DE102016012457A1

DE102016012457A1 - Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, Abgasmodul für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE102016012457A1
Application number: DE102016012457.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Cattarius; Lothar Kilian; Andreas Warth; Helmut Warth
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2017-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine (12), mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren Abgastrakt (16), mit einer mit aus dem Abgas gewonnenem Wasser versorgbaren Elektrolyseeinrichtung (30), mittels welcher das Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelbar ist, und mit einer mit dem durch die Elektrolyse gewonnen Wasserstoff und mit Kohlendioxid aus dem Abgas versorgbaren Methanisierungseinrichtung (32), mittels welcher aus dem Kohlendioxid und dem Wasserstoff Methan erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein von der Verbrennungskraftmaschine (12) unterschiedlicher, mittels des erzeugten Methans betreibbarer Brenner (38) vorgesehen ist, mittels welchem unter Verbrennen des Methans Wärme zum zumindest mittelbaren Aufheizen wenigstens einer in dem Abgastrakt angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung bereitstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, ein Abgasmodul für einen von Abgas durchströmbaren Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 und ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Eine solche Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, ein solches Abgasmodul und ein solches Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sind beispielsweise bereits der DE 10 2014 223 530 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Antriebseinrichtung umfasst dabei eine Verbrennungskraftmaschine, einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt und eine Elektrolyseeinrichtung, welche mit aus dem Abgas gewonnenem Wasser versorgbar ist. Mittels der Elektrolyseeinrichtung kann das Wasser, mit welchem die Elektrolyseeinrichtung versorgt wird, durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt werden. Darüber hinaus ist eine Methanisierungseinrichtung vorgesehen, die mit dem durch die Elektrolyse gewonnen Wasserstoff sowie mit Kohlendioxid aus dem Abgas versorgbar ist. Mittels der Methanisierungseinrichtung ist aus dem Kohlendioxid und dem Wasserstoff Methan erzeugbar.
Ferner offenbart die DE 10 2007 053 130 A1 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem, umfassend eine Abgasreinigungseinheit, die in einer an die Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasleitung angeordnet ist. Ferner ist ein Heißgaserzeuger vorgesehen, welcher ein Heißgas an einer stromauf der Abgasreinigungseinheit angeordneten Einspeisestelle in die Abgasleitung einspeisen kann, sodass mit dem Heißgas vermischtes Abgas der Brennkraftmaschine der Abgasreinigungseinheit zugeführt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebseinrichtung, ein Abgasmodul und ein Verfahren der eingangsgenannten Art derart weiter zu entwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Antriebseinrichtung realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Abgasmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Antriebseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebener Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist erfindungsgemäß wenigstens ein von der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlicher, mittels des erzeugten Methans betreibbarer Brenner vorgesehen, mittels welchen unter Verbrennen des Methans Wärme zum zumindest mittelbaren Aufheizen wenigstens einer in dem Abgastrakt angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung bereitstellbar ist. Mit anderen Worten kann der Brenner mit dem mittels der Methanisierungseinrichtung erzeugten Methan, zumindest mittelbar, versorgt und betrieben werden. Dabei kann das dem Brenner zugeführte Methan, mit welchem der Brenner betrieben wird, mittels des Brenners verbrannt werden, wodurch der Brenner beispielsweise einen heißen und somit Wärme enthaltenden Gasstrom bereitstellt. Mittels des Gasstroms kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest mittelbar erwärmt werden.
Darunter ist zu verstehen, dass beispielsweise die Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest im Wesentlichen direkt mit dem Gasstrom beaufschlagt und somit direkt aufgeheizt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass der Gasstrom beziehungsweise die von dem Brenner bereitgestellte Wärme beispielsweise an einer in Strömungsrichtung des den Abgastrakt durchströmenden Abgases stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordneten Stelle in den Abgastrakt und somit in das den Abgastrakt durchströmende Abgas eingebracht wird, wodurch das Abgas erwärmt beziehungsweise aufgeheizt wird. Das aufgeheizte Abgas strömt dann durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung, sodass die Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels des aufgeheizten Abgases aufgeheizt wird.
Durch dieses zumindest mittelbare Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann diese besonders effektiv und effizient auf eine für einen Betrieb der Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders vorteilhafte Temperatur gebracht beziehungsweise auf einer solchen Temperatur gehalten werden, sodass die Abgasnachbehandlungseinrichtung das Abgas besonders effektiv nachbehandeln kann.
