DE102021119723A1 - Method of operating an internal combustion engine with a mixture of ammonia and dimethyl ether and internal combustion engine therefor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether, umfassend die Schritte: Einspritzen bzw. Einblasen des verflüssigten oder gasförmigen Gemisches in einen Brennraum, Entzünden des eingespritzten bzw. eingeblasenen Gemisches in dem Brennraum, und Nutzen der Expansion des entzündeten Gemisches zum Antrieb der Brennkraftmaschine, vorzugsweise ferner umfassend den Schritt, vor dem Schritt des Einspritzens bzw. Einblasens in den Brennraum; Verflüssigen des Gemisches durch Erzeugen eines Überdrucks, vorzugsweise durch einen Überdruck von mindestens 5 bar, bevorzugterweise 8 bar, und besonders bevorzugterweise 9 bar und einem Überdruck von höchstens 20 bar, bevorzugterweise 15 bar, und besonders bevorzugterweise 10 bar.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine with a mixture of ammonia and dimethyl ether, comprising the steps: injecting or blowing the liquefied or gaseous mixture into a combustion chamber, igniting the injected or injected mixture in the combustion chamber, and using the expansion the ignited mixture for driving the internal combustion engine, preferably further comprising the step before the step of injecting or blowing into the combustion chamber; Liquefaction of the mixture by generating an overpressure, preferably an overpressure of at least 5 bar, preferably 8 bar, and particularly preferably 9 bar and an overpressure of at most 20 bar, preferably 15 bar, and particularly preferably 10 bar.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether sowie eine Brennkraftmaschine hierfür.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine with a mixture of ammonia and dimethyl ether and an internal combustion engine therefor.
Aus Umweltschutzgründen gibt es ein sehr starkes Bestreben, Brennkraftmaschinen mit CO2-neutralen Kraftstoffen betreiben zu können, die am besten aus erneuerbaren Energien erzeugbar sind oder bei deren Erzeugung auf eine Kohlenstoff-Quelle vollständig verzichtet werden kann. Typischerweise kommt dabei neben Wasserstoff und anderen synthetischen Kraftstoffen (zum Beispiel Methanol oder OME, also Oxymethylenether) Ammoniak in Frage.For reasons of environmental protection, there is a very strong desire to be able to operate internal combustion engines with CO 2 -neutral fuels, which can best be produced from renewable energies or in the production of which a carbon source can be completely dispensed with. In addition to hydrogen and other synthetic fuels (e.g. methanol or OME, i.e. oxymethylene ether), ammonia is typically an option.
Problematisch bei der Verwendung von Ammoniak als Primärkraftstoff für eine Brennkraftmaschine ist, dass dieses nicht selbst-zündfähig ist, also in jedem Betriebstakt der Brennkraftmaschine eine Initialzündung benötigt.The problem with the use of ammonia as the primary fuel for an internal combustion engine is that it cannot self-ignite, ie it requires an initial ignition in each operating cycle of the internal combustion engine.
Nach dem Stand der Technik ist es daher üblich, eine Dual-Fuel-Verbrennung vorzusehen, bei der zwei voneinander getrennte Einspritzsysteme zunächst eine selbst-zündfähige Voreinspritzung und nachfolgend eine Haupteinspritzung mit dem nicht selbst-zündfähigen Kraftstoff vornehmen, sodass ein Entflammen der selbst-zündfähigen Voreinspritzung zu einem Entzünden der Haupteinspritzung führt.According to the prior art, it is therefore customary to provide dual-fuel combustion in which two separate injection systems first carry out a self-ignitable pre-injection and then a main injection with the non-self-ignitable fuel, so that the self-ignitable fuel is ignited Pilot injection leads to an ignition of the main injection.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass je Zylinder mehrere Injektoren vorgesehen sind, von denen einer das selbst-zündfähige und ein anderer das nichtzündfähige Fluid in den Brennraum einspritzt. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Initialzündung der Haupteinspritzung über eine Zündkerze erfolgt, wobei eine solche jedoch ein Verschleißteil darstellt, das einen entsprechenden Wartungsaufwand mit sich bringt.For example, it can be provided that several injectors are provided for each cylinder, one of which injects the self-igniting fluid and another the non-igniting fluid into the combustion chamber. As an alternative to this, provision can be made for the initial ignition of the main injection to take place via a spark plug, although such a plug represents a wearing part that entails a corresponding maintenance effort.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die obenstehenden Nachteile zu überwinden oder teilweise abzumildern, was mit einem Verfahren, das sämtliche Schritte des Anspruchs 1 bzw. einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelingt.It is the object of the present invention to overcome or partially mitigate the above disadvantages, which is achieved with a method having all the steps of claim 1 or an internal combustion engine having the features of
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, eine Brennkraftmaschine mit einem Gemisch aus oder enthaltend Ammoniak und Dimethylether zu betreiben, wobei in dem Verfahren darüber hinaus die nachfolgenden Schritte vorgesehen sind:
- Einführen, insbesondere Einspritzen bzw. Einblasen des verflüssigten oder gasförmigen Gemisches in einen Brennraum,
- Entzünden des in dem Brennraum eingeführten Gemisches, und
- Nutzen der Expansion des entzündeten Gemisches zum Antrieb der Brennkraftmaschine, vorzugsweise ferner umfassend den Schritt
- vor dem Schritt des Einführens in den Brennraum; Verflüssigen des Gemisches durch Erzeugen eines Überdrucks, vorzugsweise durch einen Überdruck von mindestens 5 bar, bevorzugterweise 8 bar, und besonders bevorzugterweise 9 bar und einem Überdruck von höchstens 60 bar, bevorzugterweise höchstens 20 bar, und besonders bevorzugterweise höchstens 10 bar.
