DE102021127949A1 - Drive arrangement for a mobile, mobile with the drive arrangement and method for exhaust gas purification in the drive arrangement and/or in the mobile - Google Patents
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Abstract
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebsanordnung mit einem verbesserten Abgasverhalten zu bilden. Es wird eine Antriebsanordnung 1 für ein Mobil 2 vorgeschlagen mit einem ersten thermischen Umwandlungsmotor 3 zur Erzeugung eines ersten Antriebsmoments für das Mobil 2, wobei der erste Umwandlungsmotor 3 einen Abgasauslass 6 zur Ableitung von Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 aufweist, mit einem zweiten thermischen Umwandlungsmotor 7, wobei der zweite Umwandlungsmotor 7 einen Gaseinlass 9 aufweist, wobei der Abgasauslass 6 mit dem Gaseinlass 9 strömungstechnisch verbunden ist, so dass der zweite Umwandlungsmotor 7 das Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 thermisch umwandelt.It is the object of the present invention to form a drive arrangement with improved exhaust gas behavior. A drive arrangement 1 for a mobile 2 is proposed with a first thermal conversion engine 3 for generating a first drive torque for the mobile 2, the first conversion engine 3 having an exhaust gas outlet 6 for discharging exhaust gas from the first conversion engine 3, with a second thermal conversion engine 7 , the second conversion engine 7 having a gas inlet 9 , the exhaust gas outlet 6 being fluidically connected to the gas inlet 9 , so that the second conversion engine 7 thermally converts the exhaust gas from the first conversion engine 3 .
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Mobil mit Abgasreinigung. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Mobil mit der Antriebsanordnung sowie ein Verfahren zur Abgasreinigung bei der Antriebsanordnung und/oder bei dem Mobil.The invention relates to a drive arrangement for a mobile vehicle with exhaust gas cleaning. The invention also relates to a vehicle with the drive arrangement and a method for cleaning exhaust gases in the drive arrangement and/or in the mobile.
Die Europäische Kommission kündigte in ihrem Konzept European Green Deal eine neue Gesetzesvorlage für strengere Standards der Schadstoffemissionen von PKW, Transportern, Bussen und LKW für 2021 an. Um die europäische Luftqualität nachhaltig zu verbessern, bietet die Euro-7-Verordnung eine einzigartige Gelegenheit, einen regulatorischen Rahmen unter Berücksichtigung folgender übergreifender Prinzipien, zu implementieren:
- ■ weitere Konzentration auf Real-Driving Emissions (RDE) sicherstellen
- ■ Kraftstoff- und Technologieneutralität erreichen
- ■ Beruhend auf einer ganzheitlichen Analyse auf Lebenszyklusbasis Gesetze erlassen
- ■ Ensure further focus on Real Driving Emissions (RDE).
- ■ Achieve fuel and technology neutrality
- ■ Legislate based on a holistic life cycle analysis
Die angekündigte strengere Schadstoffnorm Euro 7 dürfte große Auswirkungen auf die Technologieauswahl zu einem vertretbaren Kosten-Nutzen-Verhältnis aufweisen Eine erwartete Komplexitätserhöhung der Abgasnachbehandlung wird kostenneutral nicht zu erreichen sein. Folglich wird eine realistische Umsetzung der CO2 Ziele mit großer Wahrscheinlichkeit über eine stärkere Nutzung von e-Fuels, Hybridantriebe (HEV) und langfristig durch die H2-Technologie in einem kohlenstoffneutralen Ansatz erfolgen. Aktuelle Studien und Verkaufszahlen, sowie Prognosen deuten auf eine Symbiose von thermochemischen Energieumwandlungsmaschinen mit elektrischen Antrieben hin und zeigen somit die Notwendigkeit, die Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren weiter zu senken.The announced stricter pollutant standard Euro 7 is likely to have a major impact on the choice of technology at a reasonable cost-benefit ratio. Consequently, a realistic implementation of the CO2 targets will most likely take place via a greater use of e-fuels, hybrid drives (HEV) and in the long term through H2 technology in a carbon-neutral approach. Current studies and sales figures as well as forecasts point to a symbiosis of thermochemical energy conversion machines with electric drives and thus show the need to further reduce pollutant emissions from internal combustion engines.
Derzeitige Reglementierungen von Schadstoffemissionen berücksichtigen unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO, NO2 - beide zusammengefasst bezeichnet als NOx -), Partikel (Masse: PM und Anzahl: PN) und CO2.Current regulations on pollutant emissions take into account unburned hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NO, NO2 - both collectively referred to as NOx -), particulate matter (mass: PM and number: PN) and CO2.
Bei der Reduktion der Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren unterscheidet man unter:
- 1) Innermotorischen Maßnahmen, zur Absenkung der Rohemissionen
- 2) Außermotorischen Maßnahmen in Form eines dem Motor nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystems.
- 3) Eine Kombination aus 1) und 2).
- 1) Internal engine measures to reduce raw emissions
- 2) Measures outside of the engine in the form of an exhaust aftertreatment system downstream of the engine.
- 3) A combination of 1) and 2).
