AT527902A1 - Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines Wasserstoffmotors und Wasserstoffmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors (1) mit einer einen SCR-Katalysator (4) aufweisenden, an den Verbrennungsmotor (1) ange- schlossenen Abgasreinigungsanlage (2), wobei eine Dosiermenge eines dem Abgas eingangs des SCR-Katalysators (4) zuzuführenden ammoniakhaltigen Reduktions- mittels ermittelt wird. , Erfindungsgemäß wird ein Luft-Kraftstoffverhältnis  eines im Verbrennungsmotor (1) verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches ermittelt und bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors (1) die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis  ermittelt. Die Erfindung betrifft ferner einen Wasserstoffmotor (1) mit angeschlossener Abgas- reinigungsanlage (2) mit einem SCR-Katalysator (4) sowie einer Dosiereinheit (5) zur Zufuhr eines Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels in ein vom Wasserstoffmotor (1) abgegebenes Abgas eingangsseitig des SCR-Katalysators (4) und mit einer Steuereinheit (10) zur Ermittlung einer Dosiermenge des Reduktionsmittels zur Reduktion von im Abgas des Wasserstoffmotors (1) vorhandenen Stickoxiden.

Description

Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines

Wasserstoffmotors und Wasserstoffmotor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie einen Wasserstoffmotor mit den

Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.

Aus der WO 2022/000012 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors bekannt, bei welchem einem SCR-Katalysator zur Reduktion der Stickoxide ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel zugeführt wird. Für entsprechende SCR-Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden wurde verschiedentlich vorgeschlagen, eine Dosiermenge des Reduktionsmittels basierend auf dem Signal eines stromauf des SCR-Katalysators angeordneten Stickoxidsensors zu ermitteln. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, dass es dabei bei mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren bei einigen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise bei einer plötzlichen Anforderung einer erhöhten Motorlast, zu einer

unzureichenden Stickoxidreduktion kommen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bzw. einen Wasserstoffmotor anzugeben, bei denen diese Probleme zumindest weitgehend vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs

1 und durch einen Wasserstoffmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors mit einer einen SCR-Katalysator aufweisenden, an den Verbrennungsmotor angeschlossenen Abgasreinigungsanlage, wird eine Dosiermenge eines dem Abgas eingangs des SCR-Katalysators zuzuführenden ammoniakhaltigen Reduktionsmittels ermittelt. Erfindungsgemäß wird ein Luft-Kraftstoffverhältnis A eines im Verbrennungsmotor verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches ermittelt und bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors die Dosiermenge

basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis X\ ermittelt. Eine Dosiereinheit

wird dabei ständig so angesteuert, dass jeweils ermittelte Dosiermengen des Reduktionsmittels dem Abgas zugeführt werden. Die Zufuhr des Reduktionsmittels erfolgt dabei eingangs des SCR-Katalysators in eine Abgasleitung der Abgasreinigungsanlage. Unter eingangsseitiger Zufuhr ist dabei eine Zufuhr stromauf des in der Abgasleitung angeordneten SCR-Katalysators mit einem geringen Abstand zu letzterem zu verstehen. Der Abstand zur Abgaseintrittsseite des SCR-Katalysators kann dabei

einige Zentimeter bis wenige Dezimeter betragen.

Dabei ist unter dem Luft-Kraftstoffverhältnis oder Verbrennungsluftverhältnis \ das Verhältnis der dem Verbrennungsmotor zugeführten Mengen von Luft und Kraftstoff relativ zum stöchiometrischen Verhältnis zu verstehen, welches theoretisch gerade eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs ermöglicht. Ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis besitzt daher einen \-Wert von > 1,0, ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis einen \-Wert von < 1,0. Ein A-Wert von 1,0 kennzeichnet das stöchiometrische LuftKraftstoffverhältnis. Unter eine Menge ist hier und im Folgenden eine auf eine Zeiteinheit bezogene Menge zu verstehen. Das ammoniakhaltige Reduktionsmittel ist ein Reagens, welches Ammoniak in freier oder chemisch gebundener Form enthält. Mögliche Reduktionsmittel sind Ammoniak in Reinform oder Harnstoff, vorzugsweise in Form einer wässrigen Lösung. Im Falle eines Ammoniak in chemisch gebundener Form enthaltenden Reduktionsmittels wird aus diesem im heißen Abgas durch Hydrolyse und/oder Thermolyse Ammoniak freigesetzt, welches als eigentliches Reduktionsmittel bei einer chemischen Reduktion der Stickoxide in einer katalytisch

unterstützten selektiven Reduktionsreaktion am SCR-Katalysator wirkt.