- Introducing, in particular injecting or blowing the liquefied or gaseous mixture into a combustion chamber,
- igniting the mixture introduced into the combustion chamber, and
- utilizing the expansion of the ignited mixture to power the internal combustion engine, preferably further comprising the step of
- prior to the introducing step into the combustion chamber; Liquefaction of the mixture by generating an overpressure, preferably an overpressure of at least 5 bar, preferably 8 bar and particularly preferably 9 bar and an overpressure of at most 60 bar, preferably at most 20 bar and particularly preferably at most 10 bar.
Als wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik wird dabei die Verwendung des Ammoniak-Dimethylether-Gemisches angesehen, das zwar aus dem Stand der Technik bekannt ist, jedoch keine Beachtung als alternativen Kraftstoff gefunden hat. Die Verwendung des beanspruchten Gemisches ist auf Kältetechnik-Anwendungen beschränkt, da man die damit erzielbaren Vorteile nicht erkannt hat.The use of the ammonia-dimethyl ether mixture, which is known from the prior art but has not received any attention as an alternative fuel, is regarded as a significant difference from the prior art. The use of the claimed mixture is limited to refrigeration applications, since the advantages that can be achieved with it have not been recognized.
Die Mischung von Ammoniak und Dimethylether (abgekürzt auch: DME) bildet ein sogenanntes azeotropes Gemisch, bei dem die Dampfphase wie auch der flüssige Zustand dieselbe Zusammensetzung aufweist. Das Verhalten ähnelt damit dem eines Reinstoffes, wobei bei der vorliegenden Mischung von Ammoniak und Dimethylether die Zündtemperatur im Vergleich zu reinem Ammoniak jedoch vorteilhafterweise absinkt und die untere Zündgrenze von Luft ebenfalls verringert ist.The mixture of ammonia and dimethyl ether (also abbreviated: DME) forms a so-called azeotropic mixture in which the vapor phase and the liquid state have the same composition. The behavior is thus similar to that of a pure substance, although the ignition temperature in the present mixture of ammonia and dimethyl ether is advantageously lower than that of pure ammonia and the lower ignition limit of air is also reduced.
Nach der Erfindung kann demnach auch vorgesehen sein, dass das Gemisch zum Betreiben der Brennkraftmaschine ein azeotropes Gemisch ist, das Ammoniak und Dimethylether umfasst oder hieraus besteht.According to the invention, it can therefore also be provided that the mixture for operating the internal combustion engine is an azeotropic mixture that includes or consists of ammonia and dimethyl ether.
Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Gemisch aus 55-65 %, vorzugsweise 60 %, Ammoniak und 35-45 %, vorzugsweise 40 %, Dimethylether besteht bzw. umfasst und bevorzugterweise R-723 ist.According to the invention it can further be provided that the mixture consists of or comprises 55-65%, preferably 60%, ammonia and 35-45%, preferably 40%, dimethyl ether and is preferably R-723.
Die Bezeichnung „R-723“ ist der typischerweise im Fachjargon verwendete Ausdruck für die Mischung von Ammoniak und Dimethylether im Verhältnis 60:40. Zu beachten ist dabei, dass diese Bezeichnung nicht der offiziellen Nomenklatur nach ISO 817 entspricht, da die offizielle Listung dieses Gemisches in der DIN EN 378 aufgrund der damit einhergehenden aufwändigen Registrierung und Erteilung einer R-Nummer noch aussteht.The designation "R-723" is the term typically used in technical jargon for the mixture of ammonia and dimethyl ether in the ratio of 60:40. It should be noted that this designation does not correspond to the official nomenclature according to ISO 817, since the official listing of this mixture in DIN EN 378 is still pending due to the associated complex registration and allocation of an R number.