Die Kombination aus 1) und 2) stellt auch den Stand der Technik sämtlicher mobilen Anwendungen zur Erfüllung der gängigen Emissionsnormen dar. In der Regel wird durch innermotorische Maßnahmen versucht, die Rohemissionen (engine-out) so weit zu reduzieren, dass das nachgeschaltete Abgasnachbehandlungssystem nicht unnötig komplex und teuer wird. Zu den innermotorischen Maßnahmen gehört auch die Abgasrezirkulation (AGR), die oft als notwendiges Übel gesehen wird. AGR sinkt den Sauerstoffgehalt und die Prozesstemperatur ab, wodurch eine Minderung von NOx verursacht wird. Die weitere Reduktion von NOx (bezeichnet als deNOx Technologie) erfolgt üblicherweise mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR). Das im SCR verwendete Reduktionsmittel ist eine wässrige Harnstofflösung mit dem kommerziellen Namen AdBlue. Abhängig von der NOx-Konzentration im Rohabgas (engine-out) und dem Motorzustand wird Adblue zur Reduktion zu Stickstoff, Kohlendioxid (CO2) und Wasser eingespritzt. Das dabei entstandene CO2 ist ein unerwünschtes Nebenprodukt der SCR Technologie und trägt somit zu einer Erhöhung des CO2 Ausstoßes des Verbrennungsmotors bei.The combination of 1) and 2) also represents the state of the art for all mobile applications to meet the current emission standards. As a rule, internal engine measures are used to reduce raw emissions (engine-out) to such an extent that the downstream exhaust gas aftertreatment system cannot unnecessarily complex and expensive. The internal engine measures also include exhaust gas recirculation (EGR), which is often seen as a necessary evil. EGR lowers the oxygen content and the process temperature, causing a reduction in NOx. The further reduction of NOx (referred to as deNOx technology) usually takes place by means of selective catalytic reduction (SCR). The reducing agent used in the SCR is an aqueous urea solution with the commercial name AdBlue. Depending on the NOx concentration in the raw exhaust gas (engine-out) and the condition of the engine, Adblue is injected to reduce it to nitrogen, carbon dioxide (CO2) and water. The resulting CO2 is an undesirable by-product of the SCR technology and thus contributes to an increase in the CO2 emissions of the combustion engine.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebsanordnung mit einem verbesserten Abgasverhalten vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Mobil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch ein Verfahren zur Abgasreinigung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.It is the object of the present invention to propose a drive arrangement with improved exhaust gas behavior. This object is achieved by a drive arrangement having the features of claim 1, by a mobile having the features of
Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebsanordnung, welche für ein Mobil geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Mobil ist insbesondere als ein bewegbares Objekt, insbesondere selbstbewegbares Objekt ausgebildet.The subject matter of the invention is a drive arrangement which is suitable and/or designed for a mobile vehicle. The mobile is designed in particular as a movable object, in particular a self-movable object.
Insbesondere stellt die Antriebsanordnung ein Gesamtantriebsmoment für das Mobil bereit. Insbesondere dient die Antriebsanordnung dafür, das Mobil auf eine Geschwindigkeit größer als 10 km/h, vorzugsweise größer als 40 km/h zu beschleunigen und/oder zu fahren.In particular, the drive arrangement provides an overall drive torque for the mobile. In particular, the drive arrangement serves to accelerate and/or drive the mobile to a speed greater than 10 km/h, preferably greater than 40 km/h.
Die Antriebsanordnung weist einen ersten thermischen Umwandlungsmotor auf. Der erste Umwandlungsmotor ist zur Erzeugung eines ersten Antriebsmoments für das Mobil ausgebildet. Optional kann das erste Antriebsmoment dem Gesamtantriebsmoment des Mobils entsprechen. Der erste Umwandlungsmotor weist einen Abgasauslass zur Ableitung von Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor auf.The drive assembly includes a first thermal conversion motor. The first conversion engine is designed to generate a first drive torque for the mobile. Optionally, the first drive torque can correspond to the total drive torque of the mobile. The first converted engine has an exhaust outlet for discharging exhaust gas from the first converted engine.
Die Antriebsanordnung weist einen zweiten thermischen Umwandlungsmotor auf, wobei der zweite Umwandlungsmotor einen Gaseinlass aufweist. Insbesondere dient der Gaseinlass zu Übernahme von Gas, insbesondere mit anteiliger Umgebungsluft, um die thermische Umsetzung, insbesondere eine Verbrennung bei der thermischen Umsetzung zu ermöglichen.The drive assembly includes a second thermal conversion engine, the second thermal conversion engine having a gas inlet. In particular, the gas inlet serves to take over gas, in particular with a proportion of ambient air, in order to enable the thermal conversion, in particular combustion during the thermal conversion.
Der Brennstoff des ersten und/oder des zweiten Umwandlungsmotors wird insbesondere verbrannt. Der erste und/oder der zweite Umwandlungsmotor ist beispielsweise als ein Verbrennungsmotor ausgebildet. Der erste und/oder der zweite Umwandlungsmotor wandelt einen Brennstoff thermisch um, um chemische Energie in Wärmeenergie und nachfolgend in mechanische Energie umzusetzen.In particular, the fuel of the first and/or the second conversion engine is combusted. The first and/or the second conversion motor is designed as an internal combustion engine, for example. The first and/or second conversion engine thermally converts a fuel to convert chemical energy into thermal energy and subsequently into mechanical energy.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Abgasauslass mit dem Gaseinlass strömungstechnisch verbunden ist, so dass der zweite Umwandlungsmotor das Abgas aus den ersten Umwandlungsmotor thermisch umwandelt, insbesondere mitumwandelt, im Speziellen verbrennt.In the context of the invention, it is proposed that the exhaust gas outlet is fluidically connected to the gas inlet, so that the second conversion engine thermally converts the exhaust gas from the first conversion engine, in particular also converts it, in particular burns it.
