DE102012204649A1

DE102012204649A1 - Motoraggregat mit gasbetriebenen Verbrennungsmotor und Wasserstoffreformer und Verfahren zum Betreiben eines solchen Motoraggregats

Info

Publication number: DE102012204649A1
Application number: DE201210204649
Authority: DE
Inventors: Frank Wildhagen; Christian Klüting
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Motoraggregat (10) für den Fahrzeugantrieb sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen. Das Motoraggregat (10) umfasst einen mit gasförmigen oder verflüssigtem Gaskraftstoff betreibbaren Verbrennungsmotor (12), ein Luftzuführungssystem (14) zur Zuführung von Frischluft zu dem Verbrennungsmotor (12), ein Abgaskanal (16) zur Abführung von Abgas vom Verbrennungsmotor (12), sowie einen Reformer (30) zur Erzeugung von Wasserstoff aus dem Gaskraftstoff, wobei der Reformer (30) mit einer Gaszufuhr (32) zur Zuführung des Gaskraftstoffs sowie mit einer Abgaszuführungsleitung (34) zur Zuführung von Abgas in Verbindung steht sowie mit einer Reformatleitung (42) zur Zuführung eines den Reformer (30) verlassenden wasserstoffhaltigen Reformats zu dem Verbrennungsmotor (12). Es ist vorgesehen, dass der Reformer (30) zusätzlich mit einer Frischluftzuführungsleitung (36) zur Zuführung von Frischluft in Verbindung steht und dass Mittel (38, 40, 50, 52, 56, 58) zur Steuerung oder Regelung eines in dem Reformer (30) vorliegenden Luftverhältnisses (λReformer) vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Motoraggregat für den Fahrzeugantrieb mit einem mit gasförmigem oder verflüssigtem Gaskraftstoff betreibbaren Verbrennungsmotor sowie einen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff aus dem Gaskraftstoff und Zuleitung des wasserstoffhaltigen Reformats zum Verbrennungsmotor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motoraggregats.
Neben Verbrennungsmotoren, die mit einem flüssigen Kraftstoff (Otto- oder Dieselkraftstoff) betrieben werden können, sind Gasmotoren bekannt, die mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas (CNG, LNG), oder mit verflüssigtem Gas (LPG) betrieben werden können. Solche mit einem gasförmigen oder verflüssigtem Gaskraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren können jedenfalls im Niedriglastbetrieb (beziehungsweise unterhalb eines Volllastbetriebs bei Saugmotoren) mit einem mageren Luftverhältnis Lambda > 1 und oder mit einer Abgasrückführung (AGR) betrieben werden. Im Niedriglastbereich lässt sich durch die auf diese Weise erzielte Entdrosselung des Motors sowohl der Hochdruck- als auch der Ladungswechsel-Wirkungsgrad erhöhen. Jedoch nimmt mit steigender AGR-Rate und/oder mit zunehmender Abmagerung (zunehmendem Luftüberschuss) die Zündwilligkeit und die Durchbrenngeschwindigkeit des Gemischs ab, wodurch diesen Betriebsmodi Grenzen gesetzt sind.
Die Anreicherung der Verbrennungsluft von mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff H₂, insbesondere unter Verwendung von On-Board-Reformern ist bekannt. Wasserstoff H₂ besitzt ungefähr die sechsfache laminare Brenngeschwindigkeit von Erdgas. Auch Wasserstoff-Luftgemische mit sehr hohem Luftüberschuss können durch den geringen Zündenergiebedarf von Wasserstoff entflammt werden. So ermöglicht eine für ein Erdgas-Luftgemisch mit Lambda = 1 erforderliche Zündenergie eine Zündung von Wasserstoff-Luftgemischen bis etwa Lambda = 8.
Aus US 2004/0035395 A1 ist bekannt, einen aufgeladenen, fremdgezündeten Verbrennungsmotor (Ottomotor) mit einer mit Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid angereicherten Luft und Ottokraftstoff zu betreiben. Der Wasserstoff wird aus dem Ottokraftstoff in einem Reformer unter Zuführung von komprimierter Frischluft gewonnen. Der Verbrennungsmotor kann über eine Abgasrückführung verfügen, deren Rückführungsrate aufgrund der Wasserstoffzufuhr zu dem Motor erhöht werden kann. Durch die Zugabe des Wasserstoffs wird ein verbesserter Klopfschutz und somit eine höhere Verdichtung des Motors erzielt. Nachteilig an dem Betrieb des Reformers mit Frischluft ist eine vergleichsweise schlechte Wasserstoffausbeute aufgrund des geringen Wasserdampfgehalts der Luft.
EP 1 269 006 B1 beschreibt einen mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor, bei dem das gesamte im Wege der Abgasrückführung rezirkulierte Abgas zusammen mit dem Gaskraftstoff einem Reformer zugeführt wird, der das Gas zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umsetzt. Nach Entfeuchtung des aus dem Reformer austretenden Gasgemischs (das Reformat) in einem nachgeschalteten Wärmetauscher wird dieses mit Frischluft vermischt und als Verbrennungsgemisch dem Motor zugeführt. Der Reformer wird im Wesentlichen sauerstofffrei als endothermer Dampfreformer betrieben mit geringen partiell exothermen Anteilen (autothermale Reformierung). Der Sauerstoffanteil im rezirkulierten Abgas wird zu diesem Zweck auf einen Bereich von 0,25 bis 4 % durch entsprechende Lambdaregelung des Motors eingestellt. Der Anteil an Abgas im Reformer beträgt 25 bis 65 %, vorzugsweise 30 bis 60 %, bezogen auf die gesamte zugeführte Abgas/Gaskraftstoffmischung. Auf diese Weise soll die Verbrennungstemperatur und somit die NO_X-Emissionen des Motors gesenkt werden.