Die Verwendung eines azeotropen Gemisches (umfassend Ammoniak) verbessert die charakteristischen Verbrennungseigenschaften von Ammoniak auf beträchtliche Art und Weise. Dies erkennt man am Beispiel von R-723, bei dem die Zündtemperatur von 630 °C auf 440 °C steigt und die untere Zündgrenze von Luft von 15 % auf 6 % fällt.The use of an azeotropic mixture (comprising ammonia) improves the cha characteristic combustion properties of ammonia in a considerable way. This can be seen in the example of R-723, in which the ignition temperature increases from 630 °C to 440 °C and the lower ignition limit of air falls from 15% to 6%.
Dabei kann nach dem Verfahren ferner vorgesehen sein, dass zum Entzünden des eingeführten (bspw. eingespritzt oder eingeblasen) Gemisches in dem Brennraum eine Zündkerze vorgesehen ist, die das Gemisch entzündet.According to the method, provision can also be made for a spark plug, which ignites the mixture, to ignite the introduced (eg injected or blown in) mixture in the combustion chamber.
Auch wenn das Vorsehen einer Zündkerze ein weiteres dem Verschleiß unterliegendes Bauteil darstellt, ist deren Einsatz in Benzinmotoren bestens erprobt und sorgt dort zuverlässig für die Entflammung eines nicht selbst-zündfähigen Kraftstoffs.Even if the provision of a spark plug is another component that is subject to wear, its use in petrol engines has been tried and tested and reliably ensures that fuel that is not self-igniting is ignited.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass zum Entzünden des eingespritzten Gemisches in dem Brennraum vorab eine Voreinspritzung mit einem selbstzündenden Kraftstoff erfolgt, sodass eine Entflammung der Voreinspritzung zu einem Entzünden des nachfolgend eingespritzten Gemisches führt, wobei vorzugsweise der selbstzündende Kraftstoff Diesel und/oder Dimethylether enthält bzw. hieraus besteht.Alternatively or additionally, the invention can provide for a pre-injection with a self-igniting fuel to ignite the injected mixture in the combustion chamber, so that ignition of the pre-injection leads to ignition of the subsequently injected mixture, with the self-igniting fuel preferably being diesel and / or dimethyl ether contains or consists of it.
Um die Verwendung oder das Vorsehen einer Zündkerze obsolet werden zu lassen, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die aus dem nicht selbst-zündfähigen Kraftstoff bestehende Haupteinspritzung mithilfe einer Voreinspritzung entzündet werden. Dabei wird zeitlich vor der Haupteinspritzung ein selbst-zündfähiger Kraftstoff in den Brennraum eingeführt, der dann aufgrund von Kompression oder anderer Einflüsse zur Zündung gebracht wird. Ein nur kurz nach dem Einführen der Voreinspritzung eingeführter, nicht selbst-zündfähiger Kraftstoff (Haupteinspritzung) wird dann aufgrund der Zündung der Voreinspritzung ebenfalls entflammt.In order to make the use or provision of a spark plug obsolete, the main injection, which consists of the non-self-ignitable fuel, can be ignited with the aid of a pre-injection according to the method according to the invention. In this case, before the main injection, a self-ignitable fuel is introduced into the combustion chamber, which is then ignited due to compression or other influences. A non-self-igniting fuel (main injection) introduced only shortly after the introduction of the pilot injection is then also ignited due to the ignition of the pilot injection.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass als Voreinspritzung Dimethylether verwendet werden kann, da dieses mit einer Cetanzahl von größer 55 eine Zündwilligkeit im Bereich von Diesel (Cetanzahl größer 51) besitzt und demnach - ähnlich wie Dieselauch nur durch Kompression in einen Brennraum zur Zündung gebracht werden kann.It is particularly advantageous that dimethyl ether can be used as a pre-injection, as this, with a cetane number greater than 55, has an ignitability in the range of diesel (cetane number greater than 51) and therefore - similar to diesel - can only be ignited by compression in a combustion chamber .
