DE102021204190A1

DE102021204190A1 - Emissionsfreier kaltstart und warmstart von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102021204190A1
Application number: DE102021204190.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2021-12-02
Also published as: US10947896B1; US10947895B1; US10989085B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt Mittel und ein Verfahren zur Verfügung, um die Emissionen eines Verbrennungsmotors während Kalt- und Warmstarts zu beseitigen. Ein Oxidationsmittel-Ansaugventil außerhalb des Motorkopfes und ein Abgasventil nach dem Nachbehandlungssystem und dem Kondensationswärmetauscher sind geschlossen, so dass alle Gase vor dem Starten des Motors innerhalb des Motors und des Abgas-Nachbehandlungssystems abgedichtet sind. Sauerstoff und Wasserstoff werden als Oxidationsmittel und Kraftstoff verwendet, um diesen Motor zu starten und ihn zu betreiben, bis die Abgas-Nachbehandlungssysteme ihre erforderlichen Betriebstemperaturen erreicht haben. Dieses emissionsfreie Startsystem funktioniert gleichermaßen bei Zwei-, Vier-, Sechs- oder Acht-Takt-Motoren, bei Ein- oder Mehrzylinder-Motoren und bei Motoren mit Fremd- oder Selbstzündung. Diese Erfindung stellt auch ein Mittel und Verfahren zur Verfügung, um das Innere eines Motors und die Nachbehandlungssysteme von Ruß, Partikeln sowie die katalytischen Oberflächen zu reinigen, ohne den Motor oder die Nachbehandlungssysteme zu zerlegen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung beseitigt die Emissionen von Hubkolben-Verbrennungsmotoren während Kalt- und Warmstarts. Sie ermöglicht zudem die Innenreinigung von Motoren und Nachbehandlungssystemen, während diese nicht in Betrieb sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Der Verbrennungsmotor (internal combustion engine, ICE) wird seit 1860 kommerziell genutzt. J. J. E. Lenoir erfand diesen Motor. Es folgte 1867 eine Motorkonstruktion von Eugen Langen und Nicolaus Otto, auf die 1876 der Ottomotor folgte. In den letzten 60 Jahren wächst die Besorgnis über die Emissionen von Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Feinstaub (particulate matter, PM), Partikelzahl (particle number, PN) und Stickstoffoxiden (NOx). Alle diese Emissionen sind in diesem Zeitraum drastisch reduziert worden, mit Ausnahme von CO₂. Zwar wurden auch die CO₂-Emissionen reduziert, allerdings nur im Verhältnis zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades des ICE. Es gibt immer noch einen limitierenden Faktor in Bezug auf das Minimum an Emissionen, und zwar die Emissionen während Kalt- und Warmstarts. Als Kaltstart wird das Anlassen des Motors ab Umgebungstemperatur bezeichnet, während ein Warmstart als ein Motorstart mit einer oder mehreren Temperaturen unter dem Normalwert definiert wird. Dies stellt ein Problem dar, weil die Katalysatoren, die zur Umwandlung von CO, HC, PM und NOx in CO₂, H₂O und N₂ verwendet werden, bei einer relativ hohen Temperatur arbeiten und während des Aufheizens nur eine begrenzte Umwandlung durchführen. Die Emissionen sind höher, wenn die Umgebungstemperaturen niedriger sind, weil mehr Wärme und Zeit benötigt werden, bis die Katalysatoren Betriebstemperatur erreichen.
Motoren nach dem Stand der Technik sind mit einer Vielzahl von Nachbehandlungssystemen ausgestattet, darunter, ohne jedoch hierauf eingeschränkt zu sein, Partikelfilter (für Otto- (gasoline particulate filter, GPF) und Dieselmotoren (diesel particulate filter, DPF)), Oxidationskatalysatoren (für Otto-(gasoline oxidation catalyst, GOC) und Dieselmotoren (diesel oxidation catalyst, DOC)), Drei-Wege-Katalysator (three way catalyst, TWC), eine Ammoniakquelle und deren Verteilung, ein oder mehrere Systeme für selektive katalytische Reduktion (SCR) und ein Ammoniakschlupfkatalysator- (ASC-) System. Diese Systeme werden benötigt, um die behördlichen Auflagen für Emissionen zu erfüllen. Diese Auflagen werden mit der Zeit immer strenger. Die Nachbehandlungssysteme müssen eine Temperatur von etwa 300 bis 400 °C (572 bis 752 °F) erreichen, um effizient zu arbeiten. Diese Erwärmung erfolgt typischerweise innerhalb der ersten Minuten nach dem Anlassen des Motors. Während dieser Zeit des Anlaufs sind die Emissionen erhöht.
Rodriguez et al. (2017) berichten, dass 80 % der zulässigen HC- und PM-Emissionen und 60 % der zulässigen NOx-Emissionen während des Kaltstartteils des FTP-75-Zyklus auftreten.¹ Ein emissionsfreier Kaltstart würde diese frühen HC-, PM- und NOx-Emissionen eliminieren und somit die Emissionen im FTP-75-Zyklus um 80 % für HC und PM und 60 % für NOx reduzieren. Rodriguez et al. (2017) berichten außerdem, dass 36 % des zulässigen HC und 17 % des PM in den ersten 4 Sekunden eines Kaltstarts auftreten.¹ Reiter et al. (2016) berichten in ihrem Abstract Folgendes: „Es wird immer wieder festgestellt, dass Startemissionen einen hohen Anteil an den gesamten verkehrsbedingten Methan- (CH₄), Stickstoffoxid-(N₂O) und flüchtigen organischen Verbindungen (volatile organic compounds, VOCs) ausmachen. Nach drei bis vier Minuten Fahrzeugbetrieb haben sich sowohl das Motorkühlmittel als auch der Katalysator in der Regel erwärmt, und die Emissionen sind deutlich geringer.”² Titus et al. (2018) weisen in ihrem Abstract mit folgender Aussage ebenfalls auf die Notwendigkeit hin, den Zustand des Brennraums zu berücksichtigen: „Das RDE-Prüfverfahren ist nicht klar definiert und erlaubt möglicherweise hohe Belastungen unmittelbar nach dem Motorstart. Unter solchen Umständen weist die Brennkammer niedrige Oberflächentemperaturen auf, die das Emissionsverhalten beeinträchtigen und insbesondere die übermäßige Erzeugung von Kohlenwasserstoff- und Partikelemissionen provozieren. Es ist daher wichtig, nicht nur die Erwärmung des Katalysators beim Kaltstart zu untersuchen, sondern auch die Vorbehandlung des Brennraums selbst.”³
Sowohl in der Fachliteratur als auch in Patenten gibt es eine ganze Reihe von Ansätzen, die sich mit Kaltstartemissionen befassen. Zu diesen Ansätzen zählen, ohne jedoch hierauf eingeschränkt zu sein, 1. Anordnen des TWC in der Nähe des Motorauslassventils, 2. Vorheizen des Katalysators durch Änderung des Motorbetriebs, um die den Katalysator erreichende Temperatur zu erhöhen, 3. die Beimischung von Wasserstoff zum Kraftstoff für eine höhere Abgastemperatur, 4. die Verwendung eines dem Katalysator vorgeschalteten Nachbrenners, um ein früheres Aktivieren des Katalysators zu ermöglichen, 5. Adsorption oder Auffangen der Emissionen, um diese freizusetzen, nachdem der Katalysator die Betriebstemperatur erreicht hat, und 6. elektrische Erwärmung der Abgase kurz vor Erreichen des Katalysators oder Erwärmung des Katalysators.
