EP4330528B1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mit einem gemisch aus ammoniak und dimethylether und brennkraftmaschine hierfür - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mit einem gemisch aus ammoniak und dimethylether und brennkraftmaschine hierfür

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EP4330528B1
EP4330528B1 EP22753698.4A EP22753698A EP4330528B1 EP 4330528 B1 EP4330528 B1 EP 4330528B1 EP 22753698 A EP22753698 A EP 22753698A EP 4330528 B1 EP4330528 B1 EP 4330528B1
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dimethyl ether
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ammonia
combustion chamber
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/02—Adding substances to exhaust gases the substance being ammonia or urea

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine with a mixture of ammonia and dimethyl ether, and to an internal combustion engine for this purpose.
  • ammonia as a primary fuel for an internal combustion engine is that it is not self-igniting, meaning it requires an initial ignition in every operating cycle of the internal combustion engine.
  • the initial ignition of the main injection may be achieved via a spark plug, although this is a wear part that entails corresponding maintenance.
  • the objective of the present invention is to overcome or partially mitigate the above disadvantages, which is achieved with a method that incorporates all the steps of claim 1 or an internal combustion engine with the features of claim 10.
  • the mixture of ammonia and dimethyl ether forms an azeotropic mixture, in which the vapor phase and the liquid state have the same composition. Its behavior is therefore similar to that of a pure substance; however, in this mixture of ammonia and dimethyl ether, the ignition temperature is advantageously lower compared to pure ammonia, and the lower flammability limit in air is also reduced.
  • the mixture for operating the internal combustion engine is an azeotropic mixture comprising or consisting of ammonia and dimethyl ether.
  • the mixture consists of or comprises 55-65%, preferably 60%, ammonia and 35-45%, preferably 40%, dimethyl ether, and is preferably R-723.
  • R-723 is the typical term used in technical jargon for a mixture of ammonia and dimethyl ether in a 60:40 ratio. It should be noted that this designation does not correspond to the official nomenclature according to ISO 817, as the official listing of this mixture in DIN EN 378 is still pending due to the associated complex registration and assignment of an R-number.
  • azeotropic mixture (containing ammonia) significantly improves the characteristic combustion properties of ammonia. This can be seen in the example of R-723, where the ignition temperature increases from 630 °C to 440 °C and the lower flammability limit in air decreases from 15% to 6%.
  • the method may also provide for a spark plug to ignite the mixture introduced (e.g., injected or blown into) in the combustion chamber.
  • a spark plug to ignite the mixture introduced (e.g., injected or blown into) in the combustion chamber.
  • spark plug represents another component subject to wear, its use in gasoline engines is well-established and reliably ensures the ignition of a non-self-igniting fuel.
  • a pre-injection with a self-igniting fuel takes place beforehand, so that ignition of the pre-injection leads to ignition of the subsequently injected mixture, wherein the self-igniting fuel preferably contains or consists of diesel and/or dimethyl ether.
  • the main injection consisting of non-self-igniting fuel
  • the main injection can be ignited by means of a pre-injection according to the inventive method.
  • a self-igniting fuel is introduced into the combustion chamber prior to the main injection and is then ignited by compression or other influences.
  • a non-self-igniting fuel (main injection) introduced only shortly after the pre-injection is then also ignited by the ignition of the pre-injection.
  • a particular advantage is that dimethyl ether can be used as a pre-injection, since with a cetane number greater than 55 it has an ignitability in the range of diesel (cetane number greater than 51) and therefore - similar to diesel - can only be ignited by compression in a combustion chamber.
  • a particular advantage here is that the fuel for the pre-injection (DME) is a component of the fuel for the main injection, so that providing different fuel types is not strictly necessary, since dimethyl ether can be separated from the ammonia-dimethyl ether mixture. Storing and refueling a vehicle with two different fuels is therefore unnecessary, as the appropriate fuel for pre-injection can be obtained from the mixture.
  • DME pre-injection
  • the pre-injection is carried out with dimethyl ether, which has been separated from the liquefied mixture of ammonia and dimethyl ether, wherein preferably the pre-injection is introduced into the combustion chamber via the same feed as the mixture, but before it.
  • pre-injection takes place via a separate injector or via the same injector as the main injection.
  • the pre-injection takes place via a separate injector or via the same injector as the main injection.
  • an identical supply line to the combustion chamber is used, one of the two supply lines typically provided in the prior art for the different injection processes (pre-injection and main injection) is eliminated.
  • a separate injector and injector line may also be provided.
  • the liquefied mixture is brought to an injection pressure of more than 500 bar, preferably more than 700 bar and preferably more than 900 bar, before being injected into a combustion chamber.