Problematisch an den bekannten Konzepten zur Wasserstoffanreicherung der Verbrennungsluft ist der für die Reformierung notwendige Wirkungsgrad, der die Gesamtenergiebilanz nachteilig beeinflusst. Bei der Versorgung des Reformers mit Abgas des Verbrennungsmotors kommt hinzu, dass abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors das Abgas unterschiedliche Zusammensetzungen und insbesondere unterschiedliche Restsauerstoffgehalte aufweist, wodurch eine kontrollierte Prozessführung im Reformer erschwert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Magerlauffähigkeit und die AGR-Verträglichkeit eines mit einem gasförmigen Kraftstoff oder mit Flüssiggas betriebenen Verbrennungsmotors durch „Veredelung“ des Luft-Kraftstoff-Gemischs mit Wasserstoff zu erhöhen und gleichzeitig einen guten Energiewirkungsgrad zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch ein Motoraggregat für den Fahrzeugantrieb gelöst, welches einen mit gasförmigem oder verflüssigtem Gaskraftstoff betriebenen oder betreibbaren Verbrennungsmotor aufweist. Das Aggregat umfasst ferner ein Luftzuführungssystem zur Zuführung von Frischluft zu dem Verbrennungsmotor sowie einen Abgaskanal zur Abführung von Abgas vom Verbrennungsmotor. Des Weiteren umfasst das Aggregat einen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff aus dem Gaskraftstoff, wobei der Reformer mit einer Gaszufuhr zur Zuführung des Gaskraftstoffs zum Reformer, mit einer Abgaszuführungsleitung zur Zuführung von Abgas zum Reformer in Verbindung steht sowie mit einer Reformatleitung zur Zuführung eines den Reformer verlassenden wasserstoffhaltigen Reformats zu dem Verbrennungsmotor, vorzugsweise in dessen Luftzuführungssystem. Erfindungsgemäß steht der Reformer zusätzlich mit einer Frischluftzuführungsleitung zur Zuführung von Frischluft zum Reformer in Verbindung, wobei Mittel zur Steuerung oder Regelung eines in dem Reformer vorliegenden Luftverhältnisses vorhanden sind.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „in dem Reformer vorliegendes Luftverhältnis“ (nachfolgend auch als Reformer-Luftverhältnis oder λ_Reformer bezeichnet) das Luftverhältnis des Eduktgemischs aus Abgas, Frischluft und Gaskraftstoff verstanden, welches der Reformation unterzogen wird, also das dem chemischen Umsetzungsprozess zugeführten Gemischs.
Durch den Betrieb des Reformers wahlweise mit Abgas, mit Frischluft oder mit einer variablen Mischung aus beiden (neben dem Gaskraftstoff) ist es erfindungsgemäß möglich, den Reformer unabhängig von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und somit von einem Sauerstoffgehalt seines Abgases stets mit einem definierten, vorgebbaren Sauerstoffgehalt zu betreiben.
Bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff H₂ existieren zwei Reaktionsmöglichkeiten. Bei der ersten Variante, die ohne Sauerstoffzufuhr erfolgt, handelt es sich um die Dampfreformierung, bei der der Kohlenwasserstoff mit Wasserdampf umgesetzt wird. Diese stark endotherme Reaktion ist am Beispiel von Methan CH₄ durch die nachfolgende Reaktion (1) dargestellt. Zur Verbesserung der Ausbeute und der Energiebilanz kann in einer nachgeschalteten Folgereaktion (2), der leicht exothermen so genannten Wasserstoff-Shift-Reaktion, das gebildete Kohlenmonoxid weiter umgesetzt werden. Diese Art der Reaktionsführung hat den Vorteil einer hohen Wasserstoffausbeute, benötigt jedoch aufgrund der insgesamt negativen Gesamtenergiebilanz die äußere Zufuhr von Energie, insbesondere in Form von Wärme. CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ ΔH = +206 kJ/mol (1) CO + H₂O → CO₂ + H₂ ΔH = –41kJ/mol (2)
Erfolgt die Reformierung hingegen in Gegenwart von substöchiometrischen Mengen Sauerstoff, findet die partielle Oxidation des Kohlenwasserstoffs gemäß Gleichung (3) statt. Zwar ist die partielle Oxidation energieeffizienter (benötigt keine Wärmezufuhr) als die Wasserdampfreformierung, jedoch weist sie eine geringere Wasserstoffausbeute bezogen auf die eingesetzte Menge Kohlenwasserstoff auf. CH₄ + 1/2O₂ → CO + 2H₂ ΔH = –44 kJ/mol (3 )
Daneben ist die autotherme Reformierung bekannt, bei der es sich um eine Mischform aus der endothermen Dampfreformierung und der partiellen Oxidation handelt. Hierbei werden die Anteile an Wasserdampf und Sauerstoff so eingestellt, dass die Umsetzung energieneutral verläuft.
Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens entsprechen die im Reformer stattfindenden Reaktionen ebenfalls einer Mischung aus der endothermen Dampfreformierung und der partiellen Oxidation, allerdings vorzugsweise mit einem leichten Schwerpunkt zugunsten der partiellen Oxidation. Dabei dient das Abgas, das gegenüber der Umgebung eine höhere Temperatur aufweist, einerseits als Lieferant für thermische Energie für die endotherme Reformierungsreaktion gemäß Gleichung (1) und sorgt somit für eine Wirkungsgradverbesserung. Zudem ist das Abgas durch die motorische Verbrennung des aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Brenngases mit Wasserdampf angereichert, wodurch die Prozessausbeute an Wasserstoff verbessert wird. Somit wird ein höherer H₂-Anteil im Reformat erzielt beziehungsweise es muss für eine gewünschte H₂-Konzentration im Reformat weniger Brenngas aufgewendet werden. Auf der anderen Seite dient der Sauerstoff, der einerseits aus dem Restsauerstoff des Abgases und andererseits aus der zugeführten Frischluft stammt, der exothermen Verbrennung des Gaskraftstoffs nach Gleichung (3), deren Wärmefreisetzung zur Aufrechterhaltung der Reformierungsreaktion nach Gleichung (1) dient.
Erfindungsgemäß kann somit der Reformer stets mit einem vorbestimmten Sauerstoffgehalt betrieben werden, der eine gezielte Prozessführung erlaubt. Insbesondere können die Reaktionsanteile gemäß den Gleichungen (1), (2) und/oder (3) gesteuert oder (in einem geschlossenen Regelkreis) geregelt werden. Somit kann auch in Betriebssituationen, in denen der Motor mit geringem oder ohne Luftüberschuss betrieben wird (Lambda nahe oder gleich eins) und das Abgas keine hinreichenden freien Sauerstoffmengen für die partielle Oxidation enthält, um die endotherme Dampfreformierung zu unterstützen, durch variable Zumischung von Frischluft die notwendige Sauerstoffmenge bereitgestellt werden. Auf der anderen Seite wird gegenüber dem Betrieb des Reformers ausschließlich mit Frischluft als Sauerstoff- und Wasserdampfquelle die Wasserstoffausbeute durch die Zumischung von Abgas erhöht und der Energiebedarf gesenkt. Das bedeutet eine Verbesserung sowohl der Stoff- als auch der Energieausbeute.
