DE102022124909A1

DE102022124909A1 - Wasserstoff-Verbrennungsmotor, Antriebssystem und Verfahren zum Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102022124909A1
Application number: DE102022124909.3A
Authority: DE
Inventors: Franz Werner Prümm
Original assignee: Keyou GmbH
Current assignee: Keyou GmbH
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2023-12-14

Abstract

Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1), umfassend: zumindest einen Brennraum (2), in dem ein Wasserstoff-Luft-Gemisch verbrennbar ist; einen Abgasstrang (3), in den ein Abgas des Wasserstoff-Luft-Gemischs strömbar ist; eine Ammoniakerzeugungseinrichtung (5), mit der unter zumindest teilweiser Verwendung des Abgases Ammoniak erzeugbar ist, und die in dem Abgasstrang angeordnet ist; und eine Stickoxid-Reduktionseinrichtung (8), mit der unter zumindest teilweiser Verwendung des in der Ammoniakerzeugungseinrichtung erzeugten Ammoniaks Stickoxide des Abgases reduzierbar sind, und die stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung angeordnet ist. Um den Motor (1) effizient zu betreiben, umfasst der Abgasstrang (3) einen Hauptstrang (31) und einen dazu parallel geschalteten Parallelstrang (33), in dem die Ammoniakerzeugungsrichtung (5) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor, ein Antriebssystem und ein Verfahren zum Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors.
Aus der DE 103 32 047 A1 ist ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor bekannt, wobei im Abgasstrang aus Teilen des Abgases sowie zugeführtem Wasserstoff Ammoniak gewonnen wird. Das gewonnene Ammoniak wird anschließend in einem SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden verwendet. Somit können die Schadstoffemissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen reduziert werden.
In der DE 103 32 047 A1 wird die Ammoniakgeneration nur in Betriebsbereichen um ein stöchiometrisches Verbrennungsverhältnis durchgeführt.
Somit ist es nötig, den Motor zumindest vorübergehend nahe dem stöchiometrischen Verbrennungsverhältnis zu fahren.
Dabei kann jedoch die Effizienz und die Sicherheit des Motors beeinträchtigt werden. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor vorzusehen, der effizient betrieben werden kann, und gleichzeitig als Niedrigst-Emission-System betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor vorgesehen, der umfasst: zumindest einen Brennraum, in dem ein Wasserstoff-Luft-Gemisch verbrennbar ist; einen Abgasstrang, in den ein Abgas des Wasserstoff-Luft-Gemischs strömbar ist; eine, vorzugsweise katalytische, Ammoniakerzeugungseinrichtung, mit der unter zumindest teilweiser Verwendung des Abgases Ammoniak erzeugbar ist, und die in dem Abgasstrang angeordnet ist; und eine, vorzugsweise katalytische, Stickoxid-Reduktionseinrichtung, mit der unter zumindest teilweiser Verwendung des in der Ammoniakerzeugungseinrichtung erzeugten Ammoniaks Stickoxide des Abgases reduzierbar sind, und die stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung angeordnet ist.
Von der DE 103 32 047 A1 insbesondere unterscheidend umfasst gemäß dem erfindungsgemäßen Wasserstoff-Verbrennungsmotor der Abgasstrang einen Hauptstrang und einen dazu parallel geschalteten Parallelstrang, in dem die Ammoniakerzeugungsrichtung angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Parallelstrang in einem Verzweigungsabschnitt des Abgasstrangs von dem Hauptstrang abzweigt.
Gemäß diesem Aspekt ist die Ammoniakerzeugungseinrichtung in dem Parallelstrang angeordnet. Somit beeinflusst nicht die gesamte Menge Abgas, die durch den Abgasstrang strömt, die Ammoniakerzeugung. Insbesondere kann nur ein Teil des Abgases die Ammoniakerzeugung beeinflussen. So kann selbst bei magerem Betrieb die Menge des die Ammoniaksynthese störenden Sauerstoffs reduziert werden. Bei einer mageren Verbrennung herrscht im Abgasstrang ein Sauerstoffüberschuss, der die Ammoniaksynthese beeinträchtigen kann. Weiterhin kann der Parallelstrang aufgrund des reduzierten Massenstroms gegenüber nur einem Strang kompakter ausgeführt werden. Das erleichtert die Prozessführung, insbesondere im Hinblick auf Druck und Temperatur. Weiterhin kann Ammoniak zuverlässiger synthetisiert werden.
Vorzugsweise weist der Abgasstrang weiterhin einen Verbindungsabschnitt auf, der den Parallelstrang und den Hauptstrang stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung zusammenführt.
Somit können durch das erzeugte Ammoniak auch Stickoxide des durch den Hauptstrang strömenden Abgases reduziert werden. Dabei ist der Verbindungsabschnitt vorzugsweise stromaufwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor weiterhin eine Wasserstoffzuführeinrichtung umfassen, über die Wasserstoff direkt in den Parallelstrang stromaufwärts der und/oder in die Ammoniakerzeugungseinrichtung zuführbar ist.
Somit kann die benötigte Menge an Wasserstoff zur Synthese von Ammoniak reduziert werden. Die Menge an Wasserstoff kann insbesondere auf die im Parallelstrang herrschenden Verhältnisse abgestimmt werden. Insbesondere muss eine geringere Menge an Sauerstoff reduziert werden, verglichen mit dem Fall, dass nur der Hauptstrang vorgesehen wird.
Vorzugsweise umfasst der Parallelstrang eine, insbesondere vorzugsweise gekühlte, Brennkammer stromaufwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung, in der Wasserstoff mit Sauerstoff des Abgases verbrennbar ist, wobei der Wasserstoff vorzugsweise über die Wasserstoffzuführeinrichtung direkt in die Brennkammer zugeführt wird.
Somit kann die Kompensation des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs gezielt vorgenommen werden. Eine gekühlte Brennkammer kann ein zu starkes Aufheizen des Parallelstrangs und damit einer Beeinträchtigung der Ammoniakerzeugungseinrichtung verhindern.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor eine Heizeinrichtung umfassen, über die dem Parallelstrang zumindest stromaufwärts der und/oder der Ammoniakerzeugungseinrichtung Wärme zuführbar ist.