Der Brenner ist somit eine beispielsweise im Abgastrakt angeordnete Zusatzheizung, die mittels des Methans betrieben wird. Da das Methan aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere über den Sabatier-Prozess, gewonnen wird, wird bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung eine Rekuperation durchgeführt, mittels welcher sich ein besonders emissionsarmer Betrieb auf besonders effiziente Weise realisieren lässt. In der Folge können auch der Kraftstoffverbrauch und somit die CO₂-Emissionen der Antriebseinrichtung besonders gering gehalten werden.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass das Abgas mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung prinzipbedingt erst ab einer gewissen Temperatur beziehungsweise in einem gewissen Temperaturfenster effektiv nachbehandelt werden kann. Liegt die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung beziehungsweise des Abgases unterhalb des Temperaturfensters, so wird das Abgas mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung nicht oder weniger effektiv nachbehandelt.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst beispielsweise wenigstens einen SCR-Katalysator, mittels welchem das Abgas unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels, welches beispielsweise als wässrige Harnstofflösung ausgebildet ist, entstickt werden kann. Unter diesem Entsticken ist zu verstehen, dass im Abgas enthaltene Stickoxide (NO_X) im Rahmen der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) in Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Hierzu wird an einer stromauf des SCR-Katalysators angeordneten Einleitstelle das Reduktionsmittel in den Abgastrakt beziehungsweise in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt. Die selektive katalytische Reduktion ist eine chemische Reaktion (Thermolyse und Hydrolyse), welche in einem Temperaturfenster von circa 250 Grad Celsius bis 450 Grad Celsius besonders effizient abläuft. Unterhalb dieses Temperaturfensters unterbleibt üblicherweise die Einbringung des Reduktionsmittels in das Abgas, da ansonsten der Abgastrakt, insbesondere die Abgasnachbehandlungseinrichtung, durch Versottung und Verklumpung einen Schaden nehmen könnte.
Mittels des von der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere von deren Brennräumen, unterschiedlichen, zusätzlich zu der Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Brenners ist es nun möglich, insbesondere in solchen Betriebsbereichen, in welchem das Abgas an sich ohne zusätzliche Aufheizmaßnahme eine nur geringe Temperatur von beispielsweise weniger als 250 Grad Celsius aufweist, das Abgas mittels des Brenners effektiv und effizient aufzuheizen, sodass die Verbrennungskraftmaschine in einem besonders großen Bereich ihres Kennfelds emissionsarm betrieben werden kann.
Es ist denkbar, als Zusatzheizung einen Zusatzbrenner zu betreiben, welcher beispielsweise mit Kraftstoff, insbesondere mit flüssigem Kraftstoff, betrieben wird, mit welchem auch die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird. Nachteilig dabei ist jedoch, dass dann zum Aufheizen des Abgases beziehungsweise der Abgasnachbehandlungseinrichtung zusätzlicher Kraftstoff benötigt wird, sodass der Kraftstoffverbrauch und somit auch die CO₂-Emissionen erhöht werden. Diese Probleme und Nachteile können bei erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine vermieden werden, da der Brenner mit aus dem Abgas gewonnen Methan (CH₄) betrieben wird. Somit ist eine Rekuperation vorgesehen, mit deren Hilfe die Abgasnachbehandlungseinrichtung kraftstoffsverbrauchs- und CO₂-neutral aufgeheizt werden kann.
Da mittels des Brenners auf effiziente und effektive Weise eine besonders vorteilhafte, hohe Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung und/oder des Abgases realisiert werden kann, können auch der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine und somit die CO₂-Emissionen besonders gering gehalten werden. Ferner kann eine hohe Effizienz und Effektivität der Abgasnachbehandlungseinrichtung realisiert werden, da diese in einem besonders großen Bereich des Kernfelds der Verbrennungskraftmaschine betrieben und genutzt werden kann, um das Abgas nachzubehandeln. Ferner können das sogenannte Thermofenster und somit Schäden an dem Abgastrakt, insbesondere an der Abgasnachbehandlungseinrichtung, vermieden werden, da übermäßig geringe und dadurch schädliche Temperaturen vermieden werden können.
Insbesondere ist es denkbar, zumindest einen Teil des mittels der Methanisierungseinrichtung erzeugten Methans in der Verbrennungskraftmaschine, das heißt zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine zu nutzen, um beispielsweise mittels des Methans einen gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durchzuführen.
