Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff als, vorzugsweise einzigen, Kraftstoff, eine mit Wasserstoff betriebene Brennkraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine.

Der Dieselmotor ist seit seiner Erfindung die effizienteste Verbrennungskraftmaschine. Aus mehreren Gründen wird heute der Dieselmotor durch„saubere" Motoren substituiert. Nach der derzeit geplanten C02-EU-Gesetzgebung ist eine Reduktion der C02-Emissionen von min destens 20% bis 2025 und mindestens 35% bis 2030 im Vergleich zu einem Wert von 2019 zu erreichen. Dies zwingt Hersteller von Kraftfahrzeugen, wie z. B. Bus- und LKW-Hersteller, andere Technologien zu entwickeln. Eine dieser Technologien basiert auf der motorischen Verbrennung von Wasserstoff. Da der Kraftstoff Wasserstoff kein Kohlenstoffatom hat, verur sacht dessen Verbrennung keine C02-Emissionen. Somit kann das EU-Ziel erreicht werden.

Eine mögliche Lösung zur Verbrennung von Wasserstoff im Motor basiert auf dem Ottomotor- Prinzip. Dieses Prinzip weist jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad als das Prinzip des Die selmotors auf. Eine andere Lösung ist es, Wasserstoff mit dem Diesel-Prinzip zu verbrennen. Durch eine Einblasung von Wasserstoffkraftstoff im oberen Totpunktbereich kann der Motor einen ähnlichen Wirkungsgrad wie der Dieselmotor erreichen. Da der Wasserstoff bei der Ver brennung schneller als der Dieselkraftstoff umgesetzt wird, kann ein Wasserstoffmotor mit Hochdruckdirekteinspritzung somit theoretisch sogar einen höheren Wirkungsgrad erreichen als ein Dieselmotor. Ein Nachteil bei dieser Art von Verbrennung liegt in der Zündung des Wasserstoffkraftstoffes. Um dieses Problem zu lösen, kann Dieselkraftstoff als Zündquelle ein gespritzt werden. Die Selbstzündung des Dieselkraftstoffes entflammt den im Brennraum vor handene Wasserstoffkraftstoff. Hierfür sind jedoch komplexe Systeme mit Dieseltank und Die seleinspritzsystem notwendig. Zusätzlich verursacht die eingespritzte Pilotmenge Diesel wie der C02.

Die US 7, 162,994 B2 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen einer Selbstzündungsumgebung in einer Verbrennungskammer für einen Gaskraftstoff, z. B. Wasserstoff. Die Selbstzündungs umgebung wird durch eine Glühkerze erzeugt, in deren Richtung eine Pilotmenge von Gas kraftstoff eingespritzt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative und/oder verbesserte T echnik zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Wei terbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.

Die Erfindung schaffte ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff als, vorzugsweise einzigen, Kraftstoff. Das Verfahren weist ein Erzeugen von Wasserstoff- Selbstzündungsbedingungen in einer Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine durch lastabhängiges Anpassen von mindestens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, Parametern auf. Die Parameter können ein Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftma schine und einen Zuführzeitpunkt (z. B. Einspritzzeitpunkt oder Einblaszeitpunkt) des Wasser stoffs aufweisen. Die Parameter können eine Ventilsteuerkurve, vorzugweise einen Schließ zeitpunkt, eines Lufteinlassventils zu der Verbrennungskammer und ein Verdichtungsverhält nis der Verbrennungskammer aufweisen. Das Verfahren kann ferner ein (z. B. Hochdruck-) Direktzuführen (z. B. Direkteinblasen oder Direkteinspritzen) des Wasserstoffs in die Verbren nungskammer, vorzugsweise in einem Verdichtungstakt (z. B. zu einem Ende des Verdich tungstaktes) aufweisen. Das Verfahren kann ein Selbstzünden des direktzugeführten Wasser stoffs in der Verbrennungskammer durch die erzeugten Wasserstoff-Selbstzündungsbedin- gungen aufweisen.

Das Verfahren kann den Vorteil bieten, dass durch ständiges lastabhängiges Verändern von einem oder mehreren vorbestimmten Parametern während des Betriebs der Brennkraftma schine eine Selbstzündung des Wasserstoffs für jeden oder zumindest eine Vielzahl von Mo torbetriebspunkten ermöglicht wird. Bevorzugt ist, dass zumindest zwei Parameter angepasst werden, da so bereits eine vergleichsweise genaue und schnelle Einstellung der gewünschten Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen innerhalb eines vergleichsweise großen Bereichs möglich ist. Bei der Anpassung von drei oder sogar vier Parametern können dementsprechend noch genauere und schnellere Einstellungen der gewünschten Wasserstoff-Selbstzündungs bedingungen innerhalb eines besonders großen Bereichs ermöglicht werden. Bei der Anpas sung von zwei oder mehr Parametern können zudem gezielt Koppelungen zwischen den Pa rametern ausgenutzt werden, z. B. Einflüsse von der Ventilsteuerkurve des Einlassventils und der Zuführung des Wasserstoffs auf das Verbrennungsluftverhältnis.

Im Unterschied zum Otto-Brennverfahren kann der Wasserstoff gegen Ende des Verdich tungstaktes zugeführt werden, sodass eine Verbrennung gemäß dem Dieselprinzip und dem damit verbundenen hohen Wirkungsgrad erfolgt. Die Erfindung kann die Vorteile aus einem umweltfreundlichen Kraftstoff (Wasserstoff) mit dem effizientesten Verbrennungsprozess kom binieren. Dadurch kann eine maximale Ausnutzung der im Wasserstoff gebundenen chemi schen Energien erfolgen. Zur Zündung erfordert keine Einspritzung einer Pilotmenge von Die selkraftstoff. Somit ergeben sich tatsächlich keine C02-Emissionen und das System kann ein facher aufgebaut sein. Gegenüber anderen Technologien zur Wasserstoffverbrennung kann die Direktzuführung und Selbstzündung des Wasserstoffs dazu führen, dass keine Klopfprob lematik auftritt, weil die Zuführung des Kraftstoffs gegen Ende der Verdichtungsphase ge schieht. Durch hohe Turbulenzen in der Verbrennungskammer, welche durch die späte Was serstoff-Zuführung nicht abgebaut werden, kann die anschließende Diffusionsverbrennung noch schneller und effizienter erfolgen.

Zweckmäßig kann das Verfahren ohne eine Voreinspritzung, ohne Verwendung einer Glüh kerze, ohne Verwendung einer Zündkerze und/oder ohne Zuführung von anderen Kraftstoffe durchgeführt werden.

Vorzugsweise kann der Wasserstoff mit Hochdruck in die Verbrennungskammer zugeführt werden, z. B. mit einem Druck in einem Bereich zwischen 150 bar und 500 bar.

Es ist möglich, dass der Wasserstoff mittels eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors, der zweck mäßig in die Verbrennungskammer mündet, zugeführt wird.

In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das lastabhängige Anpassen basierend auf einem (z. B. vorbestimmten) Kennfeld (z. B. Koordinatensystem, Diagramm, Formel, Tabellen usw.), das für eine Vielzahl (z. B. mindestens zwei, drei, vier usw.) von unterschiedlichen Lastpunkten und/oder unterschiedlichen Lastbereichen unterschiedliche einzustellende Werte von mindes tens einem, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, der Parameter oder Kombinationen der Parameter bereitstellt. Somit kann sehr genau auf unterschiedliche Lastbedingungen reagiert und weiterhin Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer erzeugt werden.

In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das lastabhängige Anpassen ständig oder kontinuierlich während des Betriebs der Brennkraftmaschine, vorzugsweise bei Änderungen einer Last der Brennkraftmaschine. Damit kann bspw. sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Brennkraftmaschine Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in der Verbren nungskammer vorliegen. In einer Ausführungsform wird das Erzeugen der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen in einem Lastbereich oberhalb von einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugs weise bis einschließlich eines Vollastbereichs der Brennkraftmaschine, durchgeführt. Gege benenfalls kann somit im Niedriglastbereich eine Zündung des Wasserstoffs auf zusätzliche und/oder alternative Weise begünstigt werden oder erfolgen.

Zweckmäßig kann der Niedriglastbereich einen Bereich zwischen 0 % und 30 % einer Nenn last bzw. Maximallast der Brennkraftmaschine aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Fremdzünden des direktzu- geführten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugsweise mittels einer Zündkerze, auf. Es ist möglich, dass beispielsweise in Abhängigkeit von der Aus führung der Brennkraftmaschine die Erzeugung von Wasserstoff-Selbstzündungsbedingun- gen in dem Niedriglastbereich nur mit großem Aufwand unter Hinnahme unterschiedlichster Nachteile oder gar nicht möglich ist. Derartige Schwierigkeiten können durch die Fremdzün dung auf einfache Weise umgangen werden. Die Zündkerze kann beispielsweise nur im Nied riglastbereich der Brennkraftmaschine zur Zündung des Wasserstoffs verwendet werden. Da mit kann eine Lebensdauer der Zündkerze verlängert werden.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ein Selbstzünden des direktzugeführ- ten Wasserstoffs in einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine, vorzugsweise unter stützt durch eine Glühkerze, auf. Die Glühkerze kann beispielsweise nur im Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine zur Temperaturerhöhung verwendet werden. Damit kann eine Le bensdauer der Glühkerze verlängert werden.

Zweckmäßig kann eine Anpassung der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen hin zu selbstzündungsfreudigeren Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen vorgenommen werden, wenn eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Damit kann auch bei geringer werden der Last eine Selbstzündung des Wasserstoffs gewährleistet sein.

Vorzugsweise kann eine Anpassung der Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen hin zu we niger selbstzündungsfreudigeren Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen vorgenommen werden, wenn eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird. Eine hohe Last kann ohnehin die Selbstzündung begünstigen. Die vorgenommene Anpassung kann somit bewirken, dass eine thermische und/oder mechanische Belastung der Komponenten verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine je nach Auslegung in einem Bereich mit höherem Wirkungsgrad bzw. dichter am jeweiligen Auslegungspunkt betrieben werden.

In einer Ausführungsvariante wird das Verbrennungsluftverhältnis erhöht, wenn die Wasser- stoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses selbstzündungs freudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alter nativ oder zusätzlich kann das Verbrennungsluftverhältnis verringert werden, wenn die Was- serstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verbrennungsluftverhältnisses weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach früher verstellt, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeitpunkts selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verrin gert wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs nach später verstellt werden, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Zuführzeit punkts weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftma schine erhöht wird.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils nach später verstellt (z. B. um den Liefergrad zu maximieren), wenn die Wasserstoff-Selbstzün dungsbedingungen mittels des Schließzeitpunkts selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils nach früher verstellt werden (z. B. um den Liefergrad zu minimieren), wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Schließzeit punkts weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftma schine erhöht wird.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskam mer erhöht, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsver hältnisses selbstzündungsfreudiger anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftma schine verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Verdichtungsverhältnis der Verbren nungskammer verringert werden, wenn die Wasserstoff-Selbstzündungsbedingungen mittels des Verdichtungsverhältnisses weniger selbstzündungsfreudig anzupassen sind und/oder eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird. In einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verbrennungsluftverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 1 ,2 und 3, vorzugsweise zwischen 1 ,8 und 2,2. Vorzugsweise ist das Verbrennungs luftverhältnis innerhalb dieses Bereichs verstellbar.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt ein Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs im Verdich tungstakt innerhalb eines Bereichs zwischen 60°KW vor OT (oberer Totpunkt einer Kolbenbe wegung des Kolbens) und 0°KW vor OT, vorzugsweise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT. Vorzugsweise ist der Zuführzeitpunkt innerhalb dieses Bereichs verstellbar. Durch die späte Zuführung des Wasserstoffs kann das Risiko des Auftretens einer Klopfproblematik deutlich verringert werden. Hohe Turbulenzen in der Verbrennungskammer werden durch die späte Wasserstoff-Zuführung nicht abgebaut.

In einer Ausführungsform liegt ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils bezüglich des Ein lasstaktes innerhalb eines Bereichs zwischen 20°KW vor UT (unterer Totpunkt einer Kolben bewegung des Kolbens) und 80°KW nach UT, vorzugsweise zwischen 0°KW vor UT und 60°KW nach UT. Vorzugsweise ist der Schließzeitpunkt innerhalb dieses Bereichs verstellbar.

In einer weiteren Ausführungsform liegt ein Verdichtungsverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 15 und 26, vorzugsweise zwischen 20 und 23. Vorzugsweise ist das Verdichtungs verhältnis innerhalb dieses Bereichs verstellbar.

In einer Ausführungsvariante ist das Verbrennungsluftverhältnis mittels Anpassen eines Be triebs eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors verstellbar. So kann eine Dosierung des direktzu- geführten Wasserstoffs verstellbar sein.

In einer weiteren Ausführungsvariante ist der Zuführzeitpunkt mittels Anpassen eines Betriebs eines Wasserstoff-Kraftstoffinjektors verstellbar.

Zweckmäßig kann ein Betrieb des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors durch Anpassen einer An steuerung einer elektrischen Ansteuerung des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors, mittels eines variablen Ventiltriebs und/oder mittels eines Nockenwellenphasenverstellers anpassbar sein.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Ventilsteuerkurve mittels Anpassen eines Betriebs des Lufteinlassventils verstellbar, z. B. durch Anpassen einer Ansteuerung einer elektrischen An steuerung des Lufteinlassventils, mittels eines variablen Ventiltriebs und/oder mittels eines Nockenwellenphasenverstellers. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verdichtungsverhältnis mittels eines Variables- Verdichtungsverhältnis-Systems der Brennkraftmaschine verstellbar, vorzugsweise durch An passen einer Kolbenposition im oberen Totpunkt, zum Beispiel durch einen verstellbaren und/oder verlagerbaren Kolben, einen verstellbaren Pleuel und/oder eine verstellbare und/o der verlagerbare Kurbelwelle.

In einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner ein Zuführen von Luft in eine Verbren nungskammer der Brennkraftmaschine (zweckmäßig in einem Einlasstakt) und ein Verdichten der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer (zweckmäßig in einem Verdichtungstakt) auf. Zweckmäßig kann der Wasserstoff direkt in die verdichtete Luft zugeführt werden, vor zugsweise zum Ende des Verdichtungstaktes, z. B. zwischen 60°KW vor OT und 0°KW vor OT, vorzugsweise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine T umbleströmung, der zugeführten Luft in der Verbrennungskammer erzeugt. Die mit der Drehströmung verbundene Turbulenzgenerierung kann die Selbstzündung des Wasser stoffs generell begünstigen.

In einer Weiterbildung ist die Drehströmung in der Verbrennungskammer größer oder gleich ca. 30 Hz (30 Umdrehungen pro Sekunde). Es wurde erkannt, dass insbesondere ab diesem Schwellwert (mit Toleranz) ein ausreichend hohes Turbulenzniveau in der Verbrennungskam mer vorliegt, um ausreichend zu einer sicheren Selbstzündung des Wasserstoffs beizutragen.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Drehströmung durch eine Kanalgeometrie mindestens eines Lufteinlasskanals, der zum Zuführen von Luft zu der Verbrennungskammer angeordnet ist, erzeugt. Beispielsweise können ein Verlauf des Lufteinlasskanals und eine Anordnung ei ner Mündungsöffnung des Lufteinlasskanals zur Erzeugung der Drehströmung führen. Es ist bspw. auch möglich, dass feste oder verstellbare Leitklappen im Lufteinlasskanal angeordnet sind, die zur Erzeugung der Drehströmung führen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Drehströmung durch eine angepasste Geo metrie des Kolbenbodens eines Kolbens erzeugt, gehalten oder verstärkt.

Die Erfindung betrifft auch eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine oder ein Kraftfahrzeug, vor zugsweise Nutzfahrzeug (z. B. Lastkraftwagen oder Omnibus), mit einer Wasserstoff-Brenn- kraftmaschine. Zweckmäßig ist die Wasserstoff-Brennkraftmaschine zum Ausführen eines Verfahrens wie hierin offenbart eingerichtet. Zweckmäßig weist die Wasserstoff-Brennkraftma- schine eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren wie hierin offenbart aus zuführen. Optional kann die Wasserstoff-Brennkraftmaschine mindestens einen Lufteinlasska nal zum Zuführen von Luft in eine Verbrennungskammer der Wasserstoff-Brennkraftmaschine aufweisen. Der mindestens eine Lufteinlasskanal ist dazu ausgebildet, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine T umbleströmung, der in die Verbrennungskammer zugeführten Luft zu erzeugen, vorzugsweise größer oder gleich ca. 30 Hz. Alternativ oder zu sätzlich weist die Wasserstoff-Brennkraftmaschine einen Kolben zum Begrenzen einer Ver brennungskammer der Wasserstoff-Brennkraftmaschine auf. Der Kolben ist dazu ausgebildet, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung, der in die Verbrennungskammer zugeführten Luft zu erzeugen, zu halten oder zu verstärken, vorzugs weise größer oder gleich ca. 30 Hz. Die Wasserstoff-Brennkraftmaschine kann die gleichen Vorteile erzielen wie das hierin offenbarte Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Wasserstoff.

Vorzugsweise kann sich der Begriff„Steuereinheit“ auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozes soren) und Datenspeicher) und/oder eine mechanische Steuerung beziehen, die je nach Aus bildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff„Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch„Regeln“ bzw.„Steuern mit Rückkopplung“ umfasst sein.

Es ist auch möglich, das Verfahren und die Brennkraftmaschine wie hierin offenbart für Perso nenkraftwagen, Großmotoren, geländegängige Fahrzeuge, stationäre Motoren, Marinemoto ren usw. zu verwenden.

Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

Die Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist als eine Hubkol- ben-Brennkraftmaschine ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 10 weist einen oder mehrere Zylinder auf. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist lediglich ein Zylinder in Figur 1 darge stellt. Die Brennkraftmaschine 10 ist zweckmäßig als eine Einkraftstoff-Brennkraftmaschine zum Betreiben mittels Wasserstoff als Kraftstoff ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 10 kann in einem Fahrzeug, z. B. einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug oder einem Wasser fahrzeug, zum Antreiben des Fahrzeugs umfasst sein. Vorzugsweise ist die Brennkraftma schine 10 in einem Nutzfahrzeug, z. B. einem Lastkraftwagen oder Omnibus, zum Antreiben des Nutzfahrzeugs umfasst. Es ist auch möglich, die Brennkraftmaschine 10 in einer stationä ren Anlage z. B. zum Antreiben eines Generators zu verwenden.

Die Brennkraftmaschine 10 weist je Zylinder mindestens einen Lufteinlasskanal 12, mindes tens einen Abgasauslasskanal 14, eine Verbrennungskammer 16, einen Kolben 18 und einen Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 auf.

Der Lufteinlasskanal 12 mündet in die Verbrennungskammer 16. Über den Lufteinlasskanal 12 kann (Lade-)Luft zu der Verbrennungskammer 16 zugeführt werden. Der Lufteinlasskanal 12 ist in einem Zylinderkopf angeordnet. Der Zylinderkopf begrenzt die Verbrennungskammer 16 von oben. Stromaufwärts des Lufteinlasskanals 12 kann ein Luftzuführsystem angeordnet sei. Das Luftzuführsystem kann je nach Anforderung bspw. einen oder mehrere Verdichter einer Turboladerbaugruppe, einen Ladeluftkühler und/oder eine Abgasrückrührleitung aufwei sen.

Der Lufteinlasskanal 12 ist zweckmäßig dazu ausgebildet, die Luft mit einer Drehströmung in die Verbrennungskammer 16 zuzuführen. Vorzugsweise ist die Drehströmung eine Drallströ mung (Drehung um eine Längsachse des Zylinders). Es ist allerdings auch möglich, dass die Drehströmung als eine T umbleströmung (Drehung um eine Querachse des Zylinders) realisiert ist. Beispielsweise kann der Lufteinlasskanal 12 als ein Tangentialkanal, der die Luft tangential zur Zylinderwand zuführt, oder als ein Spiralkanal (spiralförmig gewundener Einlasskanal) zum Erzeugen der Drehströmung ausgeführt sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass der Lufteinlasskanal 12 feste oder verstellbare Luftleitklappen zum Erzeugen der Drehströmung aufweist.

Eine Mündungsöffnung des Lufteinlasskanals 12 in die Verbrennungskammer 16 ist mittels eines Lufteinlassventils 22 öffenbar und schließbar. Das Lufteinlassventil 22 ist vorzugsweise als ein Tellerventil ausgeführt. Das Lufteinlassventil 22 kann mittels jeglicher Technik betätigt werden. Zweckmäßig ist eine Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22 veränderbar bzw. variabel. Z. B. kann das Lufteinlassventil 22 mittels eines variablen Ventiltriebs 24 betätigt sein. Der variable Ventiltrieb 24 kann eine Kraftübertragungsvorrichtung, wie z. B. einen Stößel, io

einen Schlepphebel oder einen Kipphebel, und eine Nockenwelle aufweisen. Die Kraftübertra gungsvorrichtung kann eine Wirkverbindung zwischen der Nockenwelle und dem Lufteinlass ventil 22 hersteilen. Ein Verstellung der Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22 kann bspw. mittels eines Nockenwellenphasenverstellers für die Nockenwelle und/oder eines Schiebeno ckensystems für die Nockenwelle bewirkt werden. Vorzugsweise kann ein Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils 22 innerhalb eines Bereichs zwischen 20°KW vor UT und 80°KW nach UT, vorzugsweise zwischen 0°KW vor UT und 60°KW nach UT, verstellbar sein. Die Verstell barkeit der Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22 kann auf vorteilhafte Weise dazu ge nutzt werden, um Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 zu erzeugen.

Nach der Verbrennung verlässt das Abgas die Verbrennungskammer 16 durch den mittels eines Abgasauslassventils 26 geöffneten Abgasauslasskanal 14. Das Abgasauslassventil 26 kann beispielsweise als ein Tellerventil ausgeführt sein. Der Abgasauslasskanal 14 ist in dem Zylinderkopf angeordnet. Stromabwärts des Abgasauslasskanals 14 kann ein Abgassystem angeordnet sein. Das Abgassystem kann beispielsweise eine oder mehrere Abgasturbinen einer Turboladerbaugruppe aufweisen.