Vorzugsweise wird der Reformer so fett wie möglich betrieben, ohne eine signifikante Rußbildung am Reformerausgang zu verursachen und gleichzeitig im Wege der partiellen Oxidation von Gaskraftstoff noch genügend Exothermie zu erzeugen. Die einzuhaltende Fettgrenze ist insbesondere durch die Rußbildung bestimmt. Der ideale Betriebszustand ist erreicht, wenn soeben praktisch kein Ruß aus dem Reformer austritt. Zu diesem Zweck sind in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung die Mittel zur Steuerung oder Regelung des in dem Reformer vorliegenden Luftverhältnisses eingerichtet, das Reformer-Luftverhältnis so zu steuern oder zu regeln, dass eine Rußbildung am Reformerausgang einer Schwärzungszahl FSN (für filter smoke number) von höchstens 0,1, vorzugsweise von höchstens 0,05, entspricht. Die Unterdrückung der Rußbildung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Mittel eingerichtet sind, das in dem Reformer vorliegende Luftverhältnis auf einen Wert im Bereich von 0,005 bis 0,4, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 0,3, zu steuern oder zu regeln. Dabei erfolgt die Steuerung oder Regelung des Reformer-Luftverhältnisses λ_Reformer insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur sowie des Luftverhältnisses eines Gasgemischs am Reformereintritt vor einer Zuführungsstelle des Gaskraftstoffs im Reformer (nachfolgend auch als Eintrittstemperatur T_Eintritt beziehungsweise Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt bezeichnet), wie in den Ausführungsbeispielen anhand der 6 noch näher erläutert wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Motoraggregat ferner Heizmittel zur Steuerung oder Regelung der Eintrittstemperatur T_Eintritt des in den Reformer eintretenden Gasmassenstroms, wobei insbesondere eine für eine sichere Konvertierung des Gaskraftstoffs erforderliche Temperatur eingestellt wird. Insbesondere wird die Eintrittstemperatur T_Eintritt auf zumindest 350 °C, vorzugsweise zumindest 400 °C eingestellt. Die Heizmittel umfassen beispielsweise eine Kraftstoffzuführung stromauf des Reformers, wobei vorzugsweise der gleiche wie zum Betrieb des Reformers eingesetzte Gaskraftstoff (z. B. CNG) zugeführt wird, sowie eine externe Zündeinrichtung. Bevorzugt werden die Heizmittel nur in Betriebssituationen betrieben, in denen die gewünschte Eintrittstemperatur T_Eintritt nicht erreicht ist.
Das Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt ergibt sich somit über die Anteile des Abgasmassenstroms und/oder des Frischluftmassenstroms und gegebenenfalls des für die vorstehend beschriebene Beheizung zugeführten Kraftstoffs. Um die Voraussetzung für das gewünschte Reformer-Luftverhältnisses λ_Reformer zu schaffen, wird das Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt vorzugsweise durch Variation des Frischluftmassenstroms beeinflusst. Dabei erfolgt die Zumischung von Frischluft bevorzugt nur in Betriebssituationen, in denen der im Abgas vorliegende Sauerstoffgehalt für ein gewünschtes Reformer-Luftverhältnis λ_Reformer nicht ausreicht. Insbesondere wird das Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt auf einen Wert im Bereich von größer oder gleich 1 eingestellt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reformatleitung einen Kühler zur Kühlung des wasserstoffhaltigen Reformats aufweist, der vorzugsweise schaltbar ausgeführt ist, das heißt Mittel zur Steuerung oder Regelung der Kühlung aufweist. Hierdurch wird insbesondere eine motorbetriebspunktabhängige Kühlung des Reformats ermöglicht, ehe dieses dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. So kann bei geringer Motorlast der Kühler mit einer geringen Kühlleistung betrieben oder ganz ausgeschaltet werden, um das Reformat ungekühlt zuzuführen. Durch die so herbeigeführte thermische Entdrosselung des Motors werden Ladungswechselverluste reduziert. Bei hoher Motorlast ist es hingegen günstiger, das Reformat zu kühlen, um auf diese Weise den zur Füllungsmaximierung erforderlichen Ladedruckbedarf sowie die Klopfneigung des Motors zu minimieren. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Mittel eingerichtet, die Kühlleistung so zu steuern oder zu regeln, dass die Temperatur des Reformats oberhalb der Taupunkttemperatur von Wasser liegt. Insbesondere wird das Reformat so weit wie möglich gekühlt, so dass der Taupunkt soeben nicht erreicht wird, das heißt keine Kondensation von Wasser („Wasserschlag“) erfolgt. Hierdurch wird die Korrosion der mit dem Kondensat in Kontakt kommenden Komponenten vermieden und die Abführung des Kondensats erübrigt sich. Die Mittel zur Steuerung oder Regelung der Kühlung können eine den Kühler umgehende Bypassleitung umfassen, die im einfachsten Fall zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung schaltbar ist. Alternativ kann auch eine variable Stellung vorgesehen sein, die variable Teilströme durch den Kühler und die Bypassleitung zulässt. Statt einer Bypassleitung kann der Kühler selbst auch dergestalt steuer- oder regelbar ausgeführt sein, dass seine Kühlleistung beeinflussbar ist.
Das dem Reformer zugeführte Abgas kann direkt dem Abgaskanal oder einer Abgasrückführungsleitung entnommen werden. In einer besonderen Ausführung wird die Reformerstrecke als parallele Abgasrückführungsstrecke genutzt, wenn kein Gaskraftstoff zugeführt wird, oder ersetzt diese sogar vollständig, so dass eine eigene AGR-Leitung entbehrlich ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Motoraggregat ferner einen Abgasturbolader, umfassend eine im Abgaskanal angeordnete Turbine und einen im Luftzuführungssystem angeordneten Verdichter. Der Abgasturbolader kann auch zweistufig ausgeführt sein, mit je zwei hintereinandergeschalteten Turbinen und Verdichtern. In einem solchen Fall sind prinzipiell alle denkbaren Konstellationen bezüglich der Entnahmestellen des dem Reformer zugeführten Abgases denkbar, nämlich auf Hochdruck- oder Niederdruckseite der Turbine beziehungsweise im Mitteldruckbereich zwischen zwei Turbinen. Hinsichtlich der Entnahmestellen sowie der dem Reformer zugeführten Frischluft können diese auf Hochdruckoder Niederdruckseite des Verdichters beziehungsweise im Mitteldruckbereich zwischen zwei Verdichtern vorgesehen sein, das heißt die Frischluftzuführungsleitung zur Zuführung von Frischluft zu dem Reformer steht mit dem Luftzuführungssystem auf der Niederdruck- oder Hochdruckseite der Turbine in Verbindung. Jegliche Kombination der Abgas- und Frischluftentnahmestellen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst. Vorzugsweise wird das dem Reformer zugeführte Abgas auf der Hochdruckseite einer Turbine eines Abgasturboladers, das heißt stromauf der Turbine, entnommen, das heißt die Abgaszuführungsleitung zur Zuführung von Abgas zu dem Reformer steht mit dem Abgaskanal auf der Hochdruckseite der Turbine in Verbindung.
