DE102004028651A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Reformer (11) zur Erzeugung von Wasserstoff, wobei der Reformer (11) eine einzige Betriebsstufe aufweist, bei welcher er soviel oder mehr Reformat erzeugt als für die maximal anfallende Abgasmenge zur Reinigung benötigt wird, wobei ausgangsseitig des Reformers (11) eine Verteilereinrichtung (10) angeordnet ist, wobei die Verteilereinrichtung (10) ausgangsseitig an einen Ansaugstrang (3) der Brennkraftmaschine (1) und an einen Ammoniakerzeuger (9) angeschlossen ist, wobei der Ammoniakerzeuger (9) ausgangsseitig stromauf eines SCR-Katalysators (8) an einen Abgasstrang (4) der Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist, wobei die Verteilereinrichtung (10) das Reformat in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) zwischen dem Ansaugstrang (3) und dem Ammoniakerzeuger (9) aufteilt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff.
  • Es ist allgemein bekannt, Reformer bei der Abgasnachbehandlung, insbesondere von Dieselmotorabgasen, einzusetzen. Ihre Aufgabe besteht darin, Wasserstoff zu erzeugen, welcher z.B. in weiteren Schritten zu Ammoniak umgewandelt wird. Hierzu wird Brennstoff, z.B. Diesel, mit Luft durchmischt und gelangt in einen autothermen Reaktor, der weitgehend ohne externe Beheizung arbeitet. Dort bildet sich bei ca. 700° ein Gasgemisch, das vor allem Wasserstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser enthält. Das in weiteren Schritten aus dem Wasserstoff erzeugte Ammoniak kann in einem speziell dafür ausgelegten Katalysator (SCR-Katalysator, wobei SCR für selektive katalytische Reduktion steht) in den Abgasen vorhandene Stickoxide in die harmlosen Stoffe Stickstoff und Wasser umwandeln. Generell ist es hierbei bekannt, derartige Reformer im Vollstrom, Teilstrom (Bypass) oder Zwischen Saug- und Abgasseite des Motors anzuordnen.
    •
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine mit einem Reformer eingangs erwähnter Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere auch schnelle und hohe Lastspreizungen der dynamisch betriebenen Brennkraftmaschine zuverlässig abdeckt und dennoch preiswert realisierbar ist.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Brennkraftmaschine einen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff vorzusehen, welcher eine einzige Betriebsstufe aufweist, bei welcher er soviel oder mehr Reformat erzeugt als für die maximal anfallende Abgasmenge zur Reinigung benötigt wird. Ausgangsseitig des Reformers ist dabei eine Verteilereinrichtung angeordnet, welche ihrerseits ausgangsseitig sowohl an einen Ansaugstrang der Brennkraftmaschine als auch an einen Ammoniakerzeuger angeschlossen ist. Der Ammoniakerzeuger ist ausgangsseitig stromauf eines SCR-Katalysators an einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Die Verteilereinrichtung teilt dabei (in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine) das Reformat zwischen dem Ansaugstrang und dem Ammoniakerzeuger auf.
  • Da der Reformer lediglich eine einzige Betriebsstufe aufweist, kann die ihm nachgeschaltete Verteilereinrichtung durch eine bedarfsgerechte Aufteilung des Reformats zwischen dem Ansaugstrang und dem Ammoniakerzeuger in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine sehr schnelle und sehr hohe Lastspreizungen beherrschen. Es steht dabei stets Reformat zur Abgasreinigung in ausreichender Menge zur Verfügung, so dass lediglich durch die bedarfsgerechte Aufteilung zwischen Abgasstrang und Ansaugstrang einem Stickoxidausstoß der dynamisch betriebenen Brennkraftmaschine gefolgt werden kann. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung des Reformers bzw. der Verteilereinrichtung in der Lage, hohen Drucksprüngen folgen zu können, wobei insbesondere bei einem Abgassystem mit einem Partikelfilter eine zugehörige Eduktversorgung bei allen Betriebszuständen, also auch bei Lastspitzen, gewährleistet werden kann. Durch die konstante Reformaterzeugung wird eine vereinfachte Betriebsweise erreicht, wodurch auch eine einfachere Ausführung des Reformers bzw. einer Luft- und Brennstoffversorgung erreicht werden kann. In einem unteren Lastbereich, in welchem der Reformer mehr Reformat erzeugt als für die Abgasreinigung benötigt wird, wird der nicht benötigte Reformatstrom dem Ansaugstrang der Brennkraftmaschine zugeführt und somit durch die Verbrennung in der Brennkraftmaschine in mechanische Leistung umgesetzt, so dass bei einer entsprechenden Berücksichtigung bei der Brennstoffversorgung der Brennkraftmaschine im wesentlichen kein Verbrauchsanstieg gegenüber einem modulierbaren Reformer zu erwarten ist.
  • Zweckmäßig ist der Reformer ein partieller Oxidations-Reformer (POX-Reformer). Derartige POX-Reformer sind seit langem bewährt und verbessern die Kaltstartfähigkeit der Brennkraftmaschine, wodurch ein schonenderes Warmlaufen der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem Reformer und der Verteilereinrichtung und/oder zwischen der Verteilereinrichtung und dem Ammoniakerzeuger und/oder zwischen der Verteilereinrichtung und dem Ansaugstrang ein Kühler angeordnet. Der Kühler ist dabei vorzugsweise in einen Heizkreis zur Aufheizung der Brennkraftmaschine und/oder eines Innenraums eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahrzeugs und/oder eines Oxidationskatalysators des Abgasstrangs beim Kaltstart eingebunden. Die Anordnung des Kühlers zwischen dem Reformer und der Verteilereinrichtung gemäß der ersten Alternative ermöglicht dabei die Temperierung des im Reformer erzeugten Reformats auf eine für nachfolgende Prozessschritte, wie beispielsweise die Ammoniakerzeugung, optimale Temperatur. Gleichzeitig wird bereits der Verteilereinrichtung das temperierte Reformat zugeführt, so dass dieses mit optimaler Temperatur zwischen dem Abgasstrang und dem Ansaugstrang der Brennkraftmaschine aufgeteilt werden kann.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Einleitung des Reformats in den Ansaugstrang stromauf eines Laders. Hierdurch erfolgt eine bedarfsgerechte Einleitung des im Reformer erzeugten Refor mats, welches beispielsweise zusätzlich richtig temperiert ist, in den Ansaugstrang der Brennkraftmaschine. Als Lader kann beispielsweise ein durch Verbrennungsabgase fluidisch angetriebener Turbolader oder ein mechanisch angetriebener Kompressor vorgesehen sein, welche beide die Aufgabe haben, angesaugte Frischluft zu verdichten und in verdichteter Form der Brennkraftmaschine zuzuführen.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    •
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Dabei zeigt die einzige 1 eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäß angeordneten und ausgebildeten Reformer.
  • Entsprechend 1 weist eine Brennkraftmaschine 1 einen Motor oder Motorblock 2 mit einem eingangsseitig daran angeschlossenen Ansaugstrang 3 und einem ausgangsseitig daran angeschlossenen Abgasstrang 4 auf. Die Brennkraftmaschine 1 kann beispielsweise in ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug eingebaut sein bzw. dieses antreiben. Im Ansaugstrang 3 ist vorzugsweise ein Lader 5 angeordnet, der hier als Abgasturbolader ausgestaltet ist und dementsprechend antriebsseitig an den Abgasstrang 4 eingebunden ist. Der Lader 5 kann alternativ als mechanisch, z.B. von der Brennkraftmaschine 1 angetriebener Kompressor ausgebildet sein. Der Lader 5 dient in bekannter Weise der Verdichtung von dem Motorblock 2 zugeführter Frischluft, wodurch eine Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine 1 erzielt werden kann.
  • Stromab des Laders 5 kann im Abgasstrang 4 ein Oxidationskatalysator 6 angeordnet sein, welcher eine Abgasreinigung in Form einer Minderung einer Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emission bewirkt, indem diese Stoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden.
  • Ausgangsseitig des Oxidationskatalysators 6 kann stromab im Abgasstrang 4 ein Partikelfilter 7, insbesondere ein Rußfilter, angeordnet sein, welches feine im Abgas vorhandene Partikel, insbesondere Rußpartikel, herausfiltert und damit deren Freisetzung verhindern soll. Weiter stromab im Abgasstrang 4 kann nach dem Partikelfilter 7 ein SCR-Katalysator 8 angeordnet sein, welcher die im Abgas vorhandenen Stickoxide zu Wasser und Luftstickstoff reduziert. Zur chemischen Reduktion der Stickoxide zu Wasser und Stickstoff wird zusätzlich Ammoniak benötigt, welches gemäß 1 von einem Ammoniakerzeuger 9 generiert wird und dem Abgasstrang 4 stromauf des SCR-Katalysators 8, zweckmäßig stromab des Partikelfilters 7 zugesetzt wird.
  • Der Ammoniakerzeuger 9 ist eingangsseitig mit einer Ausgangsseite einer Verteilereinrichtung 10 verbunden, welcher die Aufgabe zufällt, einen Reformatstrom zwischen dem Ammoniakerzeuger 9, d.h. zwischen dem Abgasstrang 4 einerseits und dem Ansaugstrang 3 andererseits bedarfsgerecht aufzuteilen.
  • Hierzu ist die Verteilereinrichtung 10 eingangsseitig mit einer Ausgangsseite eines Reformers 11 strömungsverbunden und ausgangsseitig sowohl mit dem Ansaugstrang 3 als auch mit dem Ammoniakerzeuger 9 und über diesen mit dem Abgasstrang 4. Der Reformer 11 ist so gestaltet, dass er Wasserstoff erzeugen kann, der beispielsweise in nachfolgenden Schritten im Ammoniakerzeuger 9 zu Ammoniak umgewandelt wird. Die zur Erzeugung des Reformats, d.h. des Wasserstoffs, benötigten Ausgangsstoffe, nämlich Luft und Brennstoff, werden dem Reformer 11 gemäß 1 von einem Gebläse 13 sowie einer Brennstoffversorgung 14 zugeführt.
  • Im Unterschied hinsichtlich ihrer Leistung zu herkömmlichen, steuerbaren bzw. modulierbaren Reformern, welche sehr schnelle und sehr hohe Lastspreizungen beherrschen müssen, da diese dem Stickoxidausstoß der dynamisch betriebenen Brennkraftmaschine folgen müssen, ist bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 vorgesehen, dass der Reformer 11 nur eine einzige Betriebsstufe aufweist, bei welcher er soviel oder mehr Reformat erzeugt, als er für die maximal anfallende Abgasmenge zur Reinigung benötigt. Der Verteilereinrichtung 10 kommt dabei die Aufgabe zu, das Reformat in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1 zwischen dem Ansaugstrang 3 und dem Ammoniakerzeuger 9 aufzuteilen. Der Vorteil liegt neben einer einfacheren und somit preiswerteren Ausführung des Reformers 11 bzw. des Gebläses 13 und der Brennstoffversorgung 14 in einer vereinfachten, statischen Betriebsweise durch die konstante Reformaterzeugung. Der nicht für die Abgasreinigung benötigte (Teil-)Strom des Reformats wird durch die Verbrennung im Motorblock 2 in mechanische Leistung umgesetzt, so dass kein Verbrauchsanstieg gegenüber einem modulierenden Reformer vorhanden ist, sofern die Reformateinspeisung beim Betrieb einer Brennstoffeinspritzanlage entsprechend berücksichtig wird. Hierzu ist die Verteilereinrichtung 10 mit einer entsprechenden, hier nicht gezeigten Steuerung der Einspritzanlage in geeigneter Weise gekoppelt.
  • Der Reformer 11 kann beispielsweise als partieller Oxidations-Reformer (POX-Reformer) ausgebildet sein. Ein derartiger POX-Reformer oxidiert die im Brennstoff vorhandenen Kohlenwasserstoffe in einer katalytischen oder thermischen Reaktion zusammen mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Die hierfür notwendige Energie wird normalerweise durch Verbrennung (Oxidation) eines Teils der Kohlenwasserstoffe im Prozess selbst bereit gestellt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist denkbar, dass zwischen dem Reformer 11 und der Verteilereinrichtung 10 und/oder zwischen der Verteilereinrichtung 10 und dem Ammoniakerzeuger 9 und/oder zwischen der Verteilereinrichtung 10 und dem Ansaugstrang 3 ein Kühler 15 angeordnet ist. Da es sich hierbei um eine fakultative Lösungsmöglichkeit handelt, ist der Kühler 15 gemäß 1 unterbrochen gezeichnet dargestellt. Der Kühler 15 kann beispielsweise in einen nicht dargestellten Heizkreis zur Aufheizung der Brennkraftmaschine 1 und/oder eines Innenraums eines mit der Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten Fahrzeugs und/oder eines Oxidationskatalysators 6 des Abgasstrangs 4 beim Kaltstart eingebunden sein. Beim „Heizkreis" handelt es sich zweckmäßig um den ohnehin vorhandenen „Kühlkreis" der Brennkraftmaschine 1 zur Kühlung des Motorblocks 2 im Warmbetrieb. Der Kühler 15 zwischen der Verteilereinrichtung 10 und dem Ammoniakerzeuger 9 kann zur Temperierung des von der Verteilereinrichtung 10 an den Ammoniakerzeuger 9 abgegebenen Reformatstroms dienen.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Verteilereinrichtung 10 ausgangsseitig außerdem an einen Brenner 16 angeschlossen sein, wobei das Reformat in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1 nunmehr zwischen dem Ansaugstrang 3 dem Ammoniakerzeuger 9 und dem Brenner 16 aufgeteilt wird. Denkbar ist hierbei, dass beim Kaltstart dem Brenner 16 ganz oder teilweise der Reformatstrom zugeführt und dort verbrannt wird und über einen Wärmetauscher (Kühler) die dabei entstehende Verbrennungswärme einem entspre chenden Heizkreis zur Beheizung des Motorblocks 2 bzw. der Brennkraftmaschine 1 und/oder eines mit der Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten Fahrzeugs zugeführt wird. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 treten gewöhnlich keine hohe Stickoxidemissionen auf, so dass das Reformat vollständig dem Brenner 16 mit dem zugehörigen nicht dargestellten Wärmetauscher zugeführt werden kann.
  • In einer weiteren, nicht gezeigten Ausbaustufe, kann das System mit dem Brenner 16 auch zur Standheizung aufgerüstet werden. Der Brenner 16 hat den weiteren Vorteil, dass er im Falle eines Schiebebetriebs des Fahrzeugs, in welchem keine Freisetzung von mechanischer Leistung erwünscht ist, das erzeugte Reformat verbrennen kann. Im Winter kann diese Verbrennungswärme dazu genutzt werden, die mit einem Schiebebetrieb des Fahrzeugs oftmals einhergehende Auskühlung des Motor-Kühlkreises, z.B. bei langen Bergabfahrten, ganz oder teilweise zu kompensieren und dadurch einen hohen Heizkomfort aufrecht zu erhalten.
  • Mit dem Brenner 16 oder einem zusätzlichen nicht eingezeichneten Brenner kann beispielsweise beim Kaltstart auch ein Abgasnachbehandlungssystem, beispielsweise der Katalysator 6, beheizt werden, so dass dieser rascher seine Betriebstemperatur erreicht. Die Brennerabwärme kann natürlich auch dazu verwendet werden, die Regeneration des eventuell vorhandenen Partikelfilters 7 zu unterstützen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann auch vorgesehen sein, dass der Lader 5 zur Frischluftversorgung des Reformers 11 genutzt wird. Hierbei kann druckseitig des Laders 5 ein Teilstrom verdichteter Ansaugluft abgezweigt werden, die dem Reformer 11 über eine Zuführungsleitung 17 zugeführt wird. Günstigerweise kann dabei das Gebläse 13 entfallen bzw. durch die Zuführungsleitung 17 ersetzt werden, wodurch sich eine konstruktive Vereinfachung und zugleich eine preisgünstige Variante ergibt.
  • Zusammenfassend lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt charakterisieren: Die Erfindung sieht vor, bei einer Brennkraftmaschine 1 einen Reformer 11 mit einer einzigen Betriebsstufe vorzusehen, bei welcher er soviel oder mehr Reformat erzeugt als für die maximal anfallende Abgasmenge zur Reinigung benötigt wird. Der Reformer 11 ist dabei ausgangsseitig mit einer Eingangsseite einer Verteilereinrichtung 10 strömungsverbunden, welche den Reformatstrom bedarfsgerecht, d.h. in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1, ausgangsseitig zwischen dem Ansaugstrang 3 und dem Ammoniakerzeuger 9 aufteilt.
  • Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil einer einfachen Ausführung von Reformer 11, mit einer vereinfachten Betriebsweise durch eine konstante Reformaterzeugung und gleichzeitig eine Umsetzung des nicht für die Abgasreinigung benötigten Reformatstromanteil in mechanische Leistung durch die Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1. Hierdurch wird ein besonders kontinuierlicher Reformerbetrieb erreicht, ohne dass ein wesentlicher Verbrauchsanstieg gegenüber einem modulierenden Reformer zu beobachten ist.

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Reformer (11) zur Erzeugung von Wasserstoff, – wobei der Reformer (11) eine einzige Betriebsstufe aufweist, bei welcher er soviel oder mehr Reformat erzeugt als für die maximal anfallende Abgasmenge zur Reinigung benötigt wird, – wobei ausgangsseitig des Reformers (11) eine Verteilereinrichtung (10) angeordnet ist, – wobei die Verteilereinrichtung (10) ausgangsseitig an einen Ansaugstrang (3) der Brennkraftmaschine (1) und an einen Ammoniakerzeuger (9) angeschlossen ist, – wobei der Ammoniakerzeuger (9) ausgangsseitig stromauf eines SCR-Katalysators (8) an einen Abgasstrang (4) der Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist, – wobei die Verteilereinrichtung (10) so ausgestattet ist, dass sie das Reformat in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1) zwischen dem Ansaugstrang (3) und dem Ammoniakerzeuger (9) aufteilt.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (11) ein partieller Oxidations-Reformer (POX-Reformer) ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen dem Reformer (11) und der Verteilereinrichtung (10) ein Kühler (15) angeordnet ist und/oder – dass zwischen der Verteilereinrichtung (10) und dem Ammoniakerzeuger (3) ein Kühler (15) angeordnet ist und/oder – dass zwischen der Verteilereinrichtung (10) und dem Ansaugstrang (3) ein Kühler (15) angeordnet ist.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (15) in einen Heizkreis zur Aufheizung der Brennkraftmaschine (1) und/oder eines Innenraums eines mit der Brennkraftmaschine (1) ausgestatteten Fahrzeugs und/oder eines Oxidations-Katalysators (6) des Abgasstrangs (4) beim Kaltstart eingebunden ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinrichtung (10) ausgangsseitig außerdem an einen Brenner (16) angeschlossen und so ausgestaltet ist, dass sie das Reformat in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zwischen dem Ansaugstrang (3), dem Ammoniakerzeuger (9) und dem Brenner (16) aufteilt.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (16) zum Aufheizen zumindest einer der folgenden Einrichtungen in einen Heizkreis eingebunden ist: Brennkraftmaschine (1), Innenraum eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahrzeugs, Oxidations-Katalysator (6), Partikelfilter (7).
  7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (11) ausgangsseitig stromauf eines Laders (5) an den Ansaugstrang (3) angeschlossen ist.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (5) ein Turbolader oder ein Kompressor ist.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Ammoniakerzeuger (9) eine Ammoniakeinleitung in den Abgasstrang (4) stromab eines Oxidations-Katalysators (6) und/oder stromab eines Partikelfilters (7) erfolgt.
  10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Frischluftversorgung des Reformers (11) ein Teilstrom verdichteter Ansaugluft dient, die dem Reformer (11) über eine Zuführungsleitung (17) zugeführt wird, die druckseitig des Laders (5) abzweigt.
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