Vorteilhaft ist hier insbesondere, dass der Kraftstoff für die Voreinspritzung (DME) Bestandteil des Kraftstoffs für die Haupteinspritzung ist, so dass das Vorsehen unterschiedlicher Kraftstofftypen nicht unbedingt erforderlich ist, da Dimethylether aus dem Ammoniak-Dimethylether-Gemisch separiert werden kann. Das Vorhalten und auch das Betanken eines Fahrzeugs mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffen ist dabei nicht erforderlich, da der entsprechende Kraftstoff für die Voreinspritzung aus dem Gemisch gewonnen werden kann.It is particularly advantageous here that the fuel for the pre-injection (DME) is part of the fuel for the main injection, so that the provision of different fuel types is not absolutely necessary, since dimethyl ether can be separated from the ammonia-dimethyl ether mixture. It is not necessary to keep and refuel a vehicle with two different fuels, since the appropriate fuel for the pre-injection can be obtained from the mixture.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann also vorgesehen sein, dass die Voreinspritzung mit Dimethylether erfolgt, das aus dem verflüssigten Gemisch von Ammoniak und Dimethylether separiert worden ist, wobei vorzugsweise die Voreinspritzung über die identische Zuführung wie das Gemisch, aber zeitlich vor dieser, in die Brennkammer eingebracht wird.According to an optional modification of the invention, it can therefore be provided that the pre-injection takes place with dimethyl ether, which has been separated from the liquefied mixture of ammonia and dimethyl ether, with preferably the pre-injection via the identical supply as the mixture, but before this, in the Combustion chamber is introduced.
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Voreinspritzung über einen eigenen Injektor oder über denselben Injektor wie die Haupteinspritzung erfolgtProvision can also be made for the pre-injection to take place via a separate injector or via the same injector as the main injection
Nutzt man darüber hinaus auch noch eine identische Zuführung in den Brennraum entfällt eine der beiden typischerweise im Stand der Technik vorgesehenen Zuleitungen für die unterschiedlichen Einspritzvorgänge (Voreinspritzung und Haupteinspritzung).If one also uses an identical feed into the combustion chamber, one of the two feed lines typically provided in the prior art for the different injection processes (pilot injection and main injection) is omitted.
Allerdings kann zur einfacheren Handhabbarkeit des Timings auch ein eigener Injektor sowie eine eigene Injektorleitung vorgesehen sein.However, to make the timing easier to manage, a separate injector and a separate injector line can also be provided.
Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das verflüssigte Gemisch vor einem Einspritzen in einen Brennraum auf einen Einspritzdruck von mehr als 500 bar, vorzugsweise mehr als 700 bar und bevorzugterweise mehr als 900 bar gebracht wird.Furthermore, according to the present invention, it can be provided that the liquefied mixture is brought to an injection pressure of more than 500 bar, preferably more than 700 bar and more preferably more than 900 bar before being injected into a combustion chamber.
Dem Fachmann ist klar, dass abhängig vom gewählten Aggregatzustand des azeotropen Gemischs und des gewählten Brennverfahrenskonzepts die nach Stand der Technik geltenden Druckbereiche für das Einspritzsystem angewandt werden können.It is clear to the person skilled in the art that the pressure ranges applicable according to the prior art for the injection system can be used depending on the selected aggregate state of the azeotropic mixture and the selected combustion process concept.
Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein nach einem Entzünden des eingespritzten Gemisches in dem Brennraum entstandenes Abgas einer Abgasnachbehandlung unterzogen wird, bei der Ammoniak verwendet wird, das vorzugsweise aus dem verflüssigten Gemisch von Ammoniak und Dimethylether separiert worden ist.According to a further advantageous modification of the present invention, it can be provided that an exhaust gas produced in the combustion chamber after ignition of the injected mixture is subjected to exhaust gas aftertreatment using ammonia, which has preferably been separated from the liquefied mixture of ammonia and dimethyl ether.
Die Nachbehandlung von Abgas trägt einen wesentlichen Teil dazu bei, die bei dem Brennvorgang entstandenen Schadstoffe zu minimieren. Bei einer selektiven katalytischen Reduktion, bspw. sogenannten SCR-Katalysatoren, gibt es einen kleinen Harnstofftank, von dem aus Harnstoff mithilfe von Thermolyse und Hydrolyse in Ammoniak gewandelt wird. Verwendet man nun erfindungsgemäß ein Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether, so kann nach einem Separieren dieser beiden Bestandteile auch auf den für eine effektive Abgasreinigung erforderlichen Harnstofftank verzichtet werden, da Ammoniak bereits durch die Separation von Dimethylether aus dem Gemisch vorhanden ist.The after-treatment of exhaust gas makes a significant contribution to minimizing the pollutants produced during the combustion process. In a selective catalytic reduction, e.g. so-called SCR catalysts, there is a small urea tank from which urea is converted into ammonia with the help of thermolysis and hydrolysis. Is now used according to the invention mixture of ammonia and dimethyl ether, after separating these two components, the urea tank required for effective exhaust gas purification can also be dispensed with, since ammonia is already present in the mixture due to the separation of dimethyl ether.
