DE112023000566T5

DE112023000566T5 - Hubkolbenmotor für gasförmigen kraftstoff und betriebsverfahren zur reduzierung der wasserstoffflammengeschwindigkeit

Info

Publication number: DE112023000566T5
Application number: DE112023000566.4T
Authority: DE
Inventors: Eric L. Schroeder; Andrew J. Loetz; Jaswinder Singh; Yongxian Gu; Jonathan W. Anders; Naga K C Kavuri
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2024-10-24
Also published as: CN118786276A; US11959414B2; US20230304436A1; WO2023183662A1

Abstract

Der Betrieb eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motors (18) umfasst das Fremdzünden von gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft sowie das Ausbreiten der Verbrennungsgase des fremdgezündeten Gemischs von einer Funkenstrecke nach außen. Die sich ausbreitenden Verbrennungsgase treffen auf eine Konusfläche (68) eines Kolbens (24), um den Flammenbereich der sich ausbreitenden Verbrennungsgase zu begrenzen. Zusätzlicher gasförmiger Wasserstoffkraftstoff und Luft werden in dem Verbrennungszylinder (22) durch die sich ausbreitenden Verbrennungsgase entzündet, um einen Kolben (24) in Richtung einer unteren Totpunktposition zu drücken.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf den Betrieb eines mit gasförmigem Brennstoff betriebenen Motorsystem und insbesondere auf die Begrenzung der Geschwindigkeit der Verbrennung von gasförmigem Wasserstoffbrennstoff und Luft während des Betriebs.
Stand der Technik
Mit gasförmigem Kraftstoff betriebene Motoren werden seit vielen Jahren weltweit in Anwendungen eingesetzt, von dem Fahrzeugantrieb über die Erzeugung von elektrischer Leistung bis hin zum Antrieb von Geräten wie beispielsweise Pumpen und Verdichtern. Bei einer üblichen Anordnung wird eine Zufuhr eines gasförmigen Kraftstoffs wie beispielsweise Erdgas, Methan oder verschiedener Mischungen in Zylinder in dem Motor eingespeist und über eine Zündkerze gezündet. Herkömmliche gasförmige Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe können bestimmte unerwünschte Emissionen verursachen und sind anfällig für Unsicherheiten bei der Versorgung und den Kosten.
In jüngerer Zeit wurden vermehrt technische Ressourcen für die Nutzung alternativer Kraftstoffe, insbesondere gasförmigem Wasserstoffkraftstoff, aufgewendet. Gasförmige Wasserstoffkraftstoffe können gegenüber herkömmlichen Kohlenwasserstoffkraftstoffen verschiedene Vorteile bieten, einschließlich der Reduzierung oder Beseitigung bestimmter Emissionen. Es wurden jedoch eine Reihe neuer Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Hubkolbenmotoren, mit gasförmigem molekularem Wasserstoff und dessen Gemischen ermittelt. Wasserstoff neigt dazu, mit einer signifikant höheren Flammengeschwindigkeit zu brennen als herkömmliche gasförmige Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe. Unter anderem kann die höhere Flammengeschwindigkeit zu erhöhten Zylinderspitzendrücken und möglicherweise zu Verschleiß an verschiedenen Komponenten sowie zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Frühzündungen führen. Eine bekannte Strategie für den Betrieb eines Fremdzündungsmotors, der zumindest teilweise Wasserstoff verwendet, ist in WO2014053167A1 dargelegt.