Das mittels der Methanisierungseinrichtung erzeugte Methan kann beispielsweise einem primären Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine beigemengt werden, sodass die Verbrennungskraftmaschine mit Hilfe eines Gemisches aus primärem Kraftstoff und dem primären Kraftstoff beigemengtem, mittels der Methanisierungseinrichtung erzeugtem Methan betrieben wird. Alternativ ist es denkbar, dass das mittels der Methanisierungseinrichtung erzeugte Methan als alleiniger beziehungsweise primärer Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine zu nutzen.
Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet. Alternativ dazu kann die Verbrennungskraftmaschine als anderweitige Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein. Insbesondere ist es denkbar, dass die Verbrennungskraftmaschine mittels eines flüssigen Kraftstoffs betreibbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Verbrennungskraftmaschine mittels eines gasförmigen Kraftstoffs betreibbar ist, sodass die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Gasmotor ausgebildet ist.
Um ein Abgasmodul der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegebener Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist erfindungsgemäß wenigstens ein mittels des erzeugten Methans betreibbarer und von der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlicher Brenner vorgesehen, mittels welchem unter Verbrennen des Methans Wärme zum zumindest mittelbaren Aufheizen wenigstens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung des Abgasmoduls bereitstellbar ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasmoduls anzusehen und umgekehrt.
Durch die Nutzung des Brenners kann auf effiziente und effektive Weise ein besonders großes Betriebsfenster geschaffen werden, in welchem die Abgasnachbehandlungseinrichtung effektiv betrieben werden kann. Durch das zumindest mittelbare Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann deren für das Nachbehandeln des Abgases vorteilhafte Temperatur besonders schnell beziehungsweise besonders früh erreicht und eine besonders lange Zeit gehalten werden, insbesondere auch bei Bedingungen, bei denen bei herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen die Abgasnachbehandlungseinrichtung nicht mehr oder nur eingeschränkt genutzt werden kann.
Insbesondere ist es denkbar, die mittels des Brenners bereitgestellte Wärme zum Ausbrennen beziehungsweise Freibrennen zumindest eines Teils, insbesondere eines Partikelfilters, der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu nutzen. Somit ist es möglich, den Partikelfilter ohne oder mit nur einem geringen zusätzlichen Kraftstoffaufwand freizubrennen, wodurch ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit fettem Gemisch vermieden oder ein Anteil eines solchen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine mit fettem Gemisch an einer Gesamtbetriebsdauer besonders gering gehalten werden kann.
Beispielsweise umfasst die Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise das Abgasmodul wenigstens einen von dem Brenner und von der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlichen Tank, in welchem das mittels der Methanisierungseinrichtung erzeugte Methan gespeichert, insbesondere zwischengespeichert, werden kann. Hierdurch können Leitungslängen zum Führen des Methans besonders kurz gehalten werden. Ferner kann das Methan in dem Tank gespeichert werden, sodass von der Methanisierungseinrichtung bereitgestellte kleine Mengen des Methans bereits ausreichen, um einen effizienten und effektiven Betrieb zu ermöglichen. Darüber hinaus kann der Tank besonders klein und bauraumgünstig ausgestaltet werden, und Drücke des Methans können gering gehalten werden. Außerdem ist es möglich, den Brenner mit Methan aus dem Tank besonders bedarfsgerecht und somit spontan zu versorgen, sodass die Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders bedarfsgerecht beziehungsweise spontan aufgeheizt werden kann. Durch die Speicherung des Methans kann das Methan genau dann bereitgestellt werden, wenn es erforderlich ist und nicht erst gewartet werden muss, bis die Methanisierungseinrichtung eine hinreichende Menge an Methan bereitgestellt hat.
Dadurch kann ein besonders langer Dauerbetrieb realisiert werden, da die Rekuperation, (Erzeugung des Methans) und das Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung parallel durchgeführt werden können. Ferner ist es denkbar, das Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung und das Erzeugen des Methans nacheinander durchzuführen, sodass beispielsweise dann, insbesondere auch dann, wenn ein mittels des Brenners bewirktes Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung unterbleibt, mittels der Methanisierungseinrichtung Methan erzeugt wird. Das erzeugte Methan kann dann im Tank zwischengespeichert werden. Insgesamt ist es denkbar, die Rekuperation in Energieüberschussphasen oder beispielsweise in Schubphasen oder in einem Generatorbetrieb des Kraftfahrzeugs durchzuführen.