Die verschiedenen Ansätze zum Umgang mit Kaltstartemissionen werden wie folgt behandelt:

1. „Anordnen des TWC in der Nähe des Motorauslassventils“ ist grundlegende gute Ingenieurspraxis, um so viel Wärme wie möglich zum TWC zu bringen.
2. „Vorheizen des Katalysators durch Änderung des Motorbetriebs, um die den Katalysator erreichende Temperatur zu erhöhen“ hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Emissionen eines Motors. Titus et al. (2018) berichten, dass sich durch neuere Technologien, insbesondere das „Segeln“, die Anzahl der Neustarts eines Motors im Vergleich zu einem konventionellen Anlasser um das 35-fache erhöht. Jeder dieser Neustarts stellt eine Möglichkeit für erhöhte Emissionen dar, insbesondere HC, CO und PM. „Segeln“ ist definiert als Rollen mit nicht laufendem Motor.³ Verbrennungsstrategien werden zudem variiert, um die Abgastemperaturen durch späte Zündzeitpunkte zu erhöhen. Diese erhöhte Abgastemperatur sollte dazu führen, dass der Katalysator früher auf Betriebstemperatur kommt. Yusuf et al. (2019) berichten, dass in den ersten beiden Zyklen eines Kaltstarts HC ein Niveau von 3700 ppm und NO ein Niveau von 2000 ppm erreichte.4
3. „Beimischung von Wasserstoff zum Kraftstoff während eines Kaltstarts würde helfen, schädliche Emissionen zu reduzieren“ ist in der WO 2007/101329 A1 zu lesen. In dieser Anmeldung heißt es: „Ein erheblicher Teil der schädlichen Emissionen eines Benzinverbrennungsmotors wird unmittelbar nach einem „Kaltstart“ erzeugt, während der Motor unterhalb der normalen Betriebstemperatur läuft. So würde schon die Versorgung des Motors mit Wasserstoff während der Erwärmung den Gesamtausstoß an schädlichen Gasen erheblich reduzieren.” Dies ist möglich, weil die Gegenwart von Wasserstoff eine schnellere Flammenausbreitung bewirkt. Die am 31. Dezember 2009 veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2009/0320807 A1 behandelt ein System zur Zugabe von Wasserstoffgas in den Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit dem erklärten Vorteil einer erhöhten Verbrennungseffizienz, einer erhöhten Flammengeschwindigkeit und eines reduzierten Verbrennungszyklus, wodurch schädliche Emissionen reduziert werden. Das US-Patent Nr. 6,698,389 diskutiert die Zugabe von gespeichertem Wasserstoff vor einem Katalysator, um den Katalysator vorzuheizen, beansprucht dies aber nicht im Patent. Das US-Patent Nr. 3,862,624 beansprucht die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff als Kraftstoff in einem laufenden Verbrennungsmotor für dessen Dauerbetrieb und nicht nur für Kaltstarts. Dieses Patent beansprucht auch, dass es sich bei dem rezirkulierenden Gas um Wasserstoff mit zudosiertem Sauerstoff zum Steuern des Motorbetriebs handelt. Dieses Patent beschreibt einen geschlossenen Motor mit Wasserstoff und Sauerstoff, der entweder als Flüssigkeit oder als Gas zugeführt wird. Es gibt mehrere Probleme mit diesem Patent, abgesehen davon, dass es sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff als Kraftstoff beansprucht. Diese Punkte sind wie folgt: a. Wasserstoff ist der überschüssige Reaktant, und so besteht das Abgas aus Wasserstoff und Wasser, was etwa 16-mal voluminöser ist als Sauerstoff und Wasser, b. Der Sauerstoff- und Wasserstoffeintrag in den Motor steuert die Motordrehzahl und -leistung. Wasserstoff ist 16-mal voluminöser auf Massenbasis als Sauerstoff, so dass bei jedem Zyklus nur ein kleines Volumen des limitierenden Reaktanten (O₂) in den Brennraum gelangen kann. c. Der Eintrag in den Brennraum, bestehend aus Kurbelgehäuseentlüftung (H₂, H₂O, O₂ und Öldampf), rezirkulierenden Abgasen (H₂ und H₂O), frischem H₂ und frischem O₂ ist ein brennbares Gemisch. Zebatakis (1965), Seite 89, gibt die Zündgrenzen bei 25 °C von Wasserstoff in Sauerstoff mit 4 bis 95 Vol.-% an.²⁷ Wasserstoff hat eine der breitesten Zündgrenzen aller Chemikalien, was ein erhebliches Potenzial für einen Flammenrückschlag bietet, bevor das brennbare Gemisch in den Brennraum eintritt. d. Der kontinuierliche Betrieb eines Motors mit Sauerstoff und Wasserstoff erfordert eine externe Quelle für beide Stoffe, was sehr unpraktisch ist. Auf der Basis eines äquivalenten Heizwertes würden 16 Gallonen Benzin (100 Pfund, 45,4 kg) 16,24 kg (35,77 Pfund) Wasserstoff entsprechen. Der Wasserstoff fasst 25.749 Liter bei 7 bara (101,5 psia) als Gas oder 228 Liter bei -252 °C (60,23 Gallonen bei -421 °F) als kryogene Flüssigkeit. Der Sauerstoff benötigt 12.878 Liter bei 7 bara als Gas oder 112,8 Liter bei -219 °C (29,8 Gallonen bei -362 °F) als kryogene Flüssigkeit. Das äquivalente Zusatzgewicht aus Wasserstoff und Sauerstoff beträgt 319 Pfund, während das Gesamtvolumen als kryogene Flüssigkeiten 90 Gallonen beträgt.
4. „Verwenden eines dem Katalysator vorgeschalteten Nachbrenners, um ein früheres Aktivieren des Katalysators zu ermöglichen“ wird durch das US-Patent Nr. 5,425,233 abgedeckt, bei dem ein kraftstoffreiches Abgas mit zugesetzter Luft vor dem Katalysator oxidiert wird, um einen schnellen Anstieg der Katalysatortemperatur zu bewirken, um die Emissionen bei einem Kaltstart zu reduzieren. Die US-Patentanmeldung Nr. 2020/0040784 A1 beansprucht eine externe Heißgasquelle oder einen Brenner zum Vorheizen des Katalysators während eines Kaltstarts. Luft ist das Oxidationsmittel, daher treten während des Aufheizens des Katalysators noch Gase aus dem System aus.
5. „Adsorbtion oder Auffangen der Emissionen während eines Kaltstarts, um sie freizusetzen, nachdem der Katalysator die Betriebstemperatur erreicht hat“ wird durch das U.S. Patent Nr. 8,327,622 B2 abgedeckt. Die Abgasreinigungsvorrichtung wird nach Bedarf während eines Motorstarts ein- oder ausgeschaltet, um schädliche Emissionen zu beseitigen. Aktuelle Anmeldungen für Abgasfallen vor allem für HC und NOx sind DE102017105669A1 , WO2017193673A1 , WO2017060693A1 und US20170106357 .