Kurzdarstellung
In einem Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motors das Fremdzünden eines Gemischs, das gasförmigen Wasserstoffkraftstoff und Luft enthält, an einer Funkenstrecke in einem mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor und das Ausbreiten der Verbrennungsgase des fremdgezündeten Gemischs von der Funkenstrecke nach außen in einem Verbrennungszylinder in dem mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor. Das Verfahren umfasst ferner das Begrenzen eines Flammenbereichs von brennendem gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft in dem Verbrennungszylinder mittels einer konischen Fläche eines Kolbens und das Drücken des Kolbens in dem mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor in Richtung einer unteren Totpunktposition, basierend auf einem Druckanstieg in dem Verbrennungszylinder, der durch die Verbrennung des gasförmigen Wasserstoffkraftstoffs und der Luft verursacht wird.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Motorsystem ein Kraftstoffsystem mit einer Kraftstoffversorgung für gasförmigen Wasserstoffkraftstoff und ein Einlassventil für gasförmigen Wasserstoffkraftstoff. Das mit gasförmigem Kraftstoff betriebene Motorsystem beinhaltet ferner einen an das Kraftstoffsystem gekoppelten Motor, der ein Motorgehäuse mit einem darin gebildeten Verbrennungszylinder und einen Kolben aufweist, der innerhalb des Verbrennungszylinders zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition beweglich ist. Der Kolben beinhaltet eine Brennfläche mit einer sich in Umfangsrichtung um eine Brennraummulde erstreckenden Kolbenaußenrandfläche und einen Mittelkonus innerhalb der Brennraummulde mit einer Konusfläche, die sich zwischen einer auf einer Kolbenmittelachse zentrierten Konusspitze und einem Brennraummuldenboden erstreckt. Das mit gasförmigem Kraftstoff betriebene Motorsystem umfasst ferner einen Zünder, in dem eine Vorbrennkammer ausgebildet ist, und Auslässe, die die Vorbrennkammer mit dem Verbrennungszylinder fluidverbinden, und umfasst Zündelektroden, die eine Funkenstrecke innerhalb der Vorbrennkammer bilden. Die Auslässe sind in Umfangsrichtung um die Kolbenmittelachse herum verteilt und zum Leiten der Verbrennungsgase einer Zündladung von der Vorbrennkammer radial nach außen und axial nach unten von dem Zünder zu der Konusfläche ausgerichtet, wenn sich der Kolben in der oberen Totpunktposition befindet.
In noch einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennungsgeschwindigkeit in einem mit Wasserstoff betriebenen Hubkolbenmotor die Ausbreitung einer Verbrennungsflamme von gezündetem gasförmigem Wasserstoffkraftstoff nach außen in einem Verbrennungszylinder von einem Zünder und das Auftreffen der Verbrennungsflamme auf eine Konusfläche eines Kolbens in dem Verbrennungszylinder. Das Verfahren beinhaltet ferner das Begrenzen eines Flammenbereichs der Verbrennungsflamme, der zusätzlichem gasförmigem Wasserstoffkraftstoff in dem Verbrennungszylinder ausgesetzt ist, basierend auf dem Auftreffen der Verbrennungsflamme auf eine Konusfläche, und das Verlangsamen der Geschwindigkeit der Verbrennung von gasförmigem Wasserstoffkraftstoff in dem Verbrennungszylinder basierend auf dem Begrenzen eines Flammenbereichs der Verbrennungsflamme.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Seitenansicht, einschließlich einer ausführlichen Vergrößerung, eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motorsystems gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine geschnittene, schematische Seitenansicht eines Kolbens gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine schematische Schnittansicht, die eine bekannte Verbrennungsstrategie mit der vorliegenden Offenbarung in einer ersten Betriebsphase vergleicht;
4 ist eine schematische Schnittansicht, die eine bekannte Verbrennungsstrategie mit der vorliegenden Offenbarung in einer zweiten Betriebsphase vergleicht; und
5 ist eine grafische Darstellung der Wärmeabgabe, die eine bekannte Verbrennungsstrategie mit der vorliegenden Offenbarung vergleicht.

Ausführliche Beschreibung
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein mit gasförmigem Brennstoff betriebenes Motorsystem 10 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Das Motorsystem 10 umfasst ein Kraftstoffsystem 12 mit einer Kraftstoffversorgung für gasförmigen Wasserstoffkraftstoff 14 und ein Einlassventil für gasförmigen Wasserstoffkraftstoff 16. Die Kraftstoffversorgung 14 kann beispielsweise gasförmigen molekularen Wasserstoff in einem komprimierten gasförmigen Zustand speichern oder eine Zufuhr von gasförmigem molekularem Wasserstoff von einem Reformer oder einer anderen Quelle für gasförmigen Wasserstoff erhalten. Die Kraftstoffversorgung 14 könnte auch verschiedene gasförmige Kraftstoffgemische speichern oder produzieren, wie z. B. ein Gemisch aus gasförmigem molekularem Wasserstoff und einem gasförmigen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff wie Erdgas, Methan, Ethan, Deponiegas, Biogas oder einem anderen. In einer praktischen Umsetzung ist das Motorsystem 10 aufgebaut, um zumindest zeitweise mit einem gasförmigen Wasserstoffkraftstoff zu arbeiten, der im Wesentlichen aus gasförmigem molekularem Wasserstoff besteht.