  • an exhaust gas produced after ignition of the injected mixture in the combustion chamber is subjected to exhaust gas aftertreatment in which ammonia is used, which has preferably been separated from the liquefied mixture of ammonia and dimethyl ether.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the urea tank required for effective exhaust gas purification can be omitted after separating these two components, since ammonia is already present in the mixture due to the separation of the dimethyl ether.
  • nitrous oxide is separated from the exhaust gas and, if necessary, returned to the combustion chamber via a gas storage tank.
  • nitrous oxide also known as laughing gas
  • a catalyst or a specially designed separator unit can be used to extract the nitrous oxide from the exhaust gas and introduce it into a gas storage tank.
  • Providing a gas storage tank is only advantageous if a sufficient quantity of nitrous oxide is produced. If this is not the case, it can also be beneficial to neutralize the nitrous oxide produced using a neutralization unit.
  • nitrous oxide can be injected into the combustion chamber, resulting in a power boost.
  • Such nitrous oxide injection is particularly well-known in motorsports, where it is used for short-term power enhancements of internal combustion engines.
  • the invention further relates to an internal combustion engine for carrying out a method according to one of the previously discussed variants.
  • the internal combustion engine according to the invention for operation with a mixture of ammonia and dimethyl ether comprises a fuel tank for receiving the mixture in liquid form at an overpressure, preferably at an overpressure of at least 5 bar, more preferably 8 bar, and particularly preferably 9 bar and at an overpressure of at most 20 bar, more preferably 15 bar, and particularly preferably 10 bar, and a fuel supply line that connects the fuel tank to a combustion chamber of the internal combustion engine and serves to introduce the mixture located in the fuel tank into the combustion chamber, and is characterized by a separation unit connected to the fuel tank for separating the components of the mixture into pure ammonia and pure dimethyl ether.
  • the individual components of the ammonia-dimethyl ether mixture in their pure form can be advantageous and also eliminate the need for holding and refilling specific tanks for alternative substances (e.g. urea for SCR catalysis or a second fuel for pre-injection).
  • alternative substances e.g. urea for SCR catalysis or a second fuel for pre-injection
  • the separation unit can separate the two components of the mixture using a membrane, preferably in a gaseous state. Therefore, the separation unit can be designed to separate the components of the mixture using a separating membrane.
  • a pressure reducer can be provided for converting the mixture into a gaseous state.
  • the separation of the two components can also be successfully carried out if the fuel is in a liquid state.
  • the principle of reverse osmosis is used, so that converting the liquid fuel into a gaseous form is not necessary.
  • the separation unit separates the components of the mixture using reverse osmosis, whereby the mixture can be in a liquid state.
  • the internal combustion engine may also be provided with a storage unit for dimethyl ether, which is fed by the separation unit and has an output line connected to the fuel line, wherein the amount of dimethyl ether to be introduced into the fuel line is preferably controllable via a feed valve.
  • a separate line is provided from the storage tank for dimethyl ether to supply it to the combustion chamber.
  • the internal combustion engine may be provided with an ammonia storage tank which is fed by the separation unit and has an output line connected to a catalyst, in particular an SCR catalyst, wherein the catalyst serves to clean exhaust gas emitted from the combustion chamber, preferably with regard to NO x emissions.
  • a catalyst in particular an SCR catalyst, wherein the catalyst serves to clean exhaust gas emitted from the combustion chamber, preferably with regard to NO x emissions.
  • the storage of ammonia can be used for selective catalytic reduction in the catalyst.
  • the addition of a further substance besides the fuel itself is no longer necessary, since ammonia can be generated from the mixture. Therefore, in the internal combustion engine according to the invention, a further filling opening is not required, and there is also no need to separately refill such an additive (urea, commonly known as AdBlue, among other names) during operation of such an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine may be provided with a separator unit which is arranged in an exhaust gas line of the internal combustion engine and is designed to cut off any nitrous oxide produced during the combustion of the mixture, preferably with a gas intermediate storage unit being provided to temporarily store the separated nitrous oxide and return it to the combustion chamber when required.
  • nitrous oxide is produced, which can be separated from the exhaust gas and, if necessary, recycled back into the combustion chamber to increase the power output of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine may further be provided with a control unit designed to first inject the dimethyl ether obtained via the separation unit in order to carry out a combustion process in the combustion chamber, in order to form a self-igniting pre-injection with the aid of which ignition of the subsequently injected mixture (ammonia, DME and possibly air) takes place.
  • a control unit designed to first inject the dimethyl ether obtained via the separation unit in order to carry out a combustion process in the combustion chamber, in order to form a self-igniting pre-injection with the aid of which ignition of the subsequently injected mixture (ammonia, DME and possibly air) takes place.