6. „Elektrische Erwärmung des Abgases kurz vor Erreichen des Katalysators oder Erwärmen des Katalysators“ wird durch das U.S.-Patent Nr. 5,839,273 , erteilt am 24. November 1998, abgedeckt und umfasst den elektrisch erwärmten Katalysator vor dem Kalt- oder Warmstart und während eines Neustarts. Dieses Patent beansprucht außerdem die Zugabe von zusätzlichem Kraftstoff und/oder Luft, um die Katalysatortemperatur zu erhöhen. Das am 3. Juli 2012 erteilte US-Patent Nr. 8,209,970 B2 behandelt die Verwendung eines elektrisch erwärmten Katalysators und dessen Steuerung während eines Motorstarts. Elektrisch beheizte Katalysatoren sind auch Gegenstand der US-Patentanmeldungen Nr. 20170167346, 20170037799, 20160207029 und 20160115843 .

Eine Lösung für den Kalt- und Warmstart von Verbrennungsmotoren wurde noch nicht gefunden. Dies wird auch in zwei kürzlich erschienenen Berichten über Motoreffizienz und Emissionen bestätigt, die beide von Dr. Ameya Joshi verfasst wurden. Joshi (2019) erwähnt „Kaltstart“ oder „Kaltstarts“ 28 Male und erwähnt in der Zusammenfassung „Die Herausforderung besteht darin, die Kaltstart- und Niedriglast-Emissionen zu reduzieren, was innovative Motor- und Nachbehandlungssystemlösungen erfordert. Zu den führenden Konzepten gehören eng gekoppelte SCR (selektive katalytische Reduktion), die Verwendung passiver NOx-Adsorber, die Integration von SCR (selektive katalytische Reduktion) auf DPFs (Dieselpartikelfiltern), Niedertemperatur-Harnstoff- oder Ammoniak-Einspritzung, duale SCR sowie aktives und passives Wärmemanagement zur Erhöhung der Abgastemperaturen. Außerdem wird an einem neuen Niederlast-Zertifizierungszyklus gearbeitet.”²² Bei Joshi (2020) finden sich 23 Erwähnungen von Kaltstart oder Kaltstarts, und im Abstract heißt es: „Ein Hauptaugenmerk wird weiterhin auf der Reduzierung der Kaltstartemissionen liegen, und es werden Studien sowohl für Diesel- als auch für Benzinmotoren überprüft.”²³
Der letzte Punkt in der „Beschreibung des Stands der Technik“ wurde nie auf Motoren angewandt, ist aber als Stand der Technik aufgeführt, weil der zitierte Nachweis aus den Jahren 1965 bis 1987 stammt. Eine weitere Möglichkeit, die Emissionen von Motoren zu reduzieren, besteht darin, das Nachbehandlungssystem zwischen dem Betrieb des Motors zu reinigen. Diese Reinigung kann mit wenigen Ergänzungen zur vorliegend offenbarten Erfindung erfolgen. Auch wenn der Motor während dieser Reinigung nicht läuft, kann immer noch eine aktive Chemie stattfinden, insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen während der Stillstandsphase des Motors. Diese Reinigung kann durch Fluten des Motors und des Nachbehandlungssystems mit hochkonzentriertem Sauerstoff erfolgen. Verbrennung ist die schnelle Oxidation von Kohlenwasserstoffen. Die langsame Reaktion von Kohlenwasserstoffen wird als Oxidation bezeichnet. Es findet die gleiche Reaktion statt, jedoch mit reduzierter Geschwindigkeit. Mehrere Referenzen sind enthalten, um diesen Punkt wie folgt zu belegen:

1. „Kohlenwasserstoffe werden kontinuierlich von Lebewesen oder durch die Zersetzung von Lebewesen auf der Erde freigesetzt.“ und „Alle Kohlenwasserstoffe reagieren in der Luft durch eine Reihe von Reaktionen zu Kohlenmonoxid und dann zu Kohlendioxid. Der erste Schritt ist immer die Reaktion zwischen dem Kohlenwasserstoff und dem Hydroxylradikal. Bei den Alkanen abstrahiert das Hydroxylradikal ein Wasserstoffatom und bildet ein Kohlenstoff-zentriertes Radikal.”²⁴ CH₃CH₃ + HO → CH₃CH₂ + H₂O
2. D. Rhasa et al. (1987) stellen auf Seite 199 fest: „Die Erdatmosphäre ist von Natur aus oxidativ. Infolgedessen bietet die Oxidation von Kohlenwasserstoffen wichtige Kopplungsmechanismen mit anderen sauerstoffhaltigen Spurengasfamilien (O_x, HO_x und NOx). Darüber hinaus sind Kohlenwasserstoffe, obwohl sie im Allgemeinen nicht als Schadstoffe gelten, durch ihre Oxidation für die Bildung von Sekundärschadstoffen wie CO, O₃, PAN und Aerosolen verantwortlich.

Die atmosphärische Oxidation von Kohlenwasserstoffen wird durch die Radikalchemie sowohl initiiert als auch fortgesetzt. Reaktionen zwischen stabilen Kohlenwasserstoffspezies und O₂ sind viel zu langsam, um vernünftige Oxidationsraten auf einer realistischen Zeitskala zu erzeugen. Dies gilt sowohl für die Gasphase als auch für die kondensierte Flüssigphase, wie sie in der Atmosphäre durch Wolken, Nebel und Regentropfen repräsentiert wird. In dieser Schrift werden zunächst die Mechanismen und die Kinetik der Oxidation von Kohlenwasserstoffen dargestellt und anschließend wird diskutiert, wie diese Oxidation mit dem HO_x-Gehalt zusammenhängt. Letzteres ist von besonderer Bedeutung, da HO_x das oxidative Potential der Atmosphäre darstellt.”²⁵
Die Erdatmosphäre ist oxidativ und ihr Sauerstoffdampfdruck beträgt 0,21 Atmosphären, während 100 % Sauerstoff bei gleichem Druck einen Dampfdruck von 1,0 Atmosphären bzw. das 4,76-fache aufweist. Sauerstoffkonzentrationen von weniger als 100 % wären weniger als 4,76-mal höher. Die Temperatur der Nachbehandlungssysteme bei der ersten Einbringung des Sauerstoffs wäre ebenfalls viel höher als die Umgebungstemperatur. Sowohl die höhere Konzentration von Sauerstoff als auch die erhöhte Temperatur beschleunigen Oxidationsreaktionen.