Der mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebene Verbrennungsmotor kann auch als Wasserstoffmotor bezeichnet werden. Vorzugsweise arbeitet dieser nach dem OttoPrinzip. Bevorzugt ist es, den Verbrennungsmotor ausschließlich mit Wasserstoff als

Kraftstoff zu betreiben, also keine anderen Kraftstoffe einzusetzen.

Die Erfinder haben erkannt, dass bei Vorliegen bestimmter kritischer Betriebsbedingungen des Wasserstoffmotors eine Ermittlung der Dosiermenge des Reduktionsmittels basierend auf einem Signal eines die Stickoxidkonzentration des Abgases erfassenden Sensors die Stickoxidreduktion am SCR-Katalysator unbefriedigende

Ergebnisse liefert. Zu diesen kritischen Betriebsbedingungen gehören insbesondere

plötzliche oder rasche Änderungen der Motorlast. Wie festgestellt werden konnte, kann dann aufgrund von System- oder Sensor-Trägheiten bzw. -Totzeiten eine sensorbasierte Dosiermengenermittlung fehlerhaft sein, was unzulässig erhöhte Stickoxid-Endrohremissionen zur Folge haben kann. Dabei wird unter einer Stickoxid-Endrohremission eine Stickoxidkonzentration bzw. Stickoxidmenge des an die Umgebung abgegebenen Abgases verstanden. Jedoch hat sich herausgestellt, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis A nahezu verzögerungsfrei ermittelt werden kann. Wird bei Vorliegen der genannten kritischen Betriebsbedingungen die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis A ermittelt, so kann sehr rasch durch eine entsprechende Erhöhung der Dosiermenge auf einen Anstieg der Stickoxidrohemission reagiert und ein Stickoxiddurchbruch durch den SCR-Katalysator vermieden werden. Dabei wird unter einer Stickoxidrohemission eine Stickoxidkonzentration bzw. Stickoxidmenge im in Bezug auf eine Stickoxidverminderung unbe-

handelten Abgas verstanden.

In Ausgestaltung des Verfahrens umfassen die vorgebbaren oder vorgegebenen Betriebsbedingungen, bei deren Vorliegen eine Ermittlung der ReduktionsmittelDosiermenge basierend auf dem Luft-Kraftstoffverhältnisses \ vorgenommen wird, ein Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses A. Ein Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses X ist mit einem Anstieg der Stickoxidrohemission verbunden. Aufgrund der nahezu verzögerungsfrei durchführbaren Ermittlung des Luft-Kraftstoffverhältnisses X kann mit einer A-basierten Dosiermengenermittlung sehr rasch durch eine entsprechende Erhöhung der Dosiermenge auf den Anstieg der Stickoxidrohemission reagiert und ein Stickoxiddurchbruch durch den SCR-Katalysator vermieden werden. Die Dosiermengenermittlung basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis X kann insbesondere bei einem Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses X vorgenommen werden, wenn das Absinken einen vorgebbaren zeitlichen Gradienten über-

schreitet.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens die vorgebbaren oder vorgegebenen Betriebsbedingungen, bei deren Vorliegen eine Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge basierend auf dem Luft-Kraftstoffverhältnisses X vorgenommen wird, ein Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses X unter einen vor-

gebbaren \-Schwellenwert (As) umfassen. Damit wird der Tatsache Rechnung getra-

gen, dass bei Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses X unter einen bestimmten Wert die Stickoxidrohemission steil ansteigt. Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann daher auf stark ansteigende Stickoxidrohemissionen nahezu verzö6ögerungsfrei mit einer darauf angepassten Erhöhung der Reduktionsmitteldosier-

menge reagiert werden.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens beträgt der \-Schwellenwert etwa 2,5 oder weniger. Vorzugsweise wird der \-Schwellenwert individuell für einen Verbrennungsmotor oder typenabhängig vorgegeben. Dabei kann insbesondere die Art der Gemischbildung berücksichtigt werden. Vorzugsweise wird der \-Schwellenwert für einen Verbrennungsmotor mit äußerer Gemischbildung bzw. Multipoint-Injektion von Wasserstoff niedriger gewählt als für einen Verbrennungsmotor mit innerer Gemischbildung bzw. Niederdruck-Injektion. Für einen Verbrennungsmotor mit äußerer Gemischbildung bzw. Multipoint-Injektion kann beispielsweise ein \-Schwellenwert

etwa 2,2 oder weniger gewählt werden.

Vorteilhafterweise wird in Ausgestaltung des Verfahrens bei Vorliegen eines unterhalb des \-Schwellenwerts liegenden Luft-Kraftstoffverhältnisses basierend auf einer Kennlinie, welche eine Stickoxid-Rohemission des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoffverhältnis wiedergibt, eine Dosiermenge ermittelt, welche ausreicht, eine wenigstens weitgehende Reduktion einer sich anhand der Kennlinie aus dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis ergebenden Stickoxidmenge im Abgas am SCR-Katalysator zu ermöglichen. Die Kennlinie kann für den entsprechenden Verbrennungsmotor individuell oder typenspezifisch vorab ermittelt werden. Die so ermittelte Dosiermenge kann gegebenenfalls in Abhängigkeit von Einflussfaktoren

wie beispielsweise einer Katalysatortemperatur korrigiert werden.