Bevorzugt wird der gesamte und/oder vollständige Abgasmassenstrom des ersten Umwandlungsmotors über den Abgasauslass und/oder über den Gaseinlass in den zweiten Umwandlungsmotor zur thermischen Umwandlung geleitet. Für den Fall, dass der erste Umwandlungsmotor über eine Abgasrückführung verfügt, wird bevorzugt der gesamte und/oder vollständige nicht-rückgeführte Anteil des Abgasmassenstroms des ersten Umwandlungsmotors über den Abgasauslass und/oder über den Gaseinlass in den zweiten Umwandlungsmotor zur thermischen Umwandlung geleitet. Die thermische Umwandlung in dem zweiten Umwandlungsmotor des Abgases entspricht insbesondere einer Abgasreinigung durch eine Nachverbrennung.The entire and/or complete exhaust gas mass flow of the first conversion engine is preferably conducted via the exhaust gas outlet and/or via the gas inlet into the second conversion engine for thermal conversion. In the event that the first conversion engine has exhaust gas recirculation, the entire and/or complete non-recirculated portion of the exhaust gas mass flow of the first conversion engine is preferably conducted via the exhaust gas outlet and/or via the gas inlet into the second conversion engine for thermal conversion. The thermal conversion in the second conversion engine of the exhaust gas corresponds in particular to exhaust gas purification by post-combustion.
Die Antriebsanordnung kann auch mehrere derartige zweite Umwandlungsmotoren aufweisen.The drive arrangement can also have a number of such second conversion motors.
Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass typische Abgasnachbehandlungssysteme mit steigender Anzahl von Komponenten, Aktoren, Sensoren etc. eine hohe Komplexität und damit erhöhte Fertigungskosten aufweisen. Ferner führen die aktiven und passiven Komponenten in den typischen Abgasnachbehandlungssystemen zu einer begrenzten Lebensdauer der Komponenten. Es ist auch nicht zu unterschätzen, dass durch die Nutzung von zusätzlichen Betriebsmitteln, wie zum Beispiel Harnsäure („AdBlue“), in den Abgasnachbehandlungssystemen der CO2-Anteil beim Ausstoß erhöht wird. Dagegen schlägt Erfindung vor, einen Teil oder das gesamte Abgasnachbehandlungssystem durch den zweiten thermischen Umwandlungsmotor zu ersetzen. Insbesondere können durch die thermische Umsetzung kritische Emissionen, insbesondere NOx abgebaut werden.It is a consideration of the invention that typical exhaust gas aftertreatment systems with an increasing number of components, actuators, sensors, etc. have a high level of complexity and thus increased production costs. Furthermore, the active and passive components in the typical exhaust aftertreatment systems lead to a limited service life of the components. It should also not be underestimated that the use of additional resources, such as uric acid (“AdBlue”) in the exhaust aftertreatment systems, increases the proportion of CO2 emitted. In contrast, the invention proposes replacing part or all of the exhaust gas aftertreatment system with the second thermal conversion engine. In particular, critical emissions, in particular NOx, can be reduced by the thermal conversion.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist der zweite Umwandlungsmotor eine Brennstoffzuführung zur Zuführung von Ammoniak oder einem Vorprodukt von Ammoniak auf. Insbesondere bildet das Ammoniak oder das Vorprodukt des Ammoniaks einen Haupt-Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor. Unter einem Vorprodukt von Ammoniak ist beispielsweise Harnsäure oder die bekannten AdBlue-Mischungen zu verstehen. Optional kann dem zweiten Umwandlungsmotor ergänzend Wasserstoff zugeführt werden, um die Verbrennung zu verbessern. Durch die Nutzung von Ammoniak oder einem entsprechenden Vorprodukt von Ammoniak können eine Vielzahl von Vorteile genutzt werden.In a preferred implementation of the invention, the second conversion engine has a fuel supply for supplying ammonia or a precursor of ammonia. In particular, the ammonia or the precursor of ammonia constitutes a main fuel for the second conversion engine. A precursor of ammonia is to be understood, for example, as uric acid or the known AdBlue mixtures. Optionally, the second conversion engine can be supplemented with hydrogen to improve combustion. A large number of advantages can be exploited by using ammonia or a corresponding precursor of ammonia.
Ammoniak kann als Wasserstoffträger betrachtet und als Kraftstoff verwendet werden. Es gilt als langfristig interessant, insbesondere als Kraftstoff für den Seeverkehr. Ammoniak kann als sogenannter „Elektrokraftstoff“ (e-fuel) betrachtet werden, da er durch Elektrolyse von Wasser und anschließender katalytischer Umwandlung von Wasserstoff und Stickstoff (aus der Luft) zu Ammoniak hergestellt werden kann. Im Gegensatz zu den meisten anderen Elektrobrennstoffen kann Ammoniak ohne Verwendung einer Kohlenstoffquelle hergestellt werden. Es werden lediglich nur Strom, Wasser und Luft benötigt, was in vielerlei Hinsicht vorteilhaft ist. Der Strom könnte aus Wind- oder Wasserkraft oder aus anderen nachhaltigen Quellen erzeugt werden, sodass das erzeugte Ammoniak ein nachhaltiger Brennstoff ist. Insbesondere verbrennt Ammoniak bei der thermischen Umsetzung ohne Produktion von CO2.Ammonia can be considered a hydrogen carrier and used as a fuel. It is considered to be of long-term interest, especially as a fuel for maritime transport. Ammonia can be considered a so-called 'Electric Fuel' (e-fuel) because it can be produced by the electrolysis of water and subsequent catalytic conversion of hydrogen and nitrogen (from the air) into ammonia. Unlike most other electric fuels, ammonia can be produced without using a carbon source. Only electricity, water and air are required, which is advantageous in many ways. The electricity could be generated from wind or hydroelectric power, or from other sustainable sources, so the ammonia produced is a sustainable fuel. In particular, during thermal conversion, ammonia burns without producing CO2.