  • the present invention also relates to the use of a mixture of ammonia and dimethyl ether as fuel in an internal combustion engine. It can be provided that the mixture consists of 55-65%, preferably 60%, ammonia. and consists of 35-45%, preferably 40%, dimethyl ether and preferably consists of R-723.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an internal combustion engine 1 according to the invention.
  • the fuel tank 2 is filled with a mixture of ammonia and dimethyl ether, which is introduced into at least one combustion chamber 4 via a fuel supply line 3.
  • the non-self-igniting mixture is then ignited and used to drive a piston.
  • the combusted mixture is subsequently discharged from the combustion chamber 4 via an exhaust line 13, so that the combustion chamber 4 is available for the reintroduction of the ammonia-dimethyl ether mixture.
  • a spark plug can be provided to ignite the mixture in the combustion chamber 4, or that a self-igniting mixture can be ignited beforehand by means of compression of the piston, so that a subsequently introduced non-self-igniting mixture (in this case, ammonia and dimethyl ether) can be ignited by the ignition of the self-igniting mixture.
  • a non-self-igniting mixture in this case, ammonia and dimethyl ether
  • a separation unit 5 is connected to the fuel tank 2. This unit is designed to separate the individual components of the mixture contained in the fuel tank 2 so that they can be used for advantageous tasks related to the internal combustion engine 1.
  • the separation unit 5 thus separates the individual components ammonia and dimethyl ether and feeds them to their respective storage tanks 6 and 9.
  • the storage tank 6 for dimethyl ether has an output line 7 connected to the fuel supply line 3, so that it is also possible to use pure Dimethyl ether is introduced into combustion chamber 4. Since pure dimethyl ether is self-igniting, it can first be introduced into combustion chamber 4 in this way, so that a subsequently introduced mixture from fuel tank 2 is ignited by the pure dimethyl ether (e.g., by compression). Therefore, separate refueling of the internal combustion engine with its own self-igniting fuel is not necessary, thus reducing the operating requirements of the engine.
  • the storage tank for dimethyl ether 6 can be connected to the fuel supply line 3 via a supply valve 8, so that the combustion chamber 4 is filled with pure dimethyl ether at desired times.
  • components known to those skilled in the art for filtering and pressurizing a fluid to be introduced into the combustion chamber 4 can be arranged downstream of the supply valve 8.
  • the fluid to be introduced into the combustion chamber 4 can first pass through a pre-filter 15 before being pressurized to an intermediate pressure level by a first feed pump 16. Typically, it then passes through a further filter 17 before being pressurized to the final pressure level by a high-pressure pump 18.
  • a fluid connection also runs from the high-pressure pump 18 back to the fuel tank 2, so that any leakage occurring at the high-pressure pump 18 can be routed back.
  • high-pressure fuel ammonia-dimethyl ether mixture or pure dimethyl ether
  • a storage unit 9 for ammonia which has an output line 11 that leads to a unit for exhaust gas aftertreatment 10, 12.
  • an exhaust aftertreatment unit is provided, for example in the form of a catalyst 10, which is designed to filter pollutants from the exhaust stream.
  • the exhaust aftertreatment unit can perform selective catalytic reduction to reduce NOx pollutants.
  • the provision of a separate opening area for the supply of urea or of a means required for selective catalytic reduction can be omitted, since the ammonia required for this can be generated directly from the fuel mixture.
  • a return line leads from the exhaust aftertreatment unit 10, 12 to the combustion chamber 4 and includes a tank 14 for nitrous oxide ( N2O ).
  • the exhaust aftertreatment unit can further include a separator unit 12, which filters the nitrous oxide contained in the exhaust gas from the exhaust stream and introduces it into the nitrous oxide tank 14. From there, it can be injected directly into the combustion chamber 4 as needed, thus increasing the power output of the internal combustion engine.
  • the operating principle of nitrous oxide injection is known from motorsport, although there the nitrous oxide to be injected is not taken from the exhaust stream but is stored separately in independent tanks.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether sowie eine Brennkraftmaschine hierfür.
  • Aus Umweltschutzgründen gibt es ein sehr starkes Bestreben, Brennkraftmaschinen mit CO2-neutralen Kraftstoffen betreiben zu können, die am besten aus erneuerbaren Energien erzeugbar sind oder bei deren Erzeugung auf eine Kohlenstoff-Quelle vollständig verzichtet werden kann. Typischerweise kommt dabei neben Wasserstoff und anderen synthetischen Kraftstoffen (zum Beispiel Methanol oder OME, also Oxymethylenether) Ammoniak in Frage.