3. Lewis und Elbe (1987) stellen auf Seite 96 fest: „Die allgemeinen Merkmale der Oxidationskinetik von Methan und höheren Kohlenwasserstoffen werden in 22 durch die Explosionsgrenzkurven 5-8 veranschaulicht, die von Townsend und Mitarbeitern erhalten wurden“ und „Die Kurven 6 und 7 gelten speziell für Hexan und Luft, sind aber charakteristisch für paraffinische Kohlenwasserstoffe und verwandte Verbindungen im Allgemeinen.”²⁶

22 aus Lewis und Elbe (1987) auf Seite 97 zeigt, dass Hexan in Luft eine kühle Flamme zwischen 280 und 340 °C und bei einem Druck von 2 Atmosphären in Luft erzeugt. Der Druck im Inneren eines Nachbehandlungssystems (21) würde etwa 1,0 Atmosphären betragen, aber mit einer molaren Sauerstoffzusammensetzung bis zum 4,76-fachen der von Luft, abhängig von der Sauerstoffkonzentration. Lewis und Elbe (1987) stellen auf Seite 168 fest: „Ketone bilden keine etherähnlichen Addukte mit Hydroperoxiden und daher erzeugt Isobutan (CH₃)₃CH, wie durch Kurve 8 in 22 gezeigt, keine kühle Flamme. Andererseits erzeugt Isooktan, wie beispielsweise 2,2,4-Trimethylpentan, eine kühle Flamme und eine zweistufige Zündung, weil es eine -CH₂-Gruppe enthält, aber wie die Kurven 1 und 3 in 52 zeigen, ist der Bereich der kühlen Flamme schmal und zu höherem Druck hin verschoben, verglichen mit n-Oktan, das reich an solchen Gruppen ist.”²⁶
52 aus Lewis und Elbe (1987) auf Seite 173 zeigt, dass der Bereich der kalten Flamme für n-Oktan, n-Heptan und Isooktan zwischen 240 bis 340 °C und Sauerstoffdrücken zwischen etwa 20 und 800 mm Hg liegt (atmosphärische Luft hat einen Sauerstoffdampfdruck von 159 mm Hg, aber reiner Sauerstoff bei atmosphärischem Druck hat einen Sauerstoffdampfdruck von 760 mm Hg). Bei Alkanen mit höherem Molekulargewicht als n-Oktan und n-Heptan ist die Anzahl der angefügten -CH₂-Gruppen höher, die, wie vorstehend erwähnt, für die kühle Flamme verantwortlich sind.
4. Zabetakis (1965) zeigt eine ähnliche Beziehung für n-Propylnitrat bei 1000 psi in Luft in den 3 und 4 auf den Seiten 5 und 6 dieser Referenz. Diese Daten zeigen die Zeitverzögerung vor der Zündung von etwa 400 Sekunden bei 170 °C. Diese Bedingungen sind weiter entfernt als die vorherigen Daten, aber sie zeigen eine ähnliche Beziehung.²⁷
5. Lefebvre et al.(1986) zeigen in 2.1 auf Seite 8, dass die Zündverzögerung für Iso-Oktan bei 635 °C proportional zu 1/Pⁿ oder dem reziproken Druck hoch 0,5 oder p^-0,5 ist. ²⁸
Diese fünf Referenzen zeigen alle, dass Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Sauerstoff weiter oxidieren, auch wenn keine oder nur eine kühle Flamme vorhanden ist. Wäre dies nicht der Fall, dann wäre die Erde mit nicht oxidierten Kohlenwasserstoffen gefüllt, da Kohlenwasserstoffe für die meisten Gerüche, die wir riechen, verantwortlich sind. Die Daten reichen nicht aus, um den genauen Umfang der Umwandlung während der betriebsfreien Zeit des Motors zu bestimmen. Bei dieser Erfindung bewirkt die Flutung des Nachbehandlungssystems und des Motors mit Sauerstoff, dass die eingeschlossenen Kohlenwasserstoffe oxidieren und zu CO₂ und H₂O umgewandelt werden, auch wenn der Motor nicht in Betrieb ist. Diese Umwandlung wäre besonders für das Partikelfilter, entweder DPF oder GPF, von Vorteil, da Partikel verbraucht werden und somit das Filter gereinigt wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt die erforderlichen Mittel und das anzuwendende Verfahren vor, um einen Verbrennungsmotor (20) zu starten und diesen Motor (20) ohne Abgasemission zu betreiben, bis der Motor (20) und das Abgas-Nachbehandlungssystem (21) ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Das angegebene Verfahren umfasst Kaltstart, Warmstart und Heißstart eines Verbrennungsmotors (20). Das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel-Sperrventil (1) verhindert, dass das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel in den Motor (20) gelangt, und die Abgase werden vor dem Start des Motors eingesperrt (25). Das Wort „üblicherweise“ bezieht sich auf das, was normalerweise in einem Motor verwendet wird. Luft ist in der Regel das Oxidationsmittel, während Kohlenwasserstoffe in der Regel der verwendete Kraftstoff sind. Dennoch könnte sauerstoffangereicherte Luft oder ein anderes sauerstoffangereichertes Oxidationsmittel, zusammen mit Wasserstoff, das Oxidationsmittel und der Kraftstoff sein. Es ist zu beachten, dass Kohlenwasserstoff Kraftstoffe mit Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen umfasst und Sauerstoffatome mit einschließen kann oder auch nicht. Bordsauerstoff (2) und Wasserstoff (12) werden bei Kalt- und Warmstarts zum Oxidationsmittel und Kraftstoff. Die Produkte der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoffüberschuss (Φ < 1,0) sind Wasserdampf und Sauerstoff. Ein Teil des Wasserdampfes wird kondensiert und in einem Kondensationswärmetauscher (22) aus dem Abgas (23) entfernt. Der verbleibende Sauerstoff und der Wasserdampf werden zurückgeführt (24) zu der bzw. den Ansaugöffnungen (6) des Motors. Wasserstoffgas (12) wird mit frischem Sauerstoff (2) und rezirkuliertem Sauerstoff und Wasserdampf (24) in den Brennraum eingeblasen (14). Die Temperatur des Motorbrennraums, des Abgaskrümmers und des Nachbehandlungssystems (21) steigt, wenn der Motor (20) in Betrieb ist. Wenn die Betriebstemperatur ausreicht, um die Katalysatoren, die Systeme für selektive katalytische Reduktion und das Ammoniakschlupfkatalysator-System im Nachbehandlungssystem (21) zu aktivieren, wird der Startsauerstoff durch das üblicherweise zum Betrieb des Motors verwendete Oxidationsmittel ersetzt (1). Gleichzeitig wird das Abgassystem entriegelt (25), um das Abgas freizugeben. Das Abgas enthält an dieser Stelle unter Verwendung des üblicherweise verwendeten Oxidationsmittels (1) und Wasserstoffs (12) hauptsächlich N₂, H₂O, O₂ und Ar. Der Kraftstoff wird dann von Wasserstoff (12) auf den üblicherweise verwendeten Kohlenwasserstoff-Kraftstoff umgeschaltet. Das Abgas (25) besteht an diesem Punkt hauptsächlich aus N₂, CO₂, H₂O, O₂ und Ar. Nach diesem Übergang sind die Abgase aus dem Abgas-Nachbehandlungssystem (21) die gleichen wie bei einem normal arbeitenden Motor, jedoch ohne Kalt- und Warmstartemissionen.
Der Wasserstoff-Kraftstoff (12) und der Sauerstoff (2), der als Oxidationsmittel verwendet wird, können extern bezogen werden, allerdings ist die Elektrolyse von Wasser zum Erhalt von sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff der bevorzugte, wenn auch sicherlich nicht der einzige Ansatz. Die Elektrolyse (30) von Wasser mit anschließender Komprimierung der beiden Gase (31 und 32) vor der Speicherung wäre erforderlich. Es gibt zahlreiche Wasserelektrolyseprozesse, um diese Trennung zu erreichen.
Figurenliste

1 zeigt den kompletten Prozess, einschließlich der Elektrolyseeinheit (30), die vorhanden oder nicht vorhanden sein kann. Sie definiert auch, was unter dem Gesamtmotorsystem (35) zu verstehen ist.
2 zeigt den Prozess ohne die Elektrolyseeinheit, in diesem Fall wäre eine externe Zufuhr von sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff erforderlich.
3 zeigt die Elektrolyseeinheit, komplett mit Sauerstoff- und Wasserstoffkompressoren.