Bezüglich der Zuführung des wasserstoffhaltigen Reformats zu dem Verbrennungsmotor sind ebenfalls sämtliche Möglichkeiten im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar, wobei das Reformat vorzugsweise in die dem Motor zuzuführende Verbrennungsluft eingeleitet wird. Mögliche Einleitstellen für das Reformat umfassen die Hochdruck- oder Niederdruckseite des Verdichters beziehungsweise den Mitteldruckbereich zwischen zwei Verdichtern bei zweistufiger Aufladung, das heißt die Reformatleitung steht mit dem Luftzuführungssystem auf der Niederdruck- oder Hochdruckseite der Turbine in Verbindung. Sofern das Reformat stromauf eines Verdichters (also auf der Nieder- oder Mitteldruckseite) eingeleitet wird, erfolgt dies vorzugsweise in einen üblicherweise vorhandenen verengten Querschnitt unmittelbar vor dem betreffenden Verdichter, insbesondere in Form eines Ringlaufs. Der vorhandene Unterdruck an der Einleitstelle erhöht den Massenstrom durch den Reformer (Venturieffekt) und senkt somit den Aufwand, den gewünschten Massenstrom durch diesen sicherzustellen, beispielsweise durch zusätzliche Verdichterleistung.
Eine besonders bevorzugte Konstellation sieht die Entnahme des Abgases für den Reformer auf der Hochdruckseite der Turbine, die Entnahme der Frischluft für den Reformer auf der Hochdruckseite des Verdichters sowie die Einleitung des Reformats ebenfalls auf der Hochdruckseite des Verdichters vor (s. 1 und 2, insbesondere 2). Diese Ausführung hat Vorteile bei einem hohen Anspruch an Fahrdynamik und bei Fokus auf den Niedriglastbereich. Hingegen ist in allen Betriebsbereichen des Motors und insbesondere bei positiven Spüldruckgefällen eine Konstellation bevorzugt, bei der die Entnahme des Abgases auf der Hochdruckseite der Turbine erfolgt, die Entnahme der Frischluft für den Reformer auf der Niederdruckdruckseite des Verdichters sowie die Einleitung des Reformats ebenfalls auf der Niederdruckdruckseite des Verdichters (s. 3 und 4, insbesondere 4).
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines Motoraggregats gemäß der vorliegenden Erfindung für den Fahrzeugantrieb, wobei ein Sauerstoffanteil eines dem Reformer zugeführten Gesamtmassenstroms aus Gaskraftstoff, Abgas und Frischluft so gesteuert oder geregelt wird, dass eine Rußbildung am Reformerausgang höchstens den vorstehend beschriebenen Grenzen entspricht. Insbesondere wird der Sauerstoffanteil so niedrig wie möglich eingestellt, ohne dass die Rußbildung diese Grenzen überschreitet.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Motoraggregat gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2 ein Motoraggregat gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
3 ein Motoraggregat gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
4 ein Motoraggregat gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung;
5 ein Motoraggregat gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung und
6 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Motoraggregats, der den Reformer und seine Versorgungskomponenten zeigt.
1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Motoraggregat gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Das Motoraggregat 10 umfasst einen Verbrennungsmotor 12, der mit einem gasförmigen Gaskraftstoff, beispielsweise komprimiertem Erdgas (CNG), oder mit einem verflüssigten Gaskraftstoff, beispielsweise Flüssigerdgas (LNG) oder dem Propan und Butan enthaltenden, so genannten Flüssiggas (LPG), betreibbar ist oder betrieben wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 und den nachfolgenden Figuren die Gaskraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors 12 nicht eingezeichnet. Insbesondere kann der Gaskraftstoff direkt den Zylindern des Motors 12 zugeführt werden oder zu dessen Verbrennungsluft.
Der Verbrennungsmotor 12 verfügt über ein Luftzuführungssystem, das insbesondere eine Luftleitung 14 umfasst, welche dem Verbrennungsmotor 12 Frischluft aus der Umgebung zuführt. Ferner ist der Motor 12 mit einem Abgaskanal 16 verbunden, welcher der Abführung des Abgases in die Umgebung dient. (Eventuell vorhandene Komponenten zur Abgasreinigung sind in den vorliegenden Figuren nicht dargestellt.) Eine Abgasrückführungsleitung 18 führt einen Teilstrom des Abgases wieder in die Verbrennungsluft des Motors 12 zurück, um dessen Verbrennungstemperatur und somit dessen NO_X-Emissionen zu senken. Dabei ist der rückgeführte Abgasmassenstrom, die so genannte Abgasrückführungsrate, durch ein in der Abgasleitung 18 angeordnetes Steuermittel, insbesondere einem AGR-Ventil 20, steuer- oder regelbar.
Das Motoraggregat 10 verfügt ferner über einen insgesamt mit 22 bezeichneten Abgasturbolader, der eine im Abgaskanal 16 angeordnete und vom Abgas angetriebene Turbine 24 umfasst sowie einen in der Luftleitung 14 angeordneten Verdichter 26. Die Turbine 24 und der Verdichter 26 sind beispielsweise über eine Welle miteinander verbunden, so dass die Turbine 24 den Verdichter 26 antreibt und die dem Motor 12 zuzuführende Verbrennungsluft komprimiert wird. Alternativ kann der Verbrennungsmotor 12 auch zweistufig aufgeladen sein, indem der Turbolader 22 jeweils zwei hintereinander geschaltete Turbinen 24 und Verdichter 26 umfasst. Um die aufgrund der Verdichtung erwärmte Verbrennungsluft zu kühlen und eine weitere Erhöhung der Zylinderladung zu erzielen, ist in der Luftleitung 14 ferner ein Ladeluftkühler 28 angeordnet.
