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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Großmotoren, wie sie zum Beispiel auf Schiffen als Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen, werden zunehmend als Gasmotoren oder Dual-Fuel-Motoren ausgeführt. In Gasmotoren wird ein gasförmiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas, verbrannt. In Dual-Fuel-Motoren kann in einem Gaskraftstoff-Betriebsmodus ein gasförmiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas, und in einem Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus ein flüssiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff, verbrannt werden.
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Aus der Praxis sind weiterhin Bestrebungen bekannt, Brennkraftmaschinen mit Ammoniak als Kraftstoff zu betreiben. Der Kraftstoff wird dabei zumindest teilweise von Ammoniak gebildet. Bei der Verwendung eines Kraftstoffs, der zumindest teilweise von Ammoniak gebildet wird, kann der CO2-Ausstoß gegenüber Brennkraftmaschinen, die als Kraftstoff Erdgas oder Diesel nutzen, reduziert werden. Aufgrund der Toxizität, insbesondere der ätzenden Wirkung, von Ammoniak muss jedoch zuverlässig vermieden werden, dass Ammoniak in die Umgebung gelangt.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eingerichtet, als Kraftstoff zumindest anteilig Ammoniak zu verbrennen.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist einen Kraftstofftank auf, der eingerichtet ist, den Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, bereitzuhalten.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist ein Kraftstoffversorgungssystem auf, das eingerichtet ist, den im Kraftstofftank bereitgehaltenen Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, Zylindern der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zuzuführen.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist ferner einen Sammelbehälter auf, der eingerichtet ist, Kraftstoff aus dem Kraftstoffversorgungssystem zu sammeln.
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Dies kann Kraftstoff sein, der nach einer Beendigung der Verbrennung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffversorgungssystem abgeführt wird, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist.
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Es kann sich auch um Kraftstoff aus dem Kraftstoffversorgungssystem handeln, der durch Leckagen, die gewollt oder ungewollt auftreten können, aus dem Kraftstoffversorgungssystem entweicht.
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Der Sammelbehälter der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist ferner eingerichtet ist, den aus der Brennkraftmaschine entfernten und im Sammelbehälter gesammelten Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, dem Abgas der Brennkraftmaschine als Reduktionsmittel zuzuführen.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verbrennt einen Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist. Insofern können CO2-Emissionen deutlich reduziert werden.
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Der Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist und der beispielsweise nach Beendigung der Verbrennung aus dem Kraftstoffversorgungssystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine entfernt wird, wird in einem Sammelbehälter der Brennkraftmaschine gesammelt. Dabei wird der Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, nicht nur im Sammelbehälter gesammelt, sondern ausgehend vom Sammelbehälter dem Abgas der Brennkraftmaschine als Reduktionsmittel zugeführt.
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Ammoniak, welcher nach Beendigung der Verbrennung aus dem Kraftstoffversorgungssystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine entfernt wird, kann so einer sekundären Nutzung zugeführt werden, nämlich der Nutzung als Reduktionsmittel im Abgas.
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Vorzugsweise ist der Kraftstofftank ferner eingerichtet, dem Abgas der Brennkraftmaschine als Reduktionsmittel Ammoniak ausgehend vom Kraftstofftank zuzuführen, nämlich in Form des im Kraftstofftank bereitgehaltenen Kraftstoffs. Sollte im Sammelbehälter keine ausreichend hohe Menge an Ammoniak zur Verfügung stehen, um im Abgas eine ausreichende Stickoxidreduktion zu gewährleisten, so kann dem Abgas auch ausgehend vom Kraftstofftank als Reduktionsmittel Ammoniak zugeführt werden.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen Ammoniak-Sensor auf, der eingerichtet ist, einen Ammoniakanteil im Abgas der Brennkraftmaschine stromaufwärts eines Abgasnachbehandlungssystems zu messen. Ferner weist dann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Steuereinheit auf, welche eingerichtet ist, abhängig von dem gemessenen Ammoniakanteil im Abgas einen Massenstrom oder Volumenstrom einzustellen, welcher dem Abgas ausgehend vom Sammelbehälter und/oder ausgehend vom Kraftstofftank als Reduktionsmittel zugeführt wird.
