AT524505B1 - Verfahren zum betreiben einer mit wasserstoff betriebenen brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zumindest teilweise oder vollständig mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine (1), wobei der Wasserstoff in einem Wasserstoffbehälter (2) gespeichert wird und ein Hauptanteil des Wasserstoffes der Brennkraftmaschine (1) als Kraftstoff zugeführt wird und ein Schwundanteil des Wasserstoffes aus dem Wasserstoffbehälter (2) abdampft, und wobei das Abgas der Brennkraftmaschine (1) zumindest einer vorzugsweise einen Dreiweg-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zugeführt wird, und wobei Wasserstoff als Reduktionsmittel aus dem Wasserstoffbehälter (2) der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zugeführt wird. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen ist vorgesehen, dass der aus dem Wasserstoffbehälter (2) abdampfende Wasserstoff gesammelt und als Reduktionsmittel der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zugeführt wird.

Description

Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zumindest teilweise oder vollständig mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine, wobei der Wasserstoff in einem Wasserstoffbehälter gespeichert wird und ein Hauptanteil des Wasserstoffes der Brennkraftmaschine als Kraftstoff zugeführt wird und ein Schwundanteil des Wasserstoffes aus dem Wasserstoffbehälter abdampft, und wobei das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest einer vorzugsweise einen Dreiweg-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt wird, und wobei Wasserstoff als Reduktionsmittel aus dem Wasserstoffbehälter der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit einer mit Wasserstoff zumindest teilweise oder vollständig als Kraftstoff betreibbaren Brennkraftmaschine, zumindest einem Wasserstoffbehälter, zumindest einer vom Wasserstoffbehälter zur Brennkraftmaschine führenden Hauptkraftstoffleitung, zumindest einer von der Brennkraftmaschine ausgehenden Abgasleitung, in welcher zumindest eine insbesondere einen Dreiweg-Katalysator aufweisende Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, und zumindest einer vom Wasserstoffbehälter ausgehenden Reduktionsmittelleitung, welche in die Abgasnachbehandlungseinrichtung oder stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung in die Abgasleitung einmündet, zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Ein Dreiwegkatalysator ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, mit welcher schädliche Abgase, wie beispielsweise NO,, in weniger schädliche Reaktionsprodukte - wie beispielsweise O2, N2, CO» oder H:O - umgewandelt werden. Dabei werden üblicherweise Abgase und Verbrennungsrückstände wie beispielsweise CO, oder unverbrannter Kraftstoff der Brennkraftmaschine als Reduktionsmittel eingesetzt. Alternativ kommen Katalysatoren mit „externem“ Reduktionsmittel, wie z.B. Urea zum Einsatz. Diese bezeichnet man als SCR- Katalysatoren. Dies wirkt sich allerdings nachteilig auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus. Des Weiteren enthalten die Abgase der Wasserstoffverbrennung keinen Kohlenstoff, welcher somit nicht als Reaktionspartner für die Reduktion beispielsweise des Sauerstoffs in NO, zur Verfügung steht.
[0003] Die DE 102014 207 641 A1 offenbart eine mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine mit einem Wasserstoffspeicher und einer in einer Abgasleitung angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung. Zwischen dem Wasserstoffspeicher und der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist eine Verbindungsleitung angeordnet, um Wasserstoff als Reduktionsmittel der Abgasnachbehandlungseinrichtung zuzuführen. Dadurch steht der Brennkraftmaschine allerdings weniger Kraftstoff zum Antriebsenergieerzeugung zur Verfügung.
[0004] Kraftstoffe aus einem verflüssigten Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, verlieren einen Teil ihrer Energie durch Verdampfen („steam off“) an die Umgebung. Auch bei Hochdruckgasspeichern kommt es zu Abdampfverlusten. Dieses verdampfte Gas kann wegen des geringem Druckes nicht für den Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet werden.
[0005] Die DE 10202171 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug mit einem Kryotank, wobei sich sogenanntes Boil-off-Gas durch Verdampfen einer geringen Menge von flüssigem Kraftstoff bildet. Dabei wird das Boil-off-Gas zur Vorwärmung des Katalysators beim Starten des Motors verwendet.
[0006] Aus der EP 0 537 968 A1 ist eine Vorrichtung zum Vermindern von Stickoxiden in Rauchgasen von Brennkraftmaschinen bekannt. Im Falle eines Wasserstoffmotors wird ein Teil des vorhandenen H2 als Reduktionsmittel für den NOx-Katalysator verwendet.