Im vorliegend dargestellten Beispiel ist die Abgasrückführung als Hochdruck-AGR ausgelegt, indem die AGR-Leitung 18 das Abgas dem Abgaskanal 16 auf der Hochdruckseite der Turbine 24 entnimmt und der Luftleitung 14 auf der Hochdruckseite des Verdichters 26 zuführt. Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich jedoch auch mit einer entsprechenden Niederdruck-AGR ausgeführt werden.
Das Motoraggregat 10 umfasst ferner einen Reformer 30, welcher aus dem Gaskraftstoff, welcher über eine Gaszufuhr 32 zugeführt wird, molekularen Wasserstoff H₂ erzeugt. Um die für die Spaltung des Kohlenwasserstoffs vorgesehenen Reaktionspartner, nämlich Sauerstoff O₂ und Wasserdampf H₂O zuzuführen, steht der Reformer 30 erfindungsgemäß einerseits mit einer Abgaszuführungsleitung 34 in Verbindung, welche einen Abgasteilstrom zuführt, sowie mit einer Frischluftzuführungsleitung 36, welche dem Reformer 30 Frischluft zuführt. Dabei kann die Abgaszuführungsleitung 34 entweder direkt von dem Abgaskanal 16 oder – wie dargestellt – von der Abgasrückführungsleitung 18 abzweigen. Auf der anderen Seite kann die Frischluftzuführungsleitung 36 die Frischluft direkt aus der Umgebung beziehen oder – wie dargestellt – aus der Luftleitung 14.
Die dem Reformer 30 zuzuführenden Massenströme an Abgas und an Frischluft sind über ein stromaufwärts des Reformers 30 angeordnetes Ventil 38 beziehungsweise einen in der Frischluftzuführungsleitung 36 angeordneten Verdichter 40 (oder Ventil 58, siehe z.B. 2) beeinflussbar. Der Verdichter 40 weist vorzugsweise ein zusätzliches Rückschlagventil auf (nicht dargestellt), um bei Nichtbetrieb oder Ausfall des Verdichters ein unkontrolliertes Rückströmen von Abgas zu verhindern. Das Ventil 38 und der Verdichter 40 sind vorzugsweise variabel steuerbar.
In dem in 1 dargestellten Beispiel erfolgt die Entnahme des Abgases für den Reformer 30 stromauf der Abgasturbine 24, das heißt auf ihrer Hochdruckseite. Gleichfalls erfolgt die Entnahme der dem Reformer 30 zuzuführenden Frischluft auf der Hochdruckseite des Verdichters 26, also stromab desselben.
Das den Reformer 30 verlassende Gasgemisch (Reformat), das neben Wasserstoff H₂ hauptsächlich Kohlenmonoxid CO enthält, wird über eine Reformatleitung 42 abgeleitet und dem Verbrennungsmotor 12 zugeleitet. Im dargestellten Beispiel wird das Reformat der Verbrennungsluft des Motors zugemischt, wobei die Einleitung in diesem Beispiel auf der Hochdruckseite des Verdichters 26 in die Luftleitung 14 erfolgt. Das Reformat dient dem gasbetriebenen Motor 12 neben dem Hauptkraftstoff (z.B. Erdgas) als Zusatzkraftstoff. Die etwa zehnfach geringere Dichte von Wasserstoff gegenüber Erdgas bewirkt eine zusätzliche Entdrosselung des Motors 12 im Niedriglastbereich, bei dem der Motor 12 im Drosselbetrieb, das heißt mit verminderter Zylinderladung betrieben wird. Zudem führt der Wasserstoff aufgrund seiner hohen laminaren Brenngeschwindigkeit zu einer Verbesserung des Entflammungs- und Durchbrennverhaltens und erlaubt somit eine stärkere Abmagerung des Luft-Kraftstoffgemischs (verbesserte Magerlauffähigkeit) und/oder eine höhere AGR-Rate (verbesserte AGR-Verträglichkeit).
Es ist ferner ein Kühler 44 zur Kühlung des den Reformer 30 verlassenden Reformats vorgesehen, der hier in der Reformatleitung 42 angeordnet ist. Der Kühler 44 ist vorzugsweise mit Mitteln ausgestattet, die eine Steuerung oder Regelung der Kühlung zulassen. Im dargestellten Beispiel umfassen diese Mittel eine Bypassleitung 46, welche den Kühler 44 umgeht, sowie ein Stellmittel 48, welches den die Bypassleitung 46 durchströmenden Massenstrom reguliert. Insbesondere kann das Stellmittel 48 als ein Ventil ausgestaltet sein. Denkbar ist aber auch eine an der Abzweigungsstelle der Bypassleitung 46 angeordnete Abgasklappe. Im dargestellten Beispiel ist der Kühler 44 stromab der Zusammenführungsstelle der AGR-Leitung 18 sowie der Reformatleitung 42 angeordnet, so dass eine Kühlung nicht nur des Reformats sonders auch des rückgeführten Abgases erfolgt.
Die Steuerung der Kühlung erfolgt vorzugsweise so, dass bei geringer Motorlast der Kühler 44 ausgeschaltet wird, das heißt das Ventil 48 geöffnet wird, um das gesamte Reformat (beziehungsweise gemäß der vorliegenden Darstellung das Gasgemisch aus Reformat und rückgeführtem Abgas) durch die Bypassleitung 46 zu leiten. Hierdurch wird das Reformat dem Motor 12 ungekühlt zugeführt, wodurch Ladungswechselverluste reduziert werden und der Motor 12 thermisch entdrosselt wird. Bei hoher Motorlast hingegen wird das gesamte Reformat (beziehungsweise Reformat/Abgasgemisch) durch den Kühler 44 geführt, das heißt die Bypassleitung 46 wird geschlossen, um sowohl den Ladedruckbedarf (Füllungsmaximierung) als auch die Klopfneigung des Motors 12 zu vermindern. Ebenso können insbesondere bei mittleren Motorlasten diskrete oder kontinuierliche Zwischenstellungen möglich sein, bei denen ein Teilstrom des Reformats über den Kühler 44 geführt wird und der andere Teilstrom durch die Bypassleitung 46. Gemäß einer bevorzugten Betriebsstrategie wird die Kühlung des Reformats (beziehungsweise des Reformat/Abgasgemischs) so geregelt, dass der Taupunkt von Wasser nicht erreicht wird. Insbesondere wird die Temperatur auf eine möglichst tiefe Temperatur geregelt, ohne dass jedoch der Taupunkt erreicht wird. Auf diese Weise wird das Auskondensieren des Wassers vermieden.