Der Kraftstoff (NH3) des zweiten Umwandlungsmotors wirkt zugleich als Reduktionsmittel für die NOx in dem Abgas des ersten Umwandlungsmotors. Die NOx werden mittels selektiver nicht katalytischer Reduktion (SNCR) in der oder den Brennkammern des zweiten Umwandlungsmotors zu N2 reduziert. Dies erfolgt nach der Reaktion: NH2 + NO -> N2 + H2O.The fuel (NH3) of the second conversion engine also acts as a reducing agent for the NOx in the exhaust gas of the first conversion engine. The NOx are reduced to N2 by selective non-catalytic reduction (SNCR) in the combustion chamber(s) of the second conversion engine. This occurs after the reaction: NH2 + NO -> N2 + H2O.
Bei einer bevorzugten Ausführung weist die Antriebsanordnung einen Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie auf. Der Generator ist mit dem zweiten Umwandlungsmotor antriebstechnisch gekoppelt. Damit übernimmt der zweite Umwandlungsmotor neben der Funktion der Abgasreinigung zudem die Funktion einer Energiebereitstellung. Dies kann insbesondere in Verbindung mit Ammoniak oder einem Vorprodukt von Ammoniak als Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor besonders effizient sein, da Ammoniak einen ähnlichen Brennwert wie Benzin aufweist. Somit kombiniert der zweite Umwandlungsmotor die Aufgaben eines Abgasnachbehandlungssystems und eines „bottoming cycle“ in Form einer Stromerzeugung. Ein „bottoming cycle“ ist in diesem Fall ein nachgeschalteter Prozess, ausgebildet als ein thermodynamischer Prozess oder Zyklus, in dem Strom aus Abwärme erzeugt wird. Somit wird die chemische Energie bei der Abgasreinigung in dem zweiten Umwandlungsmotor nicht an die Umwelt abgegeben, sondern über den Umweg der mechanischen Energie in elektrische Energie gewandelt und in dem Mobil weiterverwendet.In a preferred embodiment, the drive arrangement has a generator for converting mechanical energy into electrical energy. The generator is drivingly coupled to the second conversion motor. The second conversion engine thus assumes the function of supplying energy in addition to the function of cleaning exhaust gases. This can be particularly efficient in particular in connection with ammonia or a precursor of ammonia as a fuel for the second conversion engine, since ammonia has a calorific value similar to that of gasoline having. The second conversion engine thus combines the tasks of an exhaust aftertreatment system and a "bottoming cycle" in the form of power generation. In this case, a "bottoming cycle" is a downstream process, designed as a thermodynamic process or cycle, in which electricity is generated from waste heat. Thus, the chemical energy in the exhaust gas cleaning in the second conversion engine is not released into the environment, but converted via the mechanical energy into electrical energy and reused in the vehicle.
Die gewonnene elektrische Energie kann beispielsweise in eine Energiespeichereinrichtung, zum Beispiel in einem Akkumulator, gespeichert werden oder verbraucht werden.The electrical energy obtained can, for example, be stored in an energy storage device, for example in an accumulator, or be consumed.
Es ist besonders bevorzugt, dass der zweite Umwandlungsmotor exklusiv mit dem Generator antriebstechnisch gekoppelt ist. Es wird somit die gesamte mechanische Energie des zweiten Umwandlungsmotors an den Generator zur Umwandlung in elektrische Energie weitergegeben. Diese Ausgestaltung vereinfacht die Architektur der Antriebsanordnung, da der zweite Umwandlungsmotor nicht in einen mechanischen Antriebsstrang der Antriebsanordnung integriert werden muss.It is particularly preferred that the second conversion motor is drivingly coupled exclusively to the generator. The entire mechanical energy of the second conversion engine is thus passed on to the generator for conversion into electrical energy. This refinement simplifies the architecture of the drive arrangement since the second conversion motor does not have to be integrated into a mechanical drive train of the drive arrangement.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist der zweite Umwandlungsmotor als ein Zweitaktmotor ausgebildet. Zweitaktmotoren zeichnen sich durch eine geringe Komplexität aus, insbesondere werden bei Zweitaktmotoren keine Ventile benötigt. In a preferred implementation of the invention, the second conversion engine is designed as a two-stroke engine. Two-stroke engines are characterized by low complexity, in particular no valves are required in two-stroke engines.
Durch die Wahl des Zweitaktmotors als zweiter Umwandlungsmotor wird somit die Komplexität der Systemtechnik für die Abgasreinigung weiter reduziert.By choosing the two-stroke engine as the second conversion engine, the complexity of the system technology for exhaust gas purification is further reduced.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Umwandlungsmotor als ein Kreiselmotor und/oder als ein Kreiskolbenmotor und/oder als ein Kreismotor ausgebildet. Beispielsweise kann dieser als ein Wankelmotor realisiert sein.In a possible development of the invention, the second conversion engine is designed as a centrifugal engine and/or as a rotary piston engine and/or as a rotary engine. For example, this can be implemented as a Wankel engine.