Bezugszeichenliste

1: Üblicherweise verwendetes Oxidationsmittel-Sperrventil
2: Sauerstoffspeicherbehälter
3: Sauerstoffsperrventil
4: Sauerstoffdruckregler
5: Sauerstoff-Füllsperrventil
6: Einlassöffnung oder -Öffnungen
7: Ablaufleitung oder -leitungen
11: Wasserstoffsperrventil
12: Wasserstoffspeicherbehälter
13: Wasserstoffdruckregler
14: Wasserstoff-Durchflussregelventil
15: Wasserstoff-Füllsperrventil
20: Verbrennungsmotor
21: Abgas-Nachbehandlungssystem
22: Kondensator
23: Wasserablauf
24: Abgas-Rückführsperrventil
25: Abgassperrventil
30: Elektrolyseeinheit
31: Sauerstoffkompressor
32: Wasserstoffkompressor
35: Gesamtmotorsystem

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Einrichtungen, die erforderlich sind, um das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel und den Kraftstoff umzuleiten und ein sekundäres Oxidationsmittel und einen sekundären Kraftstoff zu verwenden, so dass beim Starten eines Motors keine Emissionen entstehen. Es sind Verfahren für zwei verschiedene Startvorgänge vorgesehen, nämlich Kalt- und Warmstart sowie Heißstart. Der Motor (20) verwendet dieses sekundäre Oxidationsmittel und den Kraftstoff zum Aufwärmen, bis das Abgas-Nachbehandlungssystem (21) die erforderlichen Temperaturen erreicht hat, bei denen die Auslegungsumwandlung von CO, HC, PM, PN und NOx erreicht wird. Das Oxidationsmittel und der Kraftstoff beim Kalt- und Warmstart sind Sauerstoff und Wasserstoff, die aus Speichertanks (2 und 12) als komprimierte Gase bereitgestellt werden. Dieser komprimierte Sauerstoff (2) und Wasserstoff (12) können von einer externen Quelle zugeführt werden, aber die Zuführung von einer installierten Elektrolyseeinheit (30) mit Kompressoren (31 und 32) wäre das bevorzugte Verfahren zum Bereitstellen dieser beiden Gase. Die Verwendung einer Elektrolyseeinheit (30) zur Erzeugung des benötigten Sauerstoff- und Wasserstoffgases würde eine Versorgung mit Wasser, einer elektrisch leitfähigen Chemikalie und Strom erfordern. Der erzeugte Sauerstoff und Wasserstoff würde komprimiert (31 und 32) und in Druckbehältern (2 und 12) gespeichert. Sperrventile (5 und 15) stoppen den Rückstrom beider Gase. Das Sauerstoffgas wird über ein Ventil (3) und einen anschließenden Druckregler (4) zur Steuerung des in den Motor (20) eintretenden Sauerstoffdrucks eingesperrt. Wenn der Begriff „Ventil“ verwendet wird, ist darunter eine Einrichtung zu verstehen, die den Durchfluss sperrt, drosselt und zulässt, und es kann sich dabei um eines der folgenden handeln, ohne dass diese Aufzählung eine Einschränkung darstellt: Schieber, Kugel, Kugel mit vollem Durchgang, Kugel mit reduziertem Durchgang, Kugel, Drosselklappe, Magnetventil, angesteuertes Ventil, Quetschventil, Schiebeventil, Stopfen, Membranventil, Nadelventil, Einspritzventil, Schieberventil, Irisblende, Dämpfer, Steuer-, Kontroll-, Regel-, Y-, Entlastungs-, Sicherheits-, Eck- und 3-Wege-Ventil.
Der Motor (20) wird mit Sauerstoffüberschuss gestartet und betrieben, während der Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Durchflussregelventil (14) den Energieeintrag in den Motor steuert. Das Wasserstoffgas wird auf einen konstanten Druck geregelt (13), bevor es das Wasserstoff-Durchflussregelventil (14) erreicht, bevor es in den Motor (20) eintritt. Zuerst wird das für Kalt- und Warmstart verwendete Verfahren behandelt, anschließend das für den Heißstart.
Kaltstart und Warmstart
Der Kaltstart ist der Zustand des Motors, wenn alles nahe der Umgebungstemperatur ist. Warmstart ist der Zustand des Motors, wenn eine oder mehrere der gewünschten Temperaturen niedrig sind. Der Unterschied zwischen Kaltstart und Warmstart ist die Zeit, die benötigt wird, um den Startvorgang abzuschließen. Diese Kaltstartbedingung ist in den kalten Monaten des Jahres viel stärker ausgeprägt, so dass mehr Sauerstoff und Wasserstoff benötigt werden, um die Betriebsbedingungen zu erreichen. Während des Kalt- und Warmstarts des Motors wird das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel über das Ventil (1) am Eintritt in den Motor gehindert. Die Ansaugöffnung oder -Öffnungen werden durch das Sauerstoffsperrventil (3), das durch den Sauerstoffdruckregler (4) auf niedrigen Druck geregelt wird, mit Sauerstoff aus dem Speicher (2) beaufschlagt, und das Abgassperrventil (25) ist geöffnet, um den Motor (20), das Nachbehandlungssystem (21) und den Kondensator (22) zu spülen. Das Ventil (24) wird kurz offen gehalten, um diese Leitung zu entlüften, und wird dann geschlossen, während der Motor gedreht wird. Nach etwa zwei bis sechs Motorumdrehungen wird das Ventil (25) geschlossen, und Wasserstoff-Kraftstoff wird durch das Wasserstoff-Durchflussregelventil (14) eingeleitet. Dieses kurze Durchspülen mit Sauerstoff dient zwei Zwecken. Ein Zweck ist es, nicht kondensierbare Gase zu entfernen, so dass nur Sauerstoff und Wasserdampf die Bestandteile der rezirkulierenden Gase sind. Der andere Zweck ist die Entfernung von Stickstoff, damit dieser beim Motorstart kein NOx bildet. An diesem Punkt des Startverfahrens kann nur Sauerstoff über das Sauerstoffsperrventil (3) und den Sauerstoffdruckregler (4) und Wasserstoff über das Wasserstoffsperrventil (11), den Wasserstoffdruckregler (13) und das Wasserstoff-Durchflussregelventil (14) in das Gesamtmotorsystem (35) einschließlich des Motors (20), des Abgas-Nachbehandlungssystems (21), des Kondensators (22) und der Abgasrückführleitung über das Abgasrückführungs-Sperrventil (24) gelangen. Der einzige Auslass erfolgt über den Wasserablauf (23), und dieser ist auf kondensiertes flüssiges Wasser beschränkt. Beim Starten des Motors (20) mit dem üblicherweise verwendeten Anlasser wird Wasserstoff über das Wasserstoff-Durchflussregelventil (14) eingeleitet. Der laufende Motor (20) stößt nun heiße Gase, die nur aus O₂ und H₂O bestehen, in das Abgas-Nachbehandlungssystem (21) und den Kondensator (22) aus, wo ein Teil des Wasserdampfs aus den Gasen kondensiert. Die Menge des entnommenen Wassers ist abhängig von der Temperatur des umgewälzten Gases, da es bei der Kondensationstemperatur gesättigt ist. Die ausströmenden Heißgase erwärmen den oder die Brennräume, den oder die Köpfe, den oder die Kolben, den oder die Abgaskrümmer vom Motor (20), die Verbindungsleitungen zwischen dem Motor (20) und dem Abgas-Nachbehandlungssystem (21) und die Leitung zum Kondensator (22). Der Motor beginnt mit magerer Verbrennung bei einem Äquivalenzverhältnis zwischen Φ = 0,2 bis 0,9. Wasserstoffgas hat einige der breitesten Zündgrenzen mit einer unteren Zündgrenze (LFL (Lower Flammability Limit) in Luft ist 4 % oder Φ = 0,135) und einer oberen Zündgrenze (UFL (Upper Flammability Limit) in Luft ist 75 % oder Φ = 2,54), wie von Zabetakis (1965) berichtet.