Das Motoraggregat 10 nach 1 umfasst ferner Mittel zur Steuerung eines dem Reformer 30 zuzuführenden Verhältnisses aus Abgas und Frischluft, insbesondere zur Steuerung des Sauerstoffanteils im zugeführten Gesamtmassenstrom. Diese Mittel umfassen insbesondere eine Steuereinrichtung 50, welche die entsprechenden Stellmittel zur Beeinflussung der Abgas- und Frischluftmassenströme ansteuern, hier das Ventil 38 sowie den Verdichter 40. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 50 auch die Gaszufuhr 32 zur Zuführung des Gaskraftstoffs zu dem Reformer 30 steuern. Vorzugsweise erfolgt eine rückgekoppelte Regelung der Sauerstoffkonzentration, indem mittels einer in der Reformatleitung 42 angeordneten Lambdasonde 52, vorzugsweise einer Breitband-Lambdasonde, der Sauerstoffgehalt des Reformats gemessen und das entsprechende Signal von der Steuereinrichtung 50 eingelesen wird. In Abhängigkeit von der so ermittelten Ist-Konzentration an Sauerstoff im Reformat steuert die Steuereinrichtung 50 dann die entsprechenden Stellmittel 38 und 40. Optional kann zur Vorsteuerung der Abgas- und Frischluftteilströme, ehe ein Feedback-Signal der Sonde 52 zur Verfügung steht, auch eine im Abgaskanal 16 installierte Abgas-Lambdasonde, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde dienen (nicht dargestellt). Daneben kann der Massenstrom des Gaskraftstoffes berechnet oder gemessen werden. Bei der Regelung der Gasverhältnisse im Reformer 30 kann auf bekannte Regelungsstrategien der Lambda-Regelung von Verbrennungsmotoren zurückgegriffen werden.
Vorzugsweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die dem Reformer 30 zuzuführenden Abgasteilströme so beeinflusst, dass das im Reformer 30 vorliegende Luftverhältnis λ_Reformer des Gesamtmassenstroms aus Abgas, Frischluft und Gaskraftstoff so fett wie möglich ist (beziehungsweise sein Sauerstoffanteil so niedrig wie möglich ist), ohne dass eine vorbestimmte Rußkonzentration im Reformat überschritten wird. Insbesondere wird die Rußbildung soweit wie möglich unterdrückt. Diese Forderung wird eingehalten, wenn die partielle Oxidation des Gaskraftstoffs gemäß der vorstehenden Reaktionsgleichung (3) leicht gegenüber der endothermen Dampfreformierung gemäß Gleichung (1) überwiegt.
Die Steuerung beziehungsweise Regelung des Reformer-Luftverhältnisses λ_Reformer ist anhand von 6 ersichtlich, welche den Reformer 30, sowie seine Versorgungskomponenten (Gaszufuhr 32, Abgaszuführungsleitung 34, Frischluftzuführungsleitung 36, Reformatleitung 42) näher darstellt. Zusätzlich zu der Gaszufuhr 32 zur Zuführung von Gaskraftstoff als Wasserstofflieferant in den Reformer 30 ist in dieser Ausführung eine weitere Gaszufuhr 60 stromauf des Reformers vorgesehen. Diese dient der bedarfsweisen Zufuhr von Gaskraftstoff, um eine gewünschte Eintrittstemperatur T_Eintritt einzustellen. Eine Entflammung des Gemischs (vor Eintritt in den Reformer 30) erfolgt durch eine nicht dargestellte externe Zündeinrichtung.
In 6 bezeichnet λ_Abgas das Abgasluftverhältnis des vom Motor 12 kommenden Abgases und λ_Misch das Mischgas-Luftverhältnis nach der Zumischung von Frischluft in den Abgasmassenstrom. Am Eintritt des Reformers 30 liegt ein aus Abgas, Frischluft und gegebenenfalls Heizgaskraftstoff bestehender Gasmassenstrom vor, der das Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt sowie die Eintrittstemperatur T_Eintritt aufweist. Nach Zuführung des Gaskraftstoffs in den Reformer 30 über die Gaszufuhr 32 weist das dem Reformierungsprozess unterworfene Eduktgemisch im Reformer das Luftverhältnis λ_Reformer auf.

Der Reformer 30 wird typischerweise stets derart betrieben, dass sich das Luftverhältnis im Reformer λ_Reformer in Abhängigkeit von der Eintrittstemperatur T_Eintritt und des Eintritts-Luftverhältnisses λ_Eintritt in einem Bereich von λ_Reformer = etwa 0,01 bis etwa 0,3 befindet. Beispiele für erzielbare H₂-Anteile im Reformeraustritt sind der folgenden Tabelle zu entnehmen:

λ_Eintritt	T_Eintritt[K]	λ_Reformer	H₂-Anteil Reformeraustritt [Vol%]
1	500	0,09	0,3
1	673	0,02	3,0
1	873	0,09	2,5
1	1073	0,09	2,5
1,1	500	0,14	3,1
1,2	500	0,20	7,0
1,4	500	0,25	12,9
1,8	500	0,27	19,0
reine Luft	500	0,30	31,6

Die zur Einstellung des gewünschten Reformer-Luftverhältnisses λ_Reformer notwendigen Randbedingungen (Eintrittstemperatur T_Eintritt und Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt) werden, sofern erforderlich, über eine Zumischung von Luft und/oder Gaskraftstoff vor dem Reformer sichergestellt. Dabei dient die Gaskraftstoff-Zufuhr 60 vor dem Reformer 30 dem Heizen des dem Reformer zugeführten Massenstroms. Die Eintrittstemperatur T_Eintritt des Reformers wird auf mindestens 350 °C, vorzugsweise auf mindestens 400 °C eingestellt. Über die Zufuhr von Frischluft wird einerseits ein Luftverhältnis λ_Misch eingestellt, das für eine sichere Entflammung des über die Gaszufuhr 60 zugeführten Gaskraftstoffs erforderlich ist, und gleichzeitig ein Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt sichergestellt, das die Einstellung eines gewünschten Reformer-Luftverhältnisses λ_Reformer ermöglicht. Um den Reformer 30 im Wesentlichen rußfrei zu betreiben, wird die Gaskraftstoff-Zufuhr 32 zur H₂-Erzeugung in Abhängigkeit von der Eintrittstemperatur T_Eintritt und dem Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt so eingeregelt, dass das Reformer-Luftverhältnis λ_Reformer nicht kleiner als die in der vorstehenden Tabelle dargestellten Werte wird.