In weiterer Ausgestaltung umfassen die vorgebbaren oder vorgegebenen Betriebsbedingungen, bei deren Vorliegen eine Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge basierend auf dem Luft-Kraftstoffverhältnisses \ vorgenommen wird, das Vorliegen einer einen vorgebbaren Grenzwert überschreitenden Stickoxid-Rohemission des Verbrennungsmotors. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der Messbereich herkömmlicher Stickoxidsensoren eine obere Grenze aufweist. Die Messbe-

reichsgrenze ist gegebenenfalls sensorspezifisch und kann beispielsweise 3000 ppm

betragen. Oberhalb dieser Grenze kann die Stickoxidkonzentration im Abgas durch einen solchen Stickoxidsensor nicht mehr korrekt ermittelt werden. Eine Reduktionsmengenermittlung basierend auf dem Signal des Stickoxidsensors ist daher in diesem Fall zwangsläufig inkorrekt. Wird jedoch, wie erfindungsgemäß vorgesehen, bei Überschreiten des vorzugsweise durch die Messbereichsgrenze des Stickoxidsensors vorgegebenen Grenzwerts eine Dosiermengenermittlung basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis \ vorgenommen, so kann auch bei hohen Stick-

oxidkonzentrationen im Abgas eine genaue Dosiermengenermittlung erfolgen.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Verbrennungsmotor zumindest überwiegend mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch betrieben. Vorzugsweise wird der Verbrennungsmotor ausschließlich oder nahezu ausschließlich mager betrieben. Es kann vorgesehen sein, den Verbrennungsmotor zumindest überwiegend oder ausschließlich mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis mit einem \-Wert von

mehr als 1,3 zu betreiben.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Kraftstoff in flüssiger Form bevorrateter Wasserstoff eingesetzt. Dies ermöglicht Vorteile in Bezug auf die Energiedichte im Vergleich zu unter Druck bevorratetem gasförmigem Wasserstoff, der natürlich ebenfalls eingesetzt werden kann. Der Flüssig-Wasserstoff wird dabei vorzugsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs, für dessen Antrieb der Verbrennungs-

motor vorgesehen ist, in einem dafür vorgesehenen Cryogen-Tank bevorratet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Reduktionsmittel für die im Abgas des Verbrennungsmotors vorhandenen Stickoxide ausschließlich das ammoniakhaltige Reduktionsmittel eingesetzt. Dadurch wird ein erhöhter Aufwand für den Einsatz

eines weiteren Reduktionsmittels vermieden.

Der erfindungsgemäße Wasserstoffmotor weist eine angeschlossene Abgasreinigungsanlage mit einem SCR-Katalysator sowie eine Dosiereinheit zur Zufuhr eines Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels in ein vom Wasserstoffmotor abgegebenes Abgas eingangsseitig des SCR-Katalysators sowie eine Steuereinheit zur Ermittlung einer Dosiermenge des Reduktionsmittels zur Reduktion von im Abgas

des Wasserstoffmotors vorhandenen Stickoxiden auf. Erfindungsgemäß sind Mittel

zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoffverhältnisses A eines im Wasserstoffmotor verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches vorgesehen, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis X\ zu ermitteln. Bei dem Wasserstoffmotor kann es sich sowohl um einen Verbrennungsmotor mit äußerer als auch um einen mit innerer Gemischbildung handeln. Typischerweise können die Mittel zur Ermittlung des Luft-Kraftstoffverhältnisses dieses nahezu verzögerungsfrei ermitteln. Als Mittel zur Ermittlung des LuftKraftstoffverhältnisses können übliche Messeinrichtungen für dem Motor zugeführte Luftmenge und Kraftstoffmenge eingesetzt werden. Die Steuereinheit erfasst laufend betriebsrelevante Betriebsgrößen des Wasserstoffmotors sowie der Abgasreinigungsanlage, wie z.B. Motorlast, Drehzahl, Verbrennungsluftmenge, Kraftstoffverbrauchsmenge, Abgastemperaturen usw. und ermittelt daraus unter anderem Steuergrößen zur Steuerung des Betriebs von Motor und Abgasreinigungsanlage. Insbesondere wird eine Steuergröße ermittelt, welche die Dosiereinheit zur Abgabe der