Darüber hinaus ist es denkbar, dass das von der Methanisierungseinrichtung bereitgestellte Methan instantan genutzt wird. Darunter ist zu verstehen, dass das mittels der Methanisierungseinrichtung erzeugte Methan nicht etwa in einem Tank zwischengespeichert, sondern direkt dem Brenner zugeführt und mittels des Brenners verbrannt wird.
Außerdem ist es möglich, den durch die Elektrolyse erzeugten Sauerstoff (O₂) für die beziehungsweise bei der Verbrennung des Methans zu nutzen. Somit werden dem Brenner beispielsweise das Methan und der Sauerstoff zugeführt, insbesondere in wenigstens eine Brennkammer des Brenners eingeleitet, sodass das Methan und der Sauerstoff ein Methan-Sauerstoff-Gemisch beziehungsweise ein Gemisch bilden, welches zumindest das Methan und den Sauerstoff umfasst. Das Gemisch wird dann verbrannt, wodurch eine besonders saubere Verbrennung und besonders hohe Temperaturen realisiert werden können.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels des erzeugten Methans wenigstens ein von der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlicher Brenner betrieben wird, mittels welchem unter Verbrennen des Methans Wärme bereitgestellt wird, mittels welcher wenigstens eine in dem Abgastrakt angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest mittelbar aufgeheizt wird. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine und des erfindungsgemäßen Abgasmoduls sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Mittels des Verfahrens kann ein besonders effizienter und effektiver Betrieb realisiert werden, da das Methan als von einem Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlicher Brennstoff genutzt wird, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung aufzuheizen. Dadurch kann ein zusätzlicher Kraftstoffaufwand zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung vermieden werden, sodass der Kraftstoffverbrauch und somit die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung, bei welcher wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels aus Abgas einer Verbrennungskraftmaschine der Antriebseinrichtung erzeugtem Methan zumindest mittelbar aufgeheizt werden kann.
Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen beispielsweise einen Personenkraftwagen. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 12, welche beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet sein kann. Alternativ kann die Verbrennungskraftmaschine 12 als andere Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein. Die Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst ein beispielsweise als Kurbelgehäuse beziehungsweise Zylinderkurbelgehäuse ausgebildetes Gehäuseelement, welches als Zylinder 14 ausgebildete Brennräume aufweist. Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 werden den Zylindern 14 Luft beziehungsweise Sauerstoff aus der Luft und ein Kraftstoff, insbesondere ein flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 12 zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 resultiert. Dabei weist die Antriebseinrichtung 10 einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 16 auf, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 14 abgeführt wird.
In dem Abgastrakt 16 ist ein im Ganzen mit 18 bezeichnetes Abgasmodul angeordnet, dessen Bestandteile und Funktionen im Folgenden noch genauer erläutert werden. Vorliegend ist das Abgasmodul 18 ein Bestandteil der Antriebseinrichtung 10. Das Abgasmodul 18 und somit die Antriebseinrichtung 10 umfassen eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 20, welche einen beispielsweise als Dieselpartikelfilter (DPF) ausbildeten Partikelfilter 22 als erstes Abgasnachbehandlungselement umfasst. Als zweites Abgasnachbehandlungselement umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 einen SCR-Katalysator 24, welcher in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases stromab des Partikelfilters 22 angeordnet ist. Außerdem ist ein Reduktionsmitteltank 25 vorgesehen, welcher Bestandteil des Abgasmoduls 18 sein kann. In dem Reduktionsmitteltank 25 kann ein Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases aufgenommen werden. Das Reduktionsmittel ist beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung und wird auch als AdBlue bezeichnet. Außerdem ist eine Dosiereinrichtung 27 vorgesehen, mittels welcher das Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank 25 in den Abgastrakt 16 und somit in das Abgas eingebracht werden kann. Dabei ist eine Einleitstelle E vorgesehen, an welcher das Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteltank 25 mittels der Dosiereinrichtung 27 in das Abgas einbringbar ist, das heißt eingebracht werden kann. Dabei ist die Einleitstelle E in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des SCR-Katalysators 24 und vorliegend stromab des Partikelfilters 22 angeordnet.