Besonders bevorzugt ist der zweite Umwandlungsmotor als eine Rotationsmaschine für Kompression und Dekompression ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Rotationsmaschine
- - einen scheibenförmigen Rotor mit einer ersten Drehachse, die rechtwinklig zur Ebene des Rotors steht und in einer Orientierungsebene liegt,
- - ein im Wesentlichen scheibenförmiges Schwingelement mit einer zweiten Drehachse, die in der Ebene des scheibenförmigen Schwingelements und in der Orientierungsebene liegt, wobei die zweite Drehachse einen Winkel mit der ersten Drehachse in der Orientierungsebene bildet;
- - ein im Wesentlichen kugelförmiges Gehäuse, das den Rotor und das Schwingelement umgibt und in Kombination damit vier (De)Kompressionskammern bildet;
- - einen Verbindungskörper, der den Rotor und das Schwingelement im Gehäuse relativ zueinander verschiebbar positioniert und die vier (De)Kompressionskammern abdichtet;
- - a disk-shaped rotor with a first axis of rotation which is perpendicular to the plane of the rotor and lies in an orientation plane,
- - a substantially disk-shaped oscillating element having a second axis of rotation lying in the plane of the disk-shaped oscillating element and in the orientation plane, the second axis of rotation forming an angle with the first axis of rotation in the orientation plane;
- - a substantially spherical housing which surrounds the rotor and the vibrating element and in combination therewith forms four (de)compression chambers;
- - a connecting body which positions the rotor and the vibrating element in the housing in a relatively slidable manner and seals the four (de)compression chambers;
Insbesondere ist der Generator in der Rotationsmaschine integriert, wobei der Generator einen Statorabschnitt und einen Rotorabschnitt aufweist, wobei der Rotorabschnitt von dem Rotor angetrieben wird und der Stator an dem Gehäuse angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Rotationsmaschine als ein Zweitaktmotor ausgebildet. Insbesondere ist die Rotationsmaschine nach der
Optional weist die Antriebsanordnung eine elektrische Maschine zum Antrieb des Mobils auf. Die elektrische Maschine stellt ein zweites Antriebsmoment für das Mobil bereit, wobei das Gesamtantriebsmoment durch das erste Antriebsmoment und das zweite Antriebsmoment gebildet ist. Die elektrische Maschine wird unmittelbar durch den Generator mit elektrischer Energie und/oder mittelbar über die Energiespeichereinrichtung versorgt oder zumindest mitversorgt. In dieser Ausgestaltung wird die chemische Energie aus dem Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor genutzt um das Mobil anzutreiben, so dass die Abgasreinigung quasi energieneutral durchgeführt wird.Optionally, the drive arrangement has an electric machine for driving the mobile. The electric machine provides a second drive torque for the mobile, the total drive torque being formed by the first drive torque and the second drive torque. The electrical machine is supplied with electrical energy directly by the generator and/or indirectly via the energy storage device, or at least is also supplied with it. In this embodiment, the chemical energy from the fuel for the second conversion engine is used to drive the vehicle, so that the exhaust gas cleaning is carried out in a quasi-energy-neutral manner.
Bei einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung arbeitet der erste Umwandlungsmotor mit einem fossilen Brennstoff. Insbesondere ist der Brennstoff als Diesel, Benzin oder als ein Erdgas, insbesondere Methan ausgebildet. Bei diesen Brennstoffen ist die Reinigung der Abgase von Stickstoffoxiden/ besonders aufwändig. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass Methan Hauptbestandteil von Erdgas ist. Im mageren Betrieb (erhöhter Luftüberschuss) von Erdgasmotoren stellt der Methanschlupf (Kraftstoff, der nicht in der Verbrennung teilnimmt und mit den Abgasen aus dem Motor austritt) eine große Herausforderung dar. Dies ist wegen der hohen Aktivierungstemperatur zur Methanoxidation. Während andere unverbrannte Kohlenwasserstoffe in einem herkömmlichen Katalysator oxidiert werden, ist die katalytische Nachoxidation von Methan schwer. In dem zweiten Umwandlungsmotor wird dem Methan eine zweite Chance gegeben, in der Hochtemperatur Gasphasen Oxidation zu reagieren.In a first possible embodiment of the invention, the first conversion motor works with a fossil fuel. In particular, the fuel is in the form of diesel, petrol or natural gas, in particular methane. With these fuels, the cleaning of the exhaust gases from nitrogen oxides is particularly complex. In particular, it should be noted that methane is the main component of natural gas. In lean operation (increased excess air) of natural gas engines, methane slip (fuel that does not take part in combustion and escapes from the engine with the exhaust gases) poses a major challenge high activation temperature for methane oxidation. While other unburned hydrocarbons are oxidized in a conventional catalyst, the catalytic post-oxidation of methane is difficult. In the second conversion engine, the methane is given a second chance to react in the high temperature gas phase oxidation.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Umwandlungsmotor auf Basis eines erneuerbaren Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff oder eFuels, ausgebildet. Bei der Verbrennung der erneuerbaren Brennstoffe entsteht besonders viel NOx, welches mit Blick auf die geplanten gesetzlichen Regelungen in näherer Zukunft nicht beseitigt werden muss. Hier hilft die Erfindung jenseits der gesetzlichen Vorgaben einen erhöhten Umwelt- und damit Klimaschutz umzusetzen.In an alternative embodiment of the invention, the first conversion engine is based on a renewable fuel, in particular based on hydrogen or eFuels. The combustion of renewable fuels produces a particularly large amount of NOx, which, in view of the planned legal regulations, will not have to be eliminated in the near future. Here, the invention helps to implement increased environmental and thus climate protection beyond the legal requirements.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist durch ein Mobil gebildet, welches eine Antriebsanordnung wie diese zuvor beschrieben wurde und/oder nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.A further object of the invention is formed by a mobile which has a drive arrangement as described above and/or according to one of the preceding claims.