Der Kolben 18 ist hin- und her bewegbar in dem Zylinder angeordnet. Der Kolben 18 ist über einen Pleuel 28 mit einer Kurbelwelle 30 verbunden. Der Kolben 18 begrenzt die Verbren nungskammer 16 nach unten. Im Einzelnen begrenzt ein Kolbenboden 32 des Kolbens 18 die Verbrennungskammer 16 nach unten.

Der Kolbenboden 32 ist zweckmäßig dazu ausgeführt, eine Drehströmung, vorzugsweise eine Drallströmung, in der Verbrennungskammer 16 zu begünstigen. Hierzu kann der Kolbenboden 32 beispielsweise eine an die Geometrie des mindestens einen Lufteinlasskanals 12 ange passte Kolbenmulde und/oder Oberflächenkontur aufweisen. Die optimierte Auslegung des Kolbenbodens 32 erlaubt während der Verdichtungsphase die vorhandene Strömung in der Verbrennungskammer 16 in eine gewünschte (Dreh-)Richtung zu zwingen und damit die Tur bulenzen zu steigern.

Zweckmäßig wirken eine drehströmungserzeugende, vorzugsweise drallerzeugende, Geo metrie des Lufteinlasskanals 12 und eine drehströmungshaltende, vorzugsweise drallhal tende, oder drehströmungsverstärkende, vorzugsweise drallverstärkende, Geometrie des Kol benbodens 32 so zusammen, dass sich eine Drallströmung von mindestens 30 Hz, das heißt 30 Umdrehungen pro Sekunde, ergibt. Ein derartig hohes Turbulenzniveau in der Verbren nungskammer 16 begünstigt die Erzeugung von Selbstzündungsbedingungen für den Was serstoff.

Die Brennkraftmaschine 10 kann ferner ein Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 (auch VCR-System genannt: variable compression ratio-system) aufweisen. Zweckmäßig ermöglicht das Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 durch Anpassen einer Kolbenposition des Kolbens 18 im oberen Totpunkt eine diskrete oder kontinuierliche Veränderung des Verdich tungsverhältnisses e. Zum Beispiel kann das Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 durch eine Verstellbarkeit des Pleuels 28 implementiert sein. Der Pleuel 28 kann längenver änderlich sein. Zum Beispiel kann der Pleuel 28 als ein Teleskoppleuel ausgeführt sein. Das Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 kann auch anders ausgeführt sein. Beispiels weise kann eine Verstellung und/oder eine Verlagerung des Kolbens 18 möglich sein. Alter nativ kann beispielsweise eine Verstellung und/oder Verlagerung der Kurbelwelle 30 möglich sein. Vorzugsweise kann das Verdichtungsverhältnis e innerhalb eines Bereichs zwischen 15 und 26 vorzugsweise zwischen 18 und 23, verstellbar sein. Die Verstellbarkeit des Verdich tungsverhältnisses e kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um Selbstzündungsbedin gungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 zu erzeugen.

Der Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 ist dazu ausgebildet, Wasserstoff als Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 16 zuzuführen, vorzugsweise einzublasen. Die Zuführung erfolgt mit einem hohen Druck, zum Beispiel in einem Bereich zwischen 150 und 500 bar. Der Was serstoff-Kraftstoffinjektor 20 kann auf jegliche Art und Weise betätigt sein, zum Beispiel mittels eines Elektromagneten oder mechanisch z. B. mittels einer Nockensteuerung des variablen Ventiltriebs 24.

Zweckmäßig kann ein Zuführzeitpunkt des durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 zuge führten Wasserstoffs in die Verbrennungskammer 16 verstellbar sein. Beispielsweise kann der Zuführzeitpunkt mittels der variablen Ventiltriebs 24 oder einer veränderten Ansteuerung des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 bewirkt werden. Vorzugsweise kann der Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs innerhalb eines Bereichs zwischen 60°KW vor OT und 0°KW vor OT, vorzugs weise zwischen 40°KW vor OT und 10°KW vor OT, verstellbar sein. Die Verstellbarkeit des Zuführzeitpunkts kann auf vorteilhafte Weise dazu genutzt werden, um Selbstzündungsbedin gungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 zu er zeugen. Es ist möglich, dass eine durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 zugeführte Kraftstoff menge verstellbar ist. Die Dosierung der Kraftstoffmenge kann beispielsweise durch eine Ver änderung einer Öffnungsdauer des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 bewirkt werden. Bei spielsweise kann die Veränderung der zugeführten Kraftstoffmenge mittels eines variablen Ventiltriebs oder einer veränderten Ansteuerung des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 bewirkt werden. Durch die Veränderung der Kraftstoffmenge kann zweckmäßig ein Verbrennungsluft verhältnis l bzw. ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFR (engl für air-fuel-ratio) angepasst werden. Vorzugsweise kann das Verbrennungsluftverhältnis l innerhalb eines Bereichs zwischen 1 ,2 und 3, vorzugsweise zwischen 1 ,8 und 2,2, verstellbar sein. Auch die Verstellbarkeit des Ver brennungsluftverhältnisses l kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um Selbstzün dungsbedingungen für den Wasserstoff in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftma schine 10 zu erzeugen.

Die Brennkraftmaschine 10 kann zudem eine zweckmäßig elektronische Steuereinheit 36 auf weisen. Die Steuereinheit 36 ist zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 ausgeführt. Die Steuereinheit 36 kann mit dem variablen Ventiltrieb 24, dem Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 und/oder dem Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 in Kommunikationsverbindung stehen.

In einem Einlasstakt wird Luft durch den Lufteinlasskanal 12 und das geöffnete Lufteinlass ventil 22 in die Verbrennungskammer 16 zugeführt. Der Kolben 18 bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. Im Verdichtungstakt wird die zugeführte Luft in der Verbren nungskammer 16 verdichtet. Der Kolben 18 bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. Im Unterschied zu einem Otto-Brennverfahren wird der Wasserstoff gegen Ende des Verdichtungstaktes zugeführt. Der Wasserstoff wird direkt durch den Wasserstoff-Kraftstoffin jektor 20 in die Verbrennungskammer 16 zugeführt. Kurz nach der Zuführung zündet der Was serstoff durch Selbstzündung. Der Wasserstoff verbrennt nach dem für Dieselmotoren bekann ten Diffusionsprinzip, der aus thermodynamischen Gründen mit einem hohen Wirkungsgrad verbunden ist. Dabei wird der Kolben 18 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt be schleunigt und treibt dabei die Kurbelwelle 30 an. Im anschließenden Auslasstakt wird das entstandene Abgas aus der Verbrennungskammer 16 durch das geöffnete Abgasauslassventil 26 in den Abgasauslasskanal 14 ausgeschoben. Der Kolben 18 bewegt sich vom unteren Tot punkt zum oberen Totpunkt. Das durch die Geometrie des Lufteinlasskanals 12 und des Kolbenbodens 32 bewirkte hohe Turbulenzniveau in der Verbrennungskammer 16 begünstigt die Selbstzündung und die Ver brennung des Wasserstoffs. Zusätzlich oder alternativ kann ein hohes Grundverdichtungsver hältnis, z. B. in einem Bereich zwischen 20 und 23 die Selbstzündung des Wasserstoffs ebenso begünstigen.

Die Brennkraftmaschine 10 kann ferner von der Steuereinheit 36 so betrieben, dass in die Verbrennungskammer 16 zugeführter Wasserstoff zur Selbstzündung gebracht wird. Die Steu ereinheit 36 ist hierzu derart ausgebildet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit von einer Last der Brennkraftmaschine 10 ständig ein oder mehrere Para meter bezüglich des Lufteinlassventils 22, des Wasserstoff-Kraftstoffinjektors 20 und/oder des Variables-Verdichtungsverhältnis-System 34 angepasst werden. Der oder die Parameter wer den derart angepasst, dass die Erzeugung von Selbstzündungsbedingungen für den Wasser stoff in der Verbrennungskammer 16 gewährleistet ist. Hierzu kann die Steuereinheit 36 bei spielsweise eines oder mehrere Kennfelder, zum Beispiel in Form von Koordinatensystemen, Diagrammen, Formeln, Tabellen usw. aufweisen. Das mindestens eine Kennfeld kann jeder Last bzw. jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 einen einzustellenden Parameter bezüglich einer Ventilsteuerkurve des Lufteinlassventils 22, einem Zuführzeitpunkt von Was serstoff durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20, einer Zuführmenge von Wasserstoff durch den Wasserstoff-Kraftstoffinjektor 20 und/oder dem Verdichtungsverhältnis e durch das Vari- ables-Verdichtungsverhältnisse-System 34 zuordnen.

Hinsichtlich des Verbrennungsluftverhältnisses l kann z. B. dessen Erhöhung dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 selbstzündungsfreudiger werden. Hingegen kann z. B. eine Verringerung des Verbrennungs luftverhältnisses l dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 weniger selbstzündungsfreudig werden. Die Auswirkungen kön nen in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 und in Ab hängigkeit vom aktuellen Verbrennungsluftverhältnis l unterschiedlich sein.