Für den Betrieb des Reformers 30 ist es prinzipiell nicht relevant, ob der Motor 12 stöchiometrisch (λ_Abgas = 1) oder überstöchiometrisch (λ_Abgas > 1) betrieben wird. Die Heizfunktion 60 (zusätzliche Zufuhr und Verbrennung von Gaskraftstoff vor dem Reformer) wird nur genutzt, wenn die Temperatur am Reformereintritt T_Eintritt ohne Beheizung für eine sichere Konvertierung nicht ausreichend ist. Die zusätzliche Zufuhr von Frischluft wird vorzugsweise darüber hinaus nur dann genutzt, wenn das für einen erforderlichen H₂-Anteil im Reformat notwendige Eintritts-Luftverhältnis λ_Eintritt, das sich ohne eine solche Zufuhr von Frischluft einstellen würde, zu gering ist.
Durch die Regelung des Reformer-Luftverhältnisses λ_Reformer im Reformer 30 wird erreicht, dass unabhängig von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 12 und somit unabhängig von dem Sauerstoffgehalt des motorischen Abgases (λ_Abgas) der Reformer 30 stets mit definierten Gasverhältnissen, insbesondere einem definierten Sauerstoffanteil, betrieben werden kann. Insbesondere kann somit der gewünschte Anteil an partieller Oxidation des Gaskraftstoffs eingestellt werden, ohne eine unerwünschte Rußbildung zu verursachen. Gleichzeitig gelingt auf diese Weise, die im Reformer 30 stattfindenden Einzelreaktionen so auszutarieren, dass eine gewünschte Exothermie der Gesamtreaktionen erzielt wird und somit dem Reformer außer der thermischen Energie des Abgases nicht dauerhaft Energie zugeführt werden muss.
Ein Starten des Reformers 30 kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Nach einer ersten Variante kann eine selbstständige Zündung des zugeführten Gaskraftstoffs an der katalytischen Reformerbeschichtung erfolgen. Daneben kann eine Selbstzündung auch durch elektrische Vorerwärmung des Reformers 30 oder der Gasmassenströme erfolgen. Schließlich sind aktive Zündungen durch Funkenzündung mittels einer Zündkerze oder durch Glühzündung mittels einer Glühkerze möglich. Als energetisch besonders vorteilhaft stellt sich eine regenerative Vorerwärmung des oder der in den Reformer einströmenden Gasströme, insbesondere des Luft- und/oder Abgasstroms und zuzüglich gegebenenfalls des Gaskraftstoffs dar. Eine solche regenerative Vorerwärmung kann in einem getrennten Bauteil, insbesondere in Form eines Luft/Luft-Wärmetauschers ausgeführt sein. Derartige Luft/Luft-Wärmetauscher sind von Ladeluftkühlern aufgeladener Motoren bekannt. Statt eines getrennten Bauteils kann eine regenerative Vorerwärmung auch in Form eines integrierten Konzepts innerhalb des Reformers 30 analog eines Umkehr-Katalysators realisiert werden. In einem solchen Umkehr-Katalysator wird der Gasstrom im Gegenstrom durch zwei koaxial angeordnete Katalysatorbetten geführt, insbesondere zunächst durch ein innen liegendes Katalysatorbett und anschließend nach entsprechender Richtungsumkehr durch ein außen liegendes Katalysatorbett. Die genannten Möglichkeiten können auch in Kombination miteinander eingesetzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Motoraggregats 10 zeigt 2, in welcher für übereinstimmende Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 6 verwendet werden. Bereits erläuterte Elemente und Funktionsweisen entsprechen denen aus den 1 und 6 und werden nicht noch einmal wiederholt. In sämtlichen 2 bis 5 wird auf die Darstellung der Steuereinheit 50 und der entsprechenden Signal- und Steuerleitungen verzichtet.
Das in 2 dargestellt Aggregat 10 weist als Steuerungsmittel für die Steuerung beziehungsweise Regelung des im Reformer 30 einzustellenden Luftverhältnisses λ_Reformer eine an der Zusammenführungsstelle der Abgaszuführungsleitung 34 und der Frischluftzuführungsleitung 36 angeordnete Strahlpumpe 56 sowie ein in der Frischluftzuführungsleitung 36 angeordnetes Ventil 58 auf. In Strahlpumpen wird die Pumpwirkung durch ein Treibmedium erzeugt, welches im Wege des Impulsaustauschs ein anderes Medium, das Saugmedium, ansaugt und fördert. Da Strahlpumpen über keine beweglichen Teile verfügen, sind sie sehr robust und wartungsarm. In der vorliegenden Anwendung wird bevorzugt eine Schaltungsweise gewählt, bei der der Abgasmassenstrom als Treibmedium für den Frischluftmassenstrom fungiert.
Die in 2 gezeigte Ausführungsvariante ist besonders bei Fahrzeugen mit hohem Dynamikanspruch, die vorwiegend im Niedriglastbereich betrieben werden, von Vorteil. Hier ist ein Betrieb ohne zusätzlichen Verdichter 40 wie in 1 möglich.
Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Motoraggregats 10 zeigt 3, in welcher für übereinstimmende Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in den vorstehenden Figuren werden. Bereits erläuterte Elemente und Funktionsweisen entsprechen denen aus den 1 und 6 und werden nicht noch einmal wiederholt.
In Abweichung von der Ausführung nach 1 wird bei dem Aggregat 10 nach 3 der dem Reformer 30 zuzuführende Frischluftmassenstrom stromauf des Verdichters 26 des Turboladers 22, also auf seiner Niederdruckseite entnommen. Zudem erfolgt die Einleitung des Reformats ebenfalls auf der Niederdruckseitedes Verdichters 26.
Eine Abwandlung der Ausgestaltung des Motoraggregats 10 nach 3 ist in 4 dargestellt, in welcher für übereinstimmende Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren verwendet werden. Bereits erläuterte Elemente und Funktionsweisen entsprechen denen der vorherigen Figuren und werden nicht noch einmal wiederholt.