²⁷ Das gewählte Äquivalenzverhältnis muss eine einigermaßen hohe Temperatur ergeben, aber auch eine sehr zuverlässige Verbrennung gewährleisten. Die direkte Einspritzung von Wasserstoff in den Brennraum anstelle einer Einzeleinspritzung vermeidet Rückschläge in der Ansaugöffnung jedes Zylinders. Der Motor (20) läuft weiter, bis das Abgas-Nachbehandlungssystem (21) seine Auslegungstemperaturen erreicht. Kaltstarts erfordern einen wesentlich längeren Lauf als Warmstarts. Die erforderliche Temperatur würde es dem Behandlungssystem (21) ermöglichen, die Auslegungsumwandlung von CO, HC, PM, PN und NOx zu erreichen. Diese erforderliche Temperatur würde auf der Grundlage der Auslegung der einzelnen Prozesse innerhalb des Nachbehandlungssystems gewählt werden. Typische Anforderungen für Behandlungssysteme sind 250 bis 450 °C für SCR und 350 °C für DOC oder GOC, aber diese Temperaturen sind sehr abhängig von der gewählten Technologie. Der Bedarf an Wasserstoff und Sauerstoff, um diese Temperaturen bei einem Kaltstart zu erreichen, wird auf 363 Gramm Wasserstoff und 2880 Gramm Sauerstoff geschätzt. Für die Speicherung von Wasserstoff bei 150 bara werden 30 Liter (1,06 Kubikfuß), für die Speicherung von Sauerstoff bei 150 bara 15 Liter (0,53 Kubikfuß) benötigt. Ungefähr sechs Minuten Motorbetrieb wären erforderlich, um die Auslegungstemperaturen für die Umwandlung zu erreichen. Das Fahrzeug kann während dieser Aufwärmphase betrieben werden, allerdings mit einer Leistungsbegrenzung auf ca. 22,4 KW (30 PS). Diese Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff können reduziert werden, indem Wasserstoff kurz vor dem Gerät mit dem höchsten Temperaturbedarf eingespritzt und eine Zündquelle bereitgestellt wird. Nach Erreichen der erforderlichen Temperatur würde der Motor dann auf das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel und den Kraftstoff umschalten. Das Zurückschalten auf das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel und den Kraftstoff würde das Öffnen des Ventils (1), das Schließen des Ventils (3) und das Öffnen des Ventils (25) beinhalten, um zum üblicherweise verwendeten Oxidationsmittel zurückzukehren, während weiterhin Wasserstoff verwendet wird. Dann wird vom Wasserstoffverbrauch durch Stoppen des Wasserstoff-Durchflussregelventils (14) umgeschaltet und mit der Verwendung von handelsüblichem Kraftstoff bei Φ = 1,0 begonnen, der Bedingung für die größte Wirksamkeit des 3-Wege-Katalysators. Die Wasserstoffeinspritzung wird vor der Nachbehandlungseinheit mit dem höchsten Temperaturbedarf ausgeschaltet, falls diese gewählt wurde. Vor dem SCR wird mit der Verwendung von Umgebungsflüssigkeit oder einer anderen Quelle für Ammoniak begonnen, damit dieser ordnungsgemäß funktioniert.
Heißstart
Die Motorsteuereinheit wertet die Temperatur der verschiedenen Prozesse im Nachbehandlungssystem aus. Wenn alle Einheiten eine ausreichende Temperatur haben, startet der Motor mit üblicherweise verwendetem Oxidationsmittel und Kraftstoff. Eine emissionsfreie Inbetriebnahme ist nicht erforderlich, da die emittierten Emissionen die gleichen sind wie bei einem normal laufenden Motor.
Nachfüllung von Sauerstoff und Wasserstoff
Die Motorsteuereinheit überwacht den Druck von Sauerstoff und Wasserstoff in den beiden Speicherbehältern (2 und 12). Wenn der Druck unter dem Sollwert liegt, bringen die Elektrolyseeinheit (30) und die beiden Kompressoren (31 und 32) die Speicherbehälter (2 und 12) wieder auf den Solldruck, wenn der Motor mit einer Elektrolyseeinheit (30) ausgestattet ist. Dieses Nachfüllen erfolgt, sobald der Motor in Betrieb ist, um das Vorhandensein von ausreichend Sauerstoff und Wasserstoff sicherzustellen. Wenn der Motor keinen Elektrolyseur hat, dann signalisiert die Motorsteuereinheit dem Bediener, die Behälter nachzufüllen oder aufzufüllen.
Oxidation von Kohlenwasserstoff
Um das Innere des Motors (20) und des Abgas-Nachbehandlungssystems (21) zu reinigen, werden diese Systeme mit Sauerstoff gefüllt. Sauerstoff füllt den Motor und das Abgas-Nachbehandlungssystem, indem das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel-Sperrventil (1) verschlossen und das SauerstoffSperrventil (3) geöffnet wird, um Sauerstoff in den Motor einzuleiten. Dieser Vorgang kann während des Auslaufens des Motors oder durch Drehen des Motors mit Hilfe des Anlassers erfolgen. Zwei bis sechs oder mehr Umdrehungen des Motors (20) werden benötigt, um Sauerstoff durch den Motor und in das Abgas-Nachbehandlungssystem (21) zu bekommen. Das Ventil (24) wird geschlossen, nachdem diese Leitung gespült wurde, wodurch der volle Sauerstofffluss durch den Motor ermöglicht wird. Das Ventil (25) wird dann nach der Motordrehung geschlossen, wodurch der Sauerstoff im Inneren des Motors (20), des Abgas-Nachbehandlungssystems (21) und des Kondensators (22) abgedichtet wird. Das Ventil (4) kann dann geschlossen werden, wobei jedoch das Ventil (1) gesperrt bleibt.
Im Allgemeinen werden Begriffe wie „gekoppelt an“ und „konfiguriert zum Koppeln an“ und „gesichert an“ und „konfiguriert zum Sichern an“ und „konfiguriert zum Steuern“ und „konfiguriert zum Zulassen“ und „konfiguriert zum Aufnehmen“ und „konfiguriert zum Entfernen“ und „verbunden mit“ (z.B. eine erste Komponente ist „verbunden mit“ oder „ist konfiguriert zum Verbinden mit“ einer zweiten Komponente) vorliegend verwendet, um eine strukturelle, funktionale, mechanische, elektrische, Signal-, optische, magnetische, elektromagnetische, ionische oder fluidische Beziehung zwischen zwei oder mehr Komponenten oder Elementen anzuzeigen. Die Tatsache, dass eine Komponente mit einer zweiten Komponente verbunden sein soll, schließt somit nicht aus, dass zwischen der ersten und der zweiten Komponente noch weitere Komponenten vorhanden sind und/oder mit diesen in Wirkverbindung stehen oder stehen.
