AT528302A4 - Wasserstoff-brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (2), mit einem Einlasstrakt, der zumindest einen in einen Brennraum (5) des Zylinders (2) mündenden Einlasskanal (6) aufweist, welcher durch zumindest ein Einlassventil (7) steuerbar ist, welches durch einen Ventiltrieb (8) betätigbar ist, mit zumindest einem ersten Wasserstoff-Injektor (10) pro Zylinder (2), welcher direkt in den Brennraum (5) des Zylinders (2) einmündet, zumindest einer Wassereinspritzvorrichtung (11) und zumindest einer in den Brennraum (5) mündenden Zündeinrichtung (12). Um einfache und kostengünstige Weise einen effizienten Betrieb einer Wasserstoff- Brennkraftmaschine (1) zu ermöglichen ist vorgesehen, dass die Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasstrakt, idealerweise in den Einlasskanal (6), einmündet.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit einem Einlasstrakt, der zumindest einen in einen Brennraum mündenden Einlasskanal aufweist, welcher durch zumindest ein Einlassventil steuerbar ist, welches durch einen Ventiltrieb betätigbar ist, mit zumindest einem ersten Wasserstoff-Injektor pro Zylinder, welcher direkt in den Brennraum des Zylinders einmündet, zumindest einer Wassereinspritzvorrichtung und zumindest einer in den Brennraum mündenden Zündeinrichtung. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Wasserstoff-Brennkraftmaschine, bei der Luft in einen Brennraum eines Zylinders über zumindest einen Einlasskanal eines Einlasstraktes zugeführt wird, wobei der Einlasskanal durch zumindest ein Einlassventil gesteuert wird, welches durch einen Ventiltrieb betätigt wird, wobei Kraftstoff über zumindest einen ersten Wasserstoff-Injektor pro Zylinder direkt in den Brennraum eingebracht und Wasser über zumindest eine Wassereinspritzvorrichtung dem Zylinder zugeführt wird, und wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum durch zumindest eine Zündeinrichtung gezündet wird.

[0002] Aus der WO 2023/152295 A1 ist eine mit Wasserstoff betriebene Viertakt-Brennkraftmaschine mit Einlassventilen, Auslassventilen und einer zentral in einen Brennraum mündenden Zünd- oder Glüheinrichtung bekannt, bei der Wasserstoff als Kraftstoff über einen WasserstoffInjektor direkt in den Brennraum eingebracht wird. Der Wasserstoff wird dabei in mehreren Portionen in den Brennraum eingebracht, um eine Überhitzung der elektrischen Einblasedüse zu vermeiden. Dies führt zu einer relativ langen Gesamteinspritzdauer, was einer Maximierung des Wirkungsgrads durch im motorischen Zyklus spät im Kompressionstakt angesetzte Einblasung entgegenwirkt. Weiters mündet eine Wasser-Einspritzvorrichtung direkt in den Brennraum ein. Die direkte Wassereinspritzung in den Brennraum bietet nicht zwingend Vorteile für die Verbrennung, hat allerdings den Nachteil einer komplexeren Zylinderkopfkonstruktion sowie der zwingenden Verfügbarkeit von Direkteinblaseeinheiten für Wasser und ist somit verhältnismäßig kostenintenSiv.

[0003] Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, auf möglichst einfache und kostengünstige Weise einen effizienten Betrieb einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine zu ermöglichen.

[0004] Erfindungsgemäß wird dies bei einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Wassereinspritzvorrichtung in den Einlasstrakt, vorzugsweise in den Einlasskanal einmündet. Das Wasser wird über die Wassereinspritzvorrichtung in den Einlasstrakt bzw. Einlasskanal eingespritzt.

[0005] Die Wassereinspritzung in den Einlasstrakt bzw. Einlasskanal kühlt die Zylinderladung am effektivsten ab, wenn die Verdampfungswärme für das eingebrachte Wasser zur Gänze aus dem Gas im Brennraum entnommen wird, was zu einer geringeren Verdichtungsarbeit des Motors und somit höherem thermischen Wirkungsgrad führt.

[0006] Im Bedarfsfall ist vorgesehen, dass zumindest ein zweiter Wasserstoffinjektor idealerweise in den Einlasskanal einmündet, wobei günstigerweise der Wasserstoff stromaufwärts der Wassereinspritzvorrichtung in den Einlasskanal eingebracht wird. Über den zumindest einen zweiten Wasserstoffinjektor wird separat oder zusätzlich Wasserstoff beispielsweise stromaufwärts einer Einmündung der Wassereinspritzvorrichtung in den Einlasskanal eingebracht. Separater Betrieb nur eines der vorhandenen Wasserstoffinjektoren bzw. gemeinsamer zeitgleicher Betrieb mehrerer oder aller Wasserstoffinjektoren ermöglicht eine höhere Flexibilität bei der Kraftstoffdosierung, was je nach Kennfeldbereich des Motors technische Einschränkungen derzeit verfügbarer Wasserstoff-Injektoren für die Direkteinblasung kompensieren und so Vorteile hinsichtlich Verbrennungswirkungsgrad und/oder Leistungspotenzial bieten kann.