Das Motorsystem 10 beinhaltet ferner einen mit dem Kraftstoffsystem 12 gekoppelten Motor 18. Motor 18 beinhaltet einen Hubkolbenmotor und kann als ein Wasserstoff-Hubkolbenmotor verstanden werden, der ein Motorgehäuse 20 oder einen Zylinderblock mit einem darin ausgebildeten Verbrennungszylinder 22 umfasst. Ein Kolben 24 ist innerhalb des Verbrennungszylinders 22 zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition beweglich, um eine Kurbelwelle 26 zu drehen, üblicherweise in einem herkömmlichen Viertakt-Motorzyklus. Der Kolben 24 kann einer von mehreren Kolben sein, die jeweils in einem von mehreren Verbrennungszylindern in einem Motorgehäuse 20 beweglich sind, wobei die Verbrennungszylinder eine beliebige Anzahl und in jeder geeigneten Anordnung, wie z. B. in V-Form, in Reihenform oder in einer anderen Form, vorliegen können.
Das Motorsystem 10 umfasst ferner ein Ansaugsystem 30 mit einem Frischlufteinlass 32 und einer Ansaugleitung 34, die sich von dem Frischlufteinlass 32 zu einem an dem Motorgehäuse 20 befestigten Motorkopf 38 erstreckt. Ein Verdichter 36 eines Turboladers 42 ist innerhalb der Ansaugleitung 34 angeordnet und betreibbar, um eine Zufuhr von Luft und eingelassenem gasförmigem Wasserstoffkraftstoff über das Einlassventil 16 zu druckbeaufschlagen, um diese dem Verbrennungszylinder 22 zuzuführen. In anderen Ausführungsformen könnte der Motor 18 mit indirekter Einspritzung, -Verteiler-Einspritzung oder möglicherweise sogar mit Direkteinspritzung mit gasförmigem Wasserstoffkraftstoff betrieben werden. Das Ansaugsystem 30 kann auch einen Ansaugkrümmer (nicht dargestellt) umfassen, der aufgebaut ist, um die Zuführung von komprimierter Ansaugluft und gasförmigem Wasserstoffkraftstoff auf eine Vielzahl von Verbrennungszylindern in dem Motor 18 zu verteilen. Eine Abgasleitung 46 erstreckt sich von dem Motorkopf 38 zu einer Turbine 44 eines Turboladers 42 und von dort zu einem Abgasauslass 48, wie beispielsweise einem Abgasrohr oder einem Endrohr. Ein Abgaskrümmer (nicht dargestellt) ist in der Regel ebenfalls vorgesehen, um die Zuführungen von Abgasen aus einer Vielzahl von Verbrennungszylindern zu sammeln. Die Motorventile 40 sind in dem Motorkopf 38 gelagert und beweglich, um die Fluidverbindungen zwischen dem Verbrennungszylinder 22 und der Ansaugleitung 34 und der Abgasleitung 46 gemäß herkömmlichen Verfahren zu steuern.
Mit nun ebenfalls erfolgender Bezugnahme auf 2 beinhaltet das Motorsystem 10 auch einen Zünder 50. Der Zünder 50 beinhaltet eine Zünderspitze 51, die sich in den Verbrennungszylinder 22 erstreckt und in der eine Vorbrennkammer 52 und eine Vielzahl von Auslässen 54 ausgebildet sind, die in Fluidverbindung mit der Vorbrennkammer 52 und dem Verbrennungszylinder 22 stehen. Der Begriff „Auslässe“ wird hierin aus Gründen der Zweckmäßigkeit verwendet, da Auslässe 54 sowohl dazu dienen können, ein Gemisch, das gasförmigen Wasserstoffkraftstoff und Luft enthält, in die Vorbrennkammer 52 einzulassen, als auch dazu, Verbrennungsgase einer Zündladung aus der Vorkammer 52 in den Verbrennungszylinder 22 auszutreiben, wie hierin weiter erläutert wird. In alternativen Ausführungsformen könnte der Zünder 50 nicht direkt in dem Verbrennungszylinder 22 positioniert sein, sondern stattdessen beispielsweise in den Motorkopf 38 eingelassen sein. Der Zünder 50 könnte auch versetzt statt zentral angeordnet sein, in einem Winkel ausgerichtet sein oder andere Variationen von der veranschaulichten Ausführungsform aufweisen. Der Zünder 50 beinhaltet ferner die Funkenelektroden 56 und 58, die eine Funkenstrecke 92 in der Vorbrennkammer 52 bilden. Die Funkenelektrode 56 kann einen Elektrodenstift beinhalten und die Funkenelektrode 58 kann die Spitze 51 des Zünders 50 beinhalten. Die vorliegende Offenbarung könnte andere Fremdzündungsstrategien und Zündkerzenkonfigurationen implementieren, beispielsweise eine Zündkerze mit J-Spalt, eine beliebige Zündkerze mit einer Vielzahl von Flächen- oder Radialspalten oder eine andere Zündkerzenvorrichtung. Die vorliegende Offenbarung ist im Hinblick auf die Konfiguration der Funkenelektroden, Materialien, Anzahl der Funkenstrecken, Polarität der Elektroden usw. nicht beschränkt.