[0007] Die DE 2130986 A1 zeigt einen Wasserstoffmotor mit einem Flüssiggasspeicher und einem Zusatztank. Das beim Flüssiggasspeicher durch Wärmezufuhr aus dem Abgas des Motors abdampfende Gas wird zwischengelagert und dem Verbrennungsraum zugeführt. Auch bei der DE 696 13 766 T2 wird das verdampfte Flüssiggas in einem Zwischenspeicher gelagert und anschließend der Verbrennungskraftmaschine zugeführt.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine den Wirkungsgrad zu erhöhen und insbesondere reduzierte Schadstoffemissionen durch eine
effektive Abgaskatalyse zu ermöglichen.
[0009] Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der aus den Wasserstoffbehälter abdampfende Wasserstoff gesammelt und als Reduktionsmittel der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt wird, wobei der abgedampfte Wasserstoff über eine Dosiereinrichtung dem Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung zudosiert wird. Um die Aufgabe zu lösen, werden also insbesondere abgedampfte Gasanteile oder solche mit einem für die motorische Verbrennung zu geringen Gasdruck genutzt.
[0010] Die Dosiereinrichtung ist günstiger Weise im Bereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder im Bereich der Einmündung der Abdampfleitung in die Abgasleitung angeordnet.
[0011] Die unter geringem Druck abgedampften Gasmengen werden somit nicht mehr an die Umgebung abgeführt, sondern der Abgasnachbehandlungseinrichtung als Reduktionsmittel zur Verfügung gestellt, ohne dass der Kraftstoffverbrauch nachteilig beeinflusst wird.
[0012] Somit braucht einerseits der abgedampfte Wasserstoff nicht mehr an die Umgebung abgegeben werden, sondern steht als Reduktionsmittel der Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Verfügung. Der abgedampfte Wasserstoff, der sonst nicht mehr nutzbar wäre, wird somit einer sinnvollen Verwendung zugeführt.
[0013] Andererseits braucht kein Reduktionsmittel auf andere Weise für die Abgaskatalyse zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere werden für die Reduktion weder ein Teil des Hochdruck-Wasserstoff, der als Kraftstoff zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine geeignet ist, noch unverbrannter Kraftstoff aus einem speziell hierfür abgestimmten Brennverfahren benötigt. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht und die Emissionen gesenkt werden. Auch externe Reduktionsmittel (wie beispielsweise Harnstoff) können entfallen.
[0014] Der Wasserstoffbehälter kann dabei als Hochdruckbehälter ausgebildet sein, um den Wasserstoff im gasförmigen Zustand, oder als Niedertemperaturbehälter ausgebildet sein, um den Wasserstoff im flüssigen Zustand zu speichern.
[0015] Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der abgedampfte Wasserstoff vor der Zuführung zur Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Niederdruckspeicher zwischengespeichert wird. Der Niederdruckspeicher ist vorzugsweise zwischen dem Wasserstoffbehälter und der Dosiereinrichtung angeordnet. Gegebenenfalls kann vor Eintritt in die Dosiereinrichtung der Druck des abgedampften Wasserstoffes beispielsweise durch eine Fördereinrichtung erhöht werden.
[0016] Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Reduktionsmittelleitung durch eine von einem Abdampfventil des Wasserstoffbehälters ausgehende Abdampfleitung gebildet ist.
[0017] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in der nicht einschränkenden Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
[0018] Die Figur zeigt schematisch eine zumindest teilweise oder vollständig mit Wasserstoff als Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine 1 mit zumindest einem Wasserstoffbehälter 2. Der Wasserstoffbehälter 2 kann als Hochdruckbehälter zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff, oder als Niedertemperaturbehälter zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff ausgebildet sein.
[0019] Vom Wasserstoffbehälter 2 führt eine Hauptkraftstoffleitung 3 zur Brennkraftmaschine 1. Von der Brennkraftmaschine 1 geht eine Abgasleitung 4 aus, in welcher eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 5 angeordnet ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 5 kann beispielsweise als Dreiwegkatalysator ausgebildet sein.
[0020] Stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 5 mündet in die Abgasleitung 4 eine Reduktionsmittelleitung 6 ein, wobei im Bereich der Einmündung 7 eine Dosiereinrichtung 8 angeordnet ist.