Insbesondere ist das Mobil als ein Fahrzeug realisiert, wobei das Gesamtantriebsmoment das Fahrzeug antreibt. Besonders bevorzugt ist das Mobil als ein Hybridfahrzeug ausgebildet, wobei dieses die zusätzliche elektrische Maschine zur Erzeugung des zweiten Antriebsmoments aufweist.In particular, the mobile is implemented as a vehicle, with the total drive torque driving the vehicle. The mobile is particularly preferably designed as a hybrid vehicle, this having the additional electrical machine for generating the second drive torque.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Mobil als ein Boot, ein Fluggerät etc. realisiert. Insbesondere ist die Antriebsanordnung bei jeglicher Art von Mobilen zu verwenden.In an alternative embodiment of the invention, the mobile is implemented as a boat, an aircraft, etc. In particular, the drive arrangement can be used with any type of mobile.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Abgasreinigung bei der Antriebsanordnung und/oder bei dem Mobil wie diese bzw. dies zuvor beschrieben wurde gebildet, wobei in dem ersten Umwandlungsmotor Abgase erzeugt werden und wobei die Abgase in dem zweiten Umwandlungsmotor thermisch umgesetzt werden, um eine Abgasreinigung durchzuführen.A further object of the invention is formed by a method for exhaust gas purification in the drive arrangement and/or in the mobile as described above, wherein exhaust gases are generated in the first conversion engine and the exhaust gases are thermally converted in the second conversion engine, to carry out exhaust gas cleaning.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figur. Diese zeigt:
-
1 eine schematische Blockdarstellung von einem Mobil mit einer Antriebsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a schematic block diagram of a mobile with a drive arrangement as an embodiment of the invention.
Die
Die Antriebsanordnung 1 weist einen ersten thermischen Umwandlungsmotor 3 auf, wobei der erste thermische Umwandlungsmotor 3 als ein Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Der erste Umwandlungsmotor 3 hat die Funktion, ein erstes Antriebsmoment für das Mobil 2 zu erzeugen. Das erste Antriebsmoment bildet einen Teil des Gesamtantriebsmoments. In dem ersten Umwandlungsmotor 3 findet eine thermische Umsetzung von einem Brennstoff statt, wobei der Brennstoff ausgehend von einem Tank 4 dem ersten Umwandlungsmotor 3 zugeführt wird. Zudem wird Umgebungsluft optional über einen Verdichter 5 dem Umwandlungsmotor 3 zugeführt. Der Brennstoff kann z.B. nach dem Verdichter 5 mit der verdichteten Umgebungsluft gemischt werden (Saugrohreinspritzung). Alternativ kann der Brennstoff direkt in eine Brennkammer des Umwandlungsmotors 3 eingespritzt werden.The drive arrangement 1 has a first
In dem Tank 4 kann als Brennstoff Benzin, Diesel, Methan, Wasserstoff und/oder künstliche Brennstoffe, wie z.B. eFuels angeordnet sein.Gasoline, diesel, methane, hydrogen and/or artificial fuels, such as eFuels, can be arranged as fuel in the
Der erste Umwandlungsmotor 3 weist einen Abgasauslass 6 auf, wobei über den Abgasauslass 6 Abgase aus der thermischen Umsetzung des Brennstoffs aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 abgeleitet werden.The
Die Antriebsanordnung 1 weist einen zweiten thermischen Umwandlungsmotor 7 auf, wobei der zweite Umwandlungsmotor 7 ebenfalls als ein Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Der zweite Umwandlungsmotor 7 wird über einen zweiten Tank 8 mit Brennstoff versorgt, wobei der Brennstoff in dem zweiten Tank 8 als Ammoniak oder als ein Vorprodukt von Ammoniak ausgebildet ist. Optional kann ergänzend Wasserstoff zugeführt werden, das Ammoniak bzw. das Vorprodukt von Ammoniak bildet allerdings den Haupt-Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor 7.The drive arrangement 1 has a second
Der zweite Umwandlungsmotor 7 weist einen Gaseinlass 9 auf, wobei der Gaseinlass 9 gegebenenfalls über einen Expander 10 strömungstechnisch mit dem Gasauslass 6 verbunden ist, so dass die Abgase aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 zu dem zweiten Umwandlungsmotor 7 zur thermischen Umwandlung weitergeführt werden. Der Verdichter 5 und der Expander 10 bilden eine Aufladegruppe, insbesondere einen Turbocharger bzw. Turbolader, diese ist jedoch optional. Insbesondere werden Abgase mit dem Brennstoff aus dem zweiten Tank 8 vermischt und nachfolgend thermisch umgesetzt, insbesondere verbrannt.The
Die Antriebsanordnung 1 weist einen Generator 11 auf, wobei der Generator 11 antriebstechnisch mit dem zweiten Umwandlungsmotor 7 verbunden ist. Bei einer konkreten Ausführungsform kann der Generator 11 in dem zweiten Umwandlungsmotor 7 integriert sein.The drive arrangement 1 has a
Durch den aus dem zweiten Tank 8 zugeführten Brennstoff und dem über den Gaseinlass 9 zugeführten Abgasen aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 wird über die thermische Umsetzung zum einen erreicht, dass die Abgase gereinigt werden und zum andern wird erreicht, dass über die Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffs über thermische Energie und nachfolgend in elektrische Energie über den Generator 11 die Abgasreinigung durch die thermische Umwandlung der Abgase kein energetischer Verlustprozess ist, sondern die darin aufgewendete chemische Energie als elektrische Energie über den Generator 11 wieder abgeführt wird.Through the fuel supplied from the