Der SCR-Katalysator 24 wird genutzt, um eine selektive katalytische Reduktion (SCR) durchzuführen. Die SCR ist eine chemische Reaktion, in deren Rahmen im Abgas enthaltene Stickoxide (NO_X) mit von dem in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittel bereitgestelltem Ammoniak (NH₃) zu Stickstoff und Wasser reagieren. Dadurch wird das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 entstickt. Durch dieses Entsticken werden die etwaig im Abgas enthaltenen Stickoxide zumindest zum Teil aus dem Abgas entfernt. Die SCR läuft dabei in dem SCR-Katalysator 24, das heißt in dessen Inneren, ab, wobei der SCR-Katalysator 24 wenigstens eine Beschichtung aufweist, mittels welcher die SCR katalysiert, das heißt unterstützt beziehungsweise bewirkt wird.
Stromab des SCR-Katalysators 24 sind im Abgas beispielsweise zumindest noch Sauerstoff (CO₂), Stickstoff (N₂), Wasser (H₂O) beziehungsweise Wasserdampf (H₂O-Dampf) und Kohlendioxid (CO₂) enthalten.
Das Abgasmodul 18 umfasst wenigstens einen Kondensator 26, welchem der Wasserdampf aus dem Abgas zugeführt wird. Mittels des Kondensators 26 wird der dem Kondensator 26 zugeführte Wasserdampf kondensiert, sodass der Kondensator 26 flüssiges Wasser bereitstellt. Dabei weist das Abgasmodul 18 wenigstens einen Wassertank 28 auf, welchem das von dem Kondensator 26 bereitgestellte, flüssige Wasser zugeführt wird, sodass das von dem Kondensator 26 bereitgestellte flüssige Wasser, insbesondere in flüssiger Form, in den Wassertank 28 gespeichert wird.
Das Abgasmodul 18 umfasst darüber hinaus eine Elektrolyseeinrichtung 30, welche mit dem aus dem Abgas gewonnen Wasser versorgbar ist beziehungsweise versorgt wird. Vorliegend wird die Elektrolyseeinrichtung 30 mit dem Wasser aus dem Wassertank 28 versorgt. Mit anderen Worten wird der Elektrolyseeinrichtung 30 das Wasser aus dem Wassertank 28 zugeführt.
Insbesondere mit Hilfe von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom wird mittels der Elektrolyseeinrichtung 30 eine Elektrolyse des der Elektrolyseeinrichtung 30 zugeführten Wassers bewirkt, sodass mittels der Elektrolyseeinrichtung 30 das der Elektrolyseeinrichtung 30 zugeführte Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) umgewandelt wird.
Außerdem umfasst das Abgasmodul 18 eine Methanisierungseinrichtung 32, mittels welcher der Sabatier-Prozess durchgeführt wird beziehungsweise welche nach dem Sabatier-Prozess arbeitet. Der Methanisierungseinrichtung 32 wird der von der Elektrolyseeinrichtung 30 bereitgestellte Wasserstoff sowie Kohlendioxid aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 zugeführt. Dabei umfasst die Methanisierungseinrichtung 32 wenigstens einen Sabatier-Reaktor, dem das Kohlendioxid aus dem Abgas und der von der Elektrolyseeinrichtung 30 bereitgestellte Wasserstoff zugeführt werden. Mittels des Sabatier-Reaktors beziehungsweise in dem Sabatier-Reaktor wird bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, insbesondere unter Verwendung eines Katalysators, folgende chemische Reaktion durchgeführt: C2 + 4H2 → CH4 + H2O
Somit wird mittels der Methanisierungseinrichtung 32 im Rahmen des Sabatier-Prozesses das der Methanisierungseinrichtung 32 zugeführte Kohlendioxid und der der Methanisierungseinrichtung zugeführte Wasserstoff im Wasser und Methan (CH₄) umgewandelt. Mit anderen Worten wird mittels der Methanisierungseinrichtung 32 aus dem der Methanisierungseinrichtung 32 zugeführten Kohlendioxid und aus dem der Methanisierungseinrichtung 32 zugeführten Wasserstoff Methan erzeugt. Die Methanisierungseinrichtung 32 stellt dabei das erzeugte Methan bereit. Ferner stellt die Methanisierungseinrichtung 32 das erzeugte Wasser bereit, welches beispielsweise dem Wassertank 28 zugeführt und in dem Wassertank gespeichert wird. Somit kann das von der Methanisierungseinrichtung 32 bereitgestellte Wasser für die mittels der Elektrolyseeinrichtung 30 durchzuführenden Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff für den Sabatier-Prozess genutzt werden.