Es versteht sich, dass verschiedene Aspekte oder Einzelheiten der Erfindung geändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus dient die vorstehende Beschreibung nur der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung - die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/101329 A1 [0006]
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Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor umfasst: a. mindestens einen Zylinder und eine Kurbelwelle, b. einen Sauerstoffspeicherbehälter, der Sauerstoff enthält, c. einen Wasserstoffspeicherbehälter, der Wasserstoff enthält, d. ein Luftsperrventil, das mit einer Ansaugöffnung jedes der Zylinder verbunden ist, e. ein Sauerstoffsperrventil, das mit dem Sauerstoffspeicherbehälter und der Ansaugöffnung jedes der Zylinder verbunden ist, f. ein Wasserstoffsperrventil, das mit dem Wasserstoffspeicherbehälter und jedem der Zylinder verbunden ist, g. eine Auslassöffnung, die mit jedem der Zylinder verbunden ist, wobei die Auslassöffnung ferner mit einem Abgas-Nachbehandlungssystem verbunden und so konfiguriert ist, dass sie das Abgas zu dem Abgas-Nachbehandlungssystem leitet, h. einen dem Abgas-Nachbehandlungssystem nachgeschalteten Kondensator, der so konfiguriert ist, dass er einen Wassergehalt des Abgases aus dem Abgas-Nachbehandlungssystem reduziert, i. ein Abgassperrventil, das dem Kondensator nachgeschaltet und so konfiguriert ist, dass es die Abgabe des Abgases an die Umgebung vollständig verhindert, und j. ein Abgasrückführungs-Sperrventil, das dem Kondensator nachgeschaltet ist und die Rückführung des Abgases zur Ansaugöffnung jedes der Zylinder ermöglicht; wobei das Verfahren zum Betreiben die folgenden Schritte umfasst: zum Zeitpunkt des Startens des Verbrennungsmotors erfolgendes Bestimmen der Notwendigkeit einer Kaltstart- oder Warmstartprozedur oder einer Heißstartprozedur, a. wobei die Kaltstart- oder Warmstartprozedur dadurch definiert ist, dass eine oder mehrere Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors unter einer vorab bestimmten Temperatur liegen, und b. wobei die Heißstartprozedur dadurch definiert ist, dass alle Betriebstemperaturen gleich oder höher als die vorab bestimmte Temperatur sind; wenn bestimmt wird, dass eine Kaltstart- oder Warmstartprozedur erforderlich ist, Durchführen der folgenden Schritte: a1. Schließen des Luftsperrventils und des Abgasrückführungs-Sperrventils, a2. Öffnen des Sauerstoffsperrventils und des Abgassperrventils, a3. Drehen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, bis jeder der Zylinder, das Abgas-Nachbehandlungssystem und der Kondensator mit dem Sauerstoff gefüllt sind, a4. Schließen des Abgassperrventils, a5. Öffnen des Abgasrückführungs-Sperrventils und des Wasserstoffsperrventils, a6. Verbrennen des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicherbehälter in jedem der Zylinder zur Bildung des Abgases, bis die Temperatur des Nachbehandlungssystems die vorab bestimmte Temperatur erreicht, a7. wenn das Abgas-Nachbehandlungssystem die vorab bestimmte Temperatur erreicht, Öffnen des Luftsperrventils und des Abgassperrventils, a8. Verbrennen von Kohlenwasserstoff-Kraftstoff in jedem Zylinder und a9. Schließen des Sauerstoffsperrventils und des Wasserstoffsperrventils, wobei beim Starten des Verbrennungsmotors kein Abgas ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: wenn bestimmt wird, dass eine Heißstartprozedur erforderlich ist, Durchführen der folgenden Schritte: b1. a. Öffnen des Luftsperrventils und des Abgassperrventils und b2. b. Verbrennen von Kohlenwasserstoff-Kraftstoff in jedem Zylinder des Verbrennungsmotors.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend: c1. a. Erzeugen des Sauerstoffs und des Wasserstoffs mit Hilfe eines Elektrolysesystems, c2. b. Komprimieren des Sauerstoffs mit einem Kompressor, bevor der Sauerstoff in den Sauerstoffspeicherbehälter geleitet wird, und c3. c. Komprimieren des Wasserstoffs mit einem Kompressor, bevor der Wasserstoff in den Wasserstoffspeicherbehälter geleitet wird.
Verbrennungsmotor, der beim Starten im Wesentlichen keine Abgasemissionen aufweist, wobei der Motor umfasst: a. mindestens einen Zylinder und eine Kurbelwelle, b. einen Sauerstoffspeicherbehälter, der Sauerstoff enthält, c. einen Wasserstoffspeicherbehälter, der Wasserstoff enthält, d. ein Luftsperrventil, das mit einer Ansaugöffnung jedes Zylinders verbunden ist, wobei das Luftsperrventil so konfiguriert ist, dass es e. ein Sauerstoffsperrventil, das mit dem Sauerstoffspeicherbehälter und der Ansaugöffnung jedes Zylinders verbunden ist, f. ein Wasserstoffsperrventil, das mit dem Wasserstoffspeicherbehälter und jedem der Zylinder verbunden ist, g. eine Auslassöffnung, die mit jedem der Zylinder verbunden ist, wobei die Auslassöffnung ferner mit einem Abgas-Nachbehandlungssystem verbunden und so konfiguriert ist, dass sie das Abgas zu dem Abgas-Nachbehandlungssystem leitet, h. einen dem Abgas-Nachbehandlungssystem nachgeschalteten Kondensator, der so konfiguriert ist, dass er einen Wassergehalt des Abgases aus dem Abgas-Nachbehandlungssystem reduziert, i. ein Abgassperrventil, das dem Kondensator nachgeschaltet und so konfiguriert ist, dass es die Abgabe des Abgases an die Umgebung vollständig verhindert, und j. ein Abgasrückführungs-Sperrventil, das dem Kondensator nachgeschaltet ist und die Rückführung des Abgases zur Ansaugöffnung jedes der Zylinder ermöglicht.
System zum Starten eines Verbrennungsmotors ohne Gasemissionen aus dem Gesamtmotorsystem, wobei das System umfasst: a) einen Sauerstoffspeicherbehälter, der mit Sauerstoff versorgt wird, verbunden mit einem Sauerstoffsperrventil, verbunden mit einem Sauerstoffdruckregler, verbunden mit der Ansaugöffnung oder den Ansaugöffnungen des Verbrennungsmotors, und konfiguriert zum Steuern des Sauerstoffdurchflusses, b) einen Wasserstoffspeicherbehälter, der mit Wasserstoff versorgt wird, verbunden mit einem Wasserstoffsperrventil, verbunden mit einem Wasserstoffdruckregler, verbunden mit einem oder mehreren Wasserstoff-Durchflussregelventilen, verbunden mit dem oder den Brennräumen des Verbrennungsmotors, und konfiguriert zum Steuern des Wasserstoffdurchflusses, c) ein üblicherweise verwendetes Oxidationsmittel-Sperrventil, das mit der oder den Ansaugöffnungen verbunden und so konfiguriert ist, dass es den Durchfluss von handelsüblichem Oxidationsmittel zu der oder den Ansaugöffnungen steuert, d) wobei der Verbrennungsmotor einen oder mehrere Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mit der oder den Ansaugöffnungen verbunden ist, über eine Abgasleitung oder Abgasleitungen mit einem Abgas-Nachbehandlungssystem verbunden ist und zum Steuern des Verbrennungsmotors konfiguriert ist, e) wobei das Abgas-Nachbehandlungssystem aus allen Prozessen besteht, die erforderlich sind, um die vorgeschriebenen Anforderungen an die Umweltbehandlung zu erfüllen oder zu übertreffen, und zum Steuern dieser Prozesse konfiguriert und durch eine Abgas-Nachbehandlungssystemleitung mit einem Kondensator verbunden ist, f) der Kondensator die Fähigkeit hat, den Wassergehalt der Gase aus dem Abgas-Nachbehandlungssystem zu reduzieren, bevor sich dieses Kondensatorauslassgas zwischen der Rückführung innerhalb des Gesamtmotorsystems und dem Auslass nach außen aus dem Gesamtmotorsystem aufteilt, und zum Steuern des Kondensators konfiguriert ist, g) das Kondensatorauslassgas durch ein Abgassperrventil gegen externen Auslass aus dem Gesamtmotorsystem gesperrt werden kann, und zum Steuern des Abgassperrventils konfiguriert ist, h) das Kondensatorauslassgas durch ein Abgasrückführungs-Sperrventil für interne Rückführung gesperrt werden kann und so konfiguriert ist, dass es das Abgasrückführungs-Sperrventil zu der oder den Ansaugöffnungen des Verbrennungsmotors steuert.