  • Problematisch bei der Verwendung von Ammoniak als Primärkraftstoff für eine Brennkraftmaschine ist, dass dieses nicht selbst-zündfähig ist, also in jedem Betriebstakt der Brennkraftmaschine eine Initialzündung benötigt.
  • Nach dem Stand der Technik ist es daher üblich, eine Dual-Fuel-Verbrennung vorzusehen, bei der zwei voneinander getrennte Einspritzsysteme zunächst eine selbst-zündfähige Voreinspritzung und nachfolgend eine Haupteinspritzung mit dem nicht selbst-zündfähigen Kraftstoff vornehmen, sodass ein Entflammen der selbst-zündfähigen Voreinspritzung zu einem Entzünden der Haupteinspritzung führt.
  • So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass je Zylinder mehrere Injektoren vorgesehen sind, von denen einer das selbst-zündfähige und ein anderer das nichtzündfähige Fluid in den Brennraum einspritzt. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Initialzündung der Haupteinspritzung über eine Zündkerze erfolgt, wobei eine solche jedoch ein Verschleißteil darstellt, das einen entsprechenden Wartungsaufwand mit sich bringt.
  • Aus der Offenbarung RYU KYUNGHYUN ET AL: "Performance characteristics of compression-ignition engine using high concentration of ammonia mixed with dimethyl ether" APPLIED ENERGY, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, GB, Bd. 113, 24. August 2013 (2013-08-24), XP028762967 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Auch die CN 1 970 699 A zeigt ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die obenstehenden Nachteile zu überwinden oder teilweise abzumildern, was mit einem Verfahren, das sämtliche Schritte des Anspruchs 1 bzw. einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelingt.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, eine Brennkraftmaschine mit einem Gemisch aus oder enthaltend Ammoniak und Dimethylether zu betreiben, wobei in dem Verfahren darüber hinaus die nachfolgenden Schritte vorgesehen sind:
    • Einführen, insbesondere Einspritzen bzw. Einblasen des verflüssigten oder gasförmigen Gemisches in einen Brennraum,
    • Entzünden des in dem Brennraum eingeführten Gemisches, und
    • Nutzen der Expansion des entzündeten Gemisches zum Antrieb der Brennkraftmaschine, vorzugsweise ferner umfassend den Schritt
    • vor dem Schritt des Einführens in den Brennraum; Verflüssigen des Gemisches durch Erzeugen eines Überdrucks, vorzugsweise durch einen Überdruck von mindestens 5 bar, bevorzugterweise 8 bar, und besonders bevorzugterweise 9 bar und einem Überdruck von höchstens 60 bar, bevorzugterweise höchstens 20 bar, und besonders bevorzugterweise höchstens 10 bar.
  • Die Mischung von Ammoniak und Dimethylether (abgekürzt auch: DME) bildet ein sogenanntes azeotropes Gemisch, bei dem die Dampfphase wie auch der flüssige Zustand dieselbe Zusammensetzung aufweist. Das Verhalten ähnelt damit dem eines Reinstoffes, wobei bei der vorliegenden Mischung von Ammoniak und Dimethylether die Zündtemperatur im Vergleich zu reinem Ammoniak jedoch vorteilhafterweise absinkt und die untere Zündgrenze von Luft ebenfalls verringert ist.
  • Nach der Erfindung kann demnach auch vorgesehen sein, dass das Gemisch zum Betreiben der Brennkraftmaschine ein azeotropes Gemisch ist, das Ammoniak und Dimethylether umfasst oder hieraus besteht.
  • Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Gemisch aus 55-65 %, vorzugsweise 60 %, Ammoniak und 35-45 %, vorzugsweise 40 %, Dimethylether besteht bzw. umfasst und bevorzugterweise R-723 ist.
  • Die Bezeichnung "R-723" ist der typischerweise im Fachjargon verwendete Ausdruck für die Mischung von Ammoniak und Dimethylether im Verhältnis 60:40. Zu beachten ist dabei, dass diese Bezeichnung nicht der offiziellen Nomenklatur nach ISO 817 entspricht, da die offizielle Listung dieses Gemisches in der DIN EN 378 aufgrund der damit einhergehenden aufwändigen Registrierung und Erteilung einer R-Nummer noch aussteht.
  • Die Verwendung eines azeotropen Gemisches (umfassend Ammoniak) verbessert die charakteristischen Verbrennungseigenschaften von Ammoniak auf beträchtliche Art und Weise. Dies erkennt man am Beispiel von R-723, bei dem die Zündtemperatur von 630 °C auf 440 °C steigt und die untere Zündgrenze von Luft von 15 % auf 6 % fällt.
  • Dabei kann nach dem Verfahren ferner vorgesehen sein, dass zum Entzünden des eingeführten (bspw. eingespritzt oder eingeblasen) Gemisches in dem Brennraum eine Zündkerze vorgesehen ist, die das Gemisch entzündet.
