DE102020209156A1 - Exhaust system for a hydrogen internal combustion engine and method for operating an exhaust system of a hydrogen internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasstrang (100) für einen Wasserstoffverbrennungsmotor (10) und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasstrangs (100) eines Wasserstoffverbrennungsmotors, der mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben wird. Der erfindungsgemäße Abgasstrang (100) umfasst eine Abgasleitung (102), eine in der Abgasleitung (102) angeordnete erste Katalysatorvorrichtung (110), die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, eine in der Abgasleitung (102) stromaufwärts der ersten Katalysatorvorrichtung (110) angeordnete zweite Katalysatorvorrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, und eine stromaufwärts der zweiten Katalysatorvorrichtung (120) angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung (170), die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen, damit das eingespritzte Wasserstoffgas mit dem in der zweiten Katalysatorvorrichtung (120) vorliegenden Sauerstoff zum Erwärmen des Abgases reagiert.The present invention relates to an exhaust system (100) for a hydrogen internal combustion engine (10) and a method for operating an exhaust system (100) of a hydrogen internal combustion engine that is operated with hydrogen gas as fuel. The exhaust line (100) according to the invention comprises an exhaust pipe (102), a first catalytic converter device (110) arranged in the exhaust pipe (102) and designed to at least partially post-treat the exhaust gas, a catalytic converter device (110) installed in the exhaust pipe (102) upstream of the first catalytic converter device ( 110) arranged second catalyst device (120), which is designed to at least partially post-treat the exhaust gas, and a hydrogen gas injection device (170) arranged upstream of the second catalyst device (120), which is designed to inject hydrogen gas so that the injected hydrogen gas with the in the second catalytic device (120) reacts oxygen present to heat the exhaust gas.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors, insbesondere einen Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor mit einer Vorrichtung zum schnellen Erwärmen der Katalysatorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren hierfürThe present invention relates to an exhaust system for a hydrogen internal combustion engine and a method for operating an exhaust system of a hydrogen internal combustion engine, in particular an exhaust system for a hydrogen internal combustion engine with a device for rapidly heating the catalyst device and a corresponding method for this
Wasserstoffverbrennungsmotoren werden im Zuge der immer strengeren Emissionsvorschriften, insbesondere im Hinblick auf die Kohlenstoffoxidemission, wichtiger. Bei einem Wasserstoffverbrennungsmotor kann es aufgrund der hohen Temperaturen und dem in der Luft vorrätigen Stickstoff auch zu Stickoxiden im Abgas kommen, die mit Hilfe einer Katalysatorvorrichtung, wie beispielsweise einer auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion basierenden Katalysatorvorrichtung, in Kombination mit Wasserstoffgas nachbehandelt werden können, um die Stickoxidemission weitestgehend zu reduzieren. Von fossilen Verbrennungskraftmotoren ist es bekannt, dass eine Katalysatorvorrichtung, wie beispielsweise eine auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion basierende Katalysatorvorrichtung, auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmt werden muss, damit effiziente Umsetzung der Stickoxide realisiert werden kann. Hierfür ist es bekannt, ein konventionelles Katalysatorsubstrat mit einer elektrisch beheizbaren Scheiben zu vereinen, die das Katalysatorsubstrat auf die vorbestimmte Temperatur erwärmen kann.Hydrogen internal combustion engines are becoming more important as emission regulations become more stringent, particularly with regard to carbon oxide emissions. In the case of a hydrogen combustion engine, due to the high temperatures and the nitrogen present in the air, nitrogen oxides can also occur in the exhaust gas, which can be post-treated with the aid of a catalytic converter device, such as a catalytic converter device based on the principle of selective catalytic reduction, in combination with hydrogen gas. to reduce nitrogen oxide emissions as much as possible. It is known from fossil internal combustion engines that a catalytic converter device, such as a catalytic converter device based on the principle of selective catalytic reduction, must be heated to a predetermined operating temperature so that efficient conversion of the nitrogen oxides can be implemented. For this purpose, it is known to combine a conventional catalyst substrate with an electrically heatable disc that can heat the catalyst substrate to the predetermined temperature.