System zum Starten des Verbrennungsmotors nach Anspruch 5, wobei der Sauerstoff und der Wasserstoff von einem Elektrolysesystem zugeführt werden, wobei jeder Gasstrom separat komprimiert wird, bevor er den Sauerstoffspeicherbehälter und den Wasserstoffspeicherbehälter erreicht.
System zum Starten des Verbrennungsmotors nach Anspruch 5, wobei der Sauerstoff und der Wasserstoff von einer externen Quelle als komprimierte Gase dem Sauerstoffspeicherbehälter und dem Wasserstoffspeicherbehälter zugeführt werden.
Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors ohne Gasemissionen, bis das Abgas-Nachbehandlungssystem seine Betriebstemperaturen erreicht, wobei das Verfahren die Schritte des Bestimmens der Notwendigkeit einer Kaltstart- und Warmstartprozedur oder einer Heißstartprozedur umfasst, wobei die Kaltstart- und Warmstartprozedur dadurch definiert ist, dass eine oder mehrere der Betriebstemperaturen niedriger als erforderlich sind, und die Heißstartprozedur dadurch definiert ist, dass alle Betriebstemperaturen normal oder höher als normal sind, wobei jedes Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Durchführen der Kaltstart- und Warmstartprozedur mit: a) einem ersten Ereignis, bei dem das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel-Sperrventil geschlossen ist, das Abgasrückführungs-Blockventil geschlossen ist, das Abgassperrventil geöffnet ist, das Sauerstoffsperrventil geöffnet ist, das Sauerstoff-Druckregelventil geöffnet ist und mit dem eingestellten Druck arbeitet, b) einem zweiten Ereignis, bei dem die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors durch den üblicherweise verwendeten Anlasser des Motors ausreichend gedreht wird, um den oder die Brennräume des Motors, das Abgas-Nachbehandlungssystem und einen Kondensator mit Sauerstoff zu füllen, gefolgt vom Schließen des Abgassperrventils, dem Öffnen des Abgasrückführungs-Sperrventils und dem anschließenden Einleiten von Wasserstoff über das Öffnen des Wasserstoffsperrventils, des Wasserstoff-Druckregelventils und des Wasserstoff-Durchflussregelventils, bis der Verbrennungsmotor in Betrieb ist, c) einem dritten Ereignis, bei dem die Temperatur des aus dem Kondensator austretenden Gases auf die eingestellte Temperatur geregelt wird, d) einem vierten Ereignis, bei dem der Verbrennungsmotor arbeitet, bis alle Betriebstemperaturen der Abgas-Nachbehandlungssysteme erreicht sind, e) einem fünften Ereignis, bei dem Umgebungsfluid oder Ammoniak, das sich vor dem System oder den Systemen für selektive katalytische Reduktion befindet, falls diese so ausgestattet sind, gestartet wird, f) einem sechsten Ereignis, bei dem das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel-Sperrventil und das Abgassperrventil geöffnet werden, das Sauerstoffsperrventil und das Sauerstoff-Druckregelventil gesperrt werden, g) einem siebten Ereignis, bei dem der Durchfluss von üblicherweise verwendetem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff durch seine üblicherweise verwendete Kraftstoffeinspritzdüse begonnen wird und der Durchfluss des Wasserstoffs durch das Wasserstoff-Durchflussregelventil, das Wasserstoff-Druckregelventil und das Wasserstoffsperrventil aufhört. Durchführen der Heißstartprozedur mit: a) einem ersten Ereignis, bei dem das Sauerstoffsperrventil, das Sauerstoff-Druckregelventil, das Wasserstoffsperrventil, das Wasserstoff-Druckregelventil und das Wasserstoff-Durchflussregelventil gesperrt werden und das üblicherweise verwendete Oxidationsmittel-Sperrventil, das Abgas-Rückführungssperrventil und das Abgassperrventil geöffnet sind, b) einem zweiten Ereignis, bei dem der Verbrennungsmotor unter Verwendung des üblicherweise verwendeten Anlassers des Motors gestartet wird, wobei der Fluss des üblicherweise verwendeten Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs durch die üblicherweise verwendete Kraftstoffeinspritzdüse begonnen wird, c) einem dritten Ereignis, bei dem das Umgebungsfluid oder Ammoniak vor dem System oder den Systemen für selektive katalytische Reduktion, falls diese so ausgestattet sind, gestartet wird.
Verfahren zum Starten des Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, wobei die Elektrolyseeinheit und ihre Kompressoren mit Energie versorgt werden, nachdem der Verbrennungsmotor in Betrieb ist.
Verfahren zum Innenreinigen eines Verbrennungsmotors und seines Abgas-Nachbehandlungssystems, während der Verbrennungsmotor nicht in Betrieb ist und ohne den Verbrennungsmotor zu öffnen, umfassend die folgenden Schritte: a) ein erstes Ereignis, bestehend aus Stoppen des Flusses von üblicherweise verwendetem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff in den Verbrennungsmotor, Schließen des üblicherweise verwendeten Oxidationsmittel-Sperrventils, Schließen des Abgasrückführungs-Sperrventils, Öffnen des Abgassperrventils, Öffnen des Sauerstoffsperrventils, Öffnen des Sauerstoff-Druckregelventils und Einleiten seines Betriebs bei dem eingestellten Druck, b) ein zweites Ereignis, das darin besteht, den Verbrennungsmotor während des Auslaufens oder durch Einschalten des üblicherweise verwendeten Anlassers des Motors vier Umdrehungen oder mehr drehen zu lassen, c) ein drittes Ereignis, bei dem das Abgasrückführventil geöffnet wird, und eine Pause, damit die mit dem Abgasrückführventil verbundene Leitung mit Sauerstoff aus dem Sauerstoffsperrventil und dem Sauerstoff-Druckregelventil gespült werden kann, d) ein viertes Ereignis, bei dem das Abgassperrventil geschlossen wird, das Sauerstoffsperrventil geschlossen wird, das Sauerstoff-Druckregelventil geschlossen wird und das Gesamtmotorsystem abgedichtet gehalten wird, bis der Verbrennungsmotor bereit ist, wieder gestartet zu werden.