Das Abgasmodul 18 umfasst darüber hinaus einen Tank 34 und einen Verdichter 36, welcher auch als Kompressor bezeichnet wird. Das mittels der Methanisierungseinrichtung 32 bereitgestellte Methan wird zu dem Verdichter 36 geführt beziehungsweise mittels des Verdichters 36 gefördert und verdichtet. Das mittels des Verdichters 36 verdichtete Methan wird dem Tank 34 zugeführt, insbesondere in den Tank 34 eingeleitet, und, insbesondere im verdichteten Zustand, in dem Tank 34 gespeichert. Da das Methan ein Gas ist und mittels des Verdichters 36 verdichtet wird, ist das verdichtete Methan ein CNG (Compressed Natural Gas). Beispielsweise wird das Methan mittels des Verdichters 36 auf einen Druck, insbesondere auf einen Betriebszug, von circa 200 bar verdichtet und in dem als CNG-Tank ausgebildeten Tank 34 gespeichert, sodass das in dem Tank 34 gespeicherte Methangas beispielsweise einen Druck von 200 bar aufweist.
Um nun einen besonders emissionsarmen Betrieb der Antriebseinrichtung 10 auf effiziente und effektive Weise zu realisieren, umfasst das Abgasmodul 18 wenigstens einen von der Verbrennungskraftmaschine 12 unterschiedlichen, zusätzlich zur Verbrennungskraftmaschine 12 vorgesehenen, als Zusatzheizung fungierenden und mittels des mittels der Methanisierungseinrichtung 32 erzeugten Methans betreibbaren Brenner 38, mittels welchem unter Verbrennen des Methans Wärme zum zumindest mittelbaren Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 bereitstellbar ist.
Aus der Fig. ist erkennbar, dass dem Brenner 38, insbesondere wenigstens einer von allen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine 12 unterschiedlichen Brennkammer des Brenners 38, das Methan (CH₄) aus dem Tank 34 und der im Rahmen der Elektrolyse erzeugte beziehungsweise entstehende und von der Elektrolyseeinrichtung 30 bereitgestellte Sauerstoff (O₂) zugeführt werden, sodass beispielsweise in dem Brenner 38, insbesondere in dessen Brennkammer, ein Gemisch entsteht, welches das Methan und den Sauerstoff umfasst. Dieses Gemisch wird in dem Brenner 38 beziehungsweise mittels des Brenners 38 verbrannt, sodass der Brenner beispielsweise einen heißen und somit Wärme enthaltenden Gasstrom 40 bereitstellt. Aus der Fig. ist erkennbar, dass der Gasstrom 40 Wasser und Kohlendioxid umfassen beziehungsweise beinhalten kann.
Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird der Gasstrom 40 an einer Zuführstelle Z in den Abgastrakt 16 eingebracht beziehungsweise eingeleitet, wobei die Zuführstelle Z in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 angeordnet ist. Mittels des in den Abgastrakt 16 und somit in das den Abgastrakt 16 durchströmende Abgas eingebrachten Gasstroms, insbesondere mittels der in dem Gasstrom enthaltenen Wärme, wird das den Abgastrakt 16 durchströmende Abgas aufgeheizt. Das aufgeheizte Abgas strömt durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 20, insbesondere durch den Partikelfilter 22 und durch den SCR-Katalysator 24, sodass die Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 mittels des aufgeheizten Abgases aufgeheizt wird. Dadurch kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 auf eine solche Temperatur gebracht werden, die für die mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 bewirkte Nachbehandlung des Abgases besonders vorteilhaft ist.