Ferner ist aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt zumindest teilweise die Aufgabe zugrunde, einen Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors bereitzustellen, mit dem jeweils die im Abgasstrang angeordnete Katalysatorvorrichtung möglichst frühzeitig und schnell auf ihre Betriebstemperatur zu erwärmen.The present invention is at least partially based on the object of providing an exhaust system for a hydrogen internal combustion engine and a method for operating an exhaust system of a hydrogen internal combustion engine, with which the catalytic converter device arranged in the exhaust system can be heated to its operating temperature as early and quickly as possible.
Diese Aufgabe wird mit einem Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor gemäß unabhängigen Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit den Merkmalen gemäß unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with an exhaust line for a hydrogen internal combustion engine according to independent claim 1 and a method for operating an exhaust line of a hydrogen internal combustion engine having the features according to
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, eine (Haupt-)Katalysatorvorrichtung, insbesondere SCR-Katalysatorvorrichtung, eines Abgasstrangs für einen Wasserstoffverbrennungsmotor dadurch auf ihre vorbestimmte Betriebstemperatur zu erwärmen, dass eine zusätzliche Katalysatorvorrichtung stromaufwärts der (Haupt-)Katalysatorvorrichtung und eine Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas stromaufwärts der weiteren Katalysatorvorrichtung einzuspritzen, vorzusehen, damit das eingespritzte Wasserstoffgas mit dem in der weiteren Katalysatorvorrichtung vorliegenden Sauerstoff zum Erwärmen des Abgases reagieren kann. Das dadurch erwärmte Abgas kann dann durch die (Haupt-)Katalysatorvorrichtung zum frühzeitigen Erwärmen derselben verwendet werden, um diese frühestmöglich und schnellstmöglich auf die vorbestimmte Betriebstemperatur zu erwärmen.The present invention is essentially based on the idea of heating a (main) catalytic converter device, in particular an SCR catalytic converter device, of an exhaust system for a hydrogen internal combustion engine to its predetermined operating temperature in that an additional catalytic converter device upstream of the (main) catalytic converter device and a hydrogen gas injection device, adapted to inject hydrogen gas upstream of the further catalyst device, to allow the injected hydrogen gas to react with the oxygen present in the further catalyst device to heat the exhaust gas. The exhaust gas heated in this way can then be used by the (main) catalytic converter device to heat it up early, in order to heat it up to the predetermined operating temperature as early and as quickly as possible.
Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt ein Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor offenbart, der dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben zu werden. Das Wasserstoffgas wird in zumindest einem Verbrennungsraum mit Luft verbrannt. Der erfindungsgemäße Abgasstrang weist eine Abgasleitung zum Leiten des aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgases, eine in der Abgasleitung stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete erste Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, eine in der Abgasleitung stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums und stromaufwärts der ersten Katalysatorvorrichtung angeordnete zweite Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, und eine stromaufwärts der zweiten Katalysatorvorrichtung angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen, damit das eingespritzte Wasserstoffgas mit dem in der zweiten Katalysatorvorrichtung vorliegenden Sauerstoff zum Erwärmen des Abgases reagiert und bei Weiterströmen durch die Abgasleitung und durch die erste Katalysatorvorrichtung diese auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmt.Thus, according to a first aspect, an exhaust system for a hydrogen internal combustion engine configured to be operated with hydrogen gas as a fuel is disclosed. The hydrogen gas is combusted with air in at least one combustion chamber. The exhaust line according to the invention has an exhaust line for conducting the exhaust gas flowing out of the at least one combustion chamber, a first catalytic converter device which is arranged in the exhaust line downstream of the at least one combustion chamber and is designed to at least partially post-treat the exhaust gas, an exhaust line in the exhaust line downstream of the at least one combustion chamber and a second catalytic converter device arranged upstream of the first catalytic converter device, which is designed to at least partially after-treat the exhaust gas, and a hydrogen gas injection device arranged upstream of the second catalytic converter device, which is designed to inject hydrogen gas so that the injected hydrogen gas is mixed with the oxygen present in the second catalytic converter device reacts to heat the exhaust gas and upon further flow through the exhaust pipe and through the first catalytic device device to a predetermined operation heated to room temperature.
Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass in der zweiten Katalysatorvorrichtung das stromaufwärts eingespritzte Wasserstoffgas mit dem darin befindlichen Sauerstoff reagieren und zu exothermer Energie führen kann, was gleichzeitig das dahindurch strömende Abgas signifikant erwärmen kann. Das weiterströmende, signifikant erwärmte Abgas kann dann die in der Abgasleitung stromabwärts der zweiten Katalysatorvorrichtung angeordnete erste Katalysatorvorrichtung deutlich schneller auf die vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmen. Das kann dazu führen, dass die erste (Haupt-)Katalysatorvorrichtung früher in ihren effizienten Normalbetrieb gelangen und somit die Schadstoffemissionen des Wasserstoffverbrennungsmotors reduziert werden können.The invention makes use of the fact that in the second catalytic converter device the hydrogen gas injected upstream can react with the oxygen contained therein and lead to exothermic energy, which at the same time can significantly heat the exhaust gas flowing through it. The further flowing, significantly heated exhaust gas can then heat the first catalytic converter device, which is arranged in the exhaust pipe downstream of the second catalytic converter device, to the predetermined operating temperature much faster. This can lead to the first (main) catalytic converter device getting into its efficient normal operation earlier and thus the pollutant emissions of the hydrogen internal combustion engine can be reduced.
Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Katalysatorvorrichtung um eine sogenannte SCR-Katalysatorvorrichtung, die auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion mit Wasserstoffgas beruht. Hierbei konvertiert das eingespritzte Wasserstoffgas mit den im Abgas befindlichen Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff.The first catalytic converter device is preferably a so-called SCR catalytic converter device, which is based on the principle of selective catalytic reduction with hydrogen gas. Here, the injected hydrogen gas is converted into water and nitrogen with the nitrogen oxides in the exhaust gas.
Ferner ist es bevorzugt, dass es sich bei der zweiten Katalysatorvorrichtung um eine Oxidatonskatalysatorvorrichtung handelt. Dabei kann sich das eingespritzte Wasserstoffgas mit dem in der Oxidationskatalysatorvorrichtung vorhandenen Sauerstoff durch katalytische Wirkung leicht verbinden, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird. Diese freigesetzte Wärmeenergie erwärmt das Abgas, das wiederum die erste Katalysatorvorrichtung schneller erwärmen kann.Furthermore, it is preferred that the second catalyst device is an oxidation catalyst device. At this time, the injected hydrogen gas can easily combine with the oxygen present in the oxidation catalyst device by catalytic action, thereby releasing thermal energy. This released thermal energy heats the exhaust gas, which in turn can heat the first catalytic device more quickly.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Abgasstrang ferner eine Bypassleitung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Abgas an der zweiten Katalysatorvorrichtung vorbei direkt zur ersten Katalysatorvorrichtung zu leiten. Dabei ist die Bypassleitung derart angeordnet, dass diese denjenigen Bereich der Abgasleitung, in der die zweite Katalysatorvorrichtung angeordnet ist, umgeht und das Abgas daran vorbeileitet, damit dieses dann direkt durch die erste Katalysatorvorrichtung strömen kann.Furthermore, it is advantageous if the exhaust line according to the invention also has a bypass line which is designed to direct the exhaust gas past the second catalytic converter device directly to the first catalytic converter device. The bypass line is arranged in such a way that it bypasses that area of the exhaust line in which the second catalytic converter device is arranged and directs the exhaust gas past it so that it can then flow directly through the first catalytic converter device.