Somit kann eine für die Ammoniaksynthese geeignete Temperatur sichergestellt werden. Die Wärme kann insbesondere direkt dem in dem Parallelstrang strömenden Abgas und/oder dem zugeführten Wasserstoff über die Wasserstoffzuführeinrichtung zugeführt werden. Weiterhin kann die Wärme auch direkt der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführt werden. Aufgrund der kompakten Dimensionen des Parallelstrangs kann die benötigte Wärmemenge für geeignete Temperaturen klein gehalten werden. Dadurch lässt sich die Effizienz weiter steigern.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor eine Mischereinrichtung umfassen, die ausgestaltet ist, das Abgas, vorzugsweise mit dem zugeführten Wasserstoff, in dem Parallelstrang stromaufwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung zu durchmischen, insbesondere einer Strömung im Parallelstrang eine Komponente senkrecht zu einer Parallelstrang-Hauptströmungsrichtung aufzuprägen.
Dadurch kann die chemische Reaktion in der Ammoniakerzeugungseinrichtung zuverlässig ablaufen. Gleichzeitig kann die Strömung in dem Hauptstrang unbeeinflusst bleiben. Durch eine Komponente quer zur Parallelstrang-Hauptströmungsrichtung, die beispielsweise durch eine Längsachse des Parallelstrangs definiert wird, kann die Durchmischung erreicht werden. Vorzugsweise wird die Strömung im Parallelstrang zumindest abschnittsweise in Rotation versetzt. Die Mischereinrichtung kann insbesondere eine strukturelle profilierte Einrichtung oder eine Bewegungseinrichtung umfassen.
Vorzugsweise ist in dem Hauptstrang, insbesondere stromabwärts des Verzweigungsabschnitts eine, vorzugsweise veränderliche, Drosseleinrichtung angeordnet, mit der ein Massenstrom in dem Hauptstrang drosselbar ist.
Somit kann zuverlässig eine Strömung in dem Parallelstrang ausgebildet werden. Gleichzeitig kann in der Hauptströmung ein Druckabfall sichergestellt werden. Dabei kann insbesondere die Strömung im Parallelstrang nach der Ammoniakerzeugungseinrichtung mit der Strömung im Hauptstrang wieder vereinigt werden. Eine variable Drosseleinrichtung kann eine Anpassung des Massenstroms im Hauptstrang und im Parallelstrang abhängig von den Betriebszuständen des Motors gewährleisten. insbesondere kann die erforderliche Menge an Ammoniak synthetisiert werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor weiterhin einen Oxidationskatalysator umfassen, der stromaufwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung angeordnet ist, vorzugsweise im Hauptstrang stromaufwärts des Verbindungsabschnitts, und der ausgestaltet ist, Komponenten des Abgases, insbesondere Wasserstoff und/oder Stickstoffmonoxid, zu oxidieren.
Selbst wenn im Abgasstrang überschüssiger Wasserstoff vorhanden ist, kann dieser durch besagten Oxidationskatalysator in Wasser umgewandelt werden. Zudem können andere Verbrennungsprodukte wie Stickstoffmonoxid, die als Verbrennungsnebenprodukte anfallen können, zu Stickstoffdioxid umgewandelt werden. Stickstoffdioxid kann in der Stickoxid-Reduktionseinrichtung effizienter umgesetzt werden. Zudem erlauben diese Vorgänge die Sicherstellung einer ausreichenden Temperatur in der Stickoxid-Reduktionseinrichtung.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor weiterhin einen Ammoniak-Sperrkatalysator umfassen, der stromabwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung angeordnet ist, und der ausgestaltet ist, überschüssiges Ammoniak zu entfernen, vorzugsweise durch Oxidation.
Somit kann überschüssiges Ammoniak vor dem Austritt in die Umgebung in atmosphärischen Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Somit können die Emissionen des Motors weiter reduziert werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor weiterhin zumindest eine Detektionseinrichtung, beispielsweise einen Sensor, zur Detektion von zumindest einem Wert von Temperatur und Stickstoffoxid-Konzentration in dem Abgasstrang, vorzugsweise stromaufwärts und/oder stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung umfassen.
Die genannten Parameter beeinflussen die Ammoniaksynthese. Dadurch kann die Steuerung der Ammoniaksynthese verbessert werden. ist die Detektionseinrichtung stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung vorgesehen, ist zudem eine Regelung möglich. Es ist vorteilhaft, wenn je eine Detektionseinrichtung zur Detektion desselben Parameters stromaufwärts und stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung vorgesehen ist.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Ammoniakdetektionseinrichtung zur Detektion einer Ammoniakkonzentration in dem Abgasstrang, vorzugsweise stromaufwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung, insbesondere vorzugsweise stromabwärts des Verbindungsabschnitts vorgesehen werden.
Somit kann ein geschlossener Regelkreis zur Regelung der Ammoniakmenge/-konzentration installiert werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor weiterhin eine sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung umfassen, über die der Stickoxid-Reduktionseinrichtung, vorzugsweise stromabwärts des Oxidationskatalysators, nochmals bevorzugt dem Hauptstrang stromabwärts des Verzweigungsabschnitts oder dem Parallelstrang stromabwärts der Ammoniakerzeugungsrichtung, Wasserstoff zuführbar ist.
Somit kann sichergestellt werden, dass die Stickoxid-Reduktionseinrichtung auch mit Wasserstoff als Reduktionsmittel betrieben werden kann. Vorzugsweise ist die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung auch stromabwärts des Verbindungsabschnitts angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor weiterhin einen Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt, der von dem Parallelstrang stromabwärts der Wasserstoffzuführeinrichtung abzweigt und über den unter Umgehung der Ammoniakerzeugungseinrichtung der Stickoxid-Reduktionseinrichtung, vorzugsweise stromabwärts des Oxidationskatalysators, Abgas zuführbar ist, und
eine Stelleinrichtung umfassen, mittels der ein Verhältnis zwischen einer Strömungsmenge in dem Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt und einer Strömungsmenge in dem Parallelstrang über die Ammoniakerzeugungseinrichtung einstellbar ist, vorzugsweise vollständig zwischen einer Strömung durch den Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt und einer Strömung durch den Parallelstrang über die Ammoniakerzeugungseinrichtung umgeschaltet werden kann.