Darüber hinaus kann nach der Erfindung ferner vorgesehen sein, dass nach einem Entzünden des eingespritzten Gemisches Distickstoffmonoxid aus dem Abgas abgeschieden wird und über einen Gaszwischenspeicher bei Bedarf in den Brennraum zurückgeführt wird.In addition, it can also be provided according to the invention that, after the injected mixture has been ignited, dinitrogen monoxide is separated from the exhaust gas and, if necessary, fed back into the combustion chamber via an intermediate gas store.
Da bei der Verbrennung von Ammoniak Distickstoffmonoxid (N2O), sogenanntes Lachgas, anfällt, kann mithilfe eines Katalysators oder einer speziell darauf eingerichteten Abscheidereinheit Distickstoffmonoxid aus dem Abgas abgezogen und in einen Gaszwischenspeicher eingeführt werden. Das Vorsehen eines Gaszwischenspeichers ist nur dann von Vorteil, wenn eine ausreichende Menge an Distickstoffmonoxid anfällt. Ist dies nicht der Fall, kann es auch von Vorteil sein, dass anfallende Lachgas über eine Neutralisationseinheit zu neutralisieren.Since nitrous oxide (N 2 O), so-called nitrous oxide, is produced when ammonia is burned, nitrous oxide can be extracted from the exhaust gas with the help of a catalyst or a separator unit specially designed for it and introduced into an intermediate gas storage facility. The provision of an intermediate gas store is only advantageous if a sufficient quantity of dinitrogen monoxide accumulates. If this is not the case, it can also be advantageous to use a neutralization unit to neutralize the nitrous oxide that occurs.
Gilt es die Leistung der Brennkraftmaschine kurzzeitig zu erhöhen kann dann das Lachgas in den Brennraum zugeführt werden, was eine Leistungserhöhung zur Folge hat. Insbesondere aus dem Rennsport ist eine solche Lachgas-Einspritzung bekannt, die für kurzzeitige Leistungsverstärkungen der Brennkraftmaschine genutzt wird.If the power of the internal combustion engine is to be increased for a short time, the nitrous oxide can then be fed into the combustion chamber, resulting in an increase in power. Such a nitrous oxide injection, which is used for short-term power boosts of the internal combustion engine, is known in particular from racing.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der vorhergehenden diskutierten Varianten.The invention also relates to an internal combustion engine for carrying out a method according to one of the variants discussed above.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zum Betreiben mit einem Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether umfasst dabei einen Kraftstofftank zum Aufnehmen des Gemisches in flüssigem Zustand bei einem Überdruck, vorzugsweise bei einem Überdruck von mindestens 5 bar, bevorzugterweise 8 bar, und besonders bevorzugterweise 9 bar und einem Überdruck von höchstens 20 bar, bevorzugterweise 15 bar, und besonders bevorzugterweise 10 bar, und eine Kraftstoffzuführleitung, die den Kraftstofftank mit einem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet und dazu dient, das in dem Kraftstofftank befindlichen Gemisch in den Brennraum einzuführen, und ist gekennzeichnet durch eine mit dem Kraftstofftank verbundene Separationseinheit zum Separieren der Bestandteile des Gemisches in reines Ammoniak und reinen Dimethylether.The internal combustion engine according to the invention for operation with a mixture of ammonia and dimethyl ether comprises a fuel tank for holding the mixture in the liquid state at an overpressure, preferably at an overpressure of at least 5 bar, preferably 8 bar, and particularly preferably 9 bar and an overpressure of at most 20 bar, preferably 15 bar, and particularly preferably 10 bar, and a fuel supply line that connects the fuel tank to a combustion chamber of the internal combustion engine and serves to introduce the mixture in the fuel tank into the combustion chamber, and is characterized by a connected to the fuel tank Separation unit for separating the components of the mixture into pure ammonia and pure dimethyl ether.
Wie obenstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert können die einzelnen Bestandteile des Ammoniak-Dimethylether-Gemisches in ihrer Reinform von Vorteil sein und auch das Vorhalten und Nachfüllenspezifischer Tanks für alternative Stoffe (bspw. Harnstoff für SCR-Katalysation oder zweiter Kraftstoff für eine Voreinspritzung) erübrigen.As explained above in connection with the method according to the invention, the individual components of the ammonia-dimethyl ether mixture can be advantageous in their pure form and also the provision and refilling of specific tanks for alternative substances (e.g. urea for SCR catalysis or second fuel for a pre-injection) superfluous.
