DE4038463A1 - Verfahren und zylinderkopf eines kolbenmotors zum zufuehren von kraftstoff und ueberhitztem waserdampf in im zylinderraum vorkomprimierte verbrennungsluft - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff und überhitztem Wasserdampf in einen vorkomprimierte Verbrennungsluft enthalten­ den Zylinderraum eines Kolbenmotors. Gegenstand der Erfindung ist ein auch Zylinderkopf zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Kraftstoffgemisch, das Kraftstoff und Wasserdampf enthält, im Zylinderraum eines Kolbenmotors zu zün­ den, ist bekannt. In DE-OS 26 04 050 werden zum Zwecke genauer Dosierung des Wasserdampfes in einer das Wasser zum Verdampfer führenden Wasserleitung Ventile eingesetzt, die durch den Ansaugdruck im Zylinderraum betätigt werden, so daß der Wasserdampf während des Saughubs in den Zylinderraum einströmen kann. Während des Kompressionshubes ein Brennstoff­ dampf/Wasserdampf-Gemisch in den Zylinderraum zu injizieren, wird in DE-OS 37 34 346 (PT 1870) be­ schrieben. Beim vorgenannten Verfahren wird das Brenn­ stoffdampf/Wasserdampf-Gemisch außerhalb des Zylin­ derraums in einem Verdampfer erzeugt, der im Abgas­ kanal des Kolbenmotors angeordnet ist und die Abgas­ wärme zur Verdampfung von Wasser und flüssigem Brenn­ stoff ausnutzt. Die Dosierung von Wasser und Brenn­ stoff erfolgt jeweils mittels Wasser- bzw. Brenn­ stoffdosiereinrichtungen, die in den das Wasser und den flüssigen Brennstoff zum Verdampfer führenden Zuleitungen eingesetzt sind.

Wasserdampf wird dem Verbrennungsprozeß vorrangig zugegeben, um Schadgasanteile, insbesondere NO_x oder Rußanteile im entstehenden Verbrennungsgas zu verrin­ gern. Bei dem in DE-OS 37 34 346 angegebenen Verfah­ ren wird zugleich der spezifische Brennstoffverbrauch gesenkt und die Literleistung des Kolbenmotors erhöht. Nachteilig ist eine spontane Selbstzündung des auf­ bereiteten Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches. Der Kolbenmotor neigt nach Injektion des Brennstoff­ dampf/Wasserdampf-Gemisches zum Klopfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kraftstoff und über­ hitzten Wasserdampf in vorkomprimierte Verbrennungs­ luft in den Zylinderraum derart einzuführen, daß das sich ausbildende Kraftstoff-Wasserdampf-Gemisch klopffrei zündbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die in Pa­ tentanspruch 1 angegebenenen Maßnahmen gelöst. Der überhitzte Wasserdampf wird kurz vor Verbrennungs­ beginn entsprechend der Motordrehzahl getaktet in die im Zylinderraum vorkomprimierte Gasfüllung in­ jiziert. Der Wasserdampf kann dabei vor oder nach Beginn der Zugabe des Kraftstoffs in den Zylinder­ raum eingeführt werden. Die Zündung des Kraftstoff­ gemisches erfolgt jedoch in jedem Falle erst nach der Wasserdampfinjektion.

Die Literleistung des Kolbenmotors wird durch Zugabe des überhitzten Wasserdampfes optimal erhöht, wenn die Wasserdampfzugabe kurz vor Erreichen des oberen Kolbentotpunktes beginnt und bei Erreichen des obe­ ren Kolbentotpunktes abgeschlossen ist, Patentan­ spruch 2. Zur Injektion innerhalb eines möglichst geringen Zeitraums ist es nach Patentanspruch 3 zweck­ mäßig, den Wasserdampf auf einen Dampfdruck einzu­ stellen, der oberhalb des bei der Verdichtung oder Verbrennung der Gasfüllung im Zylinderraum auftre­ tende Höchstdrucks liegt. Die zu injizierende Dampf­ masse beträgt ein Vielfaches der in den Zylinderraum einzuführendan Brennstoffmasse, Patentanspruch 4.

Das erfindungsgemäße Verfahren und weitere Erfin­ dungsmerkmale, insbesondere zur Ausbildung eines Zylinderkopfes, der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, werden anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert.

Die Zeichnung zeigt einen Zylinderkopf 1 mit einem an einem Zylindergehäuse 2 angeflanschten Zylinder­ deckel 3, die beide einen Zylinderraum 4 umschließen, der im Zylinderkopf 1 als Kompressions- und Verbren­ nungsraum dient und hierzu von einem im Zylinderge­ häuse 2 von einer Kurbelwelle 5 axial bewegten Zy­ linderkolben 6 begrenzt wird. Im Zylinderdeckel 3 sind ein Verbrennungslufteinlaßventil 7, eine Zünd­ kerze 8, ein Injektionsventil 9 für überhitzten Was­ serdampf, ein Kraftstoff-Einlaßventi1 10 sowie ein Auslaßventil 11 für das bei der Verbrennung im Zy­ linderraum 4 entstehende Abgas eingesetzt. Das Ver­ brennungsluft-Einlaßventil 7 ist während des Saug­ hubes des Zylinderko1bens 6, das Auslaßventil 11 beim Ausstoßen des Abgases aus dem Zylinderraum ge­ öffnet.