Auch dadurch kann die Stickoxid-Reduktionseinrichtung mit Wasserstoff betrieben wird, der in diesem Fall aus der Wasserstoffzuführeinrichtung stammt, die auch den Wasserstoff für die Ammoniakerzeugung liefert. Das mit Wasserstoff angereicherte Abgas des Parallelstrangs kann durch entsprechende Ansteuerung der Stelleinrichtung der Stickoxid-Reduktionseinrichtung zugeführt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gerichtet, das umfasst: den Wasserstoff-Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche; einen Abtrieb, an dem eine von dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor bereitgestellte Leistung abnehmbar ist; und vorzugsweise eine Wasserstoff-Speichereinrichtung, über die dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor Wasserstoff zuführbar ist, wobei über die Wasserstoff-Speichereinrichtung insbesondere vorzugsweise auch der Wasserstoffzuführeinrichtung Wasserstoff zuführbar ist.
Somit kann eine vom Verbrennungsmotor erzeugte Leistung abgenommen werden. Die Wasserstoff-Speichereinrichtung erlaubt eine Speisung des Systems mit Wasserstoff. Das System kann besonders kompakt gehalten werden, wenn dieselbe Wasserstoff-Speichereinrichtung als Quelle für das zu verbrennende Wasserstoff-Luft-Gemisch als auch für die Wasserstoff-Zuführeinrichtung für den Parallelstrang genutzt wird.
Vorzugsweise weist das Antriebssystem zumindest eine rotierende elektrische Maschine auf, die mit dem Abtrieb zur Bereitstellung einer Zusatzleistung koppelbar ist.
Dies erlaubt eine Leistungserhöhung über die rotierende elektrische Maschine. Somit kann die Stickoxidemission aus dem Brennraum bei Anforderung einer Leistungserhöhung niedrig gehalten werden. Dabei kann insbesondere dem Parallelstrang die ideale Menge an Stickoxiden zugeführt werden.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors vor, wobei der Wasserstoff-Verbrennungsmotor, vorzugsweise ausschließlich, mit Wasserstoff betrieben wird, und insbesondere vorzugsweise in dem Brennraum ein mageres Wasserstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird.
Somit kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor effizient und mit geringen Emissionen betrieben werden.
Vorzugsweise erfolgt eine Zündung des Wasserstoff-Luft-Gemischs in dem Brennraum in einem Winkelbereich eines Kurbelwellenwinkels von 40° vor dem oberen Totpunkt bis 40° nach dem oberen Totpunkt, insbesondere in einem Winkelbereich von 20° vor dem oberen Totpunkt bis 20° nach dem oberen Totpunkt.
Dadurch kann bei Bedarf die Abgasenthalpie erhöht werden, was die Ammoniakerzeugungseinrichtung sowie die Stickoxidreduktionseinrichtung besser arbeiten lässt. Zudem kann unverbrannter Wasserstoff zur Ammoniaksynthese verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist dies in Verbindung mit dem Oxidationskatalysator, wobei der Wasserstoff oxidiert werden kann und Energie für die Stickoxidreduktionseinrichtung freigesetzt werden kann.
Weiterhin kann das Verfahren zum Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors die Steuerung von zumindest einem von der Wasserstoffzuführeinrichtung, der Heizeinrichtung, der Drosseleinrichtung, der Mischereinrichtung, der rotierenden elektrischen Maschine sowie des Wasserstoff-Luft-Gemischs in zumindest teilweiser Abhängigkeit voneinander und/oder in Abhängigkeit des von der zumindest einen Detektionseinrichtung detektierten Parameterwerts beinhalten.
Insbesondere kann die Steuerung der Wasserstoffzuführeinrichtung und/oder der Heizeinrichtung in Abhängigkeit einer Stellung der Drosseleinrichtung und/oder des Wasserstoff-Luft-Gemischs erfolgen. Ebenso kann die Drosseleinrichtung, die Wasserstoffzuführeinrichtung und/oder die Heizeinrichtung in Abhängigkeit des Wasserstoff-Luft-Gemischs gesteuert werden.
Damit lässt sich ein sicherer, effizienter sowie emissionsarmer Betrieb gewährleisten.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann beim Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors betriebsbereichsabhängig, insbesondere abhängig von einer Abgastemperatur, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 130°C bis 220°C, weiterhin vorzugsweise 150°C bis 200°C,
selektiv, in dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, aufweisend die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung, Wasserstoff über die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung zugeführt werden, und/oder
in dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, aufweisend den Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt, die Stelleinrichtung so gesteuert werden, dass die Strömungsmenge in dem Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt größer ist als die Strömungsmenge in dem Parallelstrang über die Ammoniakerzeugungseinrichtung, vorzugsweise das Abgas des Parallelstrangs ausschließlich über den Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt strömt.
Damit kann dem unterschiedlichen Reaktionsverhalten von Ammoniak und Wasserstoff in der Stickoxid-Reduktionseinrichtung Rechnung getragen werden, wobei in vorgegebenen Betriebsbereichen der Wasserstoff besser mit den Stickoxiden umgesetzt werden kann als das Ammoniak. Außerhalb dieser Betriebsbereiche kann der Wasserstoffverbrennungsmotor ausschließlich über die Wasserstoffzuführeinrichtung und über die Ammoniakerzeugungseinrichtung betrieben werden, sodass die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung und der Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt gesperrt werden.
Die Betriebsbereiche, in denen die obige Steuerung stattfindet, richten sich vorwiegend nach der Abgastemperatur, die mittels den bereits geschilderten Detektionseinrichtungen ermittelt werden kann. Allerdings können die Betriebsbereiche auch abhängig von einer Leistungsanforderung oder zeitabhängig festgelegt werden. So kann die Steuerung beispielsweise im Leerlauf oder unterhalb eines Grenzwerts einer Leistungsanforderung erfolgen. Ebenso kann besagte Steuerung in einem vorgegebenen Zeitintervall nach Motorstart erfolgen.
