftstoffes mit einem Druck von ca. 100 bis 300 bar ist ein Injektor vorgesehen, welcher mittels der Brennkraftmaschinensteuerung unter Einbeziehung einer Vielzahl von Parametern steuerbar ist; die Fremdzündung im Arbeitstakt erfolgt ebenfalls durch die Brennkraftmaschinensteuerung gesteuert vorliegend mittels einer Zündkerze, wobei in einem anderen Ausführungsbeispiel auch eine andere Zündeinrichtung zur Anwendung kommen kann. Das verbrannte Gemisch wird über wenigsten ein Auslassventil ausgeschoben und gegebenenfalls einem Abgasnachbehandlungssystem zugeführt, wobei im vorliegenden Fall primär ein Abgasnachbehandlung hinsichtlich der emittierten Stickoxide (NOx), beispielsweise mittels eines Dreiwegekatalysators oder eines NOχ- Speicherkatalysators erfolgt. Der Wasserstoff wird tiefkalt und flüssig in einem Kryotank an Board des Fahrzeuges mitgeführt und nach Verdampfung in gasförmigem Zustand in den Brennraum eingeblasen, wobei hervorgehoben wird, dass die Erfindung von der Speicherart des Wasserstoffs unabhängig ist, sodass gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der Wasserstoff auch anders gespeichert und zugeführt werden kann..Figure 1 relates to a hydrogen-powered four-stroke multi-cylinder internal combustion engine not shown here with internal mixture formation and spark ignition, the invention of course also in another internal combustion engine, such as Wankel engine or Two-stroke internal combustion engine, can be used. The combustion chambers of the cylinders can be filled with air in each case via at least one inlet valve, wherein the supplied air may optionally contain recirculated exhaust gas and / or alternatively or additionally further admixtures and / or with increased pressure (charging) can be supplied. For injecting the fuel at a pressure of about 100 to 300 bar, an injector is provided which can be controlled by means of the internal combustion engine control including a plurality of parameters; the spark ignition in the power stroke is also controlled by the engine control in the present case by means of a spark plug, wherein in another embodiment, another ignition device may be used. The burned mixture is ejected via at least one exhaust valve and possibly fed to an exhaust aftertreatment system, wherein in the present case, an exhaust gas after-treatment with respect to the emitted nitrogen oxides (NO x ), for example by means of a three-way catalyst or a NOχ storage catalytic converter takes place. The hydrogen is entrained cryogenic and liquid in a cryogenic tank on board the vehicle and injected after evaporation in the gaseous state into the combustion chamber, wherein it is emphasized that the invention of the storage type of hydrogen is independent, so stored according to another embodiment, the hydrogen also differently and can be fed ..
Figur 1 zeigt in einem Diagramm 100 einen Druckverlauf 102 bei zweistufiger Kraftstoffeinblasung vor und nach Fremdzündung aufgetragen über den Kurbelwellenwinkel α und verdeutlicht die beliebige Beeinflussbarkeit des Verbrennungsablaufes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.FIG. 1 shows, in a diagram 100, a pressure profile 102 in the case of two-stage fuel injection before and after spark ignition plotted against the crankshaft angle α and illustrates the arbitrary influenceability of the combustion process with the method according to the invention.
Über die vor Zündung eingebrachte erste Kraftstoffmenge wird derAbout the introduced before ignition first fuel amount of the
Druckanstieg bei Verbrennungsstart, der maximale Druckanstieg dp/dα und
der maximale Zylinderdruck pmaχ bestimmt, über den Zündzeitpunkt (ZZP) der Verbrennungsstart festgelegt und anschließend über die zweite, direkt der Verbrennung zugeführte Kraftstoffmenge die Dauer der dieselähnlichen Verbrennung (Gleichdruckverbrennung) bzw. Breite des Zylinderdruck- Verlaufs Δα beeinflusst. Je geringer dabei die erste Kraftstoffmenge, desto größer ist das Luftverhältnis λ mit der Folge, dass die Verbrennung nach Zündung kälter und langsamer abläuft und weniger Stickoxide (NOx) gebildet werden. Vorliegend ist die erste Kraftstoff menge so bemessen, dass sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit 1 ,5<λ, insbesondere 1 ,8<λ, ergibt. Der Anstieg dp/dα verläuft mit größerem λ flacher und es wird ein geringerer maximaler Zylinderdruck pmax erreicht. Die Zündung erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel einige Grad Kurbelwinkel vor Erreichen des oberen Totpunktes (ZOT).Pressure increase at combustion start, the maximum pressure increase dp / dα and determines the maximum cylinder pressure p ma χ, set the ignition timing (ZZP) of the combustion start and then the duration of the diesel-like combustion (constant pressure combustion) or width of the cylinder pressure curve .DELTA..alpha. influenced by the second, directly fed to the combustion amount of fuel. The smaller the first amount of fuel, the greater the air ratio λ, with the result that the combustion after ignition runs colder and slower and less nitrogen oxides (NO x ) are formed. In the present case, the first amount of fuel is such that a fuel-air mixture with 1, 5 <λ, in particular 1, 8 <λ, results. The increase dp / dα is flatter with a larger λ and a lower maximum cylinder pressure p max is achieved. The ignition takes place in the present embodiment, a few degrees crank angle before reaching the top dead center (ZOT).