  • Auch wenn das Vorsehen einer Zündkerze ein weiteres dem Verschleiß unterliegendes Bauteil darstellt, ist deren Einsatz in Benzinmotoren bestens erprobt und sorgt dort zuverlässig für die Entflammung eines nicht selbst-zündfähigen Kraftstoffs.
  • Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Entzünden des eingespritzten Gemisches in dem Brennraum vorab eine Voreinspritzung mit einem selbstzündenden Kraftstoff erfolgt, sodass eine Entflammung der Voreinspritzung zu einem Entzünden des nachfolgend eingespritzten Gemisches führt, wobei vorzugsweise der selbstzündende Kraftstoff Diesel und/oder Dimethylether enthält bzw. hieraus besteht.
  • Um die Verwendung oder das Vorsehen einer Zündkerze obsolet werden zu lassen, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die aus dem nicht selbst-zündfähigen Kraftstoff bestehende Haupteinspritzung mithilfe einer Voreinspritzung entzündet werden. Dabei wird zeitlich vor der Haupteinspritzung ein selbst-zündfähiger Kraftstoff in den Brennraum eingeführt, der dann aufgrund von Kompression oder anderer Einflüsse zur Zündung gebracht wird. Ein nur kurz nach dem Einführen der Voreinspritzung eingeführter, nicht selbst-zündfähiger Kraftstoff (Haupteinspritzung) wird dann aufgrund der Zündung der Voreinspritzung ebenfalls entflammt.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei, dass als Voreinspritzung Dimethylether verwendet werden kann, da dieses mit einer Cetanzahl von größer 55 eine Zündwilligkeit im Bereich von Diesel (Cetanzahl größer 51) besitzt und demnach - ähnlich wie Dieselauch nur durch Kompression in einen Brennraum zur Zündung gebracht werden kann.
  • Vorteilhaft ist hier insbesondere, dass der Kraftstoff für die Voreinspritzung (DME) Bestandteil des Kraftstoffs für die Haupteinspritzung ist, so dass das Vorsehen unterschiedlicher Kraftstofftypen nicht unbedingt erforderlich ist, da Dimethylether aus dem Ammoniak-Dimethylether-Gemisch separiert werden kann. Das Vorhalten und auch das Betanken eines Fahrzeugs mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffen ist dabei nicht erforderlich, da der entsprechende Kraftstoff für die Voreinspritzung aus dem Gemisch gewonnen werden kann.
  • Nach der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass die Voreinspritzung mit Dimethylether erfolgt, das aus dem verflüssigten Gemisch von Ammoniak und Dimethylether separiert worden ist, wobei vorzugsweise die Voreinspritzung über die identische Zuführung wie das Gemisch, aber zeitlich vor dieser, in die Brennkammer eingebracht wird.
  • Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Voreinspritzung über einen eigenen Injektor oder über denselben Injektor wie die Haupteinspritzung erfolgt
    Nutzt man darüber hinaus auch noch eine identische Zuführung in den Brennraum entfällt eine der beiden typischerweise im Stand der Technik vorgesehenen Zuleitungen für die unterschiedlichen Einspritzvorgänge (Voreinspritzung und Haupteinspritzung).
  • Allerdings kann zur einfacheren Handhabbarkeit des Timings auch ein eigener Injektor sowie eine eigene Injektorleitung vorgesehen sein.
  • Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass das verflüssigte Gemisch vor einem Einspritzen in einen Brennraum auf einen Einspritzdruck von mehr als 500 bar, vorzugsweise mehr als 700 bar und bevorzugterweise mehr als 900 bar gebracht wird.
  • Dem Fachmann ist klar, dass abhängig vom gewählten Aggregatzustand des azeotropen Gemischs und des gewählten Brennverfahrenskonzepts die nach Stand der Technik geltenden Druckbereiche für das Einspritzsystem angewandt werden können.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein nach einem Entzünden des eingespritzten Gemisches in dem Brennraum entstandenes Abgas einer Abgasnachbehandlung unterzogen wird, bei der Ammoniak verwendet wird, das vorzugsweise aus dem verflüssigten Gemisch von Ammoniak und Dimethylether separiert worden ist.
  • Die Nachbehandlung von Abgas trägt einen wesentlichen Teil dazu bei, die bei dem Brennvorgang entstandenen Schadstoffe zu minimieren. Bei einer selektiven katalytischen Reduktion, bspw. sogenannten SCR-Katalysatoren, gibt es einen kleinen Harnstofftank, von dem aus Harnstoff mithilfe von Thermolyse und Hydrolyse in Ammoniak gewandelt wird. Verwendet man nun erfindungsgemäß ein Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether, so kann nach einem Separieren dieser beiden Bestandteile auch auf den für eine effektive Abgasreinigung erforderlichen Harnstofftank verzichtet werden, da Ammoniak bereits durch die Separation von Dimethylether aus dem Gemisch vorhanden ist.