[0007] Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Ventiltrieb dazu ausgebildet ist, das Einlassventil im Einlasstakt auch vor dem unteren Totpunkt des Kolbens zu schließen und/oder die Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einem Miller-Kreisprozess zu betreiben.

[0008] Wenn sich das Einlassventil damit also vor dem unteren Totpunkt des Kolbens schließt,

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tritt über den verbleibenden Saughub ein Expansionseffekt in der Zylinderladung auf, bevor die Verdichtungsarbeit der Wasserstoff-Brennkraftmaschine beginnt. Dieser Ausdehnungseffekt senkt den Druck und die Temperatur der Zylinderladung direkt nach dem Schließen des Einlassventils, was sich in einem niedrigeren Druck und einer niedrigeren Temperatur während des Verdichtungshubs der Wasserstoff-Brennkraftmaschine widerspiegelt. Dieses Phänomen kühlt die Ladung im Zylinder ab und senkt die Verdichtungsarbeit der Wasserstoff-Brennkraftmaschine, wodurch der thermische Wirkungsgrad der Wasserstoff-Brennkraftmaschine erhöht und die Leistung gesteigert werden kann. Die Wasserstoff-Brennkraftmaschine weist insgesamt ein höheres Expansionsverhältnis auf.

[0009] Dadurch, dass das Einlassventil im Einlasstakt vor dem unteren Totpunkt geschlossen wird und/oder die Wasserstoff-Brennkraftmaschine im Miller-Kreisprozess betrieben wird, kann somit ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Der Miller-Kreisprozess ist gekennzeichnet durch vergleichsweise frühere Schließzeitpunkte des Einlassventils. Insbesondere liegen die Schließzeitpunkte beim Miller-Kreisprozess noch im Ansaugtakt. Wenn sich das Einlassventil vor dem unteren Totpunkt, also noch im Ansaugtakt schließt, tritt ein Expansionseffekt in der Zylinderladung auf, bevor die Verdichtungsarbeit des Motors beginnt. Dieser Ausdehnungseffekt senkt den Druck und die Temperatur der Zylinderladung direkt nach dem Schließen des Einlassventils, was sich in einem niedrigeren Druck und einer niedrigeren Temperatur während des Verdichtungshubs des Motors widerspiegelt. Der entstehende Füllungsnachteil muss kompensiert werden, das Expansionsverhältnis bleibt jedoch gleich. Dieses Phänomen kühlt die Ladung im Zylinder ab und senkt die Verdichtungsarbeit des Motors, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Motors maximal gesteigert und die Expansionsenergie im Arbeitstakt besser ausgenutzt werden kann.

[0010] Mit einer in den Einlasstrakt bzw. Einlasskanal mündenden Wassereinspritzvorrichtung ist es vorteilhaft, in einem zeitlichen Einspritzbereich zwischen etwa 360°KW vor dem oberen Totpunkt des Ladungs- bzw. Gaswechsels und einigem zeitlichen Abstand bis zum Schließen des Einlassventils bzw. der Einlassventile, idealerweise mit der gesamten Wassereinbringung während des Saugtaktes, so einzuspritzen, dass das gesamte eingespritzte Wasser möglichst gut zerstäubt und damit die Verdampfung begünstigend in den Brennraum eingebracht werden kann.

[0011] Bei der direkten Wassereinspritzung kann über die zeitliche Variation der Wassereinspritzung der Verdampfungsbeginn in einem Bereich zwischen etwa 120°KW bis etwa 30°KW vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung variiert werden, was eine Verdampfungsdauer von etwa 20° Kurbelwinkel bei sehr später Wassereinspritzung bzw. eine Verdampfungsdauer von etwa 90° Kurbelwinkel bei sehr früher Einspritzung zur Folge hat, wie aus Modellrechnungen ersichtlich gemacht werden kann.

[0012] Dabei wird eine zweite Einspritzung des Wassers vermieden. Dadurch kommt es weder zu Überschneidungen mit der Kraftstoffeinblasung noch mit der Wärmefreisetzungsrate während der Verbrennung.

[0013] Realistische Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die zum Verdampfen des eingespritzten Wassers benötigte Verdampfungswärme sowohl aus dem Gas als auch aus dem Bereich der Wand bzw. Bewandungen des Brennraumes entnommen werden kann.

[0014] In Berechnungen wurde für optimale Ergebnisse im Durchschnitt eine etwa 50%ige Aufteilung der Verdampfungswärme zwischen Wand und Gas gefunden.

[0015] Dies wird erreicht, wenn die Wassereinspritzvorrichtung so in den Einlasskanal einmündet, dass bei geöffnetem Einlassventil das Wasser durch die Mündung des Einlasskanals in den Brennraum gespritzt werden kann. Das Wasser gelangt dabei zusammen mit dem Frischgas in den Brennraum und verdampft. Dabei stammt die zur Verdampfung des Wassers notwendige Wärme zum Teil aus dem Frischgas und zum Teil von heißen Wänden des Brennraumes.