Die Antriebsanordnung 1 weist eine elektrische Maschine 12 auf, wobei die elektrische Maschine 12 ein zweites Antriebsmoment zur Verfügung stellt, wobei das zweite Antriebsmoment einen Teil des Gesamtantriebsmoments bildet. Das erste Antriebsmoment und das zweite Antriebsmoment können parallel oder alternativ das Gesamtantriebsmoment bilden. Der Generator 11 ist zum einen unmittelbar mit der elektrischen Maschine 12 verbunden, so dass der elektrische Strom unmittelbar durch die elektrische Maschine 12 verbraucht werden kann. Alternativ ist der Generator 11 über eine Energiespeichereinrichtung 13 mittelbar mit der elektrischen Maschine verbunden, so dass elektrische Energie zunächst zwischengespeichert wird und erst nachfolgend freigegeben wird. Es ist auch möglich, dass eine weitere elektrische Energiequelle oder ein weiterer elektrischer Energiespeicher vorgesehen ist.The drive arrangement 1 has an
Insbesondere sollen weitgehend die Nachteile einer Abgasnachbehandlung beseitigt werden. Diese sind: Komplexität, Kosten, Ressourcen (Edelmetalle), Lebensdauer der Komponenten, große Anzahl von in-Reihe geschalteten Katalysatoren, Sensoren und Aktoren, komplexe (auch in Motorsteuerung eingreifende) Regelung und zusätzliche Betriebsmittel (AdBlue) mit CO2 Beitrag.In particular, the disadvantages of exhaust gas aftertreatment should be largely eliminated. These are: complexity, costs, resources (precious metals), service life of the components, large number of catalytic converters, sensors and actuators connected in series, complex control (also affecting engine management) and additional operating media (AdBlue) with a CO 2 contribution.
Die Antriebsanordnung 1 umfasst die Kombination zweiter Umwandlungsmotor 7 - Generator 11 insbesondere ausgebildet als ein kompakter Motor-Generator, der die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems und eines „bottoming cycle“ aufweist. Der Motor-Generator ist dem ersten Umwandlungsmotor 3 als Verbrennungsmotor, welcher den Hauptantrieb darstellt, nachgeschaltet. Der gesamte, den Verbrennungsmotor verlassenden, Abgasmassenstrom wird in den Motor-Generator eingeführt. Der Motor-Generator besteht z.B. aus einem kugelförmig-ähnlichen Gehäuse, wobei der Stator des Generators 11 in dem Äquator des Gehäuses angeordnet ist. Den Rotor des Generators 11 stellt der drehende Motor dar. Das bedeutet, dass die gesamte produzierte Arbeit in den Brennkammern des Motor-Generators direkt in Elektrizität umgewandelt wird. Der Motor des Motor-Generators arbeitet idealerweise nach dem 2-Takt Prinzip und saugt den gesamten Abgasmassenstrom des vorgeschalteten Hauptantriebes an. Der Hauptantrieb kann mit fossilen oder synthetischen Kraftstoffen betrieben werden. In den Motor des Motor-Generators hingegen wird Ammoniak (NH3), was auch mit Wasserstoff (H2) gedopt werden könnte, eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt entweder im Ansaugtrakt oder direkt in der Brennkammer. Eine Kombination aus Saugrohr- und Direkteinspritzung ist auch möglich. Die Abgase des Hauptantriebes beinhalten außer CO2, H2O, N2 und Restsauerstoff (02) im Bereich von 1% bis 15%, auch Schadstoffe wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx). HC und CO werden im Motor des Motor-Generators zu CO2 oxidiert. Der Kraftstoff (NH3) des Motors-Generators wirkt zugleich als Reduktionsmittel für die NOx. Die NOx werden mittels selektiver nicht katalytischer Reduktion (SNCR) in den Brennkammern des Motors zu N2 reduziert. Dies erfolgt nach der Reaktion: NH2 + NO -> N2 + H2O. Somit kombiniert der Motor-Generator die Aufgaben eines Abgasnachbehandlungssystems und eines „bottoming cycle“ in Form eines seriellen Hybridsystems.The drive arrangement 1 comprises the combination of the
Der Hauptantrieb kann ohne innermotorische Maßnahmen zur NOx-Reduktion, insbesondere ohne AGR, ausgelegt und auf Wirkungsgradmaximierung optimiert werden. Dadurch erhöht sich seine Lebensdauer und es können die Anschaffungs- und Betriebskosten (cost of ownership) abgesenkt werden. Außerdem kann der Power-Split zwischen Hauptantrieb und „bottoming cycle“ in Abhängigkeit vom Betriebspunkt und der angeforderten Gesamtsystemleistung optimiert werden. Somit kann es mindestens um den Leistungsanteil des „bottoming cycle“ die CO2 Emissionen des Hauptantriebes reduziert werden. Wenn z.B. 20% der angeforderten Leistung durch den Motor-Generator mit einem kohlenstofffreien Kraftstoff wie NH3 bereitgestellt werden, verringern sich um den gleichen Prozentsatz die CO2-Emissionen des Hauptantriebes, welches einen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff verbrennt, weil dieser nur noch 80% der gesamten Leistung bereitstellen soll.The main drive can be designed without internal engine measures for NOx reduction, in particular without EGR, and optimized to maximize efficiency. This increases its service life and the acquisition and operating costs (cost of ownership) can be reduced. In addition, the power split between the main drive and the "bottoming cycle" can be optimized depending on the operating point and the required overall system performance. Thus, the CO2 emissions of the main drive can be reduced at least by the power share of the "bottoming cycle". If, for example, 20% of the requested power is provided by the motor-generator with a carbon-free fuel such as NH3, the CO2 emissions of the main engine, which burns a carbon-containing fuel, are reduced by the same percentage because these only provide 80% of the total power should.