  • Darüber hinaus kann nach der Erfindung ferner vorgesehen sein, dass nach einem Entzünden des eingespritzten Gemisches Distickstoffmonoxid aus dem Abgas abgeschieden wird und über einen Gaszwischenspeicher bei Bedarf in den Brennraum zurückgeführt wird.
  • Da bei der Verbrennung von Ammoniak Distickstoffmonoxid (N2O), sogenanntes Lachgas, anfällt, kann mithilfe eines Katalysators oder einer speziell darauf eingerichteten Abscheidereinheit Distickstoffmonoxid aus dem Abgas abgezogen und in einen Gaszwischenspeicher eingeführt werden. Das Vorsehen eines Gaszwischenspeichers ist nur dann von Vorteil, wenn eine ausreichende Menge an Distickstoffmonoxid anfällt. Ist dies nicht der Fall, kann es auch von Vorteil sein, dass anfallende Lachgas über eine Neutralisationseinheit zu neutralisieren.
  • Gilt es die Leistung der Brennkraftmaschine kurzzeitig zu erhöhen kann dann das Lachgas in den Brennraum zugeführt werden, was eine Leistungserhöhung zur Folge hat. Insbesondere aus dem Rennsport ist eine solche Lachgas-Einspritzung bekannt, die für kurzzeitige Leistungsverstärkungen der Brennkraftmaschine genutzt wird.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der vorhergehenden diskutierten Varianten.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zum Betreiben mit einem Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether umfasst dabei einen Kraftstofftank zum Aufnehmen des Gemisches in flüssigem Zustand bei einem Überdruck, vorzugsweise bei einem Überdruck von mindestens 5 bar, bevorzugterweise 8 bar, und besonders bevorzugterweise 9 bar und einem Überdruck von höchstens 20 bar, bevorzugterweise 15 bar, und besonders bevorzugterweise 10 bar, und eine Kraftstoffzuführleitung, die den Kraftstofftank mit einem Brennraum der Brennkraftmaschine verbindet und dazu dient, das in dem Kraftstofftank befindlichen Gemisch in den Brennraum einzuführen, und ist gekennzeichnet durch eine mit dem Kraftstofftank verbundene Separationseinheit zum Separieren der Bestandteile des Gemisches in reines Ammoniak und reinen Dimethylether.
  • Wie obenstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert können die einzelnen Bestandteile des Ammoniak-Dimethylether-Gemisches in ihrer Reinform von Vorteil sein und auch das Vorhalten und Nachfüllenspezifischer Tanks für alternative Stoffe (bspw. Harnstoff für SCR-Katalysation oder zweiter Kraftstoff für eine Voreinspritzung) erübrigen.
  • Die Separationseinheit kann dabei mithilfe von einer Membran die beiden Bestandteile des Gemisches voneinander trennen, wobei hierfür vorzugsweise das Gemisch in einem gasförmigen Zustand vorliegt. Es kann demnach vorgesehen sein, dass die Separationseinheit die Bestandteile des Gemisches mithilfe einer Trennmembran trennt. Für das Überführen in den gasförmigen Zustand kann ein Druckminderer vorgesehen sein.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Separation der beiden Bestandteile auch dann erfolgreich durchgeführt werden kann, wenn der Kraftstoff in einem flüssigen Zustand vorliegt. Hier wird dann auf das Prinzip der Umkehrosmose zurückgegriffen, sodass eine Überführung des flüssigen Kraftstoffs in die Gasform nicht erforderlich ist.
  • Es kann demnach vorgesehen sein, dass die Separationseinheit die Bestandteile des Gemisches mithilfe von Umkehrosmose trennt, wobei das Gemisch hierbei im flüssigen Zustand vorliegen kann..
  • Darüber hinaus kann nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine ferner mit einem Speicher für Dimethylether versehen ist, der von der Separationseinheit gespeist und eine mit der Kraftstoffleitung verbundene Ausgangsleitung aufweist, wobei vorzugsweise über ein Zuführventil die Menge an in die Kraftstoffleitung einzuführender Dimethylether regelbar ist.
  • Alternativ kann dabei auch vorgesehen sein, dass von dem Speicher für Dimethylether eine separate Leitung zur Zuführung in dem Brennraum vorgesehen ist.