Zur Zufuhr des Wasserdampfes zum Injektionsventil 9 ist am Injektionsventil eine Wasserdampfleitung 12 angeschlossen, die überhitzten Wasserdampf führt, der in einem Verdampfer 13 erzeugt worden ist.

Der Verdampfer 13 ist innerhalb eines Abgaskanals 14 angeordnet, in den vom Auslaßventil 11 aus dem Zylinderraum 4 ausströmendes heißes Abgas eingelei­ tet wird. Die Abgaswärme wird zur Erzeugung über­ hitzten Wasserdampfes aus Wasser genutzt, das dem Verdampfer 13 von einer Wasserpumpe 15 in entspre­ chend dosierter Menge zugeführt wird, die vom ge­ wünschten Betriebszustand des Kolbenmotors abhängig ist. Der Druck im Verdampfer 13 wird so eingestellt, daß der im Verdampfer gebildete überhitzte Wasser­ dampf einen Druck aufweist, der oberhalb des sich bei der Verdichtung oder Verbrennung im Zylinder­ raum einstellende maximalen Kompressionsdruck liegt. Im Ausführungsbeispiel weist der Wasserdampf einen Druck von 60 bar und eine Temperatur von etwa 275°C auf.

Das Injektionsventil 9 öffnet kurz bevor der Zylin­ derkolben 6 seinen oberen Kolbentotpunkt erreicht und ist bei Erreichen des oberen Kolbentotpunktes wieder geschlossen. Innerhalb dieser Öffnungszeit des Injektionsventils 9 kann eine Dampfmasse in den Zylinderraum 4 eingeführt werden, die bis zu einem Vielfachen der Kraftstoffmasse beträgt. Im Ausfüh­ rungsbeispiel wird bei Normalbetrieb gegenüber der Kraftstoffmasse die 3 bis 4fache Wasserdampfmasse injiziert.

Für das Injektionsventil 9 wird im Ausführungsbei­ spiel ein Schirm-Ventil eingesetzt, das sich bei einer Bewegung seines Ventilkegels 16 in den Zylinderraum 4 hinein öffnet. Das Injektionsventil 9 weist eine pa­ rallel zur Zylinderachse 17 verlaufende Ventilachse 18 auf. Die Ventilachse 18 kann auch in einem klei­ nen Winkel zur Zylinderachse 17 verlaufen. Das Injek­ tionsventil 9 ist im Ausführungsbeispiel zentral im Zylinderdeckel 3 angeordnet, Zylinderachse 17 und Ventilachse 18 fallen daher beim dargestellten Zylinderkopf 1 aufeinander.

Das Injektionsventil 9 wird elektromagnetisch ange­ steuert, eine entsprechende Ansteuereinheit 19 ist in der Zeichnung schematisch wiedergegeben. Die An­ steuereinheit 19 öffnet das Injektionsventil der Mo­ tordrehzahl und der Arbeitstaktzahl entsprechend.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem bei mit Gas als Kraftstoff betriebenem Kolbenmotor be­ vorzugt anwendbar. Zur Rückgewinnung des injizier­ ten Wasserdampfes durch Rückkühlung des Abgases in einem im Abgaskanal zusätzlich eingesetzen Wärme­ tauscher, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, genügt nämlich in diesem Falle bereits eine Abkühlung des Abgases auf eine Temperatur von etwa 58°C, während bei Verwendung von Diesel- oder Otto- Kraftstoff eine Abkühlung des Abgases auf mindestens 50°C erforderlich ist. Der Aufwand zur Abgasabküh­ lung im Wärmetauscher ist somit bei gasbetriebenen Kolbenmotoren geringer als bei Verwendung von Flüs­ sigkraftstoffen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Zuführung von Kraftstoff und überhitz­ tem Wasserdampf in einen vorkomprimierte Verbren­ nungsluft enthaltenden Zylinderraum eines Kolbenmo­ tors, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf unabhängig vom Kraftstoff kurz vor Verbrennungsbeginn in den Zylinderraum injiziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdampfinjektion kurz vor Erreichen des oberen Kolbentotpunkts beginnt und bei Erreichen des oberen Kolbentotpunkts abgeschlossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu injizierende Wasserdampf einen Dampfdruck aufweist, der oberhalb des bei der Verdichtung oder Verbrennung im Zylinderraum auftretenden Höchstdrucks liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die injizierte Dampfmasse ein Vielfaches der in den Zylinderraum einzuführenden Kraftstoffmasse beträgt.

5. Zylinderkopf für einen Kolbenmotor mit zum Zylinder­ raum führenden Verbrennungsluft- und Kraftstoff-Ein­ laßventil sowie einem Abgasauslaßventil, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Injektionsventil (9) zum Zuführen von überhitztem Wasserdampf in den Zylinderraum (4) vorgesehen ist, daß zum Einlaß einer vorgegebenen Dampfmasse kurzzeitig vor Verbrennungsbeginn im Zy1inderraum (4) zu öffnen ist.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Injektionsventil (9) eine Wasserdampfleitung (12) für überhitzten Wasserdampf mit einem Dampf­ druck mündet, der das Doppelte des bei der Verdich­ tung im Zylinderraum (4) auftretenden Höchstdruckes beträgt.

7. Zylinderkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Injektionsventil (9) ein zum Zylinderraum (4) hin öffnendes Schirmventil verwendet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilachse (18) des Injektionsventils (9) und Zylinderachse (17) des Zylinderkopfes (1) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

9. Zylinderkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektionsventil (9) zentral im Zylinder­ kopf (1) angeordnet ist.