[0021] Die Reduktionsmittelleitung 6 wird durch eine Abdampfleitung 9 gebildet, die von einem Abdampfventil 10 des Wasserstoffbehälters 2 ausgeht. Das Abdampfventil 10 ist beispielsweise als Rückschlagventil ausgebildet, welches bei einem definierten Abdampfdruck in Richtung Abdampfleitung 9 öffnet. In der Abdampfleitung 9 ist ein Niederdruckspeicher 11 angeordnet.
[0022] Der aus dem Wasserstoffbehälter 2 über das Abdampfventil 10 und die Abdampfleitung 9 abdampfende Wasserstoff wird gesammelt und in dem Niederdruckspeicher 11 zwischengespeichert. Uber die Dosiereinrichtung 8, welche über eine Steuereinheit 12 gesteuert wird, wird der abgedampfte Wasserstoff als Reduktionsmittel der Abgasnachbehandlungseinrichtung 5 zugeführt. Optional kann in der Reduktionsmittelleitung 6 eine nicht weiter dargestellte Fördereinrichtung angeordnet sein.
[0023] Abgedampfter Wasserstoff, welcher wegen seines geringen Druckes für den Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine 1 nicht mehr verwendbar ist, kann somit noch als Reduktionsmittel für die Abgasnachbehandlungseinrichtung 5 genutzt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 verbessert und der vorhandene Wasserstoffbehälter 2 besser genutzt werden. Darüber hinaus ist ein Motorbetrieb mit variablem Kraftstoff-Luftverhältnis - in engen Grenzen möglich.

Claims (9)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer zumindest teilweise oder vollständig mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine (1), wobei der Wasserstoff in einem Wasserstoffbehälter (2) gespeichert wird und ein Hauptanteil des Wasserstoffes der Brennkraftmaschine (1) als Kraftstoff zugeführt wird und ein Teil des Wasserstoffes aus dem Wasserstoffbehälter (2) abdampft, und wobei das Abgas der Brennkraftmaschine (1) zumindest einer vorzugsweise einen Dreiweg-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zugeführt wird, und wobei Wasserstoff als Reduktionsmittel aus dem Wasserstoffbehälter (2) der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Wasserstoffbehälter (2) abdampfende Wasserstoff gesammelt und als Reduktionsmittel der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zugeführt wird, wobei der abgedampfte Wasserstoff über eine Dosiereinrichtung (8) dem Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zudosiert wird.
2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff im Wasserstoffbehälter (2) in gasförmigem Zustand gespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff im Wasserstoffbehälter (2) in verflüssigtem Zustand gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der abgedampfte Wasserstoff vor der Zuführung zur Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) in einem Niederdruckspeicher (11) zwischengespeichert wird.
5. Vorrichtung, mit einer zumindest teilweise oder vollständig mit Wasserstoff als Kraftstoff betreibbaren Brennkraftmaschine (1), zumindest einem Wasserstoffbehälter (2), zumindest einer vom Wasserstoffbehälter (2) zur Brennkraftmaschine (1) führenden Hauptkraftstoffleitung (3), zumindest einer von der Brennkraftmaschine (1) ausgehenden Abgasleitung (4), in welcher zumindest eine insbesondere einen Dreiweg-Katalysator aufweisende Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) angeordnet ist, und zumindest einer vom Wasserstoffbehälter (2) ausgehenden Reduktionsmittelleitung (6), welche in die Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) oder stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) in die Abgasleitung (4) einmündet, zur Durchführung des Verfahrens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelleitung (6) durch eine vom Wasserstoffbehälters (2) ausgehende Abdampfleitung (9) gebildet ist, wobei vorzugsweise die Abdampfleitung von einem Abdampfventil (10) des Wasserstoffbehälters (2) ausgeht, wobei der abgedampfte Wasserstoff über eine Dosiereinrichtung (8) der Abgasleitung (4) und/oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) zu dosierbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffbehälter (2) als Hochdruckbehälter ausgebildet ist, um Wasserstoff im gasförmigen Zustand zu speichern.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffbehälter (2) als Niedertemperaturbehälter ausgebildet ist, um Wasserstoff im flüssigen Zustand zu speichern.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (8) im Bereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung (5) oder im Bereich der Einmündung (7) der Abdampfleitung (9) in die Abgasleitung (4) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wasserstoffbehälter (2) und der Dosiereinrichtung (8) in der Abdampfleitung (9) ein Niederdruckspeicher (11) angeordnet ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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