Weiterhin sieht die Erfindung eine elektronische Steuereinheit vor, die ausgestaltet ist, in einem mit dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor oder dem Antriebssystem gekoppelten Zustand, eines der obigen Verfahren durchzuführen.
Ebenso wird ein Programm vorgesehen, dass, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eines der obigen Verfahren durchführen kann.
Die obigen Aspekte werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung verdeutlicht.
1 zeigt ein schematisches Schaubild eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 1 beinhaltet einen Brennraum 2. Der Brennraum 2 kann beispielsweise durch eine Zylinderinnenwand eines Zylinders, einen Zylinderkopf an der Oberseite und einen Kolben an der Unterseite, der mit einer Kurbelwelle gekoppelt sein kann, begrenzt werden. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 1 weist einen Zuströmstrang auf, über den Luft über einen im Zylinderkopf befindlichen Einlass in den Brennraum einströmen kann. Weiterhin weist der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 1 einen Auslass aus, über den ein verbranntes Wasserstoff-Luft-Gemisch in einen Abgasstrang 3 strömen kann. Zudem kann eine Zündeinrichtung vorgesehen sein, die das in dem Brennraum 3 befindliche Gemisch entzündet. Weiterhin ist am Zylinderkopf eine Wasserstoff-Brennstoff-Zuführeinrichtung vorgesehen, die Wasserstoff als Brennstoff in den Brennraum zuführen kann.
Der Abgasstrang 3 weist einen Hauptstrang 31 auf sowie einen Verzweigungsabschnitt 32 auf, in dem ein Parallelstrang 33 abgezweigt wird. Der Parallelstrang 31 ist parallel zum Hauptstrang 31 geschaltet bzw. angeordnet und wird in einem Verbindungsabschnitt 34 wieder mit dem Hauptstrang 31 zusammengeführt.
Der Hauptstrang 31 und der Parallelstrang 33 können beispielsweise rohrförmig mit rundem oder eckigen Querschnitt ausgebildet sein.
Stromabwärts des Verzweigungsabschnitts 32 ist in dem Hauptstrang 31 eine verstellbare Drosselklappe 4 als Beispiel einer Drosseleinrichtung angeordnet.
In dem Parallelstrang 33 befindet sich stromabwärts des Verzweigungsabschnitts 32 ein Drei-Wege-Katalysator 5 als Beispiel einer katalytischen Ammoniakerzeugungseinrichtung.
Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 5 umfasst der Parallelstrang 33 eine Brennkammer 35 sowie eine Wasserstoffzuführeinrichtung 6. Die Wasserstoffzuführeinrichtung 6 kann als Injektor ausgestaltet sein und Wasserstoff in den Parallelstrang 33, insbesondere direkt in die Brennkammer 35, zuführen. Die Wasserstoffzuführeinrichtung 6 ist so angeordnet, dass eine Zuführrichtung, die entlang einer Achse der Wasserstoffzuführeinrichtung 6 verläuft und entlang derer der Wasserstoff ausströmt, die Strömungsrichtung im Parallelstrang, die durch eine Achse des Parallelstrangs 33 definiert wird, schneidet. Die Brennkammer 35 enthält weiterhin eine Brennkammer-Kühleinrichtung, die es erlaubt, bei der Verbrennung des Wasserstoffs freiwerdende Wärme abzuführen. Die Brennkammer-Kühleinrichtung kann an die Motorkühlung gekoppelt sein. Die Brennkammer 35 umfasst ferner eine Brennkammer-Zündeinrichtung 36, die das in die Brennkammer 35 strömende Gemisch, enthaltend Wasserstoff, zünden kann.
In der Brennkammer 35 läuft insbesondere folgende Reaktion ab: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
Der Drei-Wege Katalysator 5 führt unter anderem zumindest eine der folgenden Reduktion-Oxidation-Reaktionen durch, bei der der zugeführte Wasserstoff und im Abgas enthaltene Stickoxide miteinander reagieren: 2H₂ + O₂ → 2H₂O 5H₂ + 2NO → 2NH₃ + 2H₂O 3H₂ + N₂ → 2NH₃
Zunächst wird also noch überschüssiger Sauerstoff umgesetzt, ehe dann mit Stickoxiden (Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid) und Stickstoff der Wasserstoff zu Ammoniak umgewandelt wird.
Stromaufwärts des Verbindungsabschnitts 34 und stromabwärts der Drosselklappe 4 ist in dem Hauptstrang 31 ein Oxidationskatalysator 7 angeordnet. Der Oxidationskatalysator 7 ist in der Lage eine Oxidationsreaktion durchzuführen, bei der Wasserstoff, Kohlenstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, und/oder Stickoxide oxidiert werden. insbesondere Stickstoffmonoxid kann in Stickstoffdioxid umgewandelt werden.
Dem Oxidationskatalysator 7 nach folgt ein SCR-Katalysator 8 als ein Beispiel einer katalytischen Stickoxidreduktionseinrichtung. in der Stickoxidreduktionseinrichtung 8 werden durch selektive katalytische Reduktion Stickoxide, insbesondere Stickstoffdioxide NO₂, durch Ammoniak zu atmosphärischem Stickstoff und Wasser reduziert. 8NH₃ + 6NO₂ → 7N₂ + 12H₂O
Stromabwärts des SCR-Katalysators 8 ist ein Ammoniak-Sperrkatalysator 9 angeordnet. in diesem Ammoniak-Sperrkatalysator 9 lassen sich Ammoniak und Sauerstoff durch Oxidation zu Stickstoff und Wasser umsetzen: 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O
In dem Hauptstrang 31 kann ein Sensor 37 stromaufwärts des Verzweigungsabschnitts 32 und damit des Drei-Wege-Katalysators 5 angeordnet sein, mittels dem eine Stickoxid-Konzentration in der Strömung stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 5 im Parallelstrang 33 bestimmt werden kann. Ebenso kann ein solcher Sensor 38 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 5 im Parallelstrang angeordnet sein. Die Sensoren 37 und 38 sind beispielsweise als Lambdasonde, insbesondere als Breitband-Lambdasonde, ausgestaltet.
Weiterhin kann ein Temperatursensor stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 5 angeordnet sein.
Eine Stickoxidsonde 39 ist stromabwärts des SCR-Katalysators 8, insbesondere stromabwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators 9 vorgesehen und ermittelt eine Stickoxid-Konzentration vor dem Austritt des Abgasstrangs.
Ferner ist in dem Abgasstrang 3 ein Ammoniaksensor 40 als Beispiel einer Ammoniakdetektionseinrichtung vorgesehen. Der Ammoniaksensor 40 ist ausgestaltet eine Ammoniakkonzentration von 0 bis zumindest 100 ppm zu detektieren. Der Ammoniaksensor 40 befindet sich stromaufwärts des SCR-Katalysators 8 und stromabwärts des Verbindungsabschnitts 34.
Ebenso kann der Parallelstrang stromaufwärts und in einem Ammoniakerzeugungseinrichtung-Überlappungsabschnitt, in dem der Parallelstrang 33 mit dem Drei-Wege-Katalysator 5 in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Parallelstrangs 33 überlappt, von je einem Heizband als Beispiel einer Heizeinrichtung umgeben sein. Die Heizbänder können dem Parallelstrang 33 Wärme zuführen.
Funktionen und Effekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben.
Wird im Brennraum 2 das Wasserstoff-Luft-Gemisch verbrannt, strömt dieses als Abgas über den Auslass in den Abgasstrang 3. 1 zeigt die Bestandteile des Abgases nach dem Austritt. Nach dem Auslass liegen Stickstoff N₂, Sauerstoff O₂, Wasser H₂O, Stickoxide NO und NO₂, sowie unverbrannter Wasserstoff H₂, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO₂ und Kohlenwasserstoffe HC vor.
In dem Verzweigungsabschnitt 32 wird der Abgasmassenstrom abhängig von der Stellung der Drosselklappe 4 aufgeteilt und strömt teilweise weiter in dem Hauptstrang 31 und teilweise in dem Parallelstrang 33, der parallel zu dem Hauptstrang 31 angeordnet ist.
Somit ist die absolute Menge an Sauerstoff im Parallelstrang 33 gegenüber dem Fall, dass lediglich ein Strang vorgesehen wird, reduziert. Somit muss zur Eliminierung des Sauerstoffs eine geringere Menge Wasserstoff eingesetzt werden. Das erhöht die Effizienz des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 1. Der benötigte Wasserstoff H₂ kann gezielt im Hinblick auf eine vollständige Umsetzung der Stickoxide zu Ammoniak durch die Wasserstoffzuführeinrichtung 6, die den Wasserstoff direkt in den Parallelstrang 33, insbesondere die Brennkammer 35 zuführt, zugeführt werden. Somit kann stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 5 nach Umwandlung der Stickoxide Stickstoff N₂, Wasser H₂O, gegebenenfalls unverbrannter Wasserstoff H₂, Kohlenmonoxid CO, Kohlendioxid CO₂, Kohlenwasserstoffe HC sowie das erzeugte Ammoniak NH₃ vorliegen (1).
Auch kann durch die geringere benötigte Größe des Parallelstrangs 33 und des Drei-Wege-Katalysators 5 der Druckverlust im Motor reduziert werden. Das steigert die Effizienz weiter.
Weiterhin kann die benötigte Menge Ammoniak in Bezug auf die im Hauptstrang 31 vorhandene Konzentration an Stickoxiden eingestellt werden. Eine Änderung des Gemischverhältnisses im Motor ist zur Ammoniakherstellung nicht nötig. insbesondere der Verbindungsabschnitt 34 erlaubt die Zusammenführung der ammoniakreichen Strömung aus dem Parallelstrang 33 und der stickoxidhaltigen Strömung im Hauptstrang, wobei besagte Stickoxide im SCR-Katalysator 8, der stromabwärts des Verbindungsabschnitts 34 angeordnet ist, reduziert werden können.
Ebenso kann der Druck- und Temperaturverlauf im Parallelstrang 33 durch Stellung der Drosselklappe 4 und/oder Steuerung der Heizbänder optimiert werden. Dies erleichtert die Ammoniakerzeugung.
Die Anordnung der Wassserstoffzuführeinrichtung 6 derart, dass eine Ausströmrichtung die Erstreckungsrichtung schneidet, lässt diese auch als Mischereinrichtung fungieren, sodass das Abgas mit dem zugeführten Wasserstoff zur Umsetzung zu Ammoniak besser durchmischt werden kann.
Die Brennkammer 35 erlaubt eine gezielte Verbrennung des Wasserstoffs mit Sauerstoff, die durch die Brennkammer-Zündeinrichtung 36 gesteuert werden kann. Weiterhin kann die Brennkammer 35 durch die Brennkammer-Kühleinrichtung gekühlt werden und der Drei-Wege-Katalysator 5 vor Überhitzung geschützt werden.
Der Oxidationskatalysator 7 kann die benötige Wärme für die anschließende Stickoxidreduktion bereitstellen, sowie Schadstoffe neutralisieren. Nach dem Oxidationskatalysator 7 können nur noch Stickstoff N₂, Wasser H₂O, Sauerstoff O₂, Kohlendioxid CO₂, Stickstoffdioxid NO₂, das aus der Oxidation von Stickstoffmonoxid entsteht, gegebenenfalls Stickstoffmonoxid NO in geringen Konzentrationen (deswegen in Klammern in 1), sowie das erzeugte Ammoniak NH₃ vorliegen.
Im SCR-Katalysator 8 kann schließlich das Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid reduziert werden, sodass stromabwärts nur noch Stickstoff N₂, Wasser H₂O, Sauerstoff O₂, Kohlendioxid CO₂, sowie gegebenenfalls überschüssiges Ammoniak NH₃ vorliegen.
Der Ammoniak-Sperrkatalysator 9 kann überschüssiges Ammoniak neutralisieren. Somit können am Ende Stickstoff N₂, Wasser H₂O, Sauerstoff O₂, und Kohlendioxid CO₂ als im Wesentlichen schadstoffarme Komponenten den Abgasstrang 3 verlassen.
Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass das Vorsehen der Katalysatoren 7 und 9 in Verbindung mit dem Parallelstrang 33 besonders effektiv ist. Denn durch den Hauptstrang 31 kann insbesondere bei magerem Betrieb weiterhin Sauerstoff strömen, der die Oxidationsreaktionen ermöglicht. Dagegen muss bei herkömmlichen Systemen der Sauerstoff zur Ammoniakbildung vollständig beseitigt werden.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 1 wird vorzugsweise mit einem mageren Gemisch betrieben (insbesondere λ >= 1,3, bevorzugt λ >= 1,7, nochmals bevorzugt λ >= 2,4. Die Stellung der Drosselklappe 4 kann abhängig von dem Gemischverhältnis gesteuert werden. So kann bei fetteren Gemischen der Drosselöffnungsgrad reduziert werden, da bei fetteren Gemischen die Konzentration der Stickoxide zunimmt und somit mehr Ammoniak benötigt wird, und vice versa. Dadurch lässt sich im Parallelstrang 33 besonders viel Ammoniak erzeugen, das in dem SCR-Katalysator 8 gespeichert werden kann.
Weiterhin können die Lambdasonden 37 und 38 sowie die Temperatursensoren Signale liefern, auf deren Basis die Heizbänder und/oder die Wasserstoffzuführeinrichtung 6 gesteuert werden. So kann bei Unterschreiten einer vorbestimmten Temperatur die Wärmezufuhr über die Heizbänder erhöht werden.
Ebenso kann bei Ermittlung einer erhöhten Stickoxid-Konzentration vor dem Drei-Wege-Katalysator 5 durch die Lambdasonde 37 die Zuführmenge an Wasserstoff erhöht werden. Die Lambdasonde 38 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 5 erlaubt Rückschlüsse über die Umsetzung zu Ammoniak und die Funktionstüchtigkeit des Drei-Wege-Katalysators 5. So kann Fehlfunktionen vorgebeugt werden. Dies gilt insbesondere bei Durchführung eines Vergleichs der Stickoxid-Konzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 5. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass über die Lambdasonde 37 indirekt eine Stickoxid-Konzentration ermittelt werden kann. Dazu kann in der Detektionseinrichtung ein Modell verwendet werden. Daraus abgeleitet wird der benötigte Ammoniakmassenstrom. Daraus wiederum wird der benötigte Abgasmassenstrom durch den Drei-Wege-Katalysator 5 und das notwendige Luftverhältnis im Drei-Wege-Katalysator 5 bestimmt.
In ähnlicher Weise lässt sich durch die Lambdasonde 38 das Gemischverhältnis im Drei-Wege-Katalysator 5 überprüfen.
Somit wird die Wasserstoffzufuhr und/oder die Stellung der Drosselklappe auf Grundlage von zumindest einer der Lambdasonden 37 und 38 gesteuert, die hier jeweils Teil von einer Detektionseinrichtung sind, die zudem Modelle beinhalten.
Die Wasserstoffzufuhr und/oder die Stellung der Drosselklappe kann auch auf Grundlage eines Signals von dem Ammoniaksensor 40 gesteuert werden. So können die Wasserstoffzufuhr und/oder die Stellung der Drosselklappe Stellgrößen in einem geschlossenen Regelkreis zur Regelung der Ammoniakmenge/-konzentration sein. Dies erlaubt eine optimale Umsetzung im SCR-Katalysator 8. Zur Kenntnis zu nehmen ist, dass auch stromabwärts des SCR-Katalysators 8, vorzugsweise stromaufwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators, ein Ammoniaksensor vorgesehen sein kann. Dies erlaubt die Diagnose von überschüssigem Ammoniak, das aus dem SCR-Katalysator 8 austritt.
Weiterhin kann der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 1 so betrieben werden, dass die Zündung durch die Zündeinrichtng in dem Brennraum in einem Winkelbereich eines Kurbelwellenwinkels von 40° vor dem oberen Totpunkt im Kompressionshub des Kolbens bis 40° nach dem oberen Totpunkt erfolgt, insbesondere in einem Winkelbereich von 20° vor dem oberen Totpunkt bis 20° nach dem oberen Totpunkt.
Dadurch kann die Abgasenthalpie erhöht werden, was den Drei-Wege-Katalysator 5 sowie den SCR-Katalysator 8 besser arbeiten lässt. Zudem kann unverbrannter Wasserstoff zur Ammoniaksynthese verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist dies in Verbindung mit dem Oxidationskatalysator 7, wobei der Wasserstoff oxidiert werden kann und Energie für den SCR-Katalysator 8 freigesetzt werden kann.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 1 kann in einem Antriebssystem eingebettet sein, das weiterhin einen Wasserstoff-Tank als Beispiel einer Wasserstoff-Speichereinrichtung aufweist. Die Wasserstoff-Speichereinrichtung kann sowohl fluidkommunizierend zur Bereitstellung von Wasserstoff mit der Wasserstoff-Brennstoff-Zuführeinrichtung und der Wasserstoff-Zuführeinrichtung 6 gekoppelt sein. Dies erlaubt eine Vereinfachung des Antriebssystems.
Das Antriebssystem kann weiterhin eine Abtriebswelle als Beispiel eines Abtriebs aufweisen, die mit der Kurbelwelle koppelbar ist. Weiterhin kann zumindest ein Elektromotor als Beispiel einer rotierenden elektrischen Maschine, vorgesehen werden. Der Elektromotor kann an die Abtriebswelle koppelbar sein. Insbesondere wenn ein vorbestimmter Grenzwert einer Leistungsanforderung überschritten wird, kann die vollständige Zusatzleistung über die Elektromotoren bereitgestellt werden, ohne das Gemischverhältnis im Brennraum 2 zu verändern. Somit kann ein plötzlicher Anstieg an Stickoxiden unterdrückt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, in dem der Motor 1 und/oder das Antriebssystem zum Antrieb der Räder vorgesehen sind.
Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass der Verbindungsabschnitt 34, die Drosselklappe 4, die Heizbänder, und/oder die Wasserstoffzuführeinrichtung 6 auch entfallen können. Selbst in einem solchen Fall kann die Effizienz aufgrund des geringeren Druckverlusts und der besseren Reaktivität im Parallelstrang 33 verbessert werden.
Die Anordnung der Wasserstoffzuführeinrichtung 6 kann auch im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des Parallelstrangs 33 erfolgen. Weiterhin kann eine separate Mischereinrichtung vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine strukturelle profilierte Einrichtung, wie ein Leitblech, insbesondere schneckenförmig ausgebildet, vorgesehen werden, die in dem Parallelstrang 33 angeordnet ist.
Die Heizeinrichtung kann auch auf andere Weise als durch Heizbänder gebildet werden. Beispielsweise kann ein elektrisches Heizelement in den Parallelstrang 33 vorstehen.
Die Drosseleinrichtung kann auch auf andere Weise als durch die Drosselklappe 4 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein, vorzugsweise hinsichtlich seines Drosselgrades veränderliches, Drosselventil vorgesehen werden.
Der Parallelstrang 34 muss nicht abgezweigt werden. Es ist auch möglich einen zweiten Auslass aus dem Brennraum 2 vorzusehen, der in den Parallelstrang mündet.
Der Oxidationskatalysator 7 und/oder der Ammoniak-Sperrkatalysator können entfallen. Der Ammoniak-Sperrkatalysator kann auch auf andere Weise als ein Ammoniak-Oxidationskatalysator ausgeführt werden. Der Oxidationskatalysator 7 kann auch stromaufwärts der Drosseleinrichtung vorgesehen werden, vorzugsweise aber stromabwärts des Verzweigungsabschnitts.
Die Stickoxidreduktionseinrichtung und die Ammoniakerzeugungseinrichtungen können auch auf andere Weise als durch den SCR-Katalysator und den Drei-Wege-Katalysator realisiert werden. Insbesondere müssen die chemischen Reaktionen nicht katalytisch erfolgen.
Die Detektionseinrichtungen müssen nicht Sensoren umfassen. Die spezifizierten Parameter können auch allein durch Modellierung oder Messung erhalten werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 2 schematisch dargestellt. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 101 entspricht im Wesentlichen dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor 1 aus 1, weshalb auf eine Beschreibung derselben Elemente verzichtet wird.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 101 neben der Wasserstoffzuführeinrichtung 6, die auch als primäre Wasserstoffzuführeinrichtung angesehen werden kann, eine sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung 106. Die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung 106 ist stromabwärts des Verbindungsabschnitts 34 stromaufwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung 8 (SCR-Katalysator) im Hauptstrang 31 angeordnet. Somit kann über die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung 106 der Stickoxid-Reduktionseinrichtung 8 Wasserstoff zugeführt werden.
Die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung 106 kann jedoch auch im Parallelstrang 33 stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung 5 oder direkt in der Stickoxid-Reduktionseinrichtung 8 angeordnet sein.
Weiterhin zeigt 2 einen Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt 50 (gestrichelt). Der Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt 50 ist Teil des Abgasstrangs und zweigt stromabwärts der primären Wasserstoffzuführeinrichtung 6 stromaufwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung 5 von dem Parallelstrang 33 ab und wird stromaufwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung 8 mit dem Hauptstrang 31 zusammengeführt. In dem Parallelstrang 33 ist weiterhin eine Stelleinrichtung 51 vorgesehen, beispielsweise ein Zwei-Wege-Ventil oder ein Drosselventil, das stromabwärts der Abzweigung des Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitts 50 angeordnet ist.
Die Stelleinrichtung kann insbesondere zumindest einen Querschnitt des Parallelstrangs 33 oder des Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitts 50 verändern und dadurch die Strömungsmengen durch den Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt 50 und über die Ammoniakerzeugungseinrichtung 5 relativ zueinander verändern.
Mit dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor 101 kann adäquat auf unterschiedliche Betriebsphasen reagiert werden. Beispielsweise in einer Anlaufphase nach Motorstart, wobei relativ niedrige Abgastemperaturen vorliegen, kann die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung 106 angesteuert werden, dem Abgasstrang Wasserstoff zuzuführen. Dadurch können auch in dieser Betriebsphase Stickoxide in der Stickoxid-Reduktionseinrichtung 8 umgesetzt werden. Nach der Anlaufphase kann die Wasserstoffzuführung über die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung 106 abgeschaltet werden, wobei das aus der Wasserstoffzuführeinrichtung 6 erzeugte Ammoniak in der Stickoxid-Reduktionseinrichtung 8 umgesetzt wird.
Mit demselben Effekt kann auch die Stelleinrichtung 51 in der Anlaufphase so angesteuert werden, dass eine Strömungsmenge (Massenstrom) des mit Wasserstoff von der Wasserstoffzuführeinrichtung 6 angereicherten Abgases zum überwiegenden Teil über den Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt 50 strömt und somit der Stickoxid-Reduktionseinrichtung 8 ohne Bildung von Ammoniak bereitgestellt wird. im regulären Betrieb kann die Stelleinrichtung 51 umgeschaltet werden, die Strömung überwiegend oder ausschließlich über die Ammoniakerzeugungseinrichtung 5 zu leiten.
Die Steuerung, wobei Wasserstoff als Reduktionsmittel der Stickoxid-Reduktionseinrichtung bereitgestellt wird, kann insbesondere in einen Temperaturbereich des Abgases von 130°C bis 220°, vorzugsweise aber 150°C bis 200°C, erfolgen. Die Temperatur kann durch den bereits erwähnten Temperatursensor ermittelt werden, insbesondere durch einen Temperatursensor stromabwärts des Verbindungsabschnitts 34.