Vorzugsweise befindet sich zumindest teilweise in der Bypassleitung ein Steuerungsventil, das dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom entweder durch die zweite Katalysatorvorrichtung oder durch die Bypassleitung zu leiten. Bevorzugt handelt es sich bei dem Steuerungsventil um ein 3/2-Wege-Ventil.A control valve is preferably located at least partially in the bypass line and is configured to direct the exhaust gas flow either through the second catalytic converter device or through the bypass line. The control valve is preferably a 3/2-way valve.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Abgasstrang ferner eine weitere Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas in die Abgasleitung an einer Position stromaufwärts der ersetn Katalysatorvorrichtung und stromabwärts der zweiten Katalysatorvorrichtung einzuspritzen. Insbesondere dient das mittels der zumindest einen weiteren Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung eingespritzte Wasserstoffgas als Reduktionsmittel für die in der ersten Katalysatorvorrichtung ablaufende Reduktion.In a further preferred embodiment, the exhaust system according to the invention also has a further hydrogen gas injection device which is designed to inject hydrogen gas into the exhaust pipe at a position upstream of the first catalytic converter device and downstream of the second catalytic converter device. In particular, the hydrogen gas injected by means of the at least one further hydrogen gas injection device serves as a reducing agent for the reduction taking place in the first catalytic converter device.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasstrangs ist die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung dazu ausgebildet, Wasserstoff in den zumindest einen Verbrennungsraum während einer Arbeitsphase und/oder während einer Ausstoßphase des Wasserstoffverbrennungsmotors einzuspritzen. Insbesondere kann dabei die Haupteinspritzvorrichtung für das Wasserstoffgas verwendet werden, um unverbranntes Wasserstoffgas in die Abgasleitung einzuleiten, damit dieses, wie bereits erwähnt, mit dem in der zweiten Katalysatorvorrichtung vorliegenden Sauerstoff zum Erwärmen des Abgases reagieren kann.In a further advantageous embodiment of the exhaust line according to the invention, the hydrogen gas injection device is designed to inject hydrogen into the at least one combustion chamber during a working phase and/or during an exhaust phase of the hydrogen internal combustion engine. In particular, the main injection device for the hydrogen gas can be used to introduce unburned hydrogen gas into the exhaust pipe so that, as already mentioned, this can react with the oxygen present in the second catalytic converter device to heat the exhaust gas.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wasserstoffmotor offenbart, der zumindest einen Verbrennungsraum und einen stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordneten erfindungsgemäßen Abgasstrang aufweist.According to a further aspect of the present invention, a hydrogen engine is disclosed which has at least one combustion chamber and an exhaust line according to the invention arranged downstream of the at least one combustion chamber.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors offenbart, der dazu ausgebildet ist, mit Wasserstoffgas als Kraftstoff betrieben zu werden. Das Wasserstoffgas wird dabei in zumindest einem Verbrennungsraum mit Luft verbrannt. Der Abgasstrang weist eine Abgasleitung zum Leiten des aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgases, eine in der Abgasleitung stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete erste Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, eine in der Abgasleitung stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums und stromaufwärts der ersten Katalysatorvorrichtung angeordnete zweite Katalysatorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln, und eine stromaufwärts der zweiten Katalysatorvorrichtung angeordnete Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, Wasserstoffgas einzuspritzen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Einspritzen von Wasserstoffgas mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung, damit das eingespritzte Wasserstoffgas mit dem in der zweiten Katalysatorvorrichtung vorliegenden Sauerstoff zum Erwärmen des Abgases reagieren kann, ein Erwärmen der ersten Katalysatorvorrichtung mittels Strömen des in der zweiten Katalysatorvorrichtung erwärmten Abgases dahindurch und ein Beenden des Einspritzens von Wasserstoffgas, wenn die Temperatur der ersten Katalysatorvorrichtung eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat.According to a further aspect of the present invention, a method for operating an exhaust train of a hydrogen internal combustion engine configured to be operated with hydrogen gas as a fuel is disclosed. The hydrogen gas is burned with air in at least one combustion chamber. The exhaust system has an exhaust pipe for conducting the exhaust gas flowing out of the at least one combustion chamber, a first catalytic converter device which is arranged in the exhaust pipe downstream of the at least one combustion chamber and is designed to at least partially post-treat the exhaust gas, a catalytic converter device in the exhaust pipe downstream of the at least one combustion chamber and a second catalyst device arranged upstream of the first catalyst device and designed to at least partially after-treat the exhaust gas, and a hydrogen gas injection device arranged upstream of the second catalyst device and designed to inject hydrogen gas. The method of the present invention includes injecting hydrogen gas by means of the hydrogen gas injector to allow the injected hydrogen gas to react with the oxygen present in the second catalyst device to heat the exhaust gas, heating the first catalyst device by flowing the exhaust gas heated in the second catalyst device therethrough, and terminating the injection of hydrogen gas when the temperature of the first catalyst device has reached a predetermined operating temperature.
