DE102006046983B4

DE102006046983B4 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschine, Vorrichtung zur Gewinnung thermischer Energie

Info

Publication number: DE102006046983B4
Application number: DE102006046983.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Deml; Dr. Götte Carsten
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2026-10-05
Also published as: US8116960B2; US20090312934A1; WO2008040570A1; EP2016262A1; DE102006046983A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschine in einem Kraftfahrzeug, wobei die Konzentration mindestens eines bei der Verbrennung eines Brennstoffs in der Verbrennungsmaschine erzeugten Schadstoffs in dem Medium der unmittelbaren Umgebung des Kraftfahrzeugs, an das die Verbrennungsmaschine die Verbrennungsabgase, die Schadstoffe enthalten, direkt abgibt, erfasst wird und der Betrieb der Verbrennungsmaschine derart geregelt wird, dass eine Kenngröße der Verbrennungsmaschine nach Maßgabe der erfassten Konzentration so eingestellt wird, dass der Ausstoß des mindestens einen Schadstoffs vermindert wird, indem bei Überschreiten der Konzentration des mindestens einen Schadstoffs über einen vorgegebenen oberen Grenzwert die Leistung der Verbrennungsmaschine reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschine und eine Vorrichtung zur Gewinnung thermischer Energie in einem Kraftfahrzeug.
Mit dem vermehrten Einsatz von elektrischen und elektronischen Bauteilen im Kraftfahrzeug steigt auch der Bedarf an elektrischer Energie. Im laufenden Betrieb eines Kraftfahrzeugs wird der elektrische Energiebedarf im Wesentlichen über einen Generator (Lichtmaschine), der mit der zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendeten Brennkraftmaschine verbunden ist, gedeckt.
Der Verbrauch an elektrischer Energie ist jedoch nicht mit dem Abstellen des Kraftfahrzeugs beendet. Vielmehr besteht auch im so genannten Key-Off-Zustand (Stand-By-Zustand) der Bedarf, das Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen. Auch im Key-Off-Zustand, d.h. bei ausgeschalteter Zündung, verbrauchen beispielsweise Alarmanlage, Standheizung, Uhr, Datenspeicher, Automobiltelefon, Wegfahrsperre, Schliesseinrichtung oder Beleuchtung weiterhin elektrische Energie. Üblicherweise wird dieser Energiebedarf über die Autobatterie gedeckt.
Diese Autobatterie wird allerdings vor allem dann sehr stark belastet, wenn eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern im Key-Off-Zustand Leistung verbrauchen. Mit steigendem Energieverbrauch dieser Verbraucher im Key-Off-Zustand sinkt somit auch die Standzeit des Kraftfahrzeuges. Mit der Standzeit ist die Zeit bezeichnet, in der alle Funktionen des Kraftfahrzeuges noch sicher aufrecht erhalten werden können, ohne dass die Autobatterie zu weit entladen ist, um ordnungsgemäße Funktionen des Kraftfahrzeuges nicht mehr zu gewährleisten. Insbesondere muss die Autobatterie eine solche Restladung aufweisen, um vor allem den Starter zum Starten der Brennkraftmaschine mit Energie zu versorgen. Es besteht in einem Kraftfahrzeug daher immer der Bedarf dessen Standzeit möglichst groß zu halten und dennoch möglichst alle Funktionen im Key-Off-Zustand beizubehalten.
Damit die Standzeit eines KFZ erhöht wird, ohne ein Entladen der Autobatterie zu verursachen, kann eine Hilfsstromversorgung für das Bordnetz, wie beispielsweise ein katalytischer Mikrobrenner, in das KFZ eingebaut werden. Die Abwärme des Mikrobrenners wird über einen angeschlossenen Thermogenerator in elektrische Energie umgewandelt, die u. a. zur Versorgung des Bordnetzes im Key-Off-Zustand dient.
Beim Betrieb einer Verbrennungsmaschine, die beispielsweise in Form eines Mikrobrenners ausgestaltet sein kann, entstehen bei der Verbrennung der verwendeten Energieträger, wie beispielsweise Diesel oder Benzin, Abgase, die in an die Umgebung abgegeben werden. Ein Mikrobrenner kann beispielsweise verwendet werden, um über einen angeschlossenen Thermogenerator die vom Mikrobrenner erzeugte thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, die wiederum zur Versorgung elektrischer und elektronischer Komponenten im Kraftfahrzeug dient oder in das Bordnetz eingespeist wird.
Die entstehenden Abgase enthalten neben unschädlichen Gasen, wie Wasserdampf, zum Teil auch mehr oder weniger schädliche Gase, wie beispielsweise Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid und auch Kohlendioxid. Unter schädlichen Gasen soll hier ein Gas verstanden werden, das Schadstoffe enthält. Schadstoffe sind Stoffe, die beispielsweise einen Menschen in seiner Gesundheit beeinträchtigen, oder auch auf andere Lebewesen einen schädigenden Einfluss nehmen. Auch partikelförmige Materie, wie beispielsweise Ruß, trägt zur Verschmutzung der Umgebung und damit zu einer möglichen Schädigung bei, wenn er in nennenswerter Menge bei der Verbrennung erzeugt wird. Bei Betrieb der Verbrennungsmaschine in geschlossenen, schlecht belüfteten Räumen, wie beispielsweise einer Garage, kann es dazu kommen, dass die Konzentration einzelner Schadstoffe, insbesondere bei einem längeren Betrieb, zulässige Grenzwerte überschreitet. Die Grenzwerte werden beispielsweise so festgelegt, dass unterhalb eines solchen Grenzwertes eine Schädigung durch die Schadstoffe auf den Organismus eines Menschen oder eines anderen Lebewesens nicht nachweisbar ist. Der Aufenthalt in einem Raum mit hoher Schadstoffkonzentration kann dann zu Schädigungen des Lebewesens führen. Besonders kritisch ist es, wenn bei der Verbrennung sogar letale Schadstoffkonzentrationen entstehen.
Für solche schädlichen Gase oder Schadstoffe bestehen teilweise gesetzliche Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen, oder denen ein Mensch nicht über einen längeren Zeitraum ausgesetzt werden soll. Ein anerkannter Grenzwert für die Schadstoffbelastung über einen längeren Zeitraum ist die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) eines Schadstoffs.
Zur Reduzierung der Konzentration von Schadstoffen in der unmittelbaren Umgebung einer Verbrennungsmaschine, um somit das Leben und die Gesundheit von Personen nicht zu gefährden, ist bisher keine Lösung vorgesehen. Lediglich passive Systeme, die einen Alarm abgeben, wenn eine Schadstoffkonzentration in einem Raum überschritten wird, sind bekannt.
Die DE 40 14 499 C2 offenbart eine Fahrzeugheizungsanlage mit einem motorunabhängig betreibbaren Heizgerät, das über eine Steuereinrichtung betreibbar ist, wobei im Fahrzeuginnenraum ein Sensor zur ständigen Erfassung und Überwachung der Konzentration wenigstens eines Raumluftbestandteils beim Betreiben der Fahrzeugheizungsanlage angeordnet ist, und der Sensor mit dem Heizgerät über eine Auswerteeinrichtung derart verbunden ist, dass diese bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes der Konzentration des überwachten Raumluftbestandteils die Verbrennungsmaschine ausschaltet.
In der DE 35 26 462 A1 ist ein Apparat und ein Verfahren zur gesteuerten Zuführung von Außenluft in Fahrzeugkabinen in Abhängigkeit von Schadstoffen der Außenluft beschrieben, wobei darauf verwiesen wird, einen schadstoffempfindlichen Innenraumsensor, der an einem Ort anzubringen ist, der als repräsentativ für die Qualität der Luft im Innenraum zu gelten hat, zu verwenden und diesen mit einer nachgeschalteten Auswerte- und Steuerelektronik zu versehen.
Aus der DE 195 05 864 C2 ist die drahtlose Übertragung von Sensorsignalen bekannt. Es werden Temperatursensoren mit Sendern für elektromagnetische Wellen zur Signalübertragung in Müllbunkern von Müllverbrennungsanlagen beschrieben.
Aus der DE 102 10 035 A1 ist ein Fahrzeug mit einem mobilen Heizgerät bekannt, bei dem insgesamt geringe Abgasschadstoffwerte durch eine geregelte Verbrennung mit optimierten Brennwerten erzielt werden sollen. Hierzu wird die Verwendung eines mit dem Steuergerät betrieblich gekoppelten Verbrennungsgütesensors zur Diagnose der Verbrennungsgüte am Brenner vorgeschlagen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des mobilen Heizgeräts ist der Verbrennungsgütesensor an der Abgasleitung angeordnet. Bei einem derartigen Heizgerät wird ein Dosierventil vom Steuergerät automatisch mehr geöffnet, wenn der Verbrennungsgütesensor Abgaswerte einer zu mageren Verbrennung signalisiert, und schließt mehr, sobald die Abgaswerte eine zu fette Verbrennung anzeigen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Betrieb einer Verbrennungsmaschine eine schädliche Schadstoffkonzentration möglichst zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 und/oder durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Demgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschine vorgesehen, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Verbrennungsmaschine zur Erzeugung thermischer Energie; Betreiben der Verbrennungsmaschine, bei dem Brennstoffe zur Gewinnung der thermischen Energie verbrannt werden und wobei die Verbrennung Schadstoffe erzeugt, die an die Umgebung abgegeben werden; Erfassen der Konzentration mindestens eines Schadstoffs in der Umgebung der Verbrennungsmaschine; Regeln des Betriebs der Verbrennungsmaschine, bei dem eine Kenngröße der Verbrennungsmaschine nach Maßgabe der erfassten Konzentration so eingestellt wird, dass der Ausstoß des Schadstoffs vermindert wird.
Zudem ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von thermischer Energie vorgesehen, die eine Verbrennungsmaschine zur Erzeugung von thermischer Energie, die dabei zusätzlich einen Schadstoff erzeugt, eine Einrichtung zum Erfassen einer Konzentration mindestens eines Schadstoffs und eine Regeleinrichtung zum Regeln der Verbrennungsmaschine umfasst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, die Schadstoffkonzentration in der Umgebung einer Verbrennungsmaschine durch Regeln des Verbrennungsvorgangs unterhalb eines unkritischen Wertes zu halten. Als unkritisch werden solche Werte betrachtet, unterhalb derer kein Schaden beispielsweise für einen Menschen nachweisbar ist.
Der Verbrennungsvorgang kann dabei in Abhängigkeit eines oder mehrerer Schadstoffe in der Umgebung geregelt oder auch gesteuert werden. Insbesondere bei einem fehlenden oder ungenügenden Austausch des Umgebungsmediums, wie beispielsweise der die Verbrennungsmaschine umgebenden Luft, kann durch die Abgabe von Schadstoffen in dieses Umgebungsmedium die Konzentration eines Schadstoffs in der Umgebung Werte erreichen, die für Lebewesen, wie beispielsweise einen Menschen, gefährlich sein könnten. Durch Anpassung des Verbrennungsvorgangs in der Verbrennungsmaschine bis hin zum Abschalten der Verbrennungsmaschine kann die Abgabe von Schadstoffen beeinflusst und insbesondere entsprechend verringert werden.
Der Erzeugung von Energie, die eigentlich die Hauptaufgabe der Verbrennungsmaschine darstellt, wird bei dieser Regelung eine geringere Priorität eingeräumt als der Einhaltung oder Erzielung bestimmter unkritischer Schadstoffkonzentrationen in dem Umgebungsmedium.
Das Verfahren ist somit insbesondere auf solche Bereiche anwendbar, bei denen die Bereitstellung von elektrischer oder mechanischer Energie nicht immer die oberste Priorität besitzt. Solche Bereiche können beispielsweise Systeme einschließen, in denen die Verbrennungsmaschine nicht die einzige Energiequelle darstellt, wie beispielsweise einem KFZ mit Hybridantrieb oder Standheizung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Im Folgenden soll unter dem Betriff „Umgebung“ die unmittelbare Umgebung der Verbrennungsmaschine verstanden werden. Zu dieser unmittelbaren Umgebung gehört das Medium, an das die Verbrennungsmaschine die Verbrennungsabgase, die Schadstoffe enthalten, direkt abgibt. Dieses Medium ist z. B. die umgebende Luft. Aber auch andere Medien sollen mitumfasst sein, wie beispielsweise das umgebende Wasser bei Betrieb der Verbrennungsmaschine auf einem Boot. Zur Umgebung können jedoch auch die umgebenden Begrenzungen, wie beispielsweise der Boden, auf dem eine Verbrennungsmaschine steht, und an den auch Schadstoffe abgegeben werden können, zählen.
Die Umgebung kann eine abgeschlossene Umgebung, eine quasi abgeschlossene Umgebung oder eine offene Umgebung sein. Bei einer abgeschlossenen Umgebung besteht kein Austausch mit weiteren Bereichen, die an die Umgebung angrenzen. Eine Abgabe von Schadstoffen führt daher bei einer abgeschlossenen Umgebung relativ schnell zu einer Konzentrationsänderung. Bei einer quasi abgeschlossenen Umgebung besteht eine geringe Austauschmöglichkeit mit angrenzenden Bereichen, oder die Umgebung besitzt ein Volumen, das groß genug ist, um eine gewisse Menge an Schadstoffen aufzunehmen, ohne eine nennenswerte Konzentrationsänderung zu zeigen, die jedoch keinen Austausch mit der Umgebung besitzt. Daher werden sich Konzentrationsänderungen in einer quasi abgeschlossenen Umgebung nur langsam ergeben. Eine offene Umgebung besitzt einen schnellen Austausch des Mediums mit weiteren Bereichen, sodass eine Konzentrationsänderung durch die Abgabe von Schadstoffen an die Umgebung vernachlässigt werden kann.
Beispiele für eine abgeschlossene Umgebung sind eine geschlossene Garage oder ein geschlossener Maschinenraum. Eine leicht geöffnete oder schwach belüftete Garage könnten ebenso als Beispiel für eine teilweise abgeschlossene Umgebung dienen, wie auch ein kleineres, abgeschlossenes Binnengewässer ohne Zu- oder Abfluss. Eine offene Umgebung stellen beispielsweise die freie Umgebung in der Natur oder auch größere Gewässer oder Meere dar. Insbesondere soll unter der Umgebung der Bereich verstanden werden, der die Verbrennungsmaschine umgibt, in der sich Lebewesen, insbesondere Menschen oder Tiere, aufhalten oder aufhalten können. Das umgebende Medium, an das die Schadstoffe abgebeben werden, gibt die Schadstoffe wiederum an die Lebewesen ab. Diese nehmen die Schadstoffe beispielsweise über die (Atem-)Luft auf.
In der Umgebung wird von einer annähernd konstanten Konzentration eines Schadstoffs ausgegangen, die sich zwar durch die weitere Zufuhr von Schadstoffen ändern kann, die jedoch innerhalb kurzer Messintervalle, wie beispielsweise innerhalb weniger Minuten, keine großen Konzentrationsunterschiede aufweist. Die Konzentration eines Schadstoffs ist am Auspuff einer Verbrennungsmaschine am größten, erreicht jedoch bei entsprechender Zirkulation des Umgebungsmediums eine annähernd konstante Konzentration. Diese durchschnittliche Konzentration eines Schadstoffs in der Umgebung wird als Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung angesehen. Die Konzentration eines Schadstoffs in der Umgebung soll nicht einem Maximalwert entsprechen, der lokal auftreten kann.
In einer Umgebung kann beispielsweise die Konzentration eines Schadstoffs stationär an einem repräsentativen Ort gemessen werden und an die Vorrichtung zur Gewinnung von thermischer Energie übermittelt werden. Ähnlich einem Brand- oder Feuermelder wird die Konzentration eines Schadstoffs nicht an der Quelle des Schadstoffs, d.h. am Ort der Verbrennung oder am Ort der Abgabe des Schadstoffs an die Umgebung, beispielsweise einem Auspuff, gemessen, sondern an einem Ort, der für die Messung einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung, die der Durchschnittskonzentration des Schadstoffs in der Umgebung entspricht oder dieser Durchschnittskonzentration nahe kommt, geeignet ist.
Unter einer „Brennkraftmaschine“ soll im folgenden eine Maschine verstanden werden, die über die Verbrennung eines Kraftstoffs oder Brennstoffs die entstehende thermische Energie unmittelbar in kinetische Energie umwandelt, die wiederum beispielsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen genutzt werden kann.
Der weitreichendere Begriff „Verbrennungsmaschine“ soll dabei sowohl eine Brennkraftmaschine umfassen, wie auch beispielsweise eine Maschine zur Erzeugung von thermischer Energie, wobei die thermische Energie entweder direkt, beispielsweise zum Heizen, oder indirekt durch Umwandlung in beispielsweise elektrische Energie genutzt wird. Allgemein soll unter einer Verbrennungsmaschine eine Maschine verstanden werden, in der kontrolliert eine Verbrennung eines Kraftstoffs stattfindet, wobei die Nutzung der entstehenden thermischen Energie auf die unterschiedlichsten Arten erfolgen kann.
Unter „thermischer Energie“ wird in diesem Zusammenhang die Erhöhung der thermischen Energie eines Mediums verstanden. Die bei der Verbrennung eines Kraftstoffs freigesetzte thermische Energie kann verwendet werden, um beispielsweise ein Medium wie Luft oder Wasser zu erwärmen. Die thermische Energie kann jedoch auch direkt in kinetische Energie umgewandelt werden.
Die Schadstoffe, die von einer Verbrennungsmaschine abgegeben werden, sind höchst unterschiedlich. Als „Schadstoff“ soll hier ein Stoff verstanden werden, der für ein Lebewesen, insbesondere für einen Menschen, schädliche Auswirkungen haben kann. Diese schädlichen Auswirkungen können bereits bei geringen Konzentrationen oder über einen kurzen Zeitraum erreicht werden, sie können jedoch auch erst nach Aussetzen über einen sehr langen Zeitraum oder bei sehr hohen Konzentrationen für ein Lebewesen schädlich sein. Zu den Schadstoffen können auch Gase gehören, die für ein Lebewesen in geringen Konzentrationen nicht schädlich sind, wie beispielsweise CO₂, das als Atemabgas von vielen Lebewesen selbst erzeugt wird. Die Schadstoffe können insbesondere aus der Gruppe, bestehend aus CO₂, CO, SO₂, SO₃, H₂S, NO₂, NO, N₂O, N₂O₄, NH₃, Ozon, Formaldehyd, Kohlenwasserstoffen und partikelförmiger Materien ausgewählt werden.
Der Nachweis eines Schadstoffs und die Ermittlung der Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung kann erfindungsgemäß über einen Sensor erfolgen. Bevorzugt wird ein Sensor für einen Schadstoff, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus CO₂, CO, SO₂, SO₃, H₂S, NO₂, NO, N₂O, N₂O₄, NH₃, Ozon, Formaldehyd, Kohlenwasserstoffen und partikelförmiger Materien verwendet, um die Konzentration eines Schadstoffs in der Umgebung zu erfassen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung wird die Konzentration eines Schadstoffs in der Umgebung der Verbrennungsmaschine gemessen und drahtlos an eine Einrichtung zum Erfassen der Konzentration des Schadstoffs in der Vorrichtung zur Gewinnung von thermischer Energie übermittelt. Die Messung der Konzentration eines Schadstoffes kann beispielsweise über eine stationäre Messeinrichtung an einem repräsentativen Ort erfolgen. Die Messeinrichtung stellt die Konzentrationsdaten dann über eine Funkverbindung der Erfassungseinrichtung und damit der Regeleinrichtung zur Verfügung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Leistung der Verbrennungsmaschine gedrosselt oder reduziert. Bei einer Reduzierung der Leistung wird der Ausstoß an Schadstoffen durch die Verbrennungsmaschine reduziert. Dadurch kann der Anstieg der Konzentration eines Schadstoffs in der Umgebung vermindert oder vollständig gestoppt werden. Dies kann bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts einer Konzentration eines Schadstoffs erfolgen. Ein Grenzwert für eine Konzentration wird vorher als solcher festgelegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der Schadstoffausstoß der Verbrennungsmaschine vollständig gestoppt werden, wenn die Verbrennungsmaschine ausgeschaltet wird. Dies kann bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts für die Konzentration eines Schadstoffs erfolgen. Der Grenzwert, bei dessen Überschreitung die Verbrennungsmaschine ausgeschaltet wird, kann gleich oder unterschiedlich zu dem Grenzwert sein, bei dem die Verbrennungsmaschine in ihrer Leistung gedrosselt wird.
Beispielsweise wird die Leistung der Verbrennungsmaschine bei Überschreiten eines ersten Grenzwertes für eine Konzentration mindestens eines Schadstoffs gedrosselt und bei Überschreiten eines weiteren Grenzwertes einer Konzentration mindestens eines Schadstoffs die Verbrennungsmaschine vollständig ausgeschaltet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Verbrennung des Kraftstoffs in der Verbrennungsmaschine derart angepasst werden, dass der Ausstoß eines oder mehrerer Schadstoffe vermindert wird. Bevorzugt kann dies durch Anpassung oder Änderung des Drucks, der Temperatur, der Luftzahl λ und/oder des Massestroms in der Verbrennungsmaschine erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennungsmaschine wieder auf ihre ursprüngliche Leistung hochgefahren bzw. wieder eingeschaltet, wenn die Konzentration des mindestens einen Schadstoffs unterhalb eines unteren Grenzwerts für eine Leistungsreduktion bzw. für das Ausschalten der Verbrennungsmaschine fällt. Der untere Grenzwert kann unter dem oberen Grenzwert liegen oder auch gleich dem oberen Grenzwert sein. Durch ein derartiges Verhalten wird sichergestellt, dass die Verbrennungsmaschine ihre Leistung immer bereitstellen kann, wenn die Konzentration des mindestens einen Schadstoffs in der Umgebung unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt.
Bevorzugt ist ein solcher Grenzwert für die Konzentration des mindestens einen Schadstoffs die maximale Arbeitsplatzkonzentration des Schadstoffs. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) gibt die maximal zulässige Konzentration eines Stoffes als Gas, Dampf oder Schwebstoff in der (Atem-)Luft am Arbeitsplatz an, bei der kein Gesundheitsschaden zu erwarten ist, auch wenn man der Konzentration in der Regel acht Stunden täglich bei maximal 40 Stunden in der Woche ausgesetzt ist. Die Grenzwerte können jedoch auch Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) oder biologische Grenzwerte (BGW) sein. Eine weitere bevorzugte Grenzkonzentration ist die maximale Immisionskonzentration (MIK) eines Schadstoffs.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Konzentration des mindestens einen Schadstoffs in der Luft, im Vakuum, im Wasser oder im Boden bestimmt.
Die Verbrennungsmaschine ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ein Mikrobrenner und insbesondere ein katalytischer Mikrobrenner. Die Aufgabe eines derartigen Mikrobrenners ist es, als Hilfsenergiequelle in beispielsweise einem KFZ zur Bereitstellung von elektrischer Energie zu dienen. Die von dem Mikrobrenner bereitgestellte thermische Energie kann von einem Thermogenerator in elektrische Energie umgewandelt werden. Die von einem Mikrobrenner bereitgestellte Wärmeenergie kann auch zum Heizen eines KFZ, d.h. als Standheizung, dienen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der folgenden Ausführungsbeispiele mit Verweis auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine Vorrichtung zur Gewinnung thermischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein KFZ mit einer Vorrichtung zur Gewinnung thermischer Energie gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.
Beispiel 1
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung thermischer Energie zur Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt in einer Umgebung 1 eine Verbrennungsmaschine 2, die bei Verbrennung von Kraftstoff einen Abgasstrom 3 an die Umgebung 1 abgibt. Dadurch wird die Konzentration von Schadstoffen, die von der Verbrennungsmaschine erzeugt und abgegeben werden, in der Umgebung 1 erhöht. Ein Sensor 4 misst die Konzentration eines oder mehrerer Schadstoffe in der Umgebung 1. Diese Werte werden an eine Regelelektronik 5 übermittelt. Bei Überschreiten eines Grenzwerts mindestens eines Schadstoffs wird die Leistung der Verbrennungsmaschine 2 reduziert. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbrennungsmaschine 2 nach Überschreiten eines Grenzwertes einer Konzentration des mindestens einen Schadstoffs ausgeschaltet werden.
Beispiel 2
2 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung thermischer Energie zur Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In 2 ist ein KFZ 6 gezeigt, in dem im Motorraum 8 eine Verbrennungsmaschine 2 angeordnet ist. Mit der Verbrennungsmaschine ist eine Regeleinrichtung 5 verbunden, über die der Betrieb der Verbrennungsmaschine geregelt wird. Die Regeleinrichtung ist zudem mit einem Sensor 4 verbunden.
Beim Betrieb der Verbrennungsmaschine wird ein Abgasstrom 3 in die Umgebung 1 abgegeben. Über den Sensor 4 wird die Konzentration eines Schadstoffs, beispielsweise CO₂, gemessen. Bei überschreiten eines oberen Grenzwertes für die Konzentration von CO₂ wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet. Durch die nicht mehr vorhandene Abgabe von CO₂ an die Umgebung 1 kann die Konzentration von CO₂ in der Umgebung wieder abnehmen. Wenn die Konzentration von CO₂ unter einen unteren Grenzwert fällt, wird der Verbrennungsmotor wieder eingeschaltet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Konzentration von CO₂ an die Regeleinheit 5 über eine Empfangseinheit 7 übermittelt. Die Empfangseinheit 7 empfängt die Daten für die Konzentration von CO₂ von einem in der Umgebung angebrachten, externen Messgerät, das die Konzentration von CO₂ an empfangsbereite Empfangseinheiten in der Umgebung drahtlos sendet.
Beispiel 3
Beim Betrieb eines katalytischen Mikrobrenners in einem KFZ und einem daran angeschlossenen Thermogenerator, der die Abwärme des Mikrobrenners in elektrische Energie umwandelt, kann die Versorgung des Bordnetzes über herkömmliche Quellen, wie beispielsweise eine Autobatterie, entlasten. Beim Betrieb des katalytischen Mikrobrenners in einem KFZ, das in einer geschlossenen Garage abgestellt ist, kann die Konzentration mindestens eines Schadgases im Verlaufe der Zeit die maximale Arbeitsplatzkonzentration überschreiten. Beim Betrieb eines katalytischen Mikrobrenners werden binnen sechs Tagen ein Liter Benzin verbrannt. Das Benzin besitzt dabei einen Heizwert von 42 MJ/kg und eine mittlere Dichte von 0,74 kg/l. Die Heizleistung des Mikrobrenners beträgt 60 Watt. Beim Benzin wird ein Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff von 1:2 zugrundegelegt.
Bei der Verbrennung von 1 Liter Benzin entstehen demnach 2222 g CO₂. Mit einer Dichte von 1,98 g/l entspricht dies 1.173 Liter CO₂. Wird nun ein mittleres Volumen einer Einfachgarage von 28.187 Liter zugrundegelegt, beträgt der CO₂-Gehalt nach sechs Tagen in der Garage 4 Vol.-%. Der MAK-Wert für CO₂ beträgt 0,5 Vol.-%. Die Konzentration an CO₂ in der Garage nach sechs Tagen beträgt damit etwa den achtfachen Wert der maximalen Arbeitsplatzkonzentration. Der natürliche Wert der CO₂ Konzentration liegt bei 0,04 Vol.-%.
Beispiel 4
Ein Hybrid-Kraftfahrzeug ist sowohl mit einer Brennkraftmaschine als auch einem Elektroantrieb versehen. Der Elektroantrieb erhält seine elektrische Energie aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Zudem ist das KFZ mit einem Empfänger für Daten von Konzentrationen verschiedener Schadstoffe in der Umgebung versehen. Über diesen Empfänger werden Daten von Konzentrationen von Schadstoffen in der Umgebung empfangen. Bei Überschreiten der Konzentration eines Schadstoffs über einen Grenzwert wird der Antrieb des KFZ auf den Elektroantrieb umgestellt, sodass das KFZ keine weiteren Schadstoffe an die Umgebung abgibt. Wenn die Konzentration der Schadstoffe wieder unter einen unteren Grenzwert gefallen ist, kann die Brennkraftmaschine wieder eingeschaltet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den vorstehenden Beispielen und Figuren dargestellten Merkmale beschränkt. So können mehrere Schadstoffe gleichzeitig überwacht werden und bei Überschreiten einer Konzentration eines der Schadstoffe eine entsprechende Leistungsreduktion oder Abschaltung der Verbrennungsmaschine vorgenommen werden. Die Messung der CO₂-Konzentration in der Garage kann über einen in der Garage angebrachte CO₂-Messstation erfolgen, die anschließend die Messwerte an eine Empfangseinrichtung in der Vorrichtung zur Erzeugung thermischer Energie übermittelt. Insbesondere muss der Elektroantrieb nicht notwendigerweise eine elektrische Energie aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle erhalten, sondern kann diese auch aus einer Batterie oder einem Akkumulator erhalten. Es ist auch denkbar, dass die Brennkraftmaschine des KFZ bei Überschreiten eines Grenzwertes nicht abgeschaltet wird, sondern der Abgasstrom über einen Filter, beispielsweise einen Filter für CO₂, der Calciumoxid oder Calciumhydroxid enthält, geleitet wird, und somit die Abgabe von CO₂ an die Umgebung verhindert oder vermindert wird. Es ist auch denkbar, dass es sich nicht um ein KFZ in einer Garage sondern um ein Boot auf einem See handelt. Die Konzentration von Schadstoffen im See darf dabei bestimmte Werte nicht überschreiten. Bei Überschreiten der Werte wird die Leistung der Brennkraftmaschine des Bootes gedrosselt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmaschine in einem Kraftfahrzeug, wobei die Konzentration mindestens eines bei der Verbrennung eines Brennstoffs in der Verbrennungsmaschine erzeugten Schadstoffs in dem Medium der unmittelbaren Umgebung des Kraftfahrzeugs, an das die Verbrennungsmaschine die Verbrennungsabgase, die Schadstoffe enthalten, direkt abgibt, erfasst wird und der Betrieb der Verbrennungsmaschine derart geregelt wird, dass eine Kenngröße der Verbrennungsmaschine nach Maßgabe der erfassten Konzentration so eingestellt wird, dass der Ausstoß des mindestens einen Schadstoffs vermindert wird, indem bei Überschreiten der Konzentration des mindestens einen Schadstoffs über einen vorgegebenen oberen Grenzwert die Leistung der Verbrennungsmaschine reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schadstoff ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus CO₂, CO, SO₂, SO₃, H₂S, NO₂, NO, N₂O, N₂O₄, NH₃, Ozon, Formaldehyd, Kohlenwasserstoffen und partikelförmiger Materie.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erfassens der Konzentration des mindestens einen Schadstoffs durch Messen der Konzentration mittels eines Sensors durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des mindestens einen Schadstoffs in der Umgebung durch einen Sender an einen Empfänger für die Verbrennungsmaschine übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der Konzentration unter einen vorgegebenen unteren Grenzwert die Leistung der Verbrennungsmaschine wieder auf den Ausgangswert zurückgesetzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten der Konzentration mindestens eines Schadstoffs über einen vorgegebenen oberen Grenzwert der Verbrennungsvorgang in der die Verbrennungsmaschine derart angepasst wird, dass der Ausstoß dieses Schadstoffes vermindert wird, wobei die Anpassung durch eine Änderung des Drucks, der Temperatur und/oder der Luftzahl A erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert für die Konzentration eine maximale Arbeitsplatzkonzentration des Schadstoffs bezeichnet.
Vorrichtung zur Gewinnung von thermischer Energie in einem Kraftfahrzeug durch Betreiben einer Verbrennungsmaschine, wobei in der Verbrennungsmaschine ein Brennstoff zur Gewinnung von thermischer Energie verbrannt wird; - mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Konzentration mindestens eines Schadstoffs, welcher bei der Verbrennung erzeugt und ausgestoßen wird, in dem Medium der unmittelbaren Umgebung des Kraftfahrzeugs, an das die Verbrennungsmaschine die Verbrennungsabgase, die Schadstoffe enthalten, direkt abgibt; und - mit einer Regeleinrichtung zum Regeln der Verbrennungsmaschine, wobei eine Kenngröße der Verbrennungsmaschine nach Maßgabe der erfassten Konzentration so eingestellt wird, dass der Ausstoß des Schadstoffs vermindert wird, indem bei Überschreiten der Konzentration des mindestens einen Schadstoffs über einen vorgegebenen oberen Grenzwert die Leistung der Verbrennungsmaschine reduziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung als Messeinrichtung ausgebildet ist, welche einen Sensor aufweist, der die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung der Verbrennungsmaschine, und insbesondere in der Umgebungsluft, misst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Erfassungseinrichtung einen Empfänger und eine Auswertungseinrichtung aufweist, wobei der Empfänger dazu ausgelegt ist, ein von einem Sender gesendetes Signal, welches eine Information über die Konzentration des Schadstoffs enthält, aufzunehmen und wobei die Auswertungseinrichtung dazu ausgelegt ist, aus dem empfangenen Signal die Konzentration des Schadstoffs zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmaschine ein Mikrobrenner, insbesondere ein katalytischer Mikrobrenner, ist.