In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet „zumindest“ die spezifizierte Menge, aber auch die jeweilige Gesamtheit, falls nicht anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10332047 A1 [0002, 0003, 0008]

Claims

Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101), umfassend: zumindest einen Brennraum (2), in dem ein Wasserstoff-Luft-Gemisch verbrennbar ist; einen Abgasstrang (3), in den ein Abgas des Wasserstoff-Luft-Gemischs strömbar ist; eine, vorzugsweise katalytische, Ammoniakerzeugungseinrichtung (5), mit der unter zumindest teilweiser Verwendung des Abgases Ammoniak erzeugbar ist, und die in dem Abgasstrang angeordnet ist; und eine, vorzugsweise katalytische, Stickoxid-Reduktionseinrichtung (8), mit der unter zumindest teilweiser Verwendung des in der Ammoniakerzeugungseinrichtung erzeugten Ammoniaks Stickoxide des Abgases reduzierbar sind, und die stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (3) einen Hauptstrang (31) und einen dazu parallel geschalteten Parallelstrang (33) umfasst, in dem die Ammoniakerzeugungsrichtung (5) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Parallelstrang (33) in einem Verzweigungsabschnitt (32) des Abgasstrangs (3) von dem Hauptstrang (31) abzweigt.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach Anspruch 1, wobei der Abgasstrang (3) weiterhin einen Verbindungsabschnitt (34) beinhaltet, der den Parallelstrang (33) und den Hauptstrang (31) stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung (5) zusammenführt.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend eine Wasserstoffzuführeinrichtung (6), über die Wasserstoff direkt in den Parallelstrang (33) stromaufwärts der und/oder in die Ammoniakerzeugungseinrichtung (5) zuführbar ist.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Parallelstrang (33) eine, vorzugsweise gekühlte, Brennkammer (35) stromaufwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung (5) umfasst, in der Wasserstoff mit Sauerstoff des Abgases verbrennbar ist, wobei der Wasserstoff vorzugsweise über die Wasserstoffzuführeinrichtung (6) direkt in die Brennkammer (35) zuführbar ist.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Heizeinrichtung, über die dem Parallelstrang (33) zumindest stromaufwärts der und/oder der Ammoniakerzeugungseinrichtung (5) Wärme zuführbar ist.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Mischereinrichtung, die ausgestaltet ist, das Abgas, vorzugsweise mit dem zugeführten Wasserstoff, in dem Parallelstrang stromaufwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung zu durchmischen, insbesondere einer Strömung im Parallelstrang (33) eine Komponente senkrecht zu einer Parallelstrang-Hauptströmungsrichtung aufzuprägen.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Hauptstrang (31), insbesondere stromabwärts des Verzweigungsabschnitts (32) eine, vorzugsweise veränderliche, Drosseleinrichtung (4) angeordnet ist, mit der ein Massenstrom in dem Hauptstrang (31) drosselbar ist.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Oxidationskatalysator (7), der stromaufwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (8) angeordnet ist, vorzugsweise im Hauptstrang (31) stromaufwärts des Verbindungsabschnitts (34), und der ausgestaltet ist, Komponenten des Abgases, insbesondere Wasserstoff und/oder Stickstoffmonoxid, zu oxidieren.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Ammoniak-Sperrkatalysator (9), der stromabwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (8) angeordnet ist, und der ausgestaltet ist, überschüssiges Ammoniak zu entfernen.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend zumindest eine Detektionseinrichtung zur Detektion von zumindest einem Wert von Temperatur und Stickstoffoxid-Konzentration in dem Abgasstrang (3), vorzugsweise stromaufwärts und/oder stromabwärts der Ammoniakerzeugungseinrichtung (5), und/oder weiterhin umfassend eine Ammoniakdetektionseinrichtung (40) zur Detektion einer Ammoniakkonzentration in dem Abgasstrang, vorzugsweise stromaufwärts der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (8), insbesondere vorzugsweise stromabwärts des Verbindungsabschnitts (34).
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung (106), über die der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (8), vorzugsweise stromabwärts des Oxidationskatalysators (7), nochmals bevorzugt dem Hauptstrang (106) stromabwärts des Verzweigungsabschnitts (32) oder dem Parallelstrang (33) stromabwärts der Ammoniakerzeugungsrichtung (5), Wasserstoff zuführbar ist.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt (50), der von dem Parallelstrang (33) stromabwärts der Wasserstoffzuführeinrichtung (6) abzweigt und über den unter Umgehung der Ammoniakerzeugungseinrichtung (5) der Stickoxid-Reduktionseinrichtung (8), vorzugsweise stromabwärts des Oxidationskatalysators (7), Abgas zuführbar ist, und eine Stelleinrichtung (51), mittels der ein Verhältnis zwischen einer Strömungsmenge in dem Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt (50) und einer Strömungsmenge in dem Parallelstrang (33) über die Ammoniakerzeugungseinrichtung (5) einstellbar ist, vorzugsweise vollständig zwischen einer Strömung durch den Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt (50) und einer Strömung durch den Parallelstrang (33) über die Ammoniakerzeugungseinrichtung (5) umgeschaltet werden kann.
Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend: den Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche; einen Abtrieb, an dem eine von dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1) bereitgestellte Leistung abnehmbar ist; und vorzugsweise eine Wasserstoff-Speichereinrichtung, über die dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1) Wasserstoff zuführbar ist, wobei über die Wasserstoff-Speichereinrichtung insbesondere vorzugsweise auch der Wasserstoffzuführeinrichtung (6) nach Anspruch 2 Wasserstoff zuführbar ist.
Das Antriebssystem nach Anspruch 13, weiterhin umfassend zumindest eine rotierende elektrische Maschine, die mit dem Abtrieb zur Bereitstellung einer Zusatzleistung koppelbar ist.
Verfahren zum Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Wasserstoff-Verbrennungsmotor (1), vorzugsweise ausschließlich, mit Wasserstoff betrieben wird, und insbesondere vorzugsweise in dem Brennraum (2) ein mageres Wasserstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei betriebsbereichsabhängig, insbesondere abhängig von einer Abgastemperatur, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 130°C bis 220°C, weiterhin vorzugsweise 150°C bis 200°C, selektiv in dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor (101) nach Anspruch 11 Wasserstoff über die sekundäre Wasserstoffzuführeinrichtung (106) zugeführt wird, und/oder in dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor (101) nach Anspruch 12, die Stelleinrichtung so gesteuert wird, dass die Strömungsmenge in dem Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt (50) größer ist als die Strömungsmenge in dem Parallelstrang (33) über die Ammoniakerzeugungseinrichtung (5), vorzugsweise das Abgas des Parallelstrangs ausschließlich (33) über den Ammoniakerzeugungseinrichtung-Umgehungsabschnitt (50) strömt.