Figur 2 zeigt in einem Diagramm 200 Druckverläufe bei Einfacheinblasung 202 und Mehrfacheinblasung 204 bei einer wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung im Vergleich. Die Darstellung bezieht sich auf den Kurbelwellenwinkel α und umfasst eine Einblasung bei Einfacheinblasung 206 und bei Mehrfacheinblasung 208 sowie die Zündung bei Einfacheinblasung 210 und Mehrfacheinblasung 212; ZOT markiert den oberen Totpunkt, UT bezeichnet den unteren Totpunkt.FIG. 2 shows in a diagram 200 pressure curves for single injection 202 and multiple injection 204 for a hydrogen-operated internal combustion engine with direct injection in comparison. The illustration relates to the crankshaft angle α and includes a single-injection and multiple-injection 208 and single-injection 210 and multiple-injection 212; ZOT marks top dead center, UT indicates bottom dead center.
Betrachtet man die Einfacheinblasung 202, 206, 210 bei der die gesamte Wasserstoffmenge nach Einlassschluss, aber vor Zündung des Gemisches eingebracht wird, so fällt der deutlich höhere Druckanstieg sowie der höhere Maximaldruck auf. Durch die mehrfache Einblasung von Wasserstoff 208 nicht nur vor, sondern auch nach der Zündung 212 direkt in die Verbrennung wird ein moderaterer Druckverlauf 204 mit reduzierten Druckanstiegen und Zylinderspitzendruck erzielt. Bei Mehrfacheinblasung erfolgt die Zündung 212 gegenüber einer Einfacheinblasung früher, vorliegend deutlich vor Erreichen des oberen Totpunktes. Um eine Verbrennungssteuerung über
eine Einblasung von Wasserstoff direkt in die Flamme durchführen zu können, sind Wasserstoffversorgungsdrücke oberhalb des bei der Einblasung vorliegenden Brennraumdruckes erforderlich. Um eine überkritische Einblasung jederzeit zu gewährleisten, muss das Druckverhältnis aus Brennraumdruck und Wasserstoffversorgungsdruck unterhalb des kritischen Druckverhäitnisses von ca. 0,5 liegen, was einem Wasserstoffversorgungsdruck von ca. 200 bis 300 bar entspricht. Auf diese Weise kann eine vom Brennraumdruck unabhängige Kraftstoffdosierung realisiert werden. Nebenbei können sich die hohen Einblasedrücke nicht nur auf den Gemischbildung-/Homogenisierungsprozess der zweiten Einblasung, sondern auch auf den der ersten Einblasung positiv auswirken.Considering the single injection 202, 206, 210 in which the total amount of hydrogen is introduced after the inlet closing, but before ignition of the mixture, so the much higher pressure rise and the higher maximum pressure is noticeable. The multiple injection of hydrogen 208 not only before, but also after the ignition 212 directly into the combustion, a more moderate pressure curve 204 is achieved with reduced pressure increases and peak pressure cylinder. In the case of multiple injection, the ignition 212 takes place earlier than a single injection, in this case significantly before reaching the top dead center. To a combustion control over In order to be able to carry out an injection of hydrogen directly into the flame, hydrogen supply pressures above the combustion chamber pressure present during the injection are required. In order to ensure supercritical injection at any time, the pressure ratio of combustion chamber pressure and hydrogen supply pressure must be below the critical pressure ratio of about 0.5, which corresponds to a hydrogen supply pressure of about 200 to 300 bar. In this way, independent of the combustion chamber pressure fuel metering can be realized. Incidentally, the high injection pressures can have a positive effect not only on the mixture formation / homogenization process of the second injection, but also on the first injection.
Mit den Figuren 3a und 3b sind verschiedene Einblasestrategien 300 und 350 zur Realisierung einer Verbrennungsteuerung dargestellt, wobei jeweils die eingeblasene(n) Kraftstoffmenge(n) m in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel α gezeigt sind. Der obere Totpunkt im Ladungswechseltakt ist mit WOT, der obere Totpunkt im Arbeitstakt ist mit ZOT bezeichnet, UT markiert den unteren Totpunkt. Der Zylindereinlass öffnet bei EO und schließt bei ESFIGS. 3a and 3b show various injection strategies 300 and 350 for realizing a combustion control, with the injected fuel quantity (n) m in each case being shown as a function of the crankshaft angle α. The top dead center in the charge cycle cycle is WOT, the top dead center in the power stroke is designated ZOT, UT marks the bottom dead center. The cylinder inlet opens at EO and closes at ES
Gemeinsam haben beide Strategien 300, 350, dass nach der Zündung noch direkt in die Verbrennung eine Teilmenge Wasserstoff eingeblasen wird. Während allerdings in Figur 3a eine erste Wasserstoffmenge während Δ i über eine frühe innere Gemischbildung zugeführt wird und eine zweite Wasserstoffmenge während Δα2 nach Zündung und vorliegend auch nach ZOT eingeblasen wird, erfolgt gemäß Figur 3b die Einbringung der ersten und zweiten H2-Menge übergehend vor und nach Zündung über einen Einblasevorgang Δα-ι , so dass auch von einer einzigen Einblasung mit zwischenzeitlicher Zündung gesprochen werden kann. Sowohl bei der Strategie 300 als auch bei der Strategie 350 sind die Parameter α-i, Δα-ι, α2,
Δα2 je nach Drehzahl und Lasthebel frei wählbar, wobei i und α2 jeweils den Einblasbeginn markieren.
Both strategies 300, 350 have in common that after ignition, a subset of hydrogen is injected directly into the combustion. While, however, in FIG. 3 a, a first amount of hydrogen is supplied during Δi via an early internal mixture formation and a second amount of hydrogen is blown in during Δα 2 after ignition and in the present case also after ZOT, the introduction of the first and second quantities of H 2 occurs according to FIG before and after ignition via an injection process .DELTA.α-ι, so that even a single injection with intermittent ignition can be spoken. Both in the strategy 300 and in the strategy 350, the parameters α-i, Δα-ι, α 2 , Δα 2 freely selectable depending on the speed and load lever, where i and α 2 each mark the beginning of injection.