Wichtige Punkte sind somit:
- ▪ Ersetzung eines Teils oder des gesamten Abgasnachbehandlungssystems und dessen Komplexität z.B. für EU7 und/ oder für Heavy-Duty, Off-Road, Marine-& Stationär Anwendungen ähnliche Emissionsnormen.
- ▪ Realisierung eines „bottoming cycle“ in einem kompakten Motor-Generator, welcher einem, mit fossilen und/oder kohlenstoffneutralen Brennstoffen betriebenen, Verbrennungsmotor nachgeschaltet wird.
- ▪ Der gesamte Abgasmassenstrom des vorgeschalteten Motors fließt durch einen oder mehreren parallelgeschalteten Motor-Generatoren zwecks Abgasreinigung und gleichzeitiger Stromerzeugung in einer Hybridstrategie für die Speisung von Elektromotoren oder zur Batteriespeicherung.
- ▪ Jeder nachgeschaltete Motor-Generator übernimmt die Reduktion der Emissionen, insbesondere von NOx, unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO), Ruß, aber auch von, noch nicht reglementierten, Zwischenprodukte wie Formaldehyd, etc. Dies wird durch eine exotherme Reaktion erzielt, bei der dem Abgasmassenstrom ein kohlenstoffneutraler Kraftstoff und zugleich Reduktionsmittel wie Ammoniak (NH3) zugefügt wird. Der kohlenstoffneutrale Kraftstoff wird entweder vorm Eintritt in den Motor-Generator mit dem Abgasstrom des Hauptantriebs vorgemischt oder wird direkt in die Brennkammer eingespritzt.
- ▪ Der nachgeschaltete Motor-Generator wird - idealerweise kugelförmig - sehr kompakt ausgeführt, sodass seine Skalierung, analog dem Hubraum des vorgeschalteten Motors, ohne Einbuße in Platzverhältnissen gestaltet werden kann. Somit bewirkt eine Verdopplung des Durchmessers vom Motor-Generator eine achtfache Vergrößerung seines Hubraums.
- ▪ Ein elektrisch-angetriebener Verdichter kann vom Motor-Generator elektrisch gespeist werden, um den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors zu unterstützen.
- ▪ Methan (CH4) slip aus lean-burn Gasmotoren kann in dem Motor-Generator oxidiert werden und benötigt keinen aufwendigen Methan-Katalysator, insbesondere kann hier der Methanschlupf ohne Katalysator oder mit weniger Katalysatoraufwand gereinigt werden.
- ▪ Replacement of a part or the entire exhaust aftertreatment system and its complexity, e.g. for EU7 and/or for heavy Duty, off-road, marine & stationary applications have similar emission standards.
- ▪ Realization of a "bottoming cycle" in a compact motor-generator, which is connected downstream of an internal combustion engine operated with fossil and/or carbon-neutral fuels.
- ▪ The entire exhaust gas mass flow of the upstream engine flows through one or more motor-generators connected in parallel for the purpose of exhaust gas cleaning and simultaneous electricity generation in a hybrid strategy for feeding electric motors or for battery storage.
- ▪ Each downstream motor-generator reduces emissions, particularly NOx, unburned hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), soot, but also intermediate products that are not yet regulated, such as formaldehyde, etc. This is achieved through an exothermic reaction , in which a carbon-neutral fuel and reducing agent such as ammonia (NH3) are added to the exhaust gas mass flow. The carbon-neutral fuel is either premixed with the exhaust stream of the prime mover before entering the motor-generator or is injected directly into the combustion chamber.
- ▪ The downstream motor-generator is designed to be very compact - ideally spherical - so that it can be scaled in the same way as the displacement of the upstream motor without sacrificing space. Thus, doubling the diameter of the motor-generator results in an eight-fold increase in displacement.
- ▪ An electrically-driven compressor can be electrically powered by the motor-generator to support the part-load operation of the internal combustion engine.
- ▪ Methane (CH 4 ) slip from lean-burn gas engines can be oxidized in the motor generator and does not require a costly methane catalyst. In particular, the methane slip can be cleaned here without a catalyst or with less catalyst effort.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Antriebsanordnungdrive arrangement
- 22
- MobilMobile
- 33
- erster Umwandlungsmotorfirst conversion engine
- 44
- erster Tankfirst tank
- 55
- Verdichtercompressor
- 66
- Abgasauslassexhaust outlet
- 77
- zweiter Umwandlungsmotorsecond conversion engine
- 88th
- zweiter Tanksecond tank
- 99
- Gaseinlassgas inlet
- 1010
- Expander (optional)expanders (optional)
- 1111
- Generatorgenerator
- 1212
- elektrische Maschineelectric machine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2012002816 A [0027]WO 2012002816 A [0027]
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- 2021-10-27 DE DE102021127949.6A patent/DE102021127949B4/en active Active
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Legal Events
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R084 | Declaration of willingness to licence | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |