DE102007048616A1

DE102007048616A1 - Brennkraftmaschine mit Wasserstoffreformer

Info

Publication number: DE102007048616A1
Application number: DE102007048616A
Authority: DE
Inventors: Klaus Winkler; Dimitrios Stavrianos; Joerg Frauhammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Brennraum (2), ein Saugrohr (3), ein Abgasrohr (4), eine Abgasrückführleitung (7), welche das Absaugrohr (4) mit dem Saugrohr (3) verbindet, eine Einspritzvorrichtung (9) zum Einspritzen von Kraftstoff in die Abgasrückführleitung (7) und einen Wasserstoffreformer (10), welcher in der Abgasrückführleitung (7) in Strömungsrichtung der zurückgeführten Abgase nach der Einspritzvorrichtung (9) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Wasserstoff-Reformer sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aus Umweltgründen ist dabei wünschenswert, dass die Brennkraftmaschine möglichst geringe Schadstoffemissionen aufweisen. Bei Fahrzeugen mit Ottomotoren erfolgt eine Reduktion von Schadstoffen üblicherweise in einem in einer Abgasleitung angeordneten Drei-Wege-Katalysator. Um hierbei möglichst geringe Schadstoffemissionen aufzuweisen, muss der Katalysator in einem kleinen Lambdafenster betrieben werden. In jüngster Zeit wird verstärkt versucht, Brennkraftmaschinen in einem mageren Betriebsbereich zu betreiben, z. B. durch Magermixmotoren oder Schichtladungsbetrieb bei Benzindirekteinspritzungen, was sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch und insbesondere auf die Emissionen von HC und CO günstig auswirkt. Diese beiden Verfahren weisen jedoch den Nachteil einer erhöhten NO_x-Emission auf, was eine zusätzliche Abgasnachbehandlung notwendig macht, so dass derartige Brennkraftmaschinen relativ teuer werden. Es wäre daher wünschenswert, eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, welche im Magerbetrieb betrieben werden kann, ohne dass insbesondere die in NO_x-Emissionen im Verhältnis stark ansteigen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie auch in einem Magerbetrieb nur geringe NO_x-Emissionen aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Abgasrückführung vorgesehen ist, in welcher ein Wasserstoff-Reformer (Wasserstoffreformer) vorgesehen ist, welcher das zurückgeführte Abgas in der Brennkraftmaschine mit Wasserstoff anreichert. Somit gelangt bei Magerbetrieb verstärkt Wasserstoff in den Brennraum, wobei eine Brenngeschwindigkeit des Wasserstoffs gegenüber einer Brenngeschwindigkeit von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen höher ist, so dass insbesondere die Verbrennung im Magerbetrieb stabilisiert werden kann. Hierdurch werden einerseits reduzierte NO_x-Emissionen erreicht und andererseits kann durch diese stabilere Verbrennung eine Ausweitung einer Magerlaufgrenze der Brennkraftmaschine erreicht werden, so dass eine zusätzliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden kann und ebenfalls Emissionen von HC und CO weiter reduziert werden können. Dabei weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen relativ einfachen Aufbau auf, da die Wasserstoffbereitstellung durch Einspritzen bzw. Zuführen von Kraftstoff in die Abgasrückführleitung ermöglicht wird. Durch den in den Brennraum zugeführten Wasserstoff kann die NO_x-Bildung reduziert werden, da Wasserstoff ein starkes Reduktionsmittel darstellt, welches bevorzugt mit NO_x gemäß folgender Reaktionsgleichung reagiert: NO_x + xH₂ → 1 / 2N₂ + xH₂O
Es sei angemerkt, dass alternativ statt des Wasserstoffreformers auch ein Wasserstoffspeicher vorgesehen sein könnte, aus welchem direkt Wasserstoff in die Abgasrückführleitung abgegeben wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass ein zusätzlicher Wasserstofftank vorgesehen sein muss, welcher auch nach einer gewissen Betriebszeit immer wieder aufgefüllt werden muss. Von daher ist die erfindungsgemäße Lösung mit der Bereitstellung von Wasserstoff aus dem sowieso im Fahrzeug befindlichen Kraftstoff mittels des Wasserstoffreformers bevorzugt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise ist in der Abgasrückführleitung ein Abgasrückführventil angeordnet. Dadurch ist es möglich, eine Menge an zurückgeführtem Abgas einfach zu regeln, beispielsweise in Abhängigkeit von bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine.
Weiter bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine ein Steuergerät und einen Abgassensor, beispielsweise eine Lambdasonde, wobei der Abgassensor Schadstoffkomponenten im Abgas detektiert und das Steuergerät mit einem Abgasrückführungsventil und einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in die Abgasrückführleitung verbunden ist. Das Steuergerät ist ausgelegt, um das Abgasrückführventil sowie die Einspritzvorrichtung in Abhängigkeit von Schadstoffkomponenten im Abgas zu betätigen. Dadurch kann eine effiziente und sichere Regelung des Abgases der Brennkraftmaschine erreicht werden.
Vorzugsweise umfasst der Wasserstoffreformer einen Katalysator mit einer Platinbeschichtung und/oder einer Kupferbeschichtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erzeugt der Wasserstoffreformer Wasserstoff gemäß einer oder mehrerer der folgenden Reaktionsgleichungen: CH_y + 1 / 2O₂ → CO + y / 2H₂ (1) CH_y + H₂O → CO + (1 + y / 2)H₂ (2) CH_y + 2H₂O → CO₂ + (2 + y / 2)H₂. (3)
In Abhängigkeit von der Temperatur und des resultierenden Lambdawerts des Abgases wird eine der drei Reaktionsgleichungen oder eine beliebige Kombination der Reaktionsgleichungen im Wasserreformer realisiert und entsprechend Wasserstoff erzeugt. Hierbei werden diese Reaktionsgleichungen in Verbindung mit einem auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kraftstoff, insbesondere Benzin, verwirklicht.
Wenn alternativ Methanol als Kraftstoff verwendet wird bzw. dem Kraftstoff beigemischt ist, erfolgt eine Reaktion entsprechend folgender Reaktionsgleichung: CH₃OH + 1 / 2O₂ → CO₂ + 2H₂ (4)
Zu den oben aufgeführten Gleichungen (1) bis (4) sei angemerkt, dass eine partielle Oxydation stark lambdaabhängig ist und konkurrierend mit einer vollständigen Oxydation abläuft. Hierbei wird durch ein fetteres Lambda eine partielle Oxydation bevorzugt.
Ferner kann das Steuergerät in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch einen resultierenden Lambdawert im Wasserstoffreformer eine Wasserstoffkonzentration angepasst werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennkraftmaschine eine zusätzliche Heizeinrichtung, welche an der Abgasrückführleitung angeordnet ist. Mittels dieser zusätzlichen Heizeinrichtung kann eine Temperaturregelung des rückgeführten Abgases durchgeführt werden. Alternativ oder auch zusätzlich kann eine Temperaturregelung noch durch einen Öffnungsquerschnitt des Abgasrückführventils erfolgen. Eine Temperaturreglung erfolgt hierbei durch eine größere bzw. kleinere Menge an heißem, zurückgeführtem Abgas.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wird Wasserstoff in eine Abgasrückführungsleitung der Brennkraftmaschine, welche Abgas von einer Abgasleitung zu einer Saugleitung zurückführt, zugegeben. Durch das Zugeben von Wasserstoff in die Abgasrückführleitung kann ein Reduzieren der NO_x-Emissionen erreicht werden. Ferner kann insbesondere bei einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine eine Magerlaufgrenze mit reduzierten NO_x-Emissionen vergrößert werden. Dies wirkt sich insbesondere günstig auf den Kraftstoffverbrauch und auch auf die Emissionen von HC und CO der Brennkraftmaschine aus.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird die Zugabe von Wasserstoff mittels einer in der Abgasrückführleitung angeordneten Vorrichtung, insbesondere einem Wasserstoffreformer erzeugt. Alternativ könnte Wasserstoff auch aus einem Wasserstoffspeicher in die Abgasrückführleitung zugeführt werden. Hierbei kann der Wasserstoffspeicher ebenfalls durch einen externen Wasserstoffreformer gefüllt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wasserstoff durch Zugabe von Kraftstoff in die Abgasrückführleitung und anschließender Umwandlung des zugeführten Kraftstoffs in einem Wasserstoffreformer in der Abgasrückführleitung erzeugt. Als Kraftstoff kann dabei ein kohlenwasserstoffbasierter Kraftstoff, z. B. Benzin, oder Methanol oder ein Gemisch aus diesen beiden Kraftstoffen zugeführt werden. Hierbei laufen in dem Wasserstoffreformer in Abhängigkeit von einem Lambdawert bzw. einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine verschiedene Reaktionen, wie oben unter (1) bis (4) aufgeführt, ab.
Die vorliegende Erfindung kann dabei in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, welche Kraftstoff in ein Saugrohr einspritzen oder auch bei sogenannten direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen verwendet werden. Bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen wird das über die Abgasrückführleitung mit Wasserstoff angereicherte Abgas einfach in die Luftansaugleitung zugeführt.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 eine schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Brennkraftmaschine 1 einen Zylinder mit einem Brennraum 2, wobei im Zylinder ein Kolben 2a hin- und herbeweglich angeordnet ist. In 1 ist dabei lediglich ein Zylinder dargestellt, jedoch kann die Brennkraftmaschine mehrere derartige Zylinder umfassen. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner ein Saugrohr 3, ein Abgasrohr 4 sowie wenigstens ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6. Das Einlassventil 5 gibt eine Verbindung zwischen dem Saugrohr 3 und dem Brennraum 2 frei bzw. verschließt diese und das Auslassventil 6 gibt eine Verbindung zwischen dem Brennraum 2 und dem Abgasrohr 4 frei bzw. verschließt diese. Kraftstoff wird in bekannter Weise in das Saugrohr 3 eingespritzt (nicht dargestellt).
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist eine Abgasrückführleitung 7 vorgesehen, welche eine Verbindung zwischen dem Abgasrohr 4 und dem Saugrohr 3 herstellt. Am Beginn der Abgasrückführleitung 7 im Bereich des Abgasrohrs 4 ist ein Abgasrückführventil 8 angeordnet. Das Abgasrückführventil 8 gibt dabei eine Verbindung zwischen dem Abgasrohr 4 und der Abgasrückführleitung 7 frei bzw. verschließt diese. In der Abgasrückführleitung 7 ist ferner ein Wasserstoffreformer 10 angeordnet. Ferner ist eine Einspritzvorrichtung 9 an der Abgasrückführleitung 7 vorgesehen, welche Kraftstoff in die Abgasrückführleitung 7 einspritzt. Die Anordnung der Einspritzvorrichtung 9 ist dabei derart, dass der Kraftstoff in Strömungsrichtung R des zurückgeführten Abgases durch die Abgasrückführleitung 7 vor dem Wasserstoffreformer 10 eingespritzt wird. Der an der Einspritzvorrichtung 9 des Abgasrückführsystems zugeführte Kraftstoff (in 1 durch den Pfeil K gekennzeichnet) wird aus einem Kraftstoffbehälter zugeführt, aus welchem auch Kraftstoff zur Einspritzung in das Saugrohr 3 entnommen wird. Der Pfeil L kennzeichnet dabei einen in das Saugrohr 3 zugeführten Luftstrom und die Pfeile A kennzeichnen eine Strömungsrichtung des Abgases. Bei geöffnetem Abgasrückführventil 8 wird ein Teil des Abgasesstromes, wie durch den Pfeil B angedeutet, in die Abgasrückführleitung 7 zugeführt. Ferner umfasst die Brennkraftmaschine 1 ein Steuergerät 11 sowie wenigstens einen Abgassensor 12. Der Abgassensor 12 ist beispielsweise eine Lambdasonde oder ein NO_x-Sensor. Das Steuergerät 11 ist mit dem Abgassensor 12 sowie dem Abgasrückführventil 8 und der Einspritzvorrichtung 9 verbunden. Dabei steuert das Steuergerät 11 in Abhängigkeit von durch den Abgassensor 12 erfassten Schadstoffen im Abgas ein Öffnungsgrad des Abgasrückführventils 8 sowie eine Einspritzmenge über die Einspritzvorrichtung 9. Eine Temperaturregelung einer Temperatur des zurückgeführten Abgases kann dabei durch einen Öffnungsgrad des Abgasrückführventils 8 ausgeführt werden.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist dabei wie folgt. Wenn die Brennkraftmaschine in einem Magerbetrieb zur Einsparung von Kraftstoff betrieben werden soll, erfasst der Abgassensor 12 eine verstärkte Bildung von NO_x-Emissionen im Abgas und meldet diese an das Steuergerät 11. In Abhängigkeit von den erfassten NO_x-Emissionen sowie insbesondere auch einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bestimmt das Steuergerät 11, inwieweit das Abgasrückführventil 8 in einem geöffneten Zustand gebracht wird und inwieweit Kraftstoff über die Einspritzvorrichtung 9 in die Abgasrückführleitung 7 eingespritzt wird. Der in die Abgasrückführleitung 7 eingespritzte Kraftstoff wird zusammen mit dem zurückgeführten Abgas in den Wasserstoffreformer 10 geführt. Abhängig von dem eingespritzten Kraftstoff bzw. der Temperatur und dem Sauerstoffrestgehalt im Abgas laufen im Wasserstoffreformer 10 verschiedene Reaktionen unter Bildung von Wasserstoff ab. Als Reaktion können dabei insbesondere Reaktionen gemäß folgenden Gleichungen ablaufen: CH_y + 1 / 2O₂ → CO + y / 2H₂ (1) CH_y + H₂O → CO + (1 + y / 2)H₂ (2) CH_y + 2H₂O → CO₂ + (2 + y / 2)H₂. (3)
Eine partielle Oxydation (Gleichungen 1 und 2) bzw. eine vollständige Oxydation (Gleichung 3) ist dabei insbesondere vom Restsauerstoffgehalt im Abgas abhängig. Hierbei sei angemerkt, dass insbesondere ein Lambdawert < 1, d. h., einem fetteren Gemisch, eine partielle Oxydation bevorzugt. Im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine ist jedoch ein Überschuss an Luft im Brennraum 2 vorhanden, so dass insbesondere eine vollständige Oxydation gemäß Gleichung 3 abläuft.
Somit wird durch den Wasserstoffreformer 10 eine Wasserstoffkonzentration im zurückgeführten Abgas erhöht, so dass das wasserstoffreiche zurückgeführte Abgas in das Saugrohr 3 geführt wird und zusammen mit einem mageren Kraftstoffgemisch in den Brennraum 2 angesaugt wird.
Durch die über die Einspritzvorrichtung 9 eingespritzten unverbrannten Kohlenwasserstoffe zurückgeführte magere Abgas wird somit ein Lambdawert des zurückgeführten Abgases gesenkt. Diese unverbrannten Kohlenwasserstoffe reagieren dabei insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und des resultierenden Lambdawertes partiell mit Sauerstoff im Wasserstoffreformer 10, so dass u. a. auch Wasserstoff entsteht.
Aufgrund der höheren laminaren Brenngeschwindigkeit von Wasserstoff gegenüber Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen kann insbesondere eine Verbrennung im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine stabilisiert werden. Dadurch kann auch eine Ausbreitung einer Magerlaufgrenze der Brennkraftmaschine erreicht werden, was zu zusätzlichen Kraftstoffeinsparungen führt. Somit kann die Brennkraftmaschine mit einem noch magereren Gemisch betrieben werden. Ferner reduziert der Wasserstoff im Brennraum die NO_x-Bildung, da Wasserstoff ein starkes Reduktionsmittel ist, welches bevorzugt mit NO_x reagiert.
Somit kann auch im Magerbetrieb eine signifikante Reduktion der NO_x-Emissionen erreicht werden. Insgesamt weist somit eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung deutlich reduzierte Emissionen im Magerbetrieb, nicht nur von HC und CO, sondern auch von NO_x auf. Von daher kann insbesondere auf eine zusätzliche teure Abgasnachbehandlung zur Entfernung bzw. Reduzierung der NO_x-Emission verzichtet werden. Dadurch wird das Betreiben der Brennkraftmaschine im Magerbereich sehr wirtschaftlich.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Die Brennkraftmaschine des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels, wobei im Unterschied dazu an der Abgasrückführleitung 7 zusätzlich noch eine Heizeinrichtung 13 vorgesehen ist. Die Heizeinrichtung 13 dient dazu, eine Temperatur des zurückgeführten Abgases in der Abgasrückführleitung 7 zu regeln. Hierzu ist die Heizeinrichtung 13 mit einem nicht gezeigten Temperatursensor an der Abgasrückführleitung 7 und dem Steuergerät 11 verbunden, um eine Temperatur in der Abgasrückführleitung 7 zu regeln. Zusätzlich kann die Temperatur des zurückgeführten Abgases auch noch durch einen Öffnungsgrad des Abgasrückführleitungventils 8 geregelt werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Claims

Brennkraftmaschine, umfassend – einen Brennraum (2), – ein Saugrohr (3), – ein Abgasrohr (4), – eine Abgasrückführleitung (7), welche das Abgasrohr (4) mit dem Saugrohr (3) verbindet, – eine Einspritzvorrichtung (9) zum Einspritzen von Kraftstoff in die Abgasrückführleitung (7), und – einen Wasserstoffreformer (10), welcher in der Abgasrückführleitung (7) in Strömungsrichtung der zurückgeführten Abgase nach der Einspritzvorrichtung (9) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Abgasrückführventil (8), welches in der Abgasrückführleitung (7) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Steuergerät (11) und einen Abgassensor (12), welcher Schadstoffkomponenten im Abgas bestimmt, wobei das Steuergerät (11) mit dem Abgasrückführventil (8), der Einspritzvorrichtung (9) und dem Abgassensor (12) verbunden ist, und das Steuergerät (11) ausgelegt ist, das Abgasrückführventil (8) sowie die Einspritzvorrichtung (9) in Abhängigkeit von den Schadstoffkomponenten und/oder einer Temperatur des zurückgeführten Abgases zu steuern.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffreformer (10) einen Katalysator mit Platinbeschichtung und/oder mit Kupferbeschichtung umfasst.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wasserstoffreformer (10) Wasserstoff gemäß einer oder mehrerer der nachfolgenden Reaktionsgleichungen entsteht: CH_y + 1 / 2O₂→ CO + y / 2H₂ (1) CH_y + H₂O → CO + (1 + y / 2)H₂ (2) CH_y + 2H₂O → CO₂ + (2 + y / 2)H₂. (3)
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffreformer (10) ausgelegt ist, aus Methanol Wasserstoff gemäß folgender Reaktionsgleichung zu erzeugen: CH₃OH + 1 / 2O₂ → CO₂ + 2H₂ (4)
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Heizeinrichtung (13), welche an der Abgasrückführleitung (7) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11) ausgelegt ist, eine Abgasrückführung und eine Wasserstofferzeugung in der Abgasrückführleitung (7) in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen Schritt des Zugebens von Wasserstoff in eine Abgasrückführleitung (7), welche ein Abgasrohr (4) mit einem Saugrohr (3) der Brennkraftmaschine verbindet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff in einer in der Abgasrückführleitung (7) angeordneten Vorrichtung, insbesondere einem Wasserstoffreformer (10), erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff durch Zugabe von Kraftstoff, insbesondere durch Zugabe von Benzin und/oder Methanol, in dem in der Abgasrückführleitung (7) angeordneten Wasserstoffreformer (10) erzeugt wird.