  • So kann immer eine ausreichende Menge an Dimethylether vorgehalten werden, das als selbst-zündfähiger Kraftstoff für eine Voreinspritzung Verwendung finden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine ferner mit einem Speicher für Ammoniak versehen ist, der von der Separationseinheit gespeist und eine mit einem Katalysator, insbesondere einem SCR-Katalysator, verbundene Ausgangsleitung aufweist, wobei der Katalysator dazu dient, ein vom Brennraum abgegebenes Abgas zu reinigen, vorzugsweise hinsichtlich der NOx-Emissionen.
  • Das Vorhalten von Ammoniak kann für eine selektive katalytische Reduktion im Katalysator genutzt werden. Das Zuführen eines weiteren Stoffs neben dem Kraftstoff an sich ist dabei nicht mehr erforderlich, da Ammoniak aus dem Gemisch erzeugt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist daher eine weitere Einfüllöffnung nicht erforderlich, wobei auch kein separates Auffüllen eines solchen Additivs (Harnstoff, marktübliche Bezeichnung u.a. AddBlue) beim Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine beachtet werden muss
    Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine mit einer Abscheidereinheit versehen ist, die in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein bei der Verbrennung des Gemisches anfallendes Distickstoffmonoxid abzuschneiden, wobei vorzugsweise ein Gaszwischenspeicher vorgesehen ist, um das abgeschiedene Distickstoffmonoxid zwischenzuspeichern und bei Bedarf in den Brennraum zurückzuführen.
  • Bei der Verbrennung von Ammoniak bzw. dem azeotropen Gemisch von Ammoniak und Dimethylether fällt Distickstoffmonoxid an, das aus dem Abgas abgeschieden werden kann und, bei Bedarf, in dem Brennraum zurückgeführt werden kann, um so eine Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine zu erreichen.
  • Nach einer vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine ferner mit einer Steuereinheit versehen ist, die dazu ausgelegt ist, zum Ausführen eines Verbrennvorgangs in dem Brennraum zunächst den über die Separationseinheit gewonnenen Dimethylether einzuspritzen, um damit eine selbst-zündfähige Voreinspritzung zu bilden, mit Hilfe derer eine Entflammung des nachfolgend eingespritzten Gemisches (Ammoniak, DME und evtl. Luft) erfolgt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Gemisches aus Ammoniak und Dimethylether als Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Gemisch aus 55-65 %, vorzugsweise 60 %, Ammoniak und 35-45 %, vorzugsweise 40 %, Dimethylether besteht und bevorzugterweise aus R-723 besteht.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt:
    • Fig. 1:
    eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
  • Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1. Der Kraftstofftank 2 ist dabei mit einem Gemisch aus Ammoniak und Dimethylether gefüllt, das über eine Kraftstoffzuführleitung 3 in mindestens einen Brennraum 4 eingeführt wird. In dem Brennraum 4 wird dann das nicht selbst-zündfähige Gemisch entflammt und zum Antrieb eines Kolbens verwendet. Das verbrannte Gemisch wird im Anschluss daran über eine Abgasleitung 13 aus dem Brennraum 4 ausgeleitet, sodass der Brennraum 4 für ein erneutes Zuführen des Ammoniak-Dimethylether-Gemisches zur Verfügung steht. Dem Fachmann ist klar, dass zum Entflammen in den Brennraum 4 beispielsweise eine Zündkerze vorgesehen sein kann oder auch vorab ein selbst-zündfähiges Gemisch mithilfe einer Kompression des Kolbens zur Zündung gebracht werden kann, sodass ein nachfolgend eingeführtes nicht selbst-zündfähiges Gemisch (in diesem Fall Ammoniak und Dimethylether) durch die Entzündung des selbst-zündfähigen Gemisches entflammt werden kann.
  • Mit dem Kraftstofftank 2 steht darüber hinaus auch eine Separationseinheit 5 in Verbindung, die dazu ausgelegt ist, die einzelnen Bestandteile des in dem Kraftstofftank 2 enthaltenen Gemisches aufzutrennen, sodass diese für vorteilhafte in Verbindung mit der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung stehende Aufgaben genutzt werden können. Die Separationseinheit 5 trennt also die einzelnen Bestandteile Ammoniak und Dimethylether und führt diese an einen jeweiligen Speicher 6, 9 zu.
