具有氢气直接吹入装置的内燃机的制作方法

1.本发明涉及一种具有氢气直接吹入装置的内燃机。


背景技术：

2.在对减少二氧化碳和污染物排放的要求不断提高的过程中，替代的燃料越来越成为内燃机发展的焦点。例如已知的是，将氢气作为燃料在内燃机中使用。在此有利的是，氢气可以在传统的内燃机中使用并因此可以在短期内作为减少二氧化碳和有害物质的措施。例如，将气态的氢气直接吹入到内燃机的燃烧室中的直接吹入装置也是已知的。然而，由于气态的聚集状态，尤其与通常使用的其它液态燃料相比，在燃烧室中的内部混合物形成存在困难。


技术实现要素：

3.根据本发明的具有氢气直接吹入装置的内燃机的特点在于，在内燃机的燃烧室内实现了优化的内部的混合物形成。这通过具有氢气直接吹入装置的内燃机来实现，所述内燃机包括具有缸盖孔的缸盖和用于将氢气、尤其是气态的或部分气态的氢气直接吹入到内燃机燃烧室中的喷射器。在此优选，喷射器沿着纵轴线延伸，缸盖孔尤其也沿着该纵轴线延伸。在此，喷射器布置在缸盖孔中，使得喷射器出口开口位于缸盖孔内，从该喷射器出口开口氢气可以从喷射器射出。在此，氢气射束可以在从喷射器出口开口射出之后被缸盖孔的内壁聚拢(b
ü
ndeln)。
4.在此，“聚拢”尤其被视为对氢气射束的定向或汇聚引导，所述聚拢优选这样进行，使得被吹入的氢气的大部分、优选至少70％(质量)的方向与喷射器的纵轴线基本上平行地定向。也就是说，缸盖孔的内壁引起，被吹入的氢气射束在进入到燃烧室中时在燃烧室中不会扩宽，而是该氢气射束作为相对较窄的射束侵入到燃烧室中。
5.换句话说，喷射器出口开口通向由缸盖孔所限定的容积内。这优选通过以下方式来实现，相应地适配喷射器在缸盖中的安装位置。尤其，喷射器布置为沿轴向方向在缸盖孔内缩回，即布置为远离燃烧室移动一个确定距离。因此，缸盖孔的内壁引起对氢气射束的导向并从而引起对氢气射束的聚拢。由此，能够以特别简单的方式聚拢氢气射束，因为尤其不需要附加的构件，而是利用了缸盖的现有缸盖孔。由此，实现另一优点：在内燃机运行时，尤其与喷射器顶端相对于缸盖孔的出口的齐平的或伸入的布置方式相比，喷射器的喷射器顶端经受较低的温度。因为喷射器顶端离燃烧室中的热燃烧室气体较远，所以该喷射器顶端不那么强烈地被加热。由此，不仅减少了喷射器的磨损、例如在阀座处的磨损，而且尤其，针对喷射器的、尤其阀座的材料选择和设计也存在更多的自由度。
6.通过聚拢氢气射束，被喷射器吹入的氢气可以较深地侵入到燃烧室内部，以便能够在燃烧室中实现优化的混合物形成。尤其，对氢气射束的聚拢可以防止氢气射束在进入到燃烧室中时扩宽并且防止：氢气流动、尤其是气态氢气流动由于附壁效应(coand
ǎ
‑
effekt)而跟随包围缸盖孔的燃烧室壁的轮廓或者说贴靠到燃烧室壁上。相反，聚拢的氢气
射束可以例如朝内燃机活塞的方向很远地侵入到燃烧室的内部。这对混合物形成产生积极作用。在此，不但燃烧室的靠近喷射器出口开口的区域可以富集氢气，而且燃烧室的整个容积可以富集氢气。
7.优选实施方式是本发明的优选扩展方案的内容。
8.优选，缸盖孔的内壁的、位于喷射器出口开口下游的壁区域、尤其沿通流方向直接邻接于喷射器的壁区域构造为柱形。由此，可以以简单的方式实现对氢气射束的有效聚拢。此外，缸盖因此可以以特别简单且低成本的方式制造。在此特别有利是，整个缸盖孔是柱形。尤其，由此可以产生对称的、聚拢的氢气射束。
9.优选，喷射器布置和构型为，使得氢气射束至少部分地指向缸盖孔的内壁。也就是说，氢气射束的至少一部分在从喷射器出口开口射出之后撞向缸盖孔的内壁，尤其这样进行，使得氢气射束被内壁偏转。由此，尤其被吹入的氢气射束中的具有强烈偏离于喷射器轴向方向的冲量方向的这些部分可以基本上朝轴向方向偏转，以便实现对氢气射束的聚拢。
10.进一步优选，喷射器设置为用于产生锥形的、优选中空锥形的氢气射束。在此，具有基本上呈锥体形状的外轮廓的氢气射束被视为锥形，其中，锥体的顶端位于喷射器出口开口内。也就是说，氢气射束沿吹入方向、即朝燃烧室的方向锥形地扩宽。在此，中空锥形的氢气射束例如具有锥形的内部区域，在该锥形的内部区域中不存在氢气或仅存在少量氢气，使得氢气射束例如在该中空区域中在垂直于喷射器的纵轴线的截平面中具有圆环形的横截面。特别有利地可以通过将喷射器出口开口布置在缸盖孔内来聚拢出锥形的、优选中空锥形的氢气射束。
11.特别优选地，锥形的、尤其中空锥形的氢气射束的张角α为至少40
°
，优选最大为180
°
。优选地，张角α至少为50
°
，尤其最大为120
°
。在此，在观察锥形的氢气射束的纵截面时尤其分别形成氢气射束的包络线的两个母线之间的角度被视为张角。
12.优选，按照以下等式来定义喷射器出口开口与缸盖孔的孔出口开口之间的最小距离x：
13.x≥d/(2*tan(α/2))
14.其中，参数为：
15.α：锥形的、尤其中空锥形的氢气射束的张角，以及
16.d：缸盖孔的直径，尤其是孔出口开口的直径。
17.也就是说，尤其与喷射器出口开口和孔出口开口的齐平布置方式相比，喷射器布置为沿轴向方向在缸盖孔中缩回了最小距离x。尤其，该等式在此通过在氢气射束为锥形或为中空锥形的情况下的几何条件得出。有利地，将最小距离的大小确定为，使得锥形的、尤其是中空锥形的氢气射束的包络线至少与孔出口开口的外周相交。即优选使得，氢气射束恰好冲击缸盖孔的出口棱边。在此，为了特别有效地聚拢氢气射束有利的是，喷射器布置为使得喷射器出口开口和孔出口开口之间的距离大于最小距离x，优选至少是该最小距离x的1.1倍、优选至少为1.3倍。
18.优选，缸盖孔的直径d至少为3mm，优选最大为15mm，特别优选至少为4mm，并且尤其最大为12mm。尤其，在此，缸盖孔的位于喷射器出口开口下游的区域、优选柱形的区域具有直径d。
19.优选，内燃机还包括间隔元件，该间隔元件布置在喷射器和缸盖之间。在此，该间
隔元件具有与最小距离x相应的厚度。尤其，间隔元件在此布置在缸盖的与燃烧室相对置的侧上，并且优选沿喷射器的纵轴线的轴向方向布置在喷射器和缸盖之间。尤其，喷射器具有凸肩，该凸肩能抵靠到间隔元件上，以便确定喷射器在缸盖中的轴向定位。因此，间隔元件构成间距保持部并且由此能够以简单的方式将喷射器布置为，使得在喷射器出口开口和孔出口开口之间存在最小距离x。也就是说，最小距离x可以以特别简单且低成本的方式由间隔元件来确保，其中，例如与喷射器的或缸盖的用于喷射器出口开口和孔出口开口的齐平布置的配置相比，尤其不需要修改所述喷射器或缸盖。此外，以最小距离x作为厚度的间隔元件也可以同时用作密封元件。
20.进一步优选的是，从缸盖孔射出的聚拢的氢气射束基本上是柱形的。也就是说，通过借助缸盖孔的内壁对氢气射束进行聚拢引起从缸盖孔射出的聚拢的氢气射束，该氢气射束具有基本上柱形的外轮廓。在此，偏离柱形形状的、沿吹入方向略微地、例如锥形地扩宽的外轮廓也视为基本上是柱形的。优选，氢气射束具有为0
°
直至最大20
°
、优选直至最大10
°
的所引起的张角。在此，引起或聚拢的、基本上为柱形的这种氢气射束提供了在燃烧室中的特别均匀的燃料分布，因为该氢气射束可以很远地侵入到燃烧室的内部。由此，吹入的氢气也可以分布在内燃机的活塞附近而不是仅仅紧邻吹入部位地分布，即不是仅仅分布在喷射器出口开口附近。
21.优选，喷射器构造为向外打开。尤其，在此，喷射器具有向外打开的阀元件。在此，设置为用于封闭喷射器出口开口的阀元件的、为了朝燃烧室的方向打开、即沿通流方向打开而进行的运动视为“向外打开”。在此，向外打开的喷射器能够在喷射器的打开状态下实现用于氢气、尤其是气态氢气的特别高的通流横截面。
22.优选，喷射器居中或偏心地布置在由缸盖构成的燃烧室上壁上。换句话说，喷射器关于汽缸轴线居中地布置，例如活塞沿着该汽缸轴线运动。尤其，在此，喷射器的纵轴线与汽缸轴线同轴。优选，在此，喷射器位于由缸盖构成的燃烧室顶部的最高点处。替代地，喷射器可以在侧面布置在燃烧室顶部上，并且尤其，喷射器的纵轴线可以相对于汽缸轴线倾斜地布置。
23.特别优选，内燃机为改装有氢气直接吹入装置的汽油发动机或柴油发动机。因此，汽油发动机或柴油发动机可以以特别简单且低成本的手段被改装为用于借助氢气来运行，其中，因此在氢气、尤其气态氢气作为燃料的情况下，实现优化的内部混合物形成用于优化燃烧，并从而实现内燃机的有效运行和低的有害物质排放。
附图说明
24.下面，结合附图、借助实施例来说明本发明。在附图中，功能相同的构件分别标注有相同的附图标记。在此示出：
25.图1示出根据本发明的一个优选实施例的内燃机的简化示意图。
具体实施方式
26.图1示出根据本发明的一个优选实施例的具有氢气直接吹入装置的内燃机1的简化示意图。内燃机1包括缸盖10和喷射器2，该喷射器设置为用于将气态氢气沿着吹入方向a直接吹入到内燃机1的燃烧室5中。可以借助火花塞7点燃燃烧室5中的混合物。
27.喷射器2构造为朝外打开的喷射器2并具有(未示出的)阀元件，该阀元件可以朝外、即朝燃烧室5的方向打开。
28.由喷射器2吹入的氢气射束3为中空锥形。如图1中所示出，中空锥形的氢气射束3的张角α在此被定义为在观察中空锥形的氢气射束3的纵截面时分别形成氢气射束3的包络线的两个母线(mantellinie)之间的角度。
29.缸盖10具有缸盖孔11，所述喷射器2布置在该缸盖孔内。在此，缸盖孔11构造为柱形并且沿着纵轴线25延伸。喷射器2也沿着纵轴线25延伸。在此，纵轴线25和吹入方向a相互平行。
30.缸盖11构成燃烧室5的燃烧室上壁50，其中，燃烧室上壁50朝着中心并且朝上方变窄。在此，在最上方的点处，缸盖孔11与喷射器2居中地布置。
31.应指出，替代于在图1中所示出的屋顶形的形状，燃烧室上壁50也可以构造为平坦的，例如在柴油发动机的燃烧室中那样。
32.在此，喷射器2这样布置在缸盖孔11中，使得喷射器出口开口20位于缸盖孔11内。详细地，喷射器出口开口20布置为相对于缸盖孔11的孔出口开口13相距一个预限定的最小距离x。
33.为此，例如与喷射器出口开口20和孔出口开口13齐平的布置方式相比，喷射器2从燃烧室5缩回至少所述最小距离x。
34.为了能以简单的方式使得喷射器2和缸盖10能够相对地布置为遵守所述最小距离x，内燃机1还包括间距元件4，该间距元件也可以起密封元件的作用。间距元件4布置在缸盖10的背离燃烧室5的侧11b上并且布置在缸盖10和喷射器2之间。在此，喷射器2的凸肩27可以抵靠间距元件4，以便确保最小距离x。为此，间距元件4具有相应于最小距离x的厚度40。例如，间距元件4可以构造为中空柱形的套筒或垫片或密封片，以便以特别简单且低成本的方式确保喷射器2在缸盖孔11中的相应布置方式。
35.在图1中示出以下情况：喷射器出口开口20和孔出口开口13相对彼此恰好布置为相距所述最小距离x。在这种情况下，中空锥形的氢气射束3的包络线与孔出口开口13的棱边相交。因此，尤其由几何边界条件得出最小距离x，即根据被吹入的氢气射束3的取决于喷射器2的结构方式所预给定的张角α和缸盖孔11的直径d得出该最小距离x。
36.如果喷射器2在缸盖孔11中缩回至少所述最小距离x，则氢气射束2的一部分指向缸盖孔11的内壁12并且与该内壁相互作用。由此，借助缸盖孔11聚拢氢气射束3，使得在燃烧室5内存在经聚拢的所引起的氢气射束3a。
37.图1中以虚线表示聚拢的所引起的氢气射束3a的优化情况。这种优化地聚拢的所引起的氢气射束3a具有为0
°
的所引起的张角并且因此是柱形的。此外，所引起的氢气射束3a沿着纵轴线25延伸并且尤其与缸盖孔11齐平。
38.由于氢气射束3聚拢而引起的氢气射束3a，吹入的气态氢气可以特别深地侵入到燃烧室5的内部。由此，可以优化在燃烧室5中的氢气和空气的内部混合物形成，因为氢气可以居中地传播直至内燃机的活塞8附近并且可以容易地沿径向方向分布，以便在整个燃烧室5中实现均匀分布的燃料
‑
空气混合物。
39.尤其，通过聚拢引起的氢气射束3a，避免了从孔出口开口13射出的氢气射束扩宽并且由于附壁效应而跟随燃烧室上壁50的轮廓并从而只能够富集在燃烧室5的上部区域
中。
40.因此，对氢气射束3的聚拢提供了一种用于优化内燃机1的燃烧室5中的混合物形成的特别简单且低成本的可能性，由此，可以实现均匀的燃烧并从而实现内燃机1的有效运行和低的有害物质排放。