Im Unterschied zu 3 weist das Aggregat 10 nach 4 eine Strahlpumpe 56 sowie ein Ventil 58 (analog 2) anstelle des Verdichters 40 auf. Diese Ausgestaltung ist in allen Betriebsbereichen und somit insbesondere für Fahrzeuge vorteilhaft, die nicht für bestimmte Lastbereiche besonders ausgelegt sind.
Eine weitere Abwandlung der Ausgestaltung des Motoraggregats 10 nach 3 zeigt 5, in welcher für übereinstimmende Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren verwendet werden. Bereits erläuterte Elemente und Funktionsweisen entsprechen denen der vorherigen Figuren und werden nicht noch einmal wiederholt.
Im Unterschied zu 3 wird bei dem Aggregat 10 nach 5 der dem Reformer 30 zuzuführende Abgasstrom stromab der Turbine 24 des Turboladers 22 dem Abgaskanal 16 entnommen. Somit werden der Abgasstrom und der Frischluftstrom für den Reformer 30 als auch das abgeleitete Reformat auf den jeweiligen Niederdruckseiten der Turbine 24 beziehungsweise des Verdichters 26 zu- beziehungsweise abgeleitet. Zudem sind in 5 die auf Hochdruckseite arbeitende AGR-Leitung 18 und die Niederdruck-Reformerstrecke vollständig parallel zueinander ausgeführt.
Bezugszeichenliste

10: Motoraggregat
12: Verbrennungsmotor
14: Luftzuführungssystem / Luftleitung
16: Abgaskanal
18: Abgasrückführungsleitung
20: Steuermittel / AGR-Ventil
22: Abgasturbolader
24: Turbine
26: Verdichter
28: Ladeluftkühler
30: Reformer
32: Gaszufuhr
34: Abgaszuführungsleitung
36: Frischluftzuführungsleitung
38: Ventil
40: Verdichter
42: Reformatleitung
44: Kühler
46: Bypassleitung
48: Stellmittel / Ventil
50: Steuereinrichtung
52: Lambdasonde
56: Strahlpumpe
58: Ventil
60: Heizmittel / Gaszufuhr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2004/0035395 A1 [0004]
EP 1269006 B1 [0005]

Claims

Motoraggregat (10) für den Fahrzeugantrieb, mit einem mit gasförmigen oder verflüssigtem Gaskraftstoff betreibbaren Verbrennungsmotor (12), einem Luftzuführungssystem (14) zur Zuführung von Frischluft zu dem Verbrennungsmotor (12), einem Abgaskanal (16) zur Abführung von Abgas vom Verbrennungsmotor (12), sowie einem Reformer (30) zur Erzeugung von Wasserstoff aus dem Gaskraftstoff, wobei der Reformer (30) mit einer Gaszufuhr (32) zur Zuführung des Gaskraftstoffs sowie mit einer Abgaszuführungsleitung (34) zur Zuführung von Abgas in Verbindung steht sowie mit einer Reformatleitung (42) zur Zuführung eines den Reformer (30) verlassenden wasserstoffhaltigen Reformats zu dem Verbrennungsmotor (12),dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (30) zusätzlich mit einer Frischluftzuführungsleitung (36) zur Zuführung von Frischluft in Verbindung steht und dass Mittel (38, 40, 50, 52, 56, 58) zur Steuerung oder Regelung eines in dem Reformer (30) vorliegenden Luftverhältnisses (λ_Reformer) vorhanden sind.
Motoraggregat (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (38, 40, 50, 52, 56, 58) eingerichtet sind, das in dem Reformer (30) vorliegende Luftverhältnis (λ_Reformer) so zu steuern oder zu regeln, dass eine Rußbildung am Reformerausgang höchstens einer Schwärzungszahl FSN von höchstens 0,1, vorzugsweise von höchstens 0,05 entspricht.
Motoraggregat (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (38, 40, 50, 52, 56, 58) eingerichtet sind, das in dem Reformer (30) vorliegende Luftverhältnis (λ_Reformer) auf einen Wert im Bereich von 0,005 bis 0,4, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 0,3, zu steuern oder zu regeln.
Motoraggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motoraggregat (10) ferner Heizmittel (60) zur Steuerung oder Regelung der Eintrittstemperatur T_Eintritt des in den Reformer eintretenden Gasmassenstroms umfasst, insbesondere umfassend eine Kraftstoffzufuhr stromauf des Reformers (30) sowie eine Zündeinrichtung zur Zündung des zugeführten Kraftstoffs.
Motoraggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformatleitung (42) einen Kühler (44) zur Kühlung des wasserstoffhaltigen Reformats aufweist.
Motoraggregat (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (44) Mittel (46, 48) zur Steuerung oder Regelung der Kühlung aufweist.
Motoraggregat (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (48) eingerichtet sind, die Kühlleistung so zu steuern oder zu regeln, dass die Temperatur des Reformats oberhalb der Taupunkttemperatur von Wasser liegt.
Motoraggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaszuführungsleitung (34) zur Zuführung von Abgas zu dem Reformer (30) mit dem Abgaskanal (16) auf der Hochdruckseite einer Turbine (24) eines Abgasturboladers (22) in Verbindung steht.
Motoraggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftzuführungsleitung (36) zur Zuführung von Frischluft zu dem Reformer (30) mit dem Luftzuführungssystem (14) auf der Niederdruck- oder Hochdruckseite einer Turbine (24) eines Abgasturboladers (22) in Verbindung steht.
Motoraggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformatleitung (42) mit dem Luftzuführungssystem (14) auf der Niederdruckoder Hochdruckseite einer Turbine (24) eines Abgasturboladers (22) in Verbindung steht.
Verfahren zum Betreiben eines Motoraggregats (10) für den Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein in dem Reformer (30) vorliegendes Luftverhältnis (λ_Reformer) so gesteuert oder geregelt wird, dass eine Rußbildung am Reformerausgang höchstens einer Schwärzungszahl FSN von höchstens 0,1, vorzugsweise von höchstens 0,05 entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Reformer (30) vorliegende Luftverhältnis (λ_Reformer) auf einen Wert im Bereich von 0,005 bis 0,4, insbesondere im Bereich von 0,01 bis 0,3, gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintritts-Temperatur (T_Eintritt) des in den Reformer eintretenden Massenstroms auf einen Wert von zumindest 350 °C, insbesondere 400 °C, eingestellt wird.