Die Separationseinheit kann dabei mithilfe von einer Membran die beiden Bestandteile des Gemisches voneinander trennen, wobei hierfür vorzugsweise das Gemisch in einem gasförmigen Zustand vorliegt. Es kann demnach vorgesehen sein, dass die Separationseinheit die Bestandteile des Gemisches mithilfe einer Trennmembran trennt. Für das Überführen in den gasförmigen Zustand kann ein Druckminderer vorgesehen sein.The separation unit can use a membrane to separate the two components of the mixture from one another, with the mixture preferably being in a gaseous state for this purpose. Provision can therefore be made for the separation unit to separate the components of the mixture using a separating membrane. A pressure reducer can be provided for the conversion into the gaseous state.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Separation der beiden Bestandteile auch dann erfolgreich durchgeführt werden kann, wenn der Kraftstoff in einem flüssigen Zustand vorliegt. Hier wird dann auf das Prinzip der Umkehrosmose zurückgegriffen, sodass eine Überführung des flüssigen Kraftstoffs in die Gasform nicht erforderlich ist.Alternatively or additionally, it can be provided that the separation of the two components can also be carried out successfully when the fuel is in a liquid state. The principle of reverse osmosis is then used here, so that it is not necessary to convert the liquid fuel into the gaseous form.
Es kann demnach vorgesehen sein, dass die Separationseinheit die Bestandteile des Gemisches mithilfe von Umkehrosmose trennt, wobei das Gemisch hierbei im flüssigen Zustand vorliegen kann..Provision can therefore be made for the separation unit to separate the components of the mixture using reverse osmosis, in which case the mixture can be in the liquid state.
Darüber hinaus kann nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine ferner mit einem Speicher für Dimethylether versehen ist, der von der Separationseinheit gespeist und eine mit der Kraftstoffleitung verbundene Ausgangsleitung aufweist, wobei vorzugsweise über ein Zuführventil die Menge an in die Kraftstoffleitung einzuführender Dimethylether regelbar ist.In addition, according to an optional modification of the present invention, it can be provided that the internal combustion engine is also provided with a store for dimethyl ether, which is fed by the separation unit and has an outlet line connected to the fuel line, with the quantity of to be introduced dimethyl ether is adjustable.
Alternativ kann dabei auch vorgesehen sein, dass von dem Speicher für Dimethylether eine separate Leitung zur Zuführung in dem Brennraum vorgesehen ist.Alternatively, it can also be provided that a separate line is provided from the store for dimethyl ether for supply to the combustion chamber.
So kann immer eine ausreichende Menge an Dimethylether vorgehalten werden, das als selbst-zündfähiger Kraftstoff für eine Voreinspritzung Verwendung finden kann.In this way, a sufficient quantity of dimethyl ether can always be kept available, which can be used as a self-igniting fuel for a pre-injection.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine ferner mit einem Speicher für Ammoniak versehen ist, der von der Separationseinheit gespeist und eine mit einem Katalysator, insbesondere einem SCR-Katalysator, verbundene Ausgangsleitung aufweist, wobei der Katalysator dazu dient, ein vom Brennraum abgegebenes Abgas zu reinigen, vorzugsweise hinsichtlich der NOx-Emissionen.Alternatively or additionally, it can be provided that the internal combustion engine is also provided with an accumulator for ammonia, which is fed by the separation unit and has an outlet line connected to a catalytic converter, in particular an SCR catalytic converter, with the catalytic converter serving to to clean emitted exhaust gas, preferably in terms of NO x emissions.