Hinsichtlich des Zuführzeitpunkts des Wasserstoffs kann eine Verstellung nach früher dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16 selbstzün dungsfreudiger werden. Dies kann beispielsweise bei einer Lastverringerung der Brennkraft maschine 10 notwendig sein. Eine Verstellung des Zuführzeitpunkts des Wasserstoffs nach später kann dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16 weniger selbstzündungsfreudig werden. Ein späterer Zuführzeitpunkt des Wasserstoffs kann eine frühere Selbstzündung begünstigen. Abhängig von einer Auslegung des Wasser stoff-Kraftstoffinjektors 20 ist zweckmäßig zu berücksichtigen, dass die gewünschte Kraftstoff menge für das gewünschte Motordrehmoment erreicht wird.

Hinsichtlich des Schließzeitpunkts des Lufteinlassventils 22 kann eine Verstellung nach später zur Maximierung des Liefergrads dazu führen, dass die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 selbstzündungsfreudiger werden. Hingegen kann einer Verstellung nach früher zur Minimierung des Liefergrads dazu führen, dass die Selbst zündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 weniger selbst zündungsfreudig werden. Prinzipiell können Steuerzeiten mit einem sehr frühen Schließzeit punkt des Lufteinlassventils vor dem unteren Totpunkt (bis 20°KW vor UT) dazu führen, dass es zu einem schnellen Turbulenzabbau während des Verdichtungstaktes (die Verdichtungs phase dauert länger) kommt und auch dass die Luftmenge in der Verbrennungskammer 16 begrenzt wird. Eine geringe Luftmenge in der Verbrennungskammer 16 führt dazu, dass das Luftverbrennungsverhältnis l niedriger wird. Dadurch wird die Selbstzündung gehemmt.

Hinsichtlich der Veränderung des Verdichtungsverhältnisses e begünstigt ein Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses e die Selbstzündung durch positive Beeinflussung der Selbstzün dungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16. Eine Verringerung des Verdichtungsver hältnis e führt hingegen zu weniger selbstzündungsfreudigen Selbstzündungsbedingungen in der Verbrennungskammer 16.

Beispielsweise kann eine Lastverringerung der Brennkraftmaschine 10 dazu führen, dass die Steuereinheit 36 den Schließzeitpunkt des Lufteinlassventils 22 nach später verstellt, das Ver brennungsluftverhältnis l verringert, das Verdichtungsverhältnis e erhöht und/oder den Zuführ zeitpunkt des Wasserstoffs nach früher verstellt, um weiterhin ausreichende Selbstzündungs bedingungen für den Wasserstoff in der Verbrennungskammer 16 zu erzeugen.

Es versteht sich, dass die hierin angegebenen Maßnahmen (hohe Drehströmungserzeugung in der Verbrennungskammer, hohes Grundverdichtungsverhältnis, Anpassbarkeit der Ventil steuerkurve des Einlassventils, Anpassbarkeit des Verbrennungsluftverhältnisses, Anpassbar keit des Zeitpunkts der Wasserstoffdirektzuführung und Anpassbarkeit des Verdichtungsver hältnisses) einzeln, teilweise in jeglicher Kombination miteinander oder vollständig implemen tiert werden können, um die Selbstzündungsbedingungen für den Wasserstoff in der Verbren nungskammer 16 zu erzeugen. Je nach Ausführung der Brennkraftmaschine 10 kann es möglich sein, in jedem Lastbereich, also auch bei Niedriglast, Selbstzündungsbedingungen für Wasserstoff in der Verbrennungs kammer 16 zu erzeugen. Es ist allerdings möglich, dass die Selbstzündungsbedingungen nur in einem Lastbereich oberhalb von einem Niedriglastbereich der Brennkraftmaschine erzeugt werden. Beispielsweise kann im Niedriglastbereich der zugeführte Wasserstoff fremdgezündet sein, zum Beispiel mittels einer Zündkerze. Es ist auch möglich, dass der Wasserstoff auch im Niedriglastbereich zur Selbstzündung gebracht wird, zum Beispiel unterstützt durch eine Glüh kerze.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. Alle Bereichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweils bevorzugte engere Außengrenzen des jeweiligen Be reichs.

Bezugszeichenliste

10 Brennkraftmaschine

12 Lufteinlasskanal

14 Abgasauslasskanal

16 Verbrennungskammer

18 Kolben

20 Wasse rstoff- Kraftstoff! nj e ktor

22 Lufteinlassventil

24 Variabler Ventiltrieb

26 Abgasauslassventil

28 Pleuel

30 Kurbelwelle

32 Kolbenboden

34 Variables-Verdichtungsverhältnis-System

36 Steuereinheit