[0016] Um eine möglichst rasche Verdampfung insbesondere bei später Wassereinspritzung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Wassereinspritzvorrichtung als Hochdruck-Wassereinspritzvorrichtung mit kleiner Tröpfchengrößenverteilung ausgeführt ist. Weiters vorteilhaft ist die Ausführung von zumindest einem Wasserstoff-Injektor als Hochdruck-Wasserstoffinjektor für Direkt-

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einblasung. Über zumindest einen Hochdruck-Wasserstoff-Injektor für Direkteinblasung kann Wasserstoff mit einem Druck von zumindest 100 bar, vorzugsweise von zumindest 300 bar, beispielsweise 500 bar, in den Zylinder direkt eingeblasen werden. Dies ermöglicht bei möglichst spät angesetzter Einblasung eine weitere Absenkung der Verdichtungsarbeit und eine Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades.

[0017] Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch ein eingangs genanntes Verfahren zum Betreiben einer derartigen Wasserstoff-Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung in den Einlasskanal eingespritzt wird.

[0018] In einer Variante wird zusätzlich Wasserstoff über zumindest einen zweiten Wasserstoffinjektor in den Einlasstrakt, idealerweise in den Einlasskanal, eingebracht.

[0019] Dabei ist es von Vorteil, wenn der Wasserstoff stromaufwärts einer Mündung der Wassereinspritzvorrichtung in den Einlasstrakt bzw. Einlasskanal eingebracht wird.

[0020] Günstigerweise wird das Einlassventil im Einlasstakt vor dem unteren Totpunkt geschlossen und/oder wird die Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einem Miller-Kreisprozess betrieben.

[0021] In einer weiteren Variante der Erfindung wird Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung in einem zeitlichen Einspritzbereich zwischen etwa 360°KW vor dem oberen Totpunkt des Ladungs- bzw. Gaswechsels und einigem zeitlichen Abstand zum Schließen des Einlassventils bzw. der Einlassventile, idealerweise mit der gesamten Wassereinbringung während des Saugtaktes, so einzuspritzen, dass das gesamte eingespritzte Wasser möglichst gut zerstäubt und damit die Verdampfung begünstigend in den Brennraum eingebracht werden kann.

[0022] Insbesondere wird das Wasser über eine als Hochdruck-Wassereinspritzvorrichtung ausgebildete Wassereinspritzvorrichtung mit kleiner Tröpfchengrößenverteilung eingespritzt.

[0023] Es ist von Vorteil, wenn der Wasserstoff frühestens 90°KW vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung, vorzugsweise frühestens 30°KW vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung, besonders vorzugsweise im Bereich des oberen Totpunktes der Verbrennung eingeblasen wird, vorzugsweise direkt eingeblasen wird.

[0024] Dabei ist es günstig, wenn der Wasserstoff mit einem Druck von zumindest 100 bar, vorZzugsweise von zumindest 300 bar, in den Zylinder - vorzugsweise direkt - eingeblasen wird zur Realisierung eines spätestmöglichen Einblasezeitpunktes mit kurzer Einblasedauer.

[0025] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren gezeigt sind, näher erläutert. Darin zeigen schematisch:

[0026] Fig. 1 einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt,

[0027] Fig. 2 einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt,

[0028] Fig. 3 einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt,

[0029] Fig. 4 einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einer vierten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt,

[0030] Fig. 5 einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einer fünften Ausführungsvariante in einem Längsschnitt,

[0031] Fig. 6 einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennkraftmaschine in einer sechsten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt,

[0032] Fig. 7 a) bis d) einen rechnerischen Vergleich von unterschiedlichen Wassereinspritzstrategien und dem damit verbundenen Verdampfungsverhalten hinsichtlich ihres Einflusses auf a) den mittleren Zylinderdruck, b) den Verbrennungsspitzendruck, c) die Abgastemperatur und d) die Verbrennungsspitzentemperatur,

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[0033] Fig. 8 ein Ventilhubdiagramm der erfindungsgemäßen Wasserstoff-Brennkraftmaschine,

[0034] Fig. 9 den relativen Zylinderdruck für verschiedene Wasserstoffeinblasestrategien, aufgetragen über dem Kurbelwinkel,

[0035] Fig. 10 den relativen Zylinderdruck für verschiedene Wasserstoffeinblasestrategien, aufgetragen über dem relativen Zylindervolumen,

[0036] Fig. 11 bis 13 den relativen Zylinderdruck für einzelne Wasserstoffeinblasestrategien, aufgetragen über dem relativen Zylindervolumen,

[0037] Fig. 14 den relativen Zylinderdruck für Wasserstoffeinblasung mit verschiedenen Wasserstoffeinblasedrücken, aufgetragen über dem relativen Zylindervolumen, und

[0038] Fig. 15 und 16 Motorkennfelder der Wasserstoff-Brennkraftmaschine für verschiedene Betriebsmodi.

[0039] Gleiche Teile sind in den Figuren einzelner Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0040] Fig. 1 zeigt einen Zylinder 2einer mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine 1 —- im Folgenden als Wasserstoff-Brennkraftmaschine bezeichnet - mit einem im Zylinder 2 zwischen einem unteren Totpunkt BTC und einem oberen Totpunkt TDC hin- und hergehenden Kolben 3. Zylinder 2, Kolben 3 und eine Brennraumdecke 4 definieren einen Brennraum 5. Die Zylinderachse des Zylinders 2 ist mit 2a bezeichnet. In den Brennraum 5 mündet zumindest ein Einlasskanal 6 ein, dessen Mündung 6a durch ein Einlassventil 7 steuerbar ist. Das Einlassventils 7 wird über einen mit Bezugszeichen 8 angedeuteten Ventiltrieb betätigt, der optional mit einer elektronischen Steuereinheit 9 in Verbindung steht.

[0041] In den Brennraum 5 mündet ein erster Wasserstoffinjektor 10 zur direkten Einbringung von Wasserstoff in den Brennraum 5 ein. Die Mündung 10b des ersten Wasserstoffinjektors 10 ist im Bereich der Wand 2b des Zylinders 2 angeordnet. Mit Bezugszeichen 10a ist die Injektorlängsachse des ersten Wasserstoffinjektors 10 bezeichnet. Der erste Wasserstoffinjektor 10 steht über eine Steuerleitung 10c mit der elektronischen Steuereinheit 9 in Verbindung und wird über diese gesteuert.

[0042] In den Einlasskanal 6 mündet eine Wassereinspritzvorrichtung 11 ein, deren Einspritzlängsachse 11a so auf die Mündung 6a des Einlasskanals 6 gerichtet und deren Mündung 11b so angeordnet ist, dass Wasser in den Einlasskanal 6 und weiter durch die geöffnete Mündung 6a des Einlasskanals 6 in den Brennraum 5 eingebracht werden kann. Die Wassereinspritzvorrichtung 11 ist über eine Steuerleitung 11c mit der elektronischen Steuereinheit 9 verbunden.

[0043] Mit Bezugszeichen 12 ist eine in den Brennraum 5 mündende Zündeinrichtung angedeutet. Mit Bezugszeichen 13 ist ein Auslasskanal bezeichnet, dessen Mündung 13a über ein nicht weiter eingezeichnetes Auslassventil gesteuert wird.

[0044] Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung in einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsvariante, welche sich von Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass der erste Wasserstoffinjektor 10 im Bereich der Brennraumdecke 4 in den Brennraum 5 einmündet.

[0045] Die in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsvariante unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass in den Einlasskanal6 ein zweiter Wasserstoffinjektor 14 einmündet. Die Injektorlängsachse des zweiten Wasserstoffinjektors 14 ist mit 14a bezeichnet. Über den zweiten Wasserstoffinjektor 14 kann Wasserstoff in den Einlasskanal 6 eingespritzt werden und somit indirekt dem Brennraum 5 zugeführt werden. Die Mündung 14b des zweiten Wasserstoffinjektors 14 ist in diesem dritten Ausführungsbeispiel — bezogen auf die Richtung der Einlassströmung im Einlasskanal 6 - stromaufwärts der Mündung 11b der Wassereinspritzvorrichtung 11 angeordnet.

[0046] Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsvariante der Erfindung, bei der die Positionen der Wassereinspritzvorrichtung 11 und des zweiten Wasserstoffinjektors 14 vertauscht sind. Die Mündung

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14b des zweiten Wasserstoffinjektors 14 ist in diesem vierten Ausführungsbeispiel — bezogen auf die Richtung der Einlassströmung im Einlasskanal 6 - stromabwärts der Mündung 11b der Wassereinspritzvorrichtung 11 angeordnet.

[0047] Zum Unterschied zu Fig. 3 mündet bei der in Fig. 5 gezeigten fünften Ausführungsvariante — analog zu Fig. 2 - der erste Wasserstoffinjektor 10 im Bereich der Brennraumdecke 4 in den Brennraum 5 ein.

[0048] Fig. 6 wiederum zeigt eine sechste Ausführungsvariante der Erfindung, bei der — wie in Fig. 4 - die Positionen der Wassereinspritzvorrichtung 11 und des zweiten Wasserstoffinjektors 14 vertauscht sind. Die Mündung 14b des zweiten Wasserstoffinjektors 14 ist in diesem sechsten Ausführungsbeispiel also — bezogen auf die Richtung der Einlassströmung im Einlasskanal 6 stromabwärts der Mündung 11b der Wassereinspritzvorrichtung 11 angeordnet.

[0049] Fig. 7 zeigt die Potenziale mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Im Diagramm a) ist dabei der Einfluss auf den mittleren Zylinderdruck Apym, im Diagramm b) der Einfluss auf den Verbrennungs-Spitzendruck Apr über dem Verdampfungsbeginn ES, im Diagramm c) der Einfluss auf die Abgastemperatur AT: und im Diagramm d) der Einfluss auf die Verbrennungs-Spitzentemperatur ATr, jeweils über dem Verdampfungsbeginn ES in Grad Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung, aufgetragen. Die Verdampfungsdauer beträgt bei früh einsetzender Verdampfung (120°KXW v.OT) etwa 90°KW und bei spät einsetzender Verdampfung (30°KW v.OT) etwa 20°KW, dazwischen ist eine etwa lineare Abnahme hin zu spätem Verdampfungsbeginn als realistisch angesetzt. Dabei sind jeweils drei Verdampfungsfälle A, B und C eingetragen, wobei im Fall A das Wasser direkt in den Zylinder eingespritzt und die Verdampfungswärme zur Gänze durch die Zylinderwand bereitgestellt wird, im Fall B das Wasser in den Einlasskanal eingespritzt und die Verdampfungswärme zur Gänze durch das Frischgas bereitgestellt wird, und im Fall C das Wasser in den Einlasskanal und bei geöffnetem Einlassventil indirekt in den Zylinder eingespritzt und die Verdampfungswärme jeweils zur Hälfte durch die Zylinderwand und durch das Frischgases bereitgestellt wird.

[0050] Die Wassereinspritzung in den Einlasskanal 6 kühlt die Ladung ab, wenn die Verdampfungswärme aus dem Frischgas entnommen wird (B), was zu einer geringeren Leistungsabgabe bei später und kurzer Verdampfung und zu einer höheren Leistungsabgabe bei früher und langer Verdampfung aufgrund der geringeren Verdichtungsarbeit des Motors führt.

[0051] Wird die Verdampfungswärme zu 100 % aus der Wand des Brennraumes 5, insbesondere des Zylinders 1, entnommen (A), sinkt auch die Temperatur der Zylindermasse, was sich auf die Leistung wie folgt auswirkt:

[0052] Bei später und kurzer Verdampfung ist die Leistungssteigerung am größten, da die Expansionsarbeit aufgrund des höheren Zylinderdrucks höher ist und die Verdichtungsarbeit des Motors praktisch gleich bleibt.

[0053] Bei früher und längerer Verdampfung ist die Leistungssteigerung aufgrund der höheren Verdichtungsarbeit geringer. Da bei der Niederdruck-Direkteinspritzung eine späte und kurze Verdampfung nicht möglich ist und die Verdampfungswärme der Wand des Brennraumes 5 und dem Gas entnommen wird (C), wird die Leistungssteigerung auf maximal 2% für frühe und längere Verdampfung geschätzt.

[0054] Fig. 8 zeigt dazu ein Ventilhubdiagramm mit Einlass- und Auslassventilhubkurven, wobei der Ventilhub he der Einlassventile und der Ventilhub ha der Auslassventile über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen sind. Mit TDC-GE ist der obere Totpunkt des Ladungswechsels, mit BDC der untere Totpunkt und mit TDC-F der obere Totpunkt der Verbrennung bezeichnet. Im Ventilhubdiagramm eingezeichnet sind das Wasser-Einspritzfenster W, welches je nach Einlass-Steuerzeit auf spätestens den Schließzeitpunkt des Einlassventils so begrenzt werden sollte, dass das gesamte eingespritzte Wasser in den Brennraum noch im aktuellen Motorzyklus eingebracht werden kann, das Miller-Fenster M bezogen auf eine nominelle Steuerzeit bei einem gewissen Ventilhub gegen den unteren Totpunkt des Kolbens) und das Wasserstoff-Einblasefenster H (zwischen der nominellen Einlassschluss-Steuerzeit und TDC-F). Mit H2 ist das optimale Wasser-

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stoff-Einblasefenster bezeichnet. Das Miller-Fenster M bezeichnet den Kurbelwinkelbereich KW, um den der Einlassschluss durch Verschieben der Einlassventilkurve der Einlassventile 7 gemäß dem Pfeil P nach früh vorverlegt werden kann.

[0055] Es zeigt sich, dass eine spät angesetzte direkte Wassereinspritzung in den Zylinder (A) mit sich daraus ergebendem späten Verdampfungsbeginn und kurzer Verdampfungsdauer nahe dem oberen Totpunkt TDC-F der Verbrennung gegenüber dem Potenzial der Wassereinspritzung in den Einlasskanal kaum nennenswerte Vorteile bringt, welche die erhöhten Kosten und die höhere Systemkomplexität rechtfertigen könnten. Der höchste Mitteldruck kann im Fall B mit früher Wassereinspritzung im Bereich von etwa 360° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels TDC-GE bis kurz vor Schließen der Einlassventile erzielt werden, wobei es optimal ist, wenn der Beginn der Verdampfung bei etwa 180° Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung TDC-F, also im Bereich des unteren Totpunktes BDC des Saugtaktes, liegt, wie mit Bezugszeichen ESo in Fig. 8 angedeutet ist. Ein guter Kompromiss kann auch im Fall C mit frühem Verdampfungsbeginn erzielt werden

[0056] In Fig. 9 ist der relative Zylinderdruck pz über dem Kurbelwinkel KW und In Fig. 10 ist der relative Zylinderdruck pz über dem relativen Zylindervolumen Vz aufgetragen, wobei die Auswirkungen von verschiedenen Wasserstoffeinblasezeitpunkten und Wassereinspritzung ersichtlich sind.

[0057] Die Wirksamkeit von einzelnen Maßnahmen geht im Detail insbesondere aus den Fig. 11 bis 13 hervor, in denen jeweils der relative Zylinderdruck pz über dem relativen Zylindervolumen VZ für unterschiedliche leistungsverbessernde Schritte aufgetragen ist.

[0058] Die Kurven R, S, T und U bilden in den Fig. 9 bis 13 verschiedene leistungssteigernde Maßnahmen ab. Darin bedeuten:

[0059] Referenzkurve R: Wasserstoff wird im Bereich des unteren Totpunktes BDC, also 180° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung TDC-F, eingeblasen.

[0060] Kurve S: Wasserstoff wird im Bereich von 90° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung TDC-F eingeblasen. Es kann eine Leistungssteigerung von etwa 3% erzielt werden, siehe Fig. 9 in Kombination mit Fig. 10.

[0061] Kurve T: Wasserstoff wird im Bereich des oberen Totpunktes der Verbrennung TDCF eingeblasen. Es kann eine Leistungssteigerung von etwa 5% erzielt werden, siehe Fig. 9 in Kombination mit Fig. 11.

[0062] Kurve U: Wasserstoff wird im Bereich des oberen Totpunktes der Verbrennung TDCF eingeblasen und es wird Wasser gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingeblasen. Es kann damit eine Leistungssteigerung von etwa 7% erzielt werden, siehe Fig. 9 in Kombination mit Fig. 12. Die Leistungssteigerung ist auf verminderte Verdichtungsarbeit im oberen Abschnitt des thermodynamischen Kreisprozess THD zurückzuführen.

[0063] Generell sinkt die Verdichtungsarbeit bei später Wasserstoffeinblasung, wodurch der Hochdruckteil des thermodynamischen Kreisprozesses TDC maximiert werden kann. Versuche haben gezeigt, dass mit Wassereinspritzung durch die latente Verdampfungswärme von Wasser die Verdichtungsarbeit um etwa weitere 2% gesenkt werden kann.

[0064] Weiters lässt sich durch möglichst späte und kurze Hochdruckeinblasung von Wasserstoff eine weitere Leistungsverbesserung durch verminderte Verdichtungsarbeit erzielen, wie aus Fig. 14 hervorgeht. Die gezeigten Beispiele gehen als Extremfall von einem Einblaseende im oberen Totpunkt der Verbrennung TDC-F und einem Einblasebeginn entsprechend der benötigten Einblasedauer in Abhängigkeit des Wasserstoffvordrucks aus. Darin bedeuten:

[0065] Kurve U1: Wasserstoff wird mit Einblaseende im oberen Totpunkt der Verbrennung TDCF mit einem relativ geringen Druck von etwa 20 bar eingeblasen und es wird Wasser gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingespritzt.

[0066] Kurve U2: Wasserstoff wird mit Einblaseende im oberen Totpunkt der Verbrennung TDC-

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F mit einem relativ hohen Druck von etwa 500 bar eingeblasen und es wird Wasser gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingespritzt.

[0067] Deutlich ist ersichtlich, dass bei Einblasung von Wasserstoff unter hohem Druck mit einem Hochdruck-Wasserstoff-Injektor unter Ausnutzung des spätestmöglichen Einblasezeitpunktes und demselben Einblaseende im oberen Totpunkt der Verbrennung TDC-F eine weitere Verminderung der Verdichtungsarbeit und somit eine weitere Leistungssteigerung erzielt werden können.

[0068] Fig. 15 und 16 zeigen Beispiele von Motorkennfeldern für verschiedene Betriebsmodi der Wasserstoff-Brennkraftmaschine 1, wobei jeweils die Last L über der Motordrehzahl aufgetragen ist. Dabei kann im Bedarfsfall insbesondere die durch die Mindermengenlimitierung derzeit verfügbarer Wasserstoff-Injektoren für Direkteinblasung notwendige späte und somit wirkungsgradschwache Verbrennung durch den Einsatz eines zweiten Wasserstoff-Injektors für indirekte Einblasung über dessen Mindermengenfähigkeit hinsichtlich günstigerem Wirkungsgrad im Niedrigstlastbereich kompensiert werden. Zudem kann der gleichzeitige Betrieb des ersten und zweiten Wasserstoffinjektors, bzw. auch weiterer Wasserstoffinjektoren für indirekte Einblasung, im Bedarfsfall auch die maximale Zumessmenge erhöhen.

[0069] Das in Fig. 15 gezeigte Motorkennfeld bezieht sich auf einen mageren bis stöchiometrischen Betriebsmodus mit folgenden Motorbetriebsbereichen O1, O2, O3, 04:

[0070] O1: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stark mager, wobei gilt: 2.00 < )\ < 4.50. Wasserstoff kann im Bedarfsfall - über den zweiten Wasserstoffinjektor 14 indirekt eingebracht werden.

[0071] O2: Kraftstoff/Luftverhältnis \ mager, wobei gilt: 1.60 < \ < 2.00. Wasserstoff wird über den ersten Wasserstoffinjektor 10 direkt und/oder über den zweiten Wasserstoffinjektor 14 indirekt eingebracht.

[0072] O3: Kraftstoff/Luftverhältnis A geringfügig mager oder stöchiometrisch, wobei gilt 1.00 [0073] O4: Kraftstoff/Luftverhältnis A stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < )\ < 1.00. Es wird Wassereinspritzung durchgeführt. [0074] Für den Magerbetrieb im Teillastbereich ist ein Mager-NOx-Nachbehandlungssystem erforderlich. Für stöchiometrischen Betrieb ist ein stöchiometrisches NOx Nachbehandlungssystem erforderlich, wie beispielsweise ein Drei-Wege-Katalysator. [0075] Das in Fig. 16 gezeigte Motorkennfeld bezieht sich auf einen voll stöchiometrischen Betriebsmodus mit folgenden Motorbetriebsbereichen P1, P2, P3, P4: [0076] P1: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird interne Abgasrückführung durchgeführt; [0077] P2: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird externe Abgasrückführung durchgeführt; [0078] P3: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird externe Abgasrückführung und/oder Wassereinspritzung durchgeführt; [0079] P4: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird Wassereinspritzung durchgeführt. [0080] Bei stöchiometrischen oder geringfügig fetten Kraftstoff/Luftverhältnis A kann ein DreiWege-Katalysator für die NOx-Reduktion verwendet werden. [0081] Insbesondere durch die Kombination der späten Einblasung des Wasserstoffes in den Zylinder 2 im Bereich des oberen Totpunktes der Verbrennung TDC-F mit der Einspritzung von Wasser indirekt über den Einlasskanal 6 in den Zylinder 2 in einem Bereich zwischen 360° Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels TDC-GE und spätestens dem Schließen des Einlassventils bzw. der Einlassventile lassen sich mit überschaubarem Aufwand Leistung und thermischer Wirkungsgrad durch Verminderung der Verdichtungsarbeit erhöhen.

[0074] Für den Magerbetrieb im Teillastbereich ist ein Mager-NOx-Nachbehandlungssystem erforderlich. Für stöchiometrischen Betrieb ist ein stöchiometrisches NOx Nachbehandlungssystem erforderlich, wie beispielsweise ein Drei-Wege-Katalysator.

[0075] Das in Fig. 16 gezeigte Motorkennfeld bezieht sich auf einen voll stöchiometrischen Betriebsmodus mit folgenden Motorbetriebsbereichen P1, P2, P3, P4:

[0076] P1: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird interne Abgasrückführung durchgeführt;

[0077] P2: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird externe Abgasrückführung durchgeführt;

[0078] P3: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird externe Abgasrückführung und/oder Wassereinspritzung durchgeführt;

[0079] P4: Kraftstoff/Luftverhältnis \ stöchiometrisch oder geringfügig fett, wobei gilt: 0.96 < A < 1.00. Es wird Wassereinspritzung durchgeführt.

[0080] Bei stöchiometrischen oder geringfügig fetten Kraftstoff/Luftverhältnis A kann ein DreiWege-Katalysator für die NOx-Reduktion verwendet werden.

[0081] Insbesondere durch die Kombination der späten Einblasung des Wasserstoffes in den Zylinder 2 im Bereich des oberen Totpunktes der Verbrennung TDC-F mit der Einspritzung von Wasser indirekt über den Einlasskanal 6 in den Zylinder 2 in einem Bereich zwischen 360° Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels TDC-GE und spätestens dem Schließen des Einlassventils bzw. der Einlassventile lassen sich mit überschaubarem Aufwand Leistung und thermischer Wirkungsgrad durch Verminderung der Verdichtungsarbeit erhöhen.

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Ss N

Patentansprüche

1. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (2), mit einem Einlasstrakt, der zumindest einen in einen Brennraum (5) des Zylinders (2) mündenden Einlasskanal (6) aufweist, welcher durch zumindest ein Einlassventil (7) steuerbar ist, welches durch einen Ventiltrieb (8) betätigbar ist, mit zumindest einem ersten Wasserstoff-Injektor (10) pro Zylinder (2) , welcher direkt in den Brennraum (5) des Zylinders (2) einmündet, zumindest einer Wassereinspritzvorrichtung (11) und zumindest einer in den Brennraum (5) mündenden Zündeinrichtung (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasstrakt, vorzugsweise in den Einlasskanal (6) einmündet.

2. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Wasserstoffinjektor (14) in den Einlasskanal einmündet.

3. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wasserstoffinjektor (14) stromaufwärts einer Mündung (11b) der Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasskanal (6) einmündet.

4. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (8) dazu ausgebildet ist, zeitlich vor dem unteren Totpunkt des Saugtaktes zu schließen und/oder die Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) in einem MillerKreisprozess zu betreiben.

5. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung (11) in einem Einspritzbereich zwischen etwa 360° vor dem oberen Totpunkt des Gaswechsels (TDC-GE) und spätestens dem Schließen des zumindest einen Einlassventils (7) so einspritzbar ist, dass das Wasser idealerweise ab 180° Kurbelwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDCF) im Brennraum (5) verdampft.

6. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinspritzvorrichtung (11) als Hochdruck-Wassereinspritzvorrichtung ausgebildet ist.

7. \Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wasserstoff-Injektor (10, 14) als Hochdruck-Wasserstoff-Injektor ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der Luft in einen Brennraum (5) eines Zylinders (2) über zumindest einen Einlasskanal (6) eines Einlasstraktes zugeführt wird, wobei der Einlasskanal (6) durch zumindest ein Einlassventil (7) gesteuert wird, welches durch einen Ventiltrieb (8) betätigt wird, wobei Kraftstoff über zumindest einen ersten Wasserstoff-Injektor (10) pro Zylinder (2) direkt in den Brennraum (5) eingebracht und Wasser über eine Wassereinspritzvorrichtung (11) dem Zylinder (2) zugeführt wird, und wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum (5) durch zumindest eine Zündeinrichtung (12) gezündet wird, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasstrakt, vorzugsweise in den Einlasskanal (6), eingespritzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Wasserstoff über zumindest einen zweiten Wasserstoffinjektor (14) in den Einlasskanal (6) eingebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff stromaufwärts einer Mündung (11b) der Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasskanal (6) eingebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (7) im Einlasstakt dem unteren Totpunkt des Kolbens (3) geschlossen wird und/oder die Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) in einem Miller-Kreisprozess betrieben wird.