Das Vorhalten von Ammoniak kann für eine selektive katalytische Reduktion im Katalysator genutzt werden. Das Zuführen eines weiteren Stoffs neben dem Kraftstoff an sich ist dabei nicht mehr erforderlich, da Ammoniak aus dem Gemisch erzeugt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist daher eine weitere Einfüllöffnung nicht erforderlich, wobei auch kein separates Auffüllen eines solchen Additivs (Harnstoff, marktübliche Bezeichnung u.a. AddBlue) beim Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine beachtet werden mussThe storage of ammonia can be used for a selective catalytic reduction in the catalyst. It is no longer necessary to supply another substance in addition to the fuel itself, since ammonia can be generated from the mixture. In the internal combustion engine according to the invention, an additional filling opening is therefore not required, and no separate filling of such an additive (urea, commercial designation including AddBlue) has to be taken into account when operating such an internal combustion engine
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine mit einer Abscheidereinheit versehen ist, die in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein bei der Verbrennung des Gemisches anfallendes Distickstoffmonoxid abzuschneiden, wobei vorzugsweise ein Gaszwischenspeicher vorgesehen ist, um das abgeschiedene Distickstoffmonoxid zwischenzuspeichern und bei Bedarf in den Brennraum zurückzuführen.According to a further optional modification of the present invention, it can be provided that the internal combustion engine is provided with a separator unit which is arranged in an exhaust gas line of the internal combustion engine and is designed to cut off nitrous oxide occurring during the combustion of the mixture, with a gas intermediate storage preferably being provided to temporarily store the separated nitrous oxide and return it to the combustion chamber if required.
Bei der Verbrennung von Ammoniak bzw. dem azeotropen Gemisch von Ammoniak und Dimethylether fällt Distickstoffmonoxid an, das aus dem Abgas abgeschieden werden kann und, bei Bedarf, in dem Brennraum zurückgeführt werden kann, um so eine Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine zu erreichen.The combustion of ammonia or the azeotropic mixture of ammonia and dimethyl ether produces nitrous oxide, which can be separated from the exhaust gas and, if necessary, returned to the combustion chamber in order to increase the power of the internal combustion engine.
Nach einer vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine ferner mit einer Steuereinheit versehen ist, die dazu ausgelegt ist, zum Ausführen eines Verbrennvorgangs in dem Brennraum zunächst den über die Separationseinheit gewonnenen Dimethylether einzuspritzen, um damit eine selbst-zündfähige Voreinspritzung zu bilden, mit Hilfe derer eine Entflammung des nachfolgend eingespritzten Gemisches (Ammoniak, DME und evtl. Luft) erfolgt.According to an advantageous variant of the present invention, it can be provided that the internal combustion engine is also provided with a control unit which is designed to first inject the dimethyl ether obtained via the separation unit in order to carry out a combustion process in the combustion chamber, in order to thereby carry out a self-igniting pre-injection form, with the help of which the subsequently injected mixture (ammonia, DME and possibly air) is ignited.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Gemisches aus Ammoniak und Dimethylether als Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Gemisch aus 55-65 %, vorzugsweise 60 %, Ammoniak und 35-45 %, vorzugsweise 40 %, Dimethylether besteht und bevorzugterweise aus R-723 besteht.The present invention also relates to the use of a mixture of ammonia and dimethyl ether as a fuel in an internal combustion engine. It can be provided that the mixture consists of 55-65%, preferably 60%, ammonia and 35-45%, preferably 40%, dimethyl ether and preferably consists of R-723.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt:
-
1 : eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
-
1 : a schematic diagram of an internal combustion engine according to the invention.
Mit dem Kraftstofftank 2 steht darüber hinaus auch eine Separationseinheit 5 in Verbindung, die dazu ausgelegt ist, die einzelnen Bestandteile des in dem Kraftstofftank 2 enthaltenen Gemisches aufzutrennen, sodass diese für vorteilhafte in Verbindung mit der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung stehende Aufgaben genutzt werden können. Die Separationseinheit 5 trennt also die einzelnen Bestandteile Ammoniak und Dimethylether und führt diese an einen jeweiligen Speicher 6, 9 zu.A