ermittelten Dosiermenge entsprechend ansteuert.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, bei einem Absinken des ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnisses X unter einen vorgebbaren ASchwellenwert (As) und/oder bei Vorliegen einer einen vorgebbaren Grenzwert überschreitenden Stickoxid-Rohemission des Wasserstoffmotors die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis zu ermitteln. Sinkt, beispielsweise aufgrund einer plötzlichen Erhöhung der Motorlast, das Luft-Kraftstoffverhältnis sehr rasch unter den \-Schwellenwert (As) ab, kann wegen der nahezu verzögerungsfreien Ermittlung des Luft-Kraftstoffverhältnisses sehr rasch mit einer angepassten Erhöhung der Reduktionsmittel-Dosiermenge auf eine mit dem Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses verbundene erhöhte Stickoxidrohemission reagiert und ein Durchbruch von Stickoxiden durch den SCR-Katalysator zuverlässig vermieden werden. Ebenso kann eine Fehldosierung des Reduktionsmittels vermieden werden, wenn eine über dem Grenzwert liegende Stickoxid-Rohemission vorliegt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist in der Abgasreinigungsanlage stromauf des SCRKatalysators ein Stickoxidsensor vorgesehen und die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, in einem vorgebbaren A-Bereich oberhalb des \-Schwellenwerts die Dosier-

menge basierend auf einem Signal des Stickoxidsensors zu ermitteln.

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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wasserstoffmotor als Verbrennungsmotor mit Funkenzündung ausgebildet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung für den Wasserstoffmotor Flüssig-Wasserstoff als

Kraftstoff vorgesehen ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als Reduktionsmittel zur Reduktion von im Abgas des Wasserstoffmotors vorhandenen Stickoxiden ausschließlich das Ammoniak enthaltende Reduktionsmittel vorgesehen. Vorzugsweise ist als Reduktionsmittel eine wässrige Harnstofflösung vorgesehen, welche in einem entsprechenden Vorratstank bevorratet ist. Das Reduktionsmittel bzw. die Harnstofflösung wird über eine von der Steuereinheit angesteuerte Dosiereinheit in eine Abgasleitung der Abgasreinigungsanlage mit kurzem Abstand zur Eintrittsseite des SCR-Katalysators eindo-

siert.

Oben genannte sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nichteinschränkender Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Dabei sind die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es

zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines

Wasserstoffmotors mit angeschlossener Abgasreinigungsanlage, und Fig. 2 eine Darstellung einer Kennlinie, welche schematisch die Abhängigkeit der Stickoxidrohemission des Wasserstoffmotors vom Luft-Kraftstoffverhältnis A

wiedergibt.

Fig. 1 zeigt lediglich schematisch und stark vereinfacht ein Beispiel für eine vorteil-

hafte Ausführungsform einer an einen Verbrennungsmotor 1 eines nicht näher dar-

gestellten Kraftfahrzeugs angeschlossenen Abgasreinigungsanlage 2. Bei dem Verbrennungsmotor 1 handelt es sich vorliegend um einen ausschließlich mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor, nachfolgend vereinfacht als Wasserstoffmotor bezeichnet. Der Wasserstoffmotor 1 kann ein Motor mit Kompressionszündung sein. Vorliegend wird jedoch von einem Motor mit Funkenzündung ausgegangen. Für den Wasserstoffmotor 1 kann dabei eine äußere, oder alternativ hierzu eine innere Gemischbildung vorgesehen sein. Bei äußerer Gemischbildung ist es vorzugsweise vorgesehen, den in flüssiger Form bevorrateten Wasserstoff einem entsprechenden Vorratstank zu entnehmen und mittels Injektoren in ein Saugrohr vor einem Einlassventil eines jeweiligen Motorzylinders einzuspritzen (Multi Point Injection). Bei innerer Gemischbildung ist eine direkte Einspritzung in einen jeweliligen Brennraum des Wasserstoffmotors 1 vorgesehen. Auf Darstellung von Einzelheiten dieser technischen Ausführungsformen wurde dabei verzichtet. Unabhängig von der Art der Gemischbildung ist ein zumindest überwiegend magerer Betrieb, d.h. ein Betrieb mit Luftüberschuss für den Wasserstoffmotor 1 vorgesehen. Es kann vorgesehen sein, den Wasserstoffmotor 1 ausschließlich mit einem mageren Luft-Kraft-

stoffverhältnis \ von beispielsweise größer als X = 1,3 zu betreiben.

Vom Wasserstoffmotor 1 abgegebenes Abgas tritt über eine Abgasleitung 3 in die Abgasreinigungsanlage 2 ein. Entsprechend der mit einem Pfeil gekennzeichneten Abgasströmungsrichtung strömt das Abgas vorliegend nacheinander durch einen Oxidationskatalysator 8, einen SCR-Katalysator 4 sowie einen vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgebildeten Ammoniak-Sperrkatalysator 9. Die Katalysatoren 8, 4, 9 sind dabei bevorzugt als keramische Wabenkörper mit einer Vielzahl paralleler Kanäle mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung ausgebildet. Dabei ist für den Oxidationskatalysator 8 eine Beschichtung vorgesehen, welche ein oder mehrere Edelmetalle der Platingruppe aufweist. Eine ähnliche Beschichtung kann für den Ammoniak-Sperrkatalysator 9 vorgesehen sein. Der SCR-Katalysator 4 kann eine vorzugsweise zeolithische Beschichtung, enthaltend Eisen, Kupfer oder Vanadium

aufweisen. Mittels des Oxidationskatalysators 8 kann im Abgas enthaltenes Stickstoffmonoxid

(NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert, und damit das NO2 —- NO-Verhältnis der

Stickoxide erhöht werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Stickoxidreduktion im

SCR-Katalysator 4. Für diese Stickoxidreduktion ist vorgesehen, der Abgasreinigungsleitung 3 ein Ammoniak in freier oder gebundener Form enthaltendes Reduktionsmittel, vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung zuzuführen. Dies erfolgt mittels einer mit kurzem Abstand zur Eintrittsseite des SCR-Katalysators 4 in der Abgasreinigungsanlage 2 angeordneten Dosiereinheit 5. Das Reduktionsmittel ist dabei in einem entsprechenden Vorratstank bevorratet und wird der Dosiereinheit 5 über geeignete Fördermittel zugeführt, was nicht näher dargestellt ist. Mittels des Ammoniak-Sperrkatalysators 9 kann gegebenenfalls durch den SCR-Katalysator 4 schlüp-

fendes Ammoniak oxidiert werden.

Zur Steuerung der Reduktionsmitteldosiermenge bzw. zur Kontrolle des Stickoxidumsatzes im SCR-Katalysator 4 sind hinter dem Oxidationskatalysator 8 und vor der Dosiereinheit 5 bzw. hinter dem SCR-Katalysator 4 Stickoxidsensoren 6, 7 zur

Erfassung der Stickoxidkonzentration im Abgas vorgesehen.

Es versteht sich, dass in Fig. 1 lediglich beispielhaft eine vorteilhafte Ausführungsform für eine geeignete Abgasreinigungsanlage 2 wiedergegeben ist. Möglich sind jedoch auch andere Ausführungsformen. Beispielsweise kann der Oxidationskatalysator 8 gegebenenfalls auch entfallen. Für die Stickoxidreduktion kann auch eine zweistufige SCR-Anlage mit zwei hintereinander angeordneten SCR-Katalysatoren mit jeweils zugeordneter Dosiereinheit vorgesehen sein. Ebenso kann der Ammoniak-Sperrkatalysator 9 sich unmittelbar an den SCR-Katalysator 4 anschließen oder als Endbereich des SCR-Katalysators 4 ausgeführt sein. In diesem Fall ist der Stick-

oxidsensor 7 hinter dem Ammoniak-Sperrkatalysator 9 angeordnet.

Was die Überwachung und Steuerung von Wasserstoffmotor 1 und Abgasreinigungsanlage 2 betrifft, so ist hierzu vorliegend eine Steuereinheit 10 vorgesehen. Hierzu erhält die Steuereinheit 10 Eingangssignale 11, verarbeitet diese und erzeugt daraus Ausgangssignale 12. Die Eingangssignale 11 umfassen insbesondere Signale der in der Abgasreinigungsanlage 2 verbauten Stickoxidsensoren 6, 7 sowie weiterer gegebenenfalls vorhandener Sensoren beispielsweise für Temperatur oder Ammoniakgehalt im Abgas. Von der Steuereinheit 10 können jedoch auch Betriebsgrößen des Wasserstoffmotors 1 repräsentierende Eingangssignale wie bei-

spielsweise Messgrößen für Luft- und Kraftstoffmenge, Motorlast, Drehzahl usw. ver-

arbeitet werden. Die Ausgangssignale 12 umfassen insbesondere Steuersignale zur Ansteuerung der Dosiereinheit 5. Die Steuereinheit 10 kann beispielsweise als Mikrokontroller ausgebildet sein, der auf in einem zugeordneten Speicher abgespeicherte Kennfelder bzw. Kennlinien für Abhängigkeiten von Betriebsgrößen des Wasserstoffmotors 1 bzw. der Abgasreinigungsanlage 2 zugreifen kann. Ein Ablauf der durch die Steuereinheit 10 bewirkten Steuerungs- und Regelvorgänge wird vorzugs-

weise durch ein abgespeichertes Programm bewirkt.