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Über den Ammoniak-Sensor kann der Ammoniakanteil im Abgas gemessen werden. Abhängig von dem gemessenen Ammoniakanteil im Abgas wird der Volumenstrom oder Massenstrom bestimmt, welcher dem Abgas ausgehend vom Sammelbehälter und/oder ausgehend vom Kraftstofftank als Reduktionsmittel zugeführt wird, um dem Abgas eine ausreichende Ammoniakmenge für eine Reduktion von Stickoxiden im Abgas bereitzustellen.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen ersten Stickoxid-Sensor und einen zweiten Stickoxid-Sensor auf, wobei der erste Stickoxid-Sensor eingerichtet ist, einen Stickoxidanteil im Abgas der Brennkraftmaschine stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems zu messen, und wobei der zweite Stickoxid-Sensor eingerichtet ist, einen Stickoxidanteil im Abgas der Brennkraftmaschine stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems zu messen, und wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, den Massenstrom oder Volumenstrom, welcher dem Abgas ausgehend vom Sammelbehälter und/oder ausgehend vom Kraftstofftank als Reduktionsmittel zugeführt wird, auch abhängig von den gemessenen Stickoxidanteilen im Abgas einzustellen.
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Dann, wenn zusätzlich zum gemessenen Ammoniakanteil auch der von den Stickoxid-Sensoren gemessene Stickoxidanteil stromaufwärts und stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems zur Bestimmung des Massenstroms oder Volumenstroms, welcher dem Abgas ausgehend vom Sammelbehälter und/oder ausgehend vom Kraftstofftank als Reduktionsmittel zugeführt wird, genutzt wird, kann eine besonders vorteilhafte Reduktion von Stickoxid im Abgas gewährleistet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine ist in Anspruch 7 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein erste erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
- 2 ein zweite erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10, die eingerichtet ist, als Kraftstoff zumindest anteilig Ammoniak zu verbrennen. Die Brennkraftmaschine 10 verfügt über einen Kraftstofftank 11, in welchem der zu verbrennende Kraftstoff bereitgehalten wird, wobei der zu verbrennende Kraftstoff zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist.
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Zur Verbrennung des Kraftstoffs kann der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 11 entnommen und über eine Kraftstoffleitung 12 eines Kraftstoffversorgungssystem 13 Zylindern 34 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt werden.
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Der Kraftstofftank 11 ist demnach eingerichtet, den Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, für eine Verbrennung desselben in der Brennkraftmaschine 13 bereitzuhalten. Das Kraftstoffversorgungssystem 13 ist eingerichtet, den im Kraftstofftank 11 bereitgehaltenen Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, den Zylindern 34 der Brennkraftmaschine 10 zur Verbrennung zuzuführen.
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Die Brennkraftmaschine 10 verfügt weiterhin über einen Sammelbehälter 14. Der Sammelbehälter 14 ist eingerichtet, um den nach einer Beendigung der Verbrennung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffversorgungssystem 13 zu entfernenden bzw. abzuführenden Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, zu sammeln.
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Die Entfernung oder Abführung des Kraftstoffs, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, aus dem Kraftstoffversorgungssystem 13 kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass das Kraftstoffversorgungssystem 13 mithilfe von Spülgas gespült wird, welches dem Kraftstoffversorgungssystem 13 über eine Spülgasleitung 15 eines Spülgassystems 16 bereitgestellt wird. Dabei gelangt dann das Spülgas zusammen mit dem mithilfe des Spülgases vom Kraftstoffversorgungssystem 13 abgeführten Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, in den Bereich des Sammelbehälters 14.
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Vorzugsweise führt eine Pumpe 17 das Gemisch aus Spülgas und Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, vom Kraftstoffversorgungssystem 13 ab und dem Sammelbehälter 14 zu, wobei zwischen die Pumpe 17 und den Sammelbehälter 14 in 1 ein Ventil 18 geschaltet ist.
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1 zeigt weiterhin ein Abgasnachbehandlungssystem 19, welches als SCR-Abgasnachbehandlungssystem ausgeführt ist. Abgas, welches bei der Verbrennung des Kraftstoffs, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, in den Zylindern 34 der Brennkraftmaschine 10 anfällt, wird dem Abgasnachbehandlungssystem 19 über eine Abgasleitung 20, die sich zwischen den Zylindern 34 der Brennkraftmaschine 10 und dem Abgasnachbehandlungssystem 19 erstreckt, zugeführt.
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In einem als SCR-Abgasnachbehandlungssystem ausgebildeten Abgasnachbehandlungssystem 19 erfolgt eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden im Abgas mit Hilfe eines Reduktionsmittels. Die Funktionsweise eines SCR-Abgasnachbehandlungssystems ist grundsätzlich bekannt und bedarf keiner nähren Erläuterung. Gereinigtes Abgas gelangt über eine weitere Abgasleitung 21 in die Umgebung.
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Der Sammelbehälter 14 ist nicht nur eingerichtet, um den nach einer Beendigung der Verbrennung des Kraftstoffs vom Kraftstoffversorgungssystem 13 abgeführten Kraftstoff, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, zu sammeln, vielmehr ist der Sammelbehälter 14 auch eingerichtet, um bei einer nachfolgend wieder aufgenommenen Verbrennung des Kraftstoffs den zuvor aus dem Kraftstoffversorgungssystem 13 abgeführten Kraftstoff dem Abgas der Brennkraftmaschine 10 als Reduktionsmittel zuzuführen, und zwar in 1 stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 im Bereich der Abgasleitung 20. Hierzu führt vom Sammelbehälter 14 eine Leitung 22 zur Abgasleitung 20, in die ein Ventil 23 geschaltet ist. Das Ventil 23 kann über einen Aktuator 24 gesteuert geöffnet und geschlossen werden, nämlich ausgehend von einer Steuereinrichtung 25.
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Ferner ist der Kraftstofftank 11 eingerichtet, dem Abgas der Brennkraftmaschine 10 als Reduktionsmittel Ammoniak ausgehend vom Kraftstofftank 11 über eine Leitung 26 zuzuführen, nämlich in Form des ammoniakhaltigen Kraftstoffs, der im Kraftstofftank 11 bereithalten wird und zumindest teilweise von Ammoniak gebildet ist. In diese Leitung 26 ist ein Ventil 27 geschaltet ist. Das Ventil 27 wird von einem Aktuator 28 ausgehend vom Steuergerät 25 gesteuert geöffnet und geschlossen. Über die Leitung 26 kann dem Abgas der Brennkraftmaschine 10 im Bereich der Abgasleitung 20 Kraftstoff und demnach Ammoniak als Reduktionsmittel zugeführt werden.
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1 zeigt, dass im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Brennkraftmaschine 10 einen Ammoniak-Sensor 29 sowie zwei Stickoxid-Sensoren 30 und 31 aufweist.
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Mithilfe des Ammoniak-Sensors 29 kann der Ammoniakanteil im Abgas der Brennkraftmaschine 10, nämlich im Abgas der Zylinder 34, stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 gemessen werden.
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Mithilfe des ersten Stickoxid-Sensors 30 kann der Stickoxidanteil im Abgas stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 gemessen werden. Mithilfe des zweiten Stickoxid-Sensors 31 kann der Stickoxidanteil im Abgas stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 gemessen werden.
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Es ist vorgesehen, dass die Steuereinheit 25 abhängig von dem mithilfe des Ammoniak-Sensors 29 stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 im Abgas gemessenen Ammoniakanteil einen Massenstrom oder Volumenstrom bestimmt, welcher dem Abgas über die Leitung 26 ausgehend vom Kraftstoffbehälter 11 und/oder ausgehend vom Sammelbehälter 14 über die Leitung 22 zugeführt wird, um stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 diejenige Menge an Ammoniak im Abgas bereitzustellen, die für eine gewünschte katalytische Umsetzung des Stickoxids im Abgas erforderlich ist.
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Liegt nämlich im die Zylinder 34 verlassen Abgas der Brennkraftmaschine 10, insbesondere in Folge einer unvollständigen Verbrennung des Ammoniaks, bereits ein Ammoniakanteil vor, so kann der Massenstrom oder Volumenstrom, welcher dem Abgas ausgehend vom Sammelbehälter 14 und/oder ausgehend vom Kraftstofftank 11 zugeführt wird, reduziert werden.
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Die Steuereinheit 25 steuert die Aktuatoren 24, 28 der Ventile 23, 27 zur Bereitstellung des entsprechenden Massenstroms oder Volumenstroms an.
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Vorzugsweise ermittelt die Steuereinheit 25 den Massenstrom oder Volumenstrom, welcher dem Abgas stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 ausgehend vom Sammelbehälter 14 und/oder ausgehend vom Kraftstofftank 11 als Reduktionsmittel zugeführt wird, nicht nur abhängig von dem mithilfe des Ammoniak-Sensors 29 gemessenen Ammoniakanteil im Abgas, sondern vorzugsweise auch abhängig von den Stickoxidanteilen im Abgas, die mithilfe der Stickoxid-Sensoren 30, 31 gemessen werden.
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2 zeigt eine Abwandlung der Brennkraftmaschine 10 der 1, wobei nachfolgend zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen nur auf solche Details eingegangen wird, durch die sich das Ausführungsbeispiel der 2 vom Ausführungsbeispiel der 1 unterscheidet. Für gleiche Baugruppen werden gleiche Bezugsziffern verwendet, sodass hinsichtlich der mit gleichen Bezugsziffern verwendeten Baugruppen für die Brennkraftmaschine 10 der 2 auf die Ausführungen zum Brennkraftmaschine 10 der 1 verwiesen wird.
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2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass der mithilfe der Pumpe 17 nach Beendigung der Verbrennung vom Kraftstoffversorgungssystem 13 abgeführte Kraftstoff 17 zunächst in einem Zwischenbehälter 32 gespeichert wird, bevor der Kraftstoff dann ausgehend vom Zwischenbehälter 32 in den Bereich des Sammelbehälters 14 gelangt. Im Zwischenbehälter 32 wird den vom Kraftstoffversorgungssystem 13 abgeführte Kraftstoff mit Wasser gemischt, welches dem Zwischenbehälter 32 von einem Wassertank 33 bereitgestellt wird. Das Wasser des Wassertanks 33 kann ausgehend vom Wassertank 33 auch dem Sammelbehälter 14 zugeführt werden.
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Dem Sammelbehälter 14 ist vorzugsweise ein Ammoniak-Sensor (nicht gezeigt) zugeordnet, mithilfe dessen der Ammoniakanteil der wässrigen Lösung im Sammelbehälter 14 gemessen werden kann, um die Menge an Ammoniak, welcher dem Sammelbehälter 14 ausgehend vom Kraftstoffbehälter 11 über die Leitung 26 und das Ventil 27 zugeführt wird, so einzustellen, dass die wässrige Lösung im Sammelbehälter 14 einen gewünschten Ammoniakanteil aufweist.
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Ausgehend vom Sammelbehälter 14 kann eine ammoniakhaltige, wässrige Lösung über die Leitung 22 und das Ventil 23 dem Abgas stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 zugeführt werden. Hinsichtlich aller übrigen Details stimmt das Ausführungsbeispiel der 2 mit dem Ausführungsbeispiel der 1 überein, sodass zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für das Ausführungsbeispiel der 2 auf das Ausführungsbeispiel der 1 verwiesen wird.
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Die Erfindung betrifft demnach eine Brennkraftmaschine 10 und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10, wobei die Brennkraftmaschine 10 einen Kraftstoff verbrennt, der zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist. Dieser wird den Zylindern 34 der Brennkraftmaschine 10 ausgehend von einem Kraftstofftank 11 zugeführt.
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Abgas, welches die Zylinder 34 der Brennkraftmaschine 10 verlässt, gelangt in den Bereich eines Abgasnachbehandlungssystems 19, welches vorzugsweise als SCR-Abgasnachbehandlungssystem ausgeführt ist. Dem Abgas wird Ammoniak zugeführt, und zwar ausgehend vom Sammelbehälter 14 und/oder ausgehend vom Kraftstofftank 11.
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Der Volumenstrom oder Massenstrom an Ammoniak, welcher dem Abgas ausgehend vom Kraftstoffbehälter 11 und/oder ausgehend vom Sammelbehälter 14 zugeführt wird, kann abhängig von einem gemessenen Ammoniakanteil und/oder abhängig von einem gemessenen Stickoxidanteil im Abgas ermittelt werden. Wird der Volumenstrom und Massenstrom, abhängig vom Stickoxidanteil im Abgas ermittelt, so wird hierbei ein Stickoxidanteil stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 und stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 19 berücksichtigt.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine 10, bei welcher der verbrannte Kraftstoff zumindest anteilig von Ammoniak gebildet ist, den Kraftstoff, welcher nach Beendigung der Verbrennung in einem Sammelbehälter 14 gesammelt wird, bei einer nachfolgend wieder aufgenommenen Kraftstoffverbrennung als Reduktionsmittel zu nutzen und dem Abgas der Brennkraftmaschine 10 zuzuführen. Dies erfolgt abhängig vom Ammoniakanteil im Abgas, ggf. in Kombination mit einer Zuführung von Kraftstoff in das Abgas ausgehend vom Kraftstoffbehälter 11.
