DE10249274B4

DE10249274B4 - Verfahren zum Betrieb einer mit Gas betriebenen Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE10249274B4
Application number: DE10249274A
Authority: DE
Inventors: Dr. Getzlaff Jörn
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: DE10249274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mit Gas betriebenen Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise einer mit Methangas betriebenen Verbrennungskraftmaschine. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer mit Gas betriebenen Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit dem in der Kaltstartphase und im Magerbetrieb des Motors die Abgastemperaturen schnell und kostengünstig auf die für den Katalysator benötigten Betriebstemperaturen eingestellt werden können und mit dem gleichzeitig der thermodynamische Wirkungsgrad des Motors insgesamt verbessert wird. Erfindungsgemäß wird durch die Zuführung von Sekundärluft mit einer regelbaren Methangasmenge in den Abgasstrom der mit vorzugsweise Methangas betriebenen Verbrennungskraftmaschine in der Abgasleitung eine exotherme Reaktion erzeugt, bei der das zugeführte Methangas durch den Sauerstoff der Sekundärluft verbrennt. Durch die exotherme Reaktion werden die dem Katalysator zugeleiteten Abgase zusätzlich aufgeheizt, so dass die für den Katalysator benötigten Betriebstemperaturen schnell erreicht werden. Durch die Zuführung von Sekundärluft und Methangas wird eine wirksame Abgastemperaturerhöhung zur Aufheizung des Katalysators von methanbetriebenen Verbrennungsmotoren erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mit Gas betriebenen Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 1 genannten Merkmalen.
Mit Gas betriebe Kraftfahrzeugmotoren stellen einen alternativen Antrieb zu den üblichen mit Benzin oder Diesel betriebenen Motoren, insbesondere hinsichtlich ihrer Kraftstoffkosten, dar. Derartige mit Gas betriebene Brennkraftmaschinen sind allgemein bekannt. ( DE 38 42 430 A1 ; DE 196 35 248 C2 ) So wird zum Beispiel in der DE 36 15 679 A1 eine Brennkraftmaschine beschrieben, die mit Propan und Butan als Hauptbestandteile des Flüssiggases betrieben wird.
Aus der DE 21 03 008 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorbekannt, bei dem ein schadstofffreier Brennstoff zur Umwandlung in ein Methan und Kohlenmonoxid enthaltendes Gasgemisch über einen Katalysator geleitet wird. Das so erhaltene Gasgemisch wird unter Beimengung von Frischluft der Verbrennungskraftmaschine zugeführt und dort verbrannt.
Nachteilig, insbesondere bei den mit Methangas als Brennstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschinen ist, dass eine Einstellung des dem Brennraum zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches (λ-Wert) nur in einem Bereich von Lambda 0,8 bis ca. 1,7 ohne Zusatzaufwendungen möglich ist. Ein Methangas mit einem fetteren Luftverhältnis, bei dem der Lambdawert kleiner 0,8 ist, brennt nicht mehr. Das Wirkungsgradoptimum der mit Methangas betriebenen Verbrennungskraftmaschine liegt bei mageren Gemischen und kann bei optimaler Auslegung dieselmotorenähnliche Werte erzielen.
Ein weiterer Nachteil der mit Methangas betriebenen Verbrennungsmaschinen besteht darin, dass eine effektive Katalysatoraufheizung nach dem Kaltstart durch ein dem Brennraum zugeführtes, stark angefettetes Luft/Kraftstoff-Gemisch und Verschleppung der Verbrennung in Richtung Abgasseite, zum Beispiel durch Spätzündung, nicht durchgeführt werden kann, da die dazu notwendigen fetten Gemische nicht darstellbar sind.
Aus der DE 196 38 802 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Automobilkatalysatoren vorbekannt. Zur Aufheizung des Katalysators auf die zur Umsetzung der Abgasschadstoffe notwendige Temperatur wird kurz vor dem Motorstart ein Gemisch aus Luft und Zusatzbrennstoff über den Katalysator geleitet. Dabei wird als flüssiger Zusatzbrennstoff Methanol und als gasförmiger Zusatzbrennstoff Wasserstoff verwendet. Der Zusatzbrennstoff verbrennt katalytisch an den aktiven Teilen des Katalysators und heizt dabei den Katalysator auf. Die Zusatzbrennstoffdosierung wird solange aufrechterhalten, bis durch den Zustrom von heißem Motorabgas eine Umsetzung der Abgasschadstoffe gewährleistet ist. Bei der Verwendung von Methanol als Zusatzbrennstoff muss der Katalysator elektrisch auf 100 bis 150°C vorgeheizt werden.
Dieses Verfahren ist sehr kostenaufwendig, einerseits hinsichtlich der zusätzlich benötigten Druckbehälter für die Zusatzbrennstoffe und andererseits für die Zusatzaggregate für die Wasserstofferzeugung. Nachteilig und aufwendig ist auch die elektrische Vorheizung des Katalysators. Die Fahrzeugbatterien werden dabei in erheblichem Maße belastet. Ein weiterer Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, dass die Zuführung des Gemisches aus Luft und Zusatzbrennstoff zu dem Katalysator vor dem eigentlichen Motorstart erfolgt. Das bedeutet, dass eine Motorleistung nach dem eigentlichen Startvorgang nicht sofort zur Verfügung steht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer mit Gas betriebenen Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit dem in der Kaltstartphase und im Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine die Abgastemperaturen schnell und kostengünstig auf die für den Katalysator benötigten Betriebstemperaturen eingestellt werden können und mit dem gleichzeitig der thermodynamische Wirkungsgrad des Motors insgesamt verbessert wird.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen betriebenen Verbrennungskraftmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Durch die Zuführung von Sekundärluft mit einer regelbaren Methangasmenge in den Abgasstrom der mit vorzugsweise Methangas betriebenen Verbrennungskraftmaschine wird in der Abgasleitung eine exotherme Reaktion erzeugt, bei der das zugeführte Methangas durch den Sauerstoff der Sekundärluft verbrennt. Durch die exotherme Reaktion werden die dem Katalysator zugeleiteten Abgase zusätzlich aufgeheizt, so dass die für den Katalysator benötigten Betriebstemperaturen schnell erreicht werden. Durch die Zuführung von Sekundärluft und Methangas wird eine wirksame Abgastemperaturerhöhung zur Aufheizung des Katalysators von methanbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen erreicht.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die dem Abgas zugeführte Methangasmenge mittels der Lambdaregelung des Motors eingestellt wird. Dadurch lässt sich einerseits die Temperatur des dem Katalysator zugeführten Abgases einstellen, so dass eine für den Katalysatorbetrieb optimale Temperatur während der gesamten Betriebszeit des Motors erreichbar ist. Andererseits kann dabei die Verbrennungskraftmaschine mit Wirkungsgrad optimierten Luftverhältnissen (Lambdawerten) betrieben werden, so dass dadurch insgesamt der thermodynamische Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine verbessert wird.
Außerdem stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine kostengünstige Lösung dar, da das bereits vorhandene Sekundärluftsystem genutzt werden kann. Durch Nutzung eines gemeinsamen Methantanks, aus dem das Methangas zur Versorgung der Verbrennungskraftmaschine und zur Erzeugung der exothermen Reaktion im Abgas entnommen wird, wird der Aufwand ebenfalls reduziert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
An Hand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der dazugehörigen Zeichnung ist schematisch der Betrieb einer mit Gas betriebenen Verbrennungskraftmaschine dargestellt.
In der Zeichnung ist eine mit Methangas betriebene Verbrennungskraftmaschine 1 dargestellt, die mit einer Ansaugleitung 2 zur Zuführung des aufbereiteten Methangases zur Verbrennungskraftmaschine 1 und mit einer Abgasleitung 3 ausgestattet ist. Die Abgasleitung 3 ist mit einem nicht dargestellten Katalysator zur Reinigung der aus der Verbrennungskraftmaschine 1 austretenden Abgase verbunden.
In die Abgasleitung 3 mündet eine Sekundärluftleitung 4 zum Zuführen von Sekundärluft in die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1. Zur Förderung der Sekundärluft ist in der Sekundärluftleitung 4 eine an sich bekannte Sekundärluftpumpe 8 angeordnet. Die Reinigung der Sekundärluft erfolgt über einen Luftfilter 7, der ebenfalls in der Sekundärluftleitung 4 angeordnet ist. In die Sekundärluftleitung 4 mündet eine vom Methangastank 5 kommende Gasleitung 9, mit der über das Gasventil 6 der Sekundärluft regelbar Methangas zugeführt wird. Aus dem Tank 5 wird auch das Methangas zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 1 entnommen.
Der Arbeitsmodus der mit Methangas betriebenen Verbrennungskraftmaschine 1 wird in bekannter Weise mittels eines Motorsteuergeräts durch Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches (λ-Wert) geregelt. Dabei werden über Sensoren die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 1 ermittelt, die als Grundlage der Motorregelung dem Motorsteuergerät zugeführt werden.
Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit von den eingestellten Lambdawerten des der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches und von der Abgastemperatur den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine 1 zum Erzeugen einer exothermen Reaktion über die Sekundärluftleitung 4 Sekundärluft und dazu regelbar Methangas zugeführt. Das mit der Sekundärluft in den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführte Methangas bildet dabei ein optimales Gasgemisch zur Ausbildung einer exothermen Reaktion. Durch das Verbrennen der zugeführten Methangasmenge wird die dem Katalysator zugeführte Temperatur des Abgases derart erhöht, dass sie die für den Katalysator benötigte Betriebstemperatur erreicht.
Die dem Abgas zugeführte Methangasmenge wird über das durch das Motorsteuergerät angesteuerte Gasventil 6 regelbar eingestellt. Dabei wird insbesondere in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine 1 den Motorabgasen eine erhöhte Menge an Methangas zugeführt, um den Katalysator schnell aufzuheizen und auf Betriebstemperatur zu bringen. Bei Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators wird die Methangaszufuhr zur Sekundärluft und somit zu den Abgasen eingestellt. Dieses erfolgt durch Schließen des Gasventils 6, das vom Motorsteuergerät anhand der im Motorsteuergerät vorliegenden Betriebsparameter wie Lambdawert und Abgastemperatur angesteuert wird. Bei einer Unterschreitung einer vorgegebenen Abgastemperatur wird dem Abgas über Gasventil 6 in Verbindung mit dem Motorsteuergerät regelbar ein bestimmter Mengenanteil an Methangas wieder zugeführt, so dass die Betriebstemperatur des Katalysators wieder erreicht wird. Dadurch ist es möglich, auch bei einer mit mageren Lambdawerten betriebenen Verbrennungskraftmaschine 1 die Temperatur der dem Katalysator zugeführten Abgase auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. Das hat zur Folge, dass bei einer wirkungsgradoptimierten Fahrweise der Verbrennungskraftmaschine 1 die erforderlichen Betriebstemperaturen des Katalysators durch Zuführung einer regelbaren Methangasmenge in die Abgase eingestellt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Ansaugleitung
3: Abgasleitung
4: Sekundärluftleitung
5: Tank
6: Gasventil
7: Luftfilter
8: Sekundärluftpumpe
9: Gasleitung

Claims

Verfahren zum Betrieb einer mit Gas betriebenen Verbrennungskraftmaschine (1), vorzugsweise einer mit Methangas betriebenen Verbrennungskraftmaschine (1) bei dem – mittels Sensoren die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (1) ermittelt und einem Motorsteuergerät zugeführt werden, – das Motorsteuergerät den Arbeitsmodus durch Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches regelt, – die bei der Verbrennung entstehenden Abgase einer katalytischen Reinigung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen einer exothermen Reaktion im Abgas den Abgasen Sekundärluft und dazu regelbar Methangas zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Abgas zugeführte Methangasmenge über ein durch das Motorsteuergerät angesteuertes Gasventil (6) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der zugeführten Methangasmenge in Abhängigkeit vom eingestellten Luft/Kraftstoff-Gemisch und von der Abgastemperatur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Methangas zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (1) und zum Erzeugen der exothermen Reaktion im Abgas aus einem gemeinsamen Tank (5) entnommen wird.