Der Speicher 6 für Dimethylether besitzt dabei eine mit der Kraftstoffzuführleitung 3 in Verbindung stehende Ausgangsleitung 7, sodass es auch möglich ist, reines Dimethylether in den Brennraum 4 einzuführen. Da reines Dimethylether selbst-zündfähig ist, kann auf diese Art und Weise zunächst das selbst-zündfähige Dimethylether einem Brennraum 4 eingebracht werden, sodass ein nachfolgend eingebrachtes Gemisch aus dem Kraftstofftank 2 aufgrund einer (bspw. durch Kompression hervorgerufenen) Entzündung des reinen Dimethylethers entflammt wird. Das separate Betanken der Brennkraftmaschine mit einem eigenen, selbst-zündfähigen Kraftstoff ist daher nicht erforderlich, sodass der Bedienungsaufwand der Brennkraftmaschine reduziert wird.The
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Speicher für Dimethylether 6 über ein Zuführventil 8 mit der Kraftstoffzuführleitung 3 verbunden ist, sodass zu gewünschten Zeitpunkten der Brennraum 4 mit reinem Dimethylether befüllt wird.For example, it can be provided that the reservoir for
Stromabwärts des Zuführventils 8 können die dem Fachmann bekannten Komponenten zur Filterung und Druckbeaufschlagung eines in dem Brennraum 4 einzuführenden Fluids angeordnet sein. So kann das in den Brennraum 4 einzuführende Fluid zunächst durch einen Vorfilter 15 laufen, bevor es durch eine erste Förderpumpe 16 auf ein Zwischendruckniveau gebracht wird. Typischerweise erfolgt dann das Hindurchführen durch einen weiteren Filter 17, bevor das in den Brennraum 4 einzuführende Fluid mittels einer Hochdruckpumpe 18 auf das finale Druckniveau gebracht wird. Von der Hochdruckpumpe 18 gibt es auch eine Fluidverbindung zurück zum Kraftstofftank 2, sodass eine an der Hochdruckpumpe 18 auftretende Leckage zurückgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist aber auch möglich, dass dann, wenn unter hohem Druck stehender Kraftstoff (Ammoniak-Dimethylether Gemisch oder reines Dimethylether) zur Verfügung steht, jedoch im Brennraum 4 nicht gebraucht wird, dieser einfach zurück in den Kraftstofftank 2 geführt wird.Downstream of the
Ausgehend von der Separationseinheit 5 gibt es auch einen Speicher 9 für Ammoniak, der über eine Ausgangsleitung 11 verfügt, die zu einer Einheit für eine Abgasnachbehandlung 10, 12 führt.Starting from the
In der Abgasleitung 13 ist stromabwärts des Brennraums 4 eine Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen, beispielsweise in Form eines Katalysators 10, die dazu ausgelegt ist, Schadstoffe aus dem Abgasstrom herauszufiltern. Die Abgasnachbehandlungseinheit kann dabei eine selektive katalytische Reduktion vornehmen, um NOx-Schadstoffe zu verringern.An exhaust gas aftertreatment unit is provided in the
Dem Fachmann ist bekannt, dass bei einer solchen selektiven katalytischen Reduktion Ammoniak erforderlich ist, der bei herkömmlichen Anwendungen durch Thermo- und Hydrolyse aus Harnstoff gewonnen wird. So wird der Nutzer dazu aufgefordert, dafür Sorge zu tragen, nach einem gewissen Zeitintervall auch diesen Harnstoff (Markenname: bspw. AddBlue) nachzutanken, um die selektive katalytische Reduktion weiter betreiben zu können. Hierfür ist im Bereich der Kraftstofftanköffnung typischerweise ein weiterer, kleinerer Öffnungsbereich vorgesehen, über den der Harnstoff in einen separaten Tank gefüllt werden kann.Those skilled in the art know that such a selective catalytic reduction requires ammonia, which in conventional applications is obtained from urea by thermal and hydrolysis. The user is prompted to ensure that this urea (brand name: e.g. AddBlue) is also refilled after a certain time interval in order to be able to continue operating the selective catalytic reduction. For this purpose, a further, smaller opening area is typically provided in the area of the fuel tank opening, via which the urea can be filled into a separate tank.
Das Vorhalten eines separaten Öffnungsbereichs für das zuführen von Harnstoff oder eines für die selektive katalytische Reduktion erforderlichen mittels kann nach der vorliegenden Erfindung entfallen, da der hierfür erforderliche Ammoniak aus dem Kraftstoffgemisch direkt erzeugt werden kann.According to the present invention, there is no need to provide a separate opening area for feeding in urea or an agent required for the selective catalytic reduction, since the ammonia required for this can be generated directly from the fuel mixture.
Darüber hinaus erkennt man in
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Brennkraftmaschineinternal combustion engine
- 22
- Kraftstofftankfuel tank
- 33
- Kraftstoffzuführleitungfuel supply line
- 44
- Brennraumcombustion chamber
- 55
- Separationseinheitseparation unit
- 66
- Speicher für DimethyletherStorage for dimethyl ether
- 77
- Ausgangsleitungoutput line
- 88th
- Zuführventilsupply valve
- 99
- Speicher für Ammoniakstorage for ammonia
- 1010
- Katalysatorcatalyst
- 1111
- Ausgangsleitungoutput line
- 1212
- Abscheidereinheitseparator unit
- 1313
- Abgasleitungexhaust pipe
- 1414
- Gaszwischenspeicherintermediate gas storage
- 1515
- Vorfilterpre-filter
- 1616
- Vor-Förderpumpepre-feed pump
- 1717
- Filterfilter
- 1818
- Hochdruckpumpehigh pressure pump
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-
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