Das zusätzliche Wasserstoffgas wird dabei solange in die Abgasleitung eingespritzt, bis die erste Katalysatorvorrichtung auf ihre vorbestimmte Betriebstemperatur erwärmt ist. Danach schaltet der Betrieb des Abgasstrangs auf Normalbetrieb um.The additional hydrogen gas is injected into the exhaust line until the first catalytic converter device is heated to its predetermined operating temperature. The operation of the exhaust system then switches to normal operation.
Vorzugsweise weist der Abgasstrang ferner eine Bypassleitung, die dazu ausgebildet ist, das Abgas an der zweiten Katalysatorvorrichtung vorbei zur ersten Katalysatorvorrichtung zu leiten, und ein zumindest teilweise in der Bypassleitung angeordnetes Steuerungsventil auf, das dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom entweder durch die zweite Abgaskatalysatorvorrichtung oder durch die Bypassleitung zu leiten. Insbesondere erfolgt das Einspritzen von Wasserstoffgas dann, wenn das Steuerungsventil die Bypassleitung sperrt und das Abgas samt dem eingespritzten Wasserstoffgas folglich durch die zweite Katalysatorvorrichtung strömen kann.Preferably, the exhaust system also has a bypass line, which is designed to conduct the exhaust gas past the second catalytic converter device to the first catalytic converter device, and a control valve which is at least partially arranged in the bypass line and is designed to direct the exhaust gas flow either through the second exhaust gas catalytic converter device or through the bypass line. In particular, hydrogen gas is injected when the control valve blocks the bypass line and the exhaust gas together with the injected hydrogen gas can consequently flow through the second catalytic converter device.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Einspritzen von zusätzlichem Wasserstoffgas in die Abgasleitung an einer Position stromaufwärts der ersten Katalysatorvorrichtung und stromabwärts der zweiten Katalysatorvorrichtung auf, wenn die Temperatur der ersten Katalysatorvorrichtung die vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat. Die zusätzliche Einspritzung des Wasserstoffgases wird somit während des Normalbetriebs des Abgasstrangs als Reduktionsmittel für die erste Katalysatorvorrichtung verwendet, die insbesondere eine SCR-Katalysatorvorrichtung ist.In a further preferred embodiment, the method according to the invention further comprises injecting additional hydrogen gas into the exhaust line at a position upstream of the first catalyst device and downstream of the second catalyst device when the temperature of the first catalyst device has reached the predetermined operating temperature. The additional injection of the hydrogen gas is thus used during normal operation of the exhaust system as a reducing agent for the first catalytic converter device, which is in particular an SCR catalytic converter device.
In einer alternativen Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Einspritzen von zusätzlichem Wasserstoffgas in den zumindest einen Verbrennungsraum während einer Arbeitsphase und/oder während einer Ausstoßphase des Wasserstoffverbrennungsmotors auf, wenn die Temperatur der ersten Katalysatorvorrichtung die vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat. Insbesondere kann dadurch unverbranntes Wasserstoffgas in die Abgasleitung gelangen und dort in der ersten Katalysatorvorrichtung als Reduktionsmittel verwendet wird.In an alternative embodiment, the method according to the invention further includes injecting additional hydrogen gas into the at least one combustion chamber during a working phase and/or during an exhaust phase of the hydrogen internal combustion engine when the temperature of the first catalytic converter device has reached the predetermined operating temperature. In particular, as a result, unburned hydrogen gas can get into the exhaust line and be used there as a reducing agent in the first catalytic converter device.