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Ss N

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung (11) in einem Einspritzbereich zwischen etwa 360° vor dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels (TDC-GE) und spätestens dem Schließen des zumindest einen Einlassventils eingespritzt wird, sodass das Wasser idealerweise ab 180° Kurbelwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDC-F) verdampft.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff frühestens 90° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDC-F), vorzugsweise frühestens 30° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDC-F), besonders vorzugsweise im Bereich des oberen Totpunktes der Verbrennung (TDC-F), direkt oder indirekt eingeblasen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über eine als Hochdruck-Wassereinspritzvorrichtung ausgebildete Wassereinspritzvorrichtung (11) eingespritzt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mit einem Druck von zumindest 100 bar, vorzugsweise von zumindest 300 bar, in den Zylinder (2) direkt eingeblasen wird.

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

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Claims (11)

x bes AT 528 302 A4 2025-12-15 Ss N Neue Patentansprüche

1. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (2), mit einem Einlasstrakt, der zumindest einen in einen Brennraum (5) des Zylinders (2) mündenden Einlasskanal (6) aufweist, welcher durch zumindest ein Einlassventil (7) steuerbar ist, welches durch einen Ventiltrieb (8) betätigbar ist, mit zumindest einem ersten Wasserstoff-Injektor (10) pro Zylinder (2) , welcher direkt in den Brennraum (5) des Zylinders (2) einmündet, zumindest einer Wassereinspritzvorrichtung (11) und zumindest einer in den Brennraum (5) mündenden Zündeinrichtung (12), wobei die Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasstrakt, vorzugsweise in den Einlasskanal (6) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Wasserstoffinjektor (14) in den Einlasskanal einmündet, wobei der zweite Wasserstoffinjektor (14) stromaufwärts einer Mündung (11b) der Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasskanal (6) einmündet.

2. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (8) dazu ausgebildet ist, zeitlich vor dem unteren Totpunkt des Saugtaktes zu schließen und/oder die Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) in einem Miller-Kreisprozess zu betreiben.

3. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung (11) in einem Einspritzbereich zwischen etwa 360° vor dem oberen Totpunkt des Gaswechsels (TDC-GE) und spätestens dem Schließen des zumindest einen Einlassventils (7) so einspritzbar ist, dass das Wasser idealerweise ab 180° Kurbelwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDC-F) im Brennraum (5) verdampft.

4. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinspritzvorrichtung (11) als Hochdruck-Wassereinspritzvorrichtung ausgebildet ist.

5. Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wasserstoff-Injektor (10, 14) als Hochdruck-Wasserstoff-Injektor ausgebildet ist.

6. Verfahren zum Betreiben einer Wasserstoff-Brennkraftmaschine (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der Luft in einen Brennraum (5) eines Zylinders (2) über zumindest einen Einlasskanal (6) eines Einlasstraktes zugeführt wird, wobei der Einlasskanal (6) durch zumindest ein Einlassventil (7) gesteuert wird, welches durch einen Ventiltrieb (8) betätigt wird, wobei Kraftstoff über zumindest einen ersten Wasserstoff-Injektor (10) pro Zylinder (2) direkt in den Brennraum (5) eingebracht und Wasser über eine Wassereinspritzvorrichtung (11) dem Zylinder (2) zugeführt wird, und wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum (5) durch zumindest eine Zündeinrichtung (12) gezündet wird, wobei das Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasstrakt, vorzugsweise in den Einlasskanal (6), eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Wasserstoff über zumindest einen zweiten Wasserstoffinjektor (14) in den Einlasskanal (6) eingebracht wird, wobei der Wasserstoff stromaufwärts einer Mündung (11b) der Wassereinspritzvorrichtung (11) in den Einlasskanal (6) eingebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (7) im Einlasstakt dem unteren Totpunkt des Kolbens (3) geschlossen wird und/oder die WasserstoffBrennkraftmaschine (1) in einem Miller-Kreisprozess betrieben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser über die Wassereinspritzvorrichtung (11) in einem Einspritzbereich zwischen etwa 360° vor dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels (TDC-GE) und spätestens dem Schließen des zumindest einen Einlassventils eingespritzt wird, sodass das Wasser idealerweise ab 180° Kurbelwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDC-F) verdampft.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff frühestens 90° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDC-F), vorzugsweise frü-

ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

10.

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hestens 30° vor dem oberen Totpunkt der Verbrennung (TDC-F), besonders vorzugsweise im Bereich des oberen Totpunktes der Verbrennung (TDC-F), direkt oder indirekt eingeblasen wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über eine als Hochdruck-Wassereinspritzvorrichtung ausgebildete Wassereinspritzvorrichtung (11) eingespritzt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mit einem Druck von zumindest 100 bar, vorzugsweise von zumindest 300 bar, in den Zylinder (2) direkt eingeblasen wird.

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ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE