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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenmotor, insbesondere einer
Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Des Weiteren
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kolbenmotors.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen, insbesondere flüssigen,
Brennstoff für einen solchen Kolbenmotor.
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Die
DE 25 11 343 beschreibt
die Verwendung einer Gruppe organischer Verbindungen als flüssige
Brennstoffe, insbesondere als Brennstoffe für den Antrieb
von Verbrennungskraftmaschinen. Dabei werden solche organische Verbindungen
als flüssiger Brennstoff verwendet, bei denen jedes Kohlenstoffatom
des Moleküls mit wenigstens einem benachbarten Kohlenstoffatom über
mindestens ein Stickstoff- und/oder Sauerstoffatom verbunden ist. Solche
organische Verbindungen, wie z. B. Tetramethyl-methylendiamin, Trimethyl-cyclomethylen-triamin
oder N,N'-Dimethylol-uron-dimethylether, können als alternative
Brennstoffe zu den aus Erdöl gewonnenen Kohlenwasserstoffgemischen
verwendet werden.
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Nachteilig
an der Verwendung solcher, oben beschriebener, organischer Verbindungen
als flüssige Brennstoffe für den Antrieb von Verbrennungskraftmaschinen
ist die Entstehung von CO2 bei der Verbrennung
solcher organischer Verbindungen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem,
verbesserte oder zumindest andere Brennstoffe und/oder verbesserte
oder zumindest eine andere Ausführungsform für
einen Kolbenmotor zum Verbrennen von solchen Brennstoffen bzw. für
ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kolbenmotors anzugeben,
wobei sich eine verfahrensgestützte Verbrennung solcher
Brennstoffe in einem solchen Kolbenmotor insbesondere durch die Abwesenheit
von CO2 als ein Verbrennungsprodukt auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken zumindest eine Stickstoffwasserstoffverbindung
als Brennstoff in einem Kolbenmotor, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine
für ein Kraftfahrzeug, zu verwenden. Ein solcher Kolbenmotor
kann als Hubkolbenmotor oder als Rotationskolbenmotor ausgebildet
sein. Dabei sollte der Brennstoff eine Stickstoffwasserstoffverbindung
oder ein Gemisch von Stickstoffwasserstoffverbindungen enthalten.
Insbesondere ist es zweckmäßig, die Stickstoffwasserstoffverbindung,
wie z. B. Ammoniak, Hydrazin, oder dergleichen, verflüssigt
in einer Vorratseinrichtung des Kraftfahrzeugs zu lagern.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Betreiben des Kolbenmotors, insbesondere
des Hubkolben- oder Rotationkolbenmotors, verwendet dabei als Brennstoff
eine solche Stickstoffwasserstoffverbindung oder ein solches Stickstoffwasserstoffverbindungsgemisch.
Vorteilhaft hieran ist, dass bei einem solchen Verfahren zum Betreiben
des Kolbenmotors, der z. B. als Verbrennungskraftmaschine in dem Kraftfahrzeug
eingesetzt werden kann, aufgrund der Abwesenheit von Kohlenstoff
bei der Verbrennung von Stickstoffwasserstoffverbindungen kein CO2 entsteht. Des Weiteren ist auch die vollständige
Verbrennung von Stickstoffwasserstoffverbindungen besonders vorteilhaft.
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Dabei
kann die Stickstoffwasserstoffverbindung oder das Stickstoffwasserstoffverbindungsgemisch
direkt in dem Kolbenmotor mit Luft verbrannt werden oder die Stickstoffwasserstoffverbindung bzw.
das Stickstoffwasserstoffverbindungsgemisch wird in einem vorhergehenden,
evtl. katalytisch unterstützten Reformierungsprozess zumindest
teilweise in Wasserstoff und Stickstoff aufgespaltet. Das aus dem
Reformierungsprozess entstehende Formiergas enthält als
Brennstoff Wasserstoff, der dann in dem Kolbenmotor mit Luft verbrannt
werden kann. Vorteilhaft an der vorhergehenden Aufspaltung der Stickstoffwasserstoffverbindung
bzw. des Stickstoffwasserstoffverbindungsgemisches in Wasserstoff und
Stickstoff ist der Umstand, dass durch die vorhergehende Reformierung
der Stickstoffwasserstoffverbindungen die Möglichkeit von
unverbrannten Stickstoffwasserstoffverbindungen im Abgas erheblich
reduziert ist. Des Weiteren ist auch die Bildung von Stickoxiden
während der Verbrennung des Formiergases verringert.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform des Kolbenmotors, insbesondere
des Hubkolben- oder Rotationskolbenmotors, zur Verbrennung solcher
Stickstoffwasserstoffverbindungen oder Stickstoffwasserstoffverbindungsgemische
weist einen Verbrennungsraum auf, der zumindest teilweise mit einem katalytisch
wirksamen Material beschichtet ist und/oder zumindest teilweise
oberflächlich aus einem katalytisch wirksamen Material
besteht. Zweckmäßig ist es hierbei ebenfalls die
Oberfläche des Verbrennungsraumes und/oder die innere Oberfläche abgasführender
Komponenten so auszubilden, dass diese Oberflächen gegenüber
dem Brennstoff und seinen Haupt- oder Nebenverbrennungsprodukten korrosionsbeständig
ist. Ein solcher Kolbenmotor könnte auch als Verbrennungskraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem
Unteranspruch und aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele die
vorliegende Erfindung näher erläutern, ohne den
Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken.
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Es
beschreibt:
- Beispiel 1 Ammoniak als Brennstoff,
- Beispiel 1.1 ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak für
Brennstoffzwecke,
- Beispiel 2 ein Verfahren zum Verbrennen von Ammoniak in einem
Kolbenmotor,
- Beispiel 3 ein Motorenkonzept für einen Kolbenmotor zur
Verbrennung von z. B. Ammoniak,
- Beispiel 4 eine Abgasnachbehandlung bei Verbrennung von einer
Stickstoffwasserstoffverbindung in dem Kolbenmotor.
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Beispiel 1
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Exemplarisch
für eine Stickstoffwasserstoffverbindung ist hier Ammoniak
genannt. Die Verwendung von Ammoniak als ein Brennstoff in einem
Kolbenmotor hat gegenüber anderen gasförmigen
wie flüssigen Brennstoffen erhebliche Vorteile. So liegt eine
Speicherdichte von Ammoniak von 0,61 kg/dm3 in
der Größenordnung der Speicherdichte von Benzin
(0,73 kg/dm3) und damit deutlich über
der Speicherdichte von Wasserstoff (0,021 kg/dm3).
Durch eine hohe Zündtemperatur von 630°C ist Ammoniak als
Brennstoff in Folge seiner schweren Entflammbarkeit deutlich sicherer,
als vergleichsweise Benzin mit der Zündtemperatur von 220°C.
Explosiv wird ein Ammoniak-/Luftgemisch erst ab 15% Volumenanteile Ammoniak,
während z. B. Benzin ab 0,6 Vol.-% in einem Luftgemisch
explosiv ist. Ein volumetrischer Brennwert des Ammoniaks liegt immerhin
bei ca. 40% des volumetrischen Brennwertes von Benzin und Ammoniak
kann in verflüssigter Form bei einem Dampfdruck von 8,6
Bar in einem Drucktank gelagert werden. Aufgrund eines stechenden,
auffälligen und unangenehmen Ammoniakgeruches sind auch kleinste
Leckagen einfach zu bemerken, was eine zusätzliche Sicherheit
bei dem Umgang mit Ammoniak als Brennstoff bedeutet. Ammoniak kann
in einer Konzentration von wenigen ppm wahrgenommen werden. Ein
explosives Gemisch liegt somit in einer weit höheren Konzentration
als der Konzentration der Geruchsschwelle vor. Außerdem
ist Ammoniak leichter als Luft, verflüchtigt sich dementsprechend schnell
und kann sich nicht wie z. B. CO2 in Senken ansammeln.
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Beispiel 1.1
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Eine
mögliche Ammoniakherstellung für Brennstoffzwecke
gelingt durch eine Elektrolyse des Wassers mit Hilfe elektrischer
Energie. Diese Herstellungsart von Wasserstoff ist CO2-neutral,
sofern der benötigte Strom zur Elektrolyse CO2-neutral
erzeugt wurde. Eine katalytische Verschmelzung von Wasserstoff mit
Luftstickstoff nach einem neuen Verfahren, das in der Techmax Ausgabe
10, 2008 der Max-Planck-Gesellschaft veröffentlicht worden
ist, gelingt durch Verwendung von Eiseneinkristallen als Katalysator.
Dabei verläuft eine solche Herstellung von Ammoniak der
nach alten Verfahren energieaufwendigen Prozedur sogar leicht exotherm.
Auch dieser Reaktionsschritt ist CO2-neutral.
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Beispiel 2
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In
diesem Beispiel wird ein Verfahren zum Betreiben des Kolbenmotors
beschrieben, bei dem als Brennstoff eine solche Stickstoffwasserstoffverbindung
oder ein solches Stickstoffwasserstoffverbindungsgemisch eingesetzt
wird. Dabei wird zunächst nach einem ottomotorischen Prinzip
ein stöchiometrisches Brennstoff-/Luftgemisch angesaugt.
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In
diesem Fall wird somit exakt so viel Luftsauerstoff dem Ammoniak-/Luftgemisch
beigemischt, wie zur Verbrennung eines Wasserstoffanteils im Ammoniak
benötigt wird. Dabei ist es zweckmäßig,
die Luft durch eine Turbo- oder Kompressoraufladung anzusaugen.
Wie auch bei einer Dieselverbrennung kann das Luft-/Ammoniakgemisch
hoch verdichtet und in der Nähe der Zündtemperatur
des Ammoniaks gezündet werden. Vorteilhaft ist eine ottotypisch
fremd gestartete Zündung des schwer entflammbaren Ammoniak-/Luftgemisches
durch z. B. eine Zündvorrichtung. Vorteilhaft an der schweren Entflammbarkeit
des Ammoniak-/Luftgemisches ist eine damit einhergehende hohe Klopfsicherheit.
Dadurch lässt sich ein Additiv im Gegensatz zu Benzin als
Brennstoff vermeiden. Ebenso zweckmäßig kann eine
Direkteinspritzvariante als eine Mischvariante heutiger Otto- bzw.
Dieseldirekteinspritzer zu einer Wirkungsgradeinsteigerung eingesetzt
werden.
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Eine
weiterentwickelte Ausführungsform von Beispiel 2 spaltet
zumindest einen Teil des Ammoniaks in einem vorhergehenden Prozess
zu Wasserstoff und Stickstoff auf. Dadurch kann die doch sehr hohe
Zündtemperatur des Ammoniaks von 630°C zum einen
gesenkt werden, und zum anderen wird der hochexplosive und hochentzündliche
Wasserstoff nur auf Bedarf und kurz vor der Verbrennung in kleinsten
Mengen produziert. Dabei dient der Wasserstoff in dem Ammoniak-/Wasserstoff-/Luftgemisch der
Herabsetzung der Zündtemperatur, wodurch ein solches Gemisch
einfacher gezündet werden kann. Prinzipiell ist es aber
auch möglich, den Ammoniak vollständig in Wasserstoff
und Stickstoff zu spalten und dieses durch einen Reformierungsprozess
von Ammoniak entstehende Formiergas als Brennstoff im Verbrennungsmotor
zu verbrennen. Dadurch lässt sich zum einen die Bildung
von Stickoxiden verringern und das Auftreten von Ammoniak im Abgasstrom
senken.
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Beispiel 3
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Dieses
Beispiel beschreibt ein Motorkonzept für einen Kolbenmotor,
der zur Verbrennung von Ammoniak oder einem Gemisch von Stickstoffwasserstoffverbindungen
geeignet ist. Dieses Motorkonzept entspricht vorteilhafterweise
dem heutigen Otto- bzw. Diesel 4-Takt-Hubkolbenmotors. Dabei können
eine Oberfläche eines Verbrennungsraumes des Kolbenmotors,
also die Kolbenoberseite, der Zylinderinnenmantel und der Zylinderkopf
zumindest teilweise mit einem katalytisch wirksamen Material zur
besseren bzw. gezielteren Wasserstoff- bzw. Ammoniakverbrennung
beschichtet sein bzw. daraus bestehen. Dabei ist auch ein 2-Taktkonzept
denkbar.
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Beispiel 4
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Bei
der Verbrennung eines Ammoniak-/Luftgemisches entstehen aufgrund
des hohen Anteils an Stickstoff sowohl in dem Brennstoff als auch
in der Verbrennungsluft unweigerlich Stickoxide. Des Weiteren kann
auch noch unverbranntes Ammoniakgas direkt nach der Verbrennungskammer
im Abgas enthalten sein. Da jedoch genau stöchiometrisch
befüllt wurde, ist genauso viel Restammoniak im Abgas wie zur
Reduktion der entstandenen Stickoxide benötigt wird. Dementsprechend
ist also lediglich z. B. ein Dennox-Katalysator nachzuschalten,
entsprechend heute bereits bekannter Systeme, die mittels Harnstoffadditivierung
die Stickoxide reduzieren. Da aber im Falle der Verbrennung von
z. B. reinem Ammoniak genau die notwendige Konzentration an Ammoniak vorhanden
ist, um die entstandenen Stickoxide zu reduzieren, muss vorteilhafterweise
in diesem Ausführungsbeispiel nicht additiviert werden.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, sowohl die Brennkammer,
als auch die nachfolgenden abgasführenden Bauteile so auszubilden,
dass sie gegenüber dem Brennstoff, seinen Haupt- und Nebenverbrennungsprodukten korrosionsbeständig
sind.
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Anstatt
Ammoniak soll es auch möglich sein, z. B. Hydrazin oder
andere Stickstoffwasserstoffverbindungen zu verwenden. Ebenso ist
es denkbar, eine Mischung aus Ammoniak und Hydrazin als Brennstoff
für einen solchen Kolbenmotor heranzuziehen. Dabei ist
auch bei solchen Gemischen eine Bildung von Reformiergas durch einen
vorgeschalteten Reformierprozess der Stickstoffwasserstoffverbindungen
denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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