Vorzugsweise beträgt die vorbestimmte Betriebstemperatur der ersten Katalysatorvorrichtung ungefähr 100 °C.Preferably, the predetermined operating temperature of the first catalytic device is approximately 100°C.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln eines erfolgten Starts des Wasserstoffverbrennungsmotors auf, wobei Wasserstoffgas zum Erwärmen der ersten Katalysatorvorrichtung eingespritzt wird, wenn ein erfolgter Start des Wasserstoffverbrennungsmotors ermittelt worden ist.In a further preferred embodiment, the method according to the invention also includes determining that the hydrogen internal combustion engine has started, with hydrogen gas being injected to heat the first catalytic converter device when it has been determined that the hydrogen internal combustion engine has started.
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
-
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Wasserstoffverbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasstrang zeigt, -
2 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Wasserstoffverbrennungsmotors mit einem weiteren erfindungsgemäßen Abgasstrang zeigt, und -
3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors zeigt.
-
1 shows a schematic view of an exemplary hydrogen internal combustion engine with an exhaust system according to the invention, -
2 shows a schematic view of an exemplary hydrogen internal combustion engine with a further exhaust system according to the invention, and -
3 shows an exemplary flow chart of a method according to the invention for operating an exhaust system of a hydrogen internal combustion engine.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements of the same construction or function are provided with the same reference symbols across the figures.
Die
Der Abgasstrang 100 weist eine Abgasleitung 102 auf, die mit dem zumindest einen Verbrennungsraum (nicht explizit dargestellt) des Verbrennungsmotors 10 fluidverbunden und dazu ausgebildet ist, das aus dem zumindest einen Verbrennungsraum ausströmenden Abgas zu leiten. Der Abgasstrang 100 weist ferner eine in der Abgasleitung 102 stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums angeordnete erste Katalysatorvorrichtung 110 auf, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln. Die erste Katalysatorvorrichtung 110 ist vorzugsweise eine SCR-Katalysatorvorrichtung, die auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion mit Wasserstoffgas beruht.The
Der Abgasstrang 100 weist ferner eine in der Abgasleitung 102 stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums und stromaufwärts der ersten Katalysatorvorrichtung 110 angeordnete zweite Katalysatorvorrichtung 120 auf, die dazu ausgebildet ist, das Abgas zumindest teilweise nachzubehandeln. Die zweite Katalysatorvorrichtung 120 ist vorzugsweise eine Oxidationskatalysatorvorrichtung.The
Der Abgasstrang 100 weist ferner eine Sensorvorrichtung 130 auf, die stromabwärts der ersten Katalysatorvorrichtung 110 angeordnet und dazu ausgebildet ist, das Abgas hinsichtlich seiner Bestandteile zu messen.The
Vorzugsweise handelt es sich bei der Sensorvorrichtung 130 um einen Stickoxidsensor, der dazu ausgebildet ist, etwaige im Abgas befindliche Stickoxide zu erfassen. Die Sensorvorrichtung 130 kann beispielsweise als Stickoxidsensor mit zusätzlich integrierter Mischpotentialelektrode bzw. -sensor ausgebildet sein und auf dem elektrochemischen Prinzip basieren. Vorzugsweise kann die Sensorvorrichtung130 die im Abgas befindliche Stickoxidkonentration und Wasserstoffkonzentration erfassen.
Optional kann eine weitere Sensorvorrichtung 140 vorgesehen sein, die stromabwärts des zumindest einen Verbrennungsraums und stromaufwärts der zweiten Katalysatorvorrichtung 120 in der Abgasleitung 102 angeordnet und dazu ausgebildet sein kann, Bestandteile im Abgas zu erfassen. Vorzugsweise handelt es sich bei der weiteren Sensorvorrichtung 140 ebenfalls um einen Stickoxidsensor, der dazu ausgebildet ist, im Abgas befindliche Stickoxide zu erfassen.Optionally, a
Ferner weist der Abgasstrang 100 der
Der Abgasstrang 100 der
Die erste Sensorvorrichtung 130, die zweite Sensorvorrichtung 140, die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 150 und die Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 170 sind jeweils mit einer Steuervorrichtung 160 verbunden, die dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Signale zu empfangen und auch wiederum Signale zum Steuern der Wasserstoffgaseinspritzung mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtungen 150, 170 zu steuern. Zur Steuerung der mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 170 einzuspritzenden Wasserstoffgasmenge ist die Sensorvorrichtung 140 vorgesehen.