Mit anderen Worten, durch das Verbrennen zumindest des Methans entsteht in der Zusatzheizung Wärme, mit deren Hilfe die Temperatur des Abgases auf ein vorteilhaftes Betriebsniveau gebracht werden kann. Da die Zuführstelle Z stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 angeordnet ist, können das bei der Verbrennung des Methans entstehende Wasser und das Kohlendioxid in die Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 geführt werden, sodass sowohl das Abgas aus den Zylindern 14 als auch im Rahmen der Verbrennung des Methans entstehendes Abgas des Brenners 38 mittels derselben Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 nachbehandelt werden kann. Insgesamt ist aus der Fig. erkennbar, dass das Abgas ohne zusätzlichen Aufwand von Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 12 aufgeheizt werden kann. Sabatier-Reaktoren weisen dabei kompakte Ausmaße auf, sodass es möglich ist, einen solchen Sabatier-Reaktor platzsparend in das Kraftfahrzeug einzubauen. Dadurch kann der Bauraumbedarf des Abgasmoduls 18 besonders gering gehalten werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Gehäuseelement
14: Zylinder
16: Abgastrakt
18: Abgasmodul
20: Abgasnachbehandlungseinrichtung
22: Partikelfilter
24: SCR-Katalysator
25: Reduktionsmitteltank
26: Kondensator
27: Dosiereinrichtung
28: Wassertank
30: Elektrolyseeinrichtung
32: Methanisierungseinrichtung
34: Tank
36: Verdichter
38: Brenner
40: Gasstrom
E: Einleitstelle
Z: Zuführstelle

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

DE 102014223530 A1 [0002]
DE 102007053130 A1 [0003]

Claims

Antriebseinrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine (12), mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren Abgastrakt (16), mit einer mit aus dem Abgas gewonnenem Wasser versorgbaren Elektrolyseeinrichtung (30), mittels welcher das Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelbar ist, und mit einer mit dem durch die Elektrolyse gewonnen Wasserstoff und mit Kohlendioxid aus dem Abgas versorgbaren Methanisierungseinrichtung (32), mittels welcher aus dem Kohlendioxid und dem Wasserstoff Methan erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein von der Verbrennungskraftmaschine (12) unterschiedlicher, mittels des erzeugten Methans betreibbarer Brenner (38) vorgesehen ist, mittels welchem unter Verbrennen des Methans Wärme zum zumindest mittelbaren Aufheizen wenigstens einer in dem Abgastrakt angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung bereitstellbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Tank (34) und wenigstens ein Verdichter (36) vorgesehen sind, mittels welchem das Methan zu verdichten und zu dem Tank (34) zu fördern ist, in welchem das verdichtete Methan zu speichern ist, wobei der Brenner (38) mit Methan aus dem Tank (34) versorgbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mit Wasserdampf aus dem Abgas versorgbarer Kondensator (26) vorgesehen ist, mittels welchem der Wasserdampf in das Wasser umwandelbar ist.
Antriebseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wassertank (28) zum Speichern des Wassers vorgesehen ist, wobei die Elektrolyseeinrichtung (30) mit Wasser aus dem Wassertank (28) versorgbar ist.
Abgasmodul (18) für einen von Abgas durchströmbaren Abgastrakt (16) einer Verbrennungskraftmaschine (12), mit einer mit aus dem Abgas gewonnenem Wasser versorgbaren Elektrolyseeinrichtung (30), mittels welcher das Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelbar ist, und mit einer mit dem durch die Elektrolyse gewonnen Wasserstoff und mit Kohlendioxid aus dem Abgas versorgbaren Methanisierungseinrichtung (32), mittels welcher aus dem Kohlendioxid und dem Wasserstoff Methan erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein von der Verbrennungskraftmaschine (12) unterschiedlicher und mittels des erzeugten Methans betreibbarer Brenner (38) vorgesehen ist, mittels welchem unter Verbrennen des Methans Wärme zum zumindest mittelbaren Aufheizen wenigstens einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) des Abgasmoduls (18) bereitstellbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer eine Verbrennungskraftmaschine (12) zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs umfassenden Antriebseinrichtung (10), mit den Schritten: – Versorgen einer Elektrolyseeinrichtung (30) mit Wasser, welches aus einen Abgastrakt (16) der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmendem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) gewonnen wird; – Mittels der Elektrolyseeinrichtung (30): Umwandeln des Wassers durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff; – Versorgen einer Methanisierungseinrichtung (32) mit dem durch die Elektrolyse gewonnen Wasserstoff; – Versorgen der Methanisierungseinrichtung (32) mit Kohlendioxid aus dem Abgas; und – Mittels der Methanisierungseinrichtung (32): Erzeugen von Methan aus dem Kohlendioxid und dem Wasserstoff; dadurch gekennzeichnet, dass mittels des erzeugten Methans wenigstens ein von der Verbrennungskraftmaschine (12) unterschiedlicher Brenner (38) betrieben wird, mittels welchem unter Verbrennen des Methans Wärme bereitgestellt wird, mittels welcher wenigstens eine in dem Abgastrakt (16) angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) zumindest mittelbar aufgeheizt wird.