Nachfolgend wird unter Bezug auf Fig. 2 auf eine erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Betreiben des Wasserstoffmotors 1 und der Abgasreinigungsanlage 2 eingegangen. Dabei ist in Fig. 2 in einem Diagramm eine für einen Wasserstoffmotor typische Kennlinie 13 für die Abhängigkeit der Stickoxidrohemission vom Luft-Kraftstoffverhältnis X\ dargestellt, mit welchem der Wasserstoffmotor betrieben wird. Eine gestrichelt dargestellte Linie 14 kennzeichnet dabei einen Knickpunkt oder einen AWert As nahe eines Knickpunkts der Kennlinie 13, ab welchem mit abnehmenden &Werten die Stickoxidrohemission ausgehend von niedrigen Werten steil anzusteigen beginnt. Dieser hier als \-Schwellenwert As bezeichnete \-Wert ist gegebenenfalls maßgeblich für die Grundlage, auf welcher die Dosiermenge des Reduktionsmittels ermittelt wird, wie nachfolgend näher erläutert. Je nach Ausführung des Wasserstoffmotors 1 kann der \-Schwellenwert As unterschiedlich ausfallen. Typischerweise

liegt der A\-Schwellenwert As bei etwa 2,5 oder niedriger.

Im laufenden Betrieb des Wasserstoffmotors 1 werden Betriebsgrößen des Wasserstoffmotors 1 sowie der Abgasreinigungsanlage 2, wie Stickoxidkonzentration und Temperatur des Abgases, Abgasmassenstrom, Motordrehzahl, Motorlast, Luft-Kraftstoffverhältnis usw. laufend erfasst bzw. ermittelt und von der Steuereinheit 10 verarbeitet und eine bedarfsgerechte Dosiermenge für das Reduktionsmittel ermittelt und eingestellt. Speziell im Bereich von niedriger bis mittlerer Motorlast bzw. bei vergleichsweise geringen Erhöhungen der Motorlast wird der Wasserstoffmotor 1 mit vergleichsweise hohen Luft-Kraftstoffverhältnissen in einem A-Bereich oberhalb des A-Schwellenwerts As betrieben. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge basierend auf dem Signal des stromauf des SCRKatalysators 4 angeordneten Stickoxidsensors 6 vorgenommen. Hierzu wird vor-

zugsweise von der Steuereinheit 10 aus dem mit der Stickoxidkonzentration im

Abgas korrelierenden Signal des Stickoxidsensors 6 und dem Abgasmassenstrom ein Stickoxidmengenstrom und daraus resultierend die einzustellende Reduktionsmittel-Dosiermenge ermittelt und die Dosiereinheit 5 zur deren Abgabe angesteuert. Vorzugsweise wird eine Reduktionsmittel-Dosiermenge eingestellt, mit welcher ein etwa stöchiometrisches Verhältnis von Ammoniak und Stickoxid erhalten wird. Dabei kann insbesondere bei vergleichsweise hohen \-Werten von beispielsweise mehr als etwa 3, welche gemäß der Kennlinie 13 sehr niedrige Stickoxidrohemissionen zur Folge haben, gegebenenfalls auf eine Dosierung verzichtet werden, also zumindest

zeitweise eine Dosiermenge von Null eingestellt werden.

Infolge von entsprechend starken, insbesondere raschen Erhöhungen der Motorlast kann das Luft-Kraftstoffverhältnis unter den Schwellenwert As absinken. Um rasch genug auf eine damit einhergehende Erhöhung der Stickoxidrohemission mit einer entsprechenden Erhöhung der Reduktionsmittel-Dosiermenge zu reagieren, wird in diesen Fällen eine Ermittlung der einzustellenden Dosiermenge basierend auf dem aktuellen Luft-Kraftstoffverhältnis vorgenommen. Hierzu ist es vorgesehen, anhand der Kennlinie 13 die aus dem Luft-Kraftstoffverhältnis resultierende Stickoxidrohemission zu ermitteln. Aus dieser wird eine Reduktionsmittel-Dosiermenge ermittelt, welche ausreicht, die im Abgas vorhandenen Stickoxide so weit als möglich am SCRKatalysator 4 zu reduzieren. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass Tot- und Verzögerungszeiten, welche bei einer Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge basierend auf dem Signal des Stickoxidsensors 6 auftreten können, vermieden werden. Außerdem können Fehldosierungen aufgrund möglicher Fehlmessungen des Stickoxidsensors, die bei erhöhten Stickoxidkonzentrationen auftreten können,

vermieden werden.

Erhöht sich, beispielsweise aufgrund einer wieder verringerten Motorlastanforderung, das Luft-Kraftstoffverhältnis wieder auf einen Wert in einem Bereich oberhalb des Schwellenwerts As, so wird vorzugsweise wieder auf eine Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge basierend auf dem Signal des Stickoxidsensors 6 umgeschaltet. Dabei kann sich der genannte Bereich direkt oder aber auch mit einem vor-

gebbaren Abstand an den Schwellenwert As anschließen.

Es sei noch erwähnt, dass eine ermittelte Reduktionsmittel-Dosiermenge generell gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer Einflussgrößen, wie beispielsweise der Temperatur des SCR-Katalysators 4, einer Korrektur unterzogen werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, bei vergleichsweise langsamem Absinken des LuftKraftstoffverhältnisses auf ein Umschalten von einer sensorbasierten Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge auf eine solche auf Basis des Luft-Kraftstoffverhältnisses zu verzichten. Eine Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge auf Basis des Luft-Kraftstoffverhältnisses kann dann lediglich bei einem raschen Absinken des A\-Werts mit einem einen vorgebbaren zeitlichen Gradienten überschreitenden Grenzwert vorgesehen sein. Unabhängig von einem Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses ist es vorzugsweise vorgesehen, generell eine Ermittlung der Reduktionsmittel-Dosiermenge auf Basis des Luft-Kraftstoffverhältnisses vorzunehmen, wenn die Stickoxid-Rohemission des Wasserstoffmotors 1 einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Dies kann anhand der Kennlinie 13 ermittelt werden. Der Grenzwert kann sich dabei an einer Meßbereichsobergrenze für den Stickoxidsensor 6 orientieren und beispielsweise 3000 ppm betragen. Zudem kann vorgesehen sein, dass anstelle einer die Korrelation von Stickoxidrohemission und Luft-Kraftstoffverhältnis wiedergebenden Kennlinie 13 auch ein diese Korrelation berücksichtigendes

Rechenmodell eingesetzt wird.

Patentansprüche

1. Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors (1) mit einer einen SCRKatalysator (4) aufweisenden, an den Verbrennungsmotor (1) angeschlossenen Abgasreinigungsanlage (2), wobei eine Dosiermenge eines dem Abgas eingangs des SCR-Katalysators (4) zuzuführenden ammoniakhaltigen Reduktionsmittels ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft-Kraftstoffverhältnis A eines im Verbrennungsmotor (1) verbrannten LuftKraftstoffgemisches ermittelt wird und bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors (1) die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis A ermittelt

wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren oder vorgegebenen Betriebsbedingungen ein Absinken des

Luft-Kraftstoffverhältnisses X\ umfassen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren oder vorgegebenen Betriebsbedingungen ein Absinken des Luft-Kraftstoffverhältnisses X unter einen vorgebbaren \-Schwellenwert (As)

umfassen. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

der \-Schwellenwert (As) etwa 2,5 oder weniger beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei Vorliegen eines unterhalb des \-Schwellenwerts (As) liegenden Luft-Kraftstoffverhältnisses basierend auf einer Kennlinie (13), welche eine StickoxidRohemission des Verbrennungsmotors (1) in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoffverhältnisses wiedergibt, eine Dosiermenge ermittelt wird, welche ausreicht, eine wenigstens weitgehende Reduktion einer sich anhand der Kennlinie (13) aus dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis ergebenden Stickoxidmenge im

Abgas am SCR-Katalysator (4) zu ermöglichen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren oder vorgegebenen Betriebsbedingungen das Vorliegen einer einen vorgebbaren Grenzwert überschreitenden Stickoxid-Rohemission des

Verbrennungsmotors (1) umfassen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) zumindest überwiegend mit einem mageren Luft-

Kraftstoffgemisch betrieben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass

als Kraftstoff in flüssiger Form bevorrateter Wasserstoff eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel für die im Abgas des Verbrennungsmotors (1) vorhandenen

Stickoxide ausschließlich das ammoniakhaltige Reduktionsmittel eingesetzt wird.

10. Wasserstoffmotor (1) mit angeschlossener Abgasreinigungsanlage (2) mit einem SCR-Katalysator (4) sowie einer Dosiereinheit (5) zur Zufuhr eines Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels in ein vom Wasserstoffmotor (1) abgegebenes Abgas eingangsseitig des SCR-Katalysators (4) und mit einer Steuereinheit (10) zur Ermittlung einer Dosiermenge des Reduktionsmittels zur Reduktion von im

Abgas des Wasserstoffmotors (1) vorhandenen Stickoxiden

dadurch gekennzeichnet, dass

Mittel zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoffverhältnisses X eines im Wasserstoffmotor (1) verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches vorgesehen sind, wobei die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors (1) die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis A zu

ermitteln.

11. Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, bei einem Absinken des ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnisses X unter einen vorgebbaren \-Schwellenwert (As) und/oder bei Vorliegen einer einen vorgebbaren Grenzwert überschreitenden Stickoxid-Rohemission des Wasserstoffmotors (1) die Dosiermenge basierend

auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis zu ermitteln.

12. Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasreinigungsanlage (2) stromauf des SCR-Katalysators (4) ein Stickoxidsensor (6) vorgesehen ist und die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, in einem vorgebbaren A-Bereich oberhalb des \-Schwellenwerts (As) die Dosier-

menge basierend auf einem Signal des Stickoxidsensors (6) zu ermitteln.

13. Wasserstoffmotor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffmotor (1) als Verbrennungsmotor mit Funkenzündung

ausgebildet ist. 14. Wasserstoffmotor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass

für den Wasserstoffmotor (1) Flüssig-Wasserstoff als Kraftstoff vorgesehen ist.

15. Wasserstoffmotor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, dass

als Reduktionsmittel zur Reduktion von im Abgas des Wasserstoffmotors (1) vorhandenen Stickoxiden ausschließlich das Ammoniak enthaltende Redukti-

onsmittel vorgesehen ist.

Claims (13)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus einem Abgas eines mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors (1) mit einer einen SCRKatalysator (4) aufweisenden, an den Verbrennungsmotor (1) angeschlossenen Abgasreinigungsanlage (2), wobei ein Luft-Kraftstoffverhältnis A eines im Verbrennungsmotor (1) verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches ermittelt wird und bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors (1) die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten LuftKraftstoffverhältnis A ermittelt und eine Dosiermenge eines dem Abgas eingangs des SCR-Katalysators (4) zuzuführenden ammoniakhaltigen Reduktionsmittels ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors (1), welche ein Absinken des ermittelten LuftKraftstoffverhältnisses X unter einen vorgebbaren \-Schwellenwert (As) umfassen, die Dosiermenge für das ammoniakhaltige Reduktionsmittel basierend

auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis X\ ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

der \-Schwellenwert (As) etwa 2,5 oder weniger beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines unterhalb des \-Schwellenwerts (As) liegenden Luft-Kraftstoffverhältnisses basierend auf einer Kennlinie (13), welche eine StickoxidRohemission des Verbrennungsmotors (1) in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoffverhältnisses wiedergibt, eine Dosiermenge ermittelt wird, welche ausreicht, eine wenigstens weitgehende Reduktion einer sich anhand der Kennlinie (13) aus dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis ergebenden Stickoxidmenge im

Abgas am SCR-Katalysator (4) zu ermöglichen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

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dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren oder vorgegebenen Betriebsbedingungen das Vorliegen einer einen vorgebbaren Grenzwert überschreitenden Stickoxid-Rohemission des

Verbrennungsmotors (1) umfassen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) zumindest überwiegend mit einem mageren Luft-

Kraftstoffgemisch betrieben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

als Kraftstoff in flüssiger Form bevorrateter Wasserstoff eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel für die im Abgas des Verbrennungsmotors (1) vorhandenen

Stickoxide ausschließlich das ammoniakhaltige Reduktionsmittel eingesetzt wird.

8. Wasserstoffmotor (1) mit angeschlossener Abgasreinigungsanlage (2) mit einem SCR-Katalysator (4) sowie einer Dosiereinheit (5) zur Zufuhr eines Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels in ein vom Wasserstoffmotor (1) abgegebenes Abgas eingangsseitig des SCR-Katalysators (4) und mit einer Steuereinheit (10) zur Ermittlung einer Dosiermenge des Reduktionsmittels zur Reduktion von im Abgas des Wasserstoffmotors (1) vorhandenen Stickoxiden, wobei Mittel zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoffverhältnisses X eines im Wasserstoffmotor (1) verbrannten Luft-Kraftstoffgemisches vorgesehen sind, wobei die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen vorgebbarer oder vorgegebener Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors (1) die Dosiermenge basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis A zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, bei einem Absinken des ermittelten

Luft-Kraftstoffverhältnisses X unter einen vorgebbaren \-Schwellenwert (As) die

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Dosiermenge des Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels basierend auf dem

ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis \ zu ermitteln.

9. Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen einer einen vorgebbaren Grenzwert überschreitenden Stickoxid-Rohemission des Wasserstoffmotors (1) die Dosiermenge für das ammoniakhaltige Reduktionsmittel basierend auf dem ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis zu

ermitteln.

10. Wasserstoffmotor (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasreinigungsanlage (2) stromauf des SCR-Katalysators (4) ein Stickoxidsensor (6) vorgesehen ist und die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, in einem vorgebbaren A-Bereich oberhalb des \-Schwellenwerts (As) die Dosier-

menge basierend auf einem Signal des Stickoxidsensors (6) zu ermitteln.

11. Wasserstoffmotor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffmotor (1) als Verbrennungsmotor mit Funkenzündung

ausgebildet ist.

12. Wasserstoffmotor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass

für den Wasserstoffmotor (1) Flüssig-Wasserstoff als Kraftstoff vorgesehen ist.

13. Wasserstoffmotor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel zur Reduktion von im Abgas des Wasserstoffmotors (1) vorhandenen Stickoxiden ausschließlich das Ammoniak enthaltende Redukti-

onsmittel vorgesehen ist.

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