Der Zünder 50 und Vorbrennkammer 52 können nicht angereichert sein, was bedeutet, dass der gesamte in dem Zünder 50 in einer Zündladung entzündete Kraftstoff der Vorbrennkammer 52 zugeführt wird, indem ein Gemisch, das gasförmigen Kraftstoff und Luft enthält, von dem Verbrennungszylinder 22 in die Vorbrennkammer 52 gedrückt wird, indem der bewegliche Kolben 24 in Richtung einer oberen Totpunktposition in dem Verbrennungszylinder 22 bewegt wird. In anderen Fällen könnte die Vorbrennkammer 52 angereichert werden, indem eine direkte Zuführung mit einem Pilotkraftstoff oder Zündkraftstoff, möglicherweise einem gasförmigen Wasserstoffkraftstoff, erfolgt, der unabhängig vom Betrieb des Kolbens 24 ist. Die Auslässe 54 können eine beliebige Anzahl beinhalten, beispielsweise eine Anzahl von drei bis acht. Die Auslässe 54 können in Umfangsrichtung um eine Kolbenmittelachse 72 herum verteilt und so ausgerichtet sein, dass sie Verbrennungsgase von dem Zünder 50 radial nach außen und axial nach unten leiten, um in Zusammenarbeit mit dem Kolben 24 dazu beizutragen, einen Flammenbereich von sich ausbreitenden Verbrennungsgasen zu begrenzen, wodurch die Geschwindigkeit der Verbrennung einer Hauptladung von gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft in dem Verbrennungszylinder 22 verlangsamt wird, wie hierin weiter erläutert.
Weiterhin Bezugnehmend auf 2 beinhaltet der Kolben 24 eine Brennfläche 60 mit einer Kolbenaußenrandfläche 62, die sich in Umfangsrichtung um eine Brennraummulde 64 erstreckt, und einen Mittelkonus 66 innerhalb der Brennraummulde 64 mit einer Konusfläche 68, die sich zwischen einer Konusspitze 70, die auf der Kolbenmittelachse 72 zentriert ist, und einem Brennraummuldenboden 74 erstreckt. Eine „Konusfläche“ bedeutet hierin eine Fläche, die eine abgeschlossene konische Form definiert, oder eine teilweise konische Form wie beispielsweise eine kegelstumpfförmige Form. Eine allgemein konische Fläche kann innerhalb des vorliegenden Zusammenhangs als Konusfläche betrachtet werden, obwohl dies bei kugelförmigen, halbkugelförmigen und ebenen Flächen nicht der Fall ist. Die Brennfläche 60 kann ferner eine Brennraummulden-Außenwand 75 beinhalten, die sich von dem Brennraummuldenboden 74 bis zu einem Brennraummuldenrand 76 erstreckt, der in die Kolbenaußenrandfläche 62 übergeht. Die Brennraummulden-Außenwand 75 kann im Profil einen oder zwei Radien 78 der Krümmung zwischen dem Brennraummuldenboden 74 und dem Brennraummuldenrand 76 definieren. Die Anzahl und Größe der einen oder mehreren Radien 78 der Krümmung und die Gesamtform der Mulde können dabei helfen, ein gewünschtes Kolbenverdichtungsverhältnis bei dem Betrieb in Motor 18 bereitzustellen. In einigen Fällen können mehr als zwei Krümmungsradien oder andere Änderungen an der Geometrie der Brennraummulde das Verdichtungsverhältnis unerwünscht beeinflussen oder die Herstellung erschweren. Die Brennraummulde 64 kann ein gleichförmiges Drehprofil in Umfangsrichtung um die Kolbenmittelachse 72 aufweisen, obwohl die vorliegende Offenbarung als solche nicht streng darauf beschränkt ist.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist ein Abstand 80 zwischen Zünder 50 und Konusspitze 70 definiert. Der Abstand 80 kann 5 Millimeter oder weniger betragen, wenn sich der Kolben 24 in der oberen Totpunktposition befindet, und möglicherweise 4 Millimeter oder weniger, etwa wie in 2 dargestellt. Der relativ geringe Abstand kann bei der Positionierung von Kolbenmerkmalen in ausreichender Nähe zu dem Zünder 50 helfen, um eine Wechselwirkung mit sich ausbreitenden Verbrennungsgasen und einer Verbrennungsflamme zu ermöglichen, wie hierin weiter erläutert wird. Es versteht sich, dass die Brennraummulde 64 als nicht einspringend verstanden werden kann. Kolben 24 kann auch Ringnuten 82 beinhalten, die sich in Umfangsrichtung um ein Kronenstück 84 erstrecken, das beispielsweise durch Reibschweißen an einem Schürzenstück 86 befestigt ist, das eine darin gebildete Gelenkbolzenbohrung 88 aufweist. Die Konusfläche 68 kann einen Konuswinkel 90 definieren, der zwischen 100° und 150° liegt.
Wie vorstehend erläutert, weist gasförmiger Wasserstoffkraftstoff im Vergleich zu bestimmten anderen Kraftstoffen, wie beispielsweise Erdgas, bei ähnlichen Verhältnissen von Luft und Kraftstoff eine extrem hohe laminare Flammengeschwindigkeit auf. Bei einem Fremdzündungsmotor kann eine hohe laminare Flammengeschwindigkeit zu unverhältnismäßig hohen Zylinderspitzendrücken, zu unverhältnismäßigem Verschleiß der Zündkerzen durch verzögerte Zündungssteuerzeiten, die zur Minderung hoher Zylinderspitzendrücke vorgesehen sind, und möglicherweise zu einem erhöhten Risiko einer Frühzündung durch die verzögerten Zündungssteuerzeiten führen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff können aufgrund des hohen Zylinderdruckanstiegs auch Motorschäden beobachtet werden. Infolgedessen wurde beobachtet, dass die Bemühungen, Wasserstoff in herkömmlichen, mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motoren zu verbrennen, den Betrieb des Motors in einem magereren Verhältnis von Luft zu Kraftstoff als optimal erforderlich erfordern, um die Wärmefreisetzung zu verlangsamen. Der Betrieb mit einem magereren Verhältnis von Luft zu Kraftstoff kann jedoch einen höheren Ladedruck erfordern. Aufgrund der begrenzten Kapazität eines Turboladers zum Bereitstellen von Ladedruck muss die Wasserstoffkraftstoff-Betankungsrate jedoch gegenüber dem Soll-Wert verringert werden. Der Betrieb eines Wasserstoff-Hubkolbenmotors kann daher eine Leistungsabgabe erfordern, die im Vergleich zu einem Erdgas-Ausgangsniveau relativ geringer ist. Diese sogenannte Drosselung des Motors ist aus verschiedenen Gründen unerwünscht. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Verwendung von Kolben, die bestimmte Kolbengeometrien aufweisen, die Verbrennungsgeschwindigkeit von Wasserstoff verlangsamen und die Notwendigkeit einer Drosselung des Motors verringern oder beseitigen.
Mit nun erfolgender Bezugnahme auf 3 ist auf der linken Seite der Zeichnung der Kolben 24 gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt, im Vergleich zu einem bekannten Kolben 124 für einen mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor auf der rechten Seite der Zeichnungen. Der Zünder 60 ist in der Zeichnung auf der linken Seite dargestellt, wie er aussehen könnte, wenn er eine Fremdzündung eines Gemischs aus gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft an der Funkenstrecke 92 aufweist und die Verbrennungsgase des fremdgezündeten Gemischs beginnen, sich von der Funkenstrecke 92 und dem Zünder 50 nach außen auszubreiten. Das fremdgezündete Gemisch kann im Wesentlichen aus gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft bestehen, obwohl Gemische, wie sie hierin besprochen werden, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen. Auf der rechten Seite von 3 sind Verbrennungsgase 200 dargestellt, die fremdgezündet wurden und sich von einem Zünder 160 nach außen ausbreiten. Die Differenz in der Form der Brennraummulden bei Kolben 24 im Vergleich zu Kolben 124 ist deutlich erkennbar. Der Kolben 24 beinhaltet innerhalb der Brennraummulde 64 die Konusfläche 68. Der Kolben 124 beinhaltet keinen Mittelkonus oder keine Konusfläche, sondern stattdessen eine im Allgemeinen halbkugelförmige oder gewölbte Fläche 168, die relativ weiter von dem Zünder 160 entfernt positioniert ist und weniger fähig oder unfähig ist, mit sich ausbreitenden Verbrennungsgasen 200 und einer dadurch erzeugten Verbrennungsflamme früh in einem Verbrennungszyklus zu interagieren. Zumindest anfangs weisen die sich ausbreitenden Verbrennungsgase 100 und 200 die Form von Strahlen auf, die sich auf die jeweiligen Brennraummulden 64 und 164 zubewegen und in diese eintreten. Die Verbrennungsgase der Zündladungen bilden schnell eine Verbrennungsflamme oder Flammenfront in den jeweiligen Zylindern und entzünden zusätzlichen gasförmigen Wasserstoffkraftstoff und Luft einer Hauptladung. Die Hauptladung kann im Wesentlichen aus gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft bestehen, obwohl, wie hierin erläutert, verschiedene Gemische innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.
Mit Bezug auf 3 ist der Kolben 24 im Vergleich zu Kolben 124 dargestellt, nachdem sich die Verbrennungsflammen weiter ausgebreitet haben, um weiter in die jeweiligen Brennraummulden 64 und 164 vorzudringen. Es ist zu erkennen, dass die Verbrennungsflamme 100 in Kolben 24 auf die Konusfläche 68 auftrifft. Es ist ersichtlich, dass durch den geeigneten Aufbau des Kolbens 124 ein Flammenbereich der Verbrennungsflamme begrenzt wird, indem sie durch Kontakt mit der Konusfläche 68 des Mittelkonus 66 von zusätzlichem gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft einer Hauptladung in dem Verbrennungszylinder 22 abgeschirmt wird. Im Fall des Kolbens 124 ist keine solche Abschirmung und Begrenzung des Flammenbereichs aufgetreten, und zusätzlicher gasförmiger Wasserstoffkraftstoff einer Hauptladung hat sich fast vollständig entzündet. Während also in beiden Fällen zusätzlicher gasförmiger Wasserstoffkraftstoff und Luft in dem Verbrennungszylinder durch eine sich ausbreitende Verbrennungsflamme entzündet werden, wird der Fortschritt der Verbrennung der Hauptladung in Kolben 24 im Vergleich zu Kolben 124 verlangsamt. Dieses Phänomen führt zu einer Verlangsamung der Geschwindigkeit der Verbrennung in dem Motor 18, der den Kolben 24 verwendet, im Vergleich zu einem Motor, der den Kolben 124 verwendet.
Mit nun erfolgender Bezugnahme auf 5 ist dort eine grafische Darstellung 300 von Kurbelwinkelgraden auf der X-Achse im Vergleich zu der erwarteten Wärmefreisetzung auf der Y-Achse für einen Wasserstoff-Hubkolbenmotor unter Verwendung eines Kolbens gemäß der vorliegenden Offenbarung in einer Kurve 224 im Vergleich zu einem Wasserstoff-Hubkolbenmotor unter Verwendung eines Kolbens, der dem Kolben 124 in einer Kurve 324 gleicht oder ähnelt, dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Wärmefreisetzung gemäß Kurve 224 langsamer ist als die Wärmefreisetzung gemäß Kurve 324 und dass die Spitzenwärmefreisetzung in Kurve 224 geringer ist als die Spitzenwärmefreisetzung in Kurve 324.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Fachleute werden zu schätzen wissen, dass herkömmliche mit Erdgas oder anderen gasförmigen Kohlenwasserstoffen betriebene Motoren in der Regel Kolben beinhalten, die für schnelle Flammengeschwindigkeiten optimiert sind. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können Kolben optimiert werden, um die Wärmefreisetzungsrate für eine geringere Flammengeschwindigkeit zu reduzieren und eine relativ höhere Leistung innerhalb der Beschränkungen des Ansaugsystems zu ermöglichen, einschließlich der Beschränkungen eines Turbolader-Verdichters, um einen Ladedruck bereitzustellen. Wie vorstehend erläutert, kann die Ausbreitung einer Verbrennungsflamme beinhalten, dass die Verbrennungsflamme auf eine Konusfläche eines Mittelkonus eines Kolbens auftrifft. Die Verbrennungsflamme kann einen Flammenbereich beinhalten, der an einigen Stellen gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft ausgesetzt ist, jedoch in dem Flammenbereich begrenzt ist, indem er an anderen Stellen in Kontakt mit der Konusfläche abgeschirmt wird.
Die vorliegende Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und sollte nicht derart ausgelegt werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Fachleute auf dem Gebiet werden es daher begrüßen, dass verschiedene Modifikationen an den hierin offenbarten Ausführungsformen erfolgen könnten, ohne von dem beabsichtigten und angemessenen Sinn und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Prüfung der beigefügten Zeichnungen und angefügten Ansprüche deutlich werden. In der hierin verwendeten Form sollen die Artikel „ein/eine/einer/eines“ ein oder mehrere Elemente beinhalten und können mit „ein oder mehr“ austauschbar verwendet werden. Wenn nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein“ oder eine ähnliche Sprache verwendet. Auch die Begriffe „aufweist“, „aufweisen“, „umfassend“ oder dergleichen sind als offene Begriffe gedacht. Des Weiteren soll der Ausdruck „basierend auf“ „mindestens teilweise basierend auf“ bedeuten, es sei denn, es ist ausdrücklich etwas anderes angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014053167 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motors (18), umfassend: Fremdzünden eines Gemischs aus gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft an einer Funkenstrecke in einem mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor (18); Ausbreiten von Verbrennungsgasen des fremdgezündeten Gemischs von der Funkenstrecke nach außen in einem Verbrennungszylinder (22) in dem mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor; Begrenzen eines Flammenbereichs von brennendem gasförmigem Wasserstoffkraftstoff und Luft in dem Verbrennungszylinder mittels einer Konusfläche (68) eines Kolbens (24); und Drücken des Kolbens in dem mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motor in Richtung einer unteren Totpunktposition, basierend auf einem Druckanstieg in dem Verbrennungszylinder, der durch die Verbrennung des gasförmigen Wasserstoffkraftstoffs und der Luft verursacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fremdzünden eines Gemischs, das gasförmigen Wasserstoffkraftstoff und Luft enthält, das Fremdzünden einer Zündladung in einer Vorbrennkammer (52) eines Zünders (50) beinhaltet; wobei das Ausbreiten der Verbrennungsgase das Ausbreiten der Verbrennungsgase radial nach außen und axial nach unten von Auslässen (54) in dem Zünder beinhaltet, und wobei sich die Konusfläche auf einem Mittelkonus (66) des Kolbens befindet, der auf einer Kolbenmittelachse zentriert ist; und wobei das Begrenzen eines Flammenbereichs das Auftreffen der Verbrennungsgase auf die Konusfläche innerhalb einer in dem Kolben gebildeten Brennraummulde (64) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Konusfläche einen eingeschlossenen Winkel von 100° bis 150° definiert; wobei sich die Konusfläche radial nach außen und axial nach unten zu einem Brennraummuldenboden (74) erstreckt, der in eine Brennraummulden-Außenwand (75) übergeht, die sich radial nach außen und axial nach oben zu einer Kolbenaußenrandfläche (62) erstreckt; und wobei die Brennraummulde nicht einspringend ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend das Drücken des Gemisches, das gasförmigen Wasserstoffkraftstoff und Luft enthält, von dem Verbrennungszylinder in die Vorbrennkammer zum Bilden der Zündladung durch Bewegen des Kolbens in Richtung einer oberen Totpunktposition in dem Verbrennungszylinder; und wobei die Vorbrennkammer nicht angereichert ist und in einer Spitze (51) des Zünders gebildet ist, die sich in den Verbrennungszylinder erstreckt.
Mit gasförmigem Brennstoff betriebenes Motorsystem (10), umfassend: ein Kraftstoffsystem (12), das eine Kraftstoffversorgung für gasförmigen Wasserstoff (14) und ein Einlassventil (16) für gasförmigen Wasserstoffkraftstoff beinhaltet; einen Motor (18), der mit dem Kraftstoffsystem gekoppelt ist und ein Motorgehäuse (20) mit einem darin gebildeten Verbrennungszylinder (22) und einen Kolben (24) beinhaltet, der innerhalb des Verbrennungszylinders zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition beweglich ist, und wobei der Kolben eine Brennfläche (60) mit einer sich in Umfangsrichtung um eine Brennraummulde (64) erstreckenden Kolbenaußenrandfläche (62) und einem Mittelkonus (66) in der Brennraummulde mit einer Konusfläche (68), die sich zwischen einer auf einer Kolbenmittelachse zentrierten Konusspitze (70) und einem Brennraummuldenboden (74) erstreckt, umfasst; ein Zünder (50), in dem eine Vorbrennkammer (52) gebildet ist und Auslässe (54) in Fluidverbindung mit der Vorbrennkammer und dem Verbrennungszylinder stehen, und der Funkenelektroden (56, 58) umfasst, die eine Funkenstrecke in der Vorbrennkammer bilden; und die Auslässe in Umfangsrichtung um die Kolbenmittelachse herum angeordnet und ausgerichtet sind, Verbrennungsgase einer Zündladung von der Vorbrennkammer radial nach außen und axial nach unten von dem Zünder in Richtung der Konusfläche zu leiten, wenn sich der Kolben in der oberen Totpunktposition befindet.
Mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Motorsystem nach Anspruch 5, wobei die Konusfläche einen eingeschlossenen Winkel von 100° bis 150° definiert; wobei die Brennfläche eine Brennraummulden-Außenwand (75) beinhaltet, die sich von dem Brennraummuldenboden zu einem Brennraummuldenrand (76) erstreckt, der in die Kolbenaußenrandfläche übergeht, und einen Krümmungsradius oder zwei Krümmungsradien (78) im Profil zwischen dem Brennraummuldenboden und dem Brennraummuldenrand definiert; und wobei die Brennraummulde nicht einspringend ist.
Mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Motorsystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Abstand von 5 Millimeter oder weniger zwischen der Konusspitze und dem Zünder definiert ist, wenn sich der Kolben in der oberen Totpunktposition befindet.
Mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Motorsystem nach einem der Ansprüche 5-7, wobei die Vorbrennkammer in dem Zünder nicht angereichert ist.
Verfahren zum Steuern der Verbrennungsgeschwindigkeit in einem Wasserstoff-Hubkolbenmotor (18), umfassend: Ausbreiten einer Verbrennungsflamme von entzündetem gasförmigem Wasserstoffkraftstoff nach außen in einem Verbrennungszylinder (22) von einem Zünder (50); Auftreffen der Verbrennungsflamme auf eine Konusfläche (68) eines Kolbens (24) in dem Verbrennungszylinder; Begrenzen eines Flammenbereichs der Verbrennungsflamme, die zusätzlichem gasförmigen Wasserstoffkraftstoff in dem Verbrennungszylinder ausgesetzt ist, basierend auf dem Auftreffen der Verbrennungsflamme auf einer Konusfläche; und Verlangsamen der Verbrennungsgeschwindigkeit von gasförmigem Wasserstoffkraftstoff in dem Verbrennungszylinder, basierend auf dem Begrenzen eines Flammenbereichs der Verbrennungsflamme.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Auftreffen der Verbrennungsflamme das Auftreffen der Verbrennungsflamme auf eine Konusfläche eines Mittelkonus (66) beinhaltet, der einen eingeschlossenen Winkel von 100° bis 150° definiert; wobei das Ausbreiten einer Verbrennungsflamme das Ausbreiten von Verbrennungsgasstrahlen einer Zündladung nach außen von Öffnungen (54) in dem Zünder beinhaltet, der in Fluidverbindung mit einer Vorbrennkammer (52) und dem Verbrennungszylinder steht; wobei das Verlangsamen der Verbrennungsgeschwindigkeit das Verlangsamen der Verbrennungsgeschwindigkeit einer Hauptladung beinhaltet, die im Wesentlichen aus gasförmigem Wasserstoff und Luft besteht; und wobei das Verfahren ferner das Fremdzünden der Zündladung umfasst und die Zündladung im Wesentlichen aus gasförmigem Wasserstoff und Luft besteht.