Die
Zudem unterscheidet sich der Abgasstrang 100 der
Unter Verweis auf die
Das Verfahren gemäß
Wenn beim Schritt 210 bestimmt wird, dass ein Start des Wasserstoffverbrennungsmotors erfolgt ist, gelangt das Verfahren zum Schritt 220, an dem mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 170 Wasserstoffgas in die Abgasleitung 102 eingespritzt wird. Das mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 170 eingespritzte Wasserstoffgas kann mit dem in der zweiten Katalysatorvorrichtung 120 vorliegenden Sauerstoff reagieren und exotherme Energie erzeugen, die die Temperatur des Abgases signifikant erhöht. Das erwärmte Abgas strömt dann weiter zur ersten Katalysatorvorrichtung 110, wo es dann die Wärme wiederum an diese abgeben kann, um die erste Katalysatorvorrichtung 110 zumindest teilweise zu erwärmen.When it is determined in
In einem darauffolgenden Schritt 230 wird ermittelt, ob die erste Katalysatorvorrichtung 110 ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Wird beim Schritt 230 ermittelt, dass die Betriebstemperatur der ersten Katalysatorvorrichtung 110 noch nicht erreicht ist, gelangt das Verfahren wieder zum Schritt 220 und es wird weiterhin Wasserstoffgas mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 170 eingespritzt.In a
Wenn beim Schritt 230 ermittelt wird, dass die vorbestimmte Betriebstemperatur, beispielsweise ungefähr 100 °C, der ersten Katalysatorvorrichtung 110 erreicht wurde, gelangt das Verfahren zum Schritt 240, an dem das Einspritzen des zur Erwärmung vorgesehen Wasserstoffgases mittels der weiteren Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 170 beendet wird und in den Normalbetrieb des Abgasstrangs 100 geschalten wird. Während des Normalbetriebs wird dann Wasserstoffgas mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 150 eingespritzt, das als Reduktionsmittel für die erste Katalysatorvorrichtung 110 dient. Das Verfahren endet dann beim Schritt 250.If it is determined in
Beim Schritt 220 kann alternativ zum Einspritzen von Wasserstoffgas mittels der Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung 170 das zum Erwärmen des Abgases in der zweiten Katalysatorvorrichtung vorgesehene Wasserstoffgas auch aus einer Haupt-Wasserstoffgaseinspritzvorrichtung stammen, das während einer Arbeitsphase und/oder Ausstoßphase des Wasserstoffverbrennungsmotors 10 eingespritzt wird und unverbrannt in den Abgasstrang 100 strömen kann.At
Unter zusätzlichen Verweis auf die
Sobald beim Schritt 230 der
Die Maßnahme der Katalysatoraufheizung durch Oxidation von Wasserstoffgas mit Sauerstoff im Oxidationskatalysator kann auch mit anderen Aufheizmaßnahmen wie Zündwinkelverspätung und/oder Drehzahlanhebung im Leerlauf nach dem Start (z.B. über 1500 U/min) verstärkt werden, wobei die anderen Maßnahmen weiter solange bestehen können, bis die Katalysatorvorrichtung ihre Betriebstemperatur von ungefähr 100°C erreicht.The measure of heating the catalyst by oxidizing hydrogen gas with oxygen in the oxidation catalyst can also be reinforced with other heating measures such as delayed ignition timing and/or increasing the engine speed when idling after the start (e.g. above 1500 rpm), whereby the other measures can continue to exist until the Catalyst device reaches its operating temperature of about 100 ° C.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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