  • Der Speicher 6 für Dimethylether besitzt dabei eine mit der Kraftstoffzuführleitung 3 in Verbindung stehende Ausgangsleitung 7, sodass es auch möglich ist, reines Dimethylether in den Brennraum 4 einzuführen. Da reines Dimethylether selbst-zündfähig ist, kann auf diese Art und Weise zunächst das selbst-zündfähige Dimethylether einem Brennraum 4 eingebracht werden, sodass ein nachfolgend eingebrachtes Gemisch aus dem Kraftstofftank 2 aufgrund einer (bspw. durch Kompression hervorgerufenen) Entzündung des reinen Dimethylethers entflammt wird. Das separate Betanken der Brennkraftmaschine mit einem eigenen, selbst-zündfähigen Kraftstoff ist daher nicht erforderlich, sodass der Bedienungsaufwand der Brennkraftmaschine reduziert wird.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Speicher für Dimethylether 6 über ein Zuführventil 8 mit der Kraftstoffzuführleitung 3 verbunden ist, sodass zu gewünschten Zeitpunkten der Brennraum 4 mit reinem Dimethylether befüllt wird.
  • Stromabwärts des Zuführventils 8 können die dem Fachmann bekannten Komponenten zur Filterung und Druckbeaufschlagung eines in dem Brennraum 4 einzuführenden Fluids angeordnet sein. So kann das in den Brennraum 4 einzuführende Fluid zunächst durch einen Vorfilter 15 laufen, bevor es durch eine erste Förderpumpe 16 auf ein Zwischendruckniveau gebracht wird. Typischerweise erfolgt dann das Hindurchführen durch einen weiteren Filter 17, bevor das in den Brennraum 4 einzuführende Fluid mittels einer Hochdruckpumpe 18 auf das finale Druckniveau gebracht wird. Von der Hochdruckpumpe 18 gibt es auch eine Fluidverbindung zurück zum Kraftstofftank 2, sodass eine an der Hochdruckpumpe 18 auftretende Leckage zurückgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist aber auch möglich, dass dann, wenn unter hohem Druck stehender Kraftstoff (Ammoniak-Dimethylether Gemisch oder reines Dimethylether) zur Verfügung steht, jedoch im Brennraum 4 nicht gebraucht wird, dieser einfach zurück in den Kraftstofftank 2 geführt wird.
  • Ausgehend von der Separationseinheit 5 gibt es auch einen Speicher 9 für Ammoniak, der über eine Ausgangsleitung 11 verfügt, die zu einer Einheit für eine Abgasnachbehandlung 10, 12 führt.
  • In der Abgasleitung 13 ist stromabwärts des Brennraums 4 eine Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen, beispielsweise in Form eines Katalysators 10, die dazu ausgelegt ist, Schadstoffe aus dem Abgasstrom herauszufiltern. Die Abgasnachbehandlungseinheit kann dabei eine selektive katalytische Reduktion vornehmen, um NOx-Schadstoffe zu verringern.
  • Dem Fachmann ist bekannt, dass bei einer solchen selektiven katalytischen Reduktion Ammoniak erforderlich ist, der bei herkömmlichen Anwendungen durch Thermo- und Hydrolyse aus Harnstoff gewonnen wird. So wird der Nutzer dazu aufgefordert, dafür Sorge zu tragen, nach einem gewissen Zeitintervall auch diesen Harnstoff (Markenname: bspw. AddBlue) nachzutanken, um die selektive katalytische Reduktion weiter betreiben zu können. Hierfür ist im Bereich der Kraftstofftanköffnung typischerweise ein weiterer, kleinerer Öffnungsbereich vorgesehen, über den der Harnstoff in einen separaten Tank gefüllt werden kann.
  • Das Vorhalten eines separaten Öffnungsbereichs für das zuführen von Harnstoff oder eines für die selektive katalytische Reduktion erforderlichen mittels kann nach der vorliegenden Erfindung entfallen, da der hierfür erforderliche Ammoniak aus dem Kraftstoffgemisch direkt erzeugt werden kann.
  • Darüber hinaus erkennt man in Fig. 1 eine von der Abgasnachbehandlungseinheit 10, 12 zu den Brennraum 4 gerichtete Rückführungsleitung, die über einen Tank 14 für Lachgas (N2O) verfügt. Die Abgasnachbehandlungseinheit kann nämlich weiter eine Abscheidereinheit 12 umfassen, die das im Abgas enthaltene Lachgas aus dem Abgasstrom herausfiltert und in den Tank 14 für Lachgas einführt. Von dort aus kann es dann bei Bedarf direkt in den Brennraum 4 eingeführt werden, sodass die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht werden kann. Das Wirkprinzip einer Lachgaseinspritzung ist aus dem Rennsport bekannt, wobei dort das einzuspritzende Lachgas jedoch nicht aus dem Abgasstrom stammt, sondern in davon unabhängigen Tanks eigens vorgehalten wird.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Kraftstofftank
    3
    Kraftstoffzuführleitung
    4
    Brennraum
    5
    Separationseinheit
    6
    Speicher für Dimethylether
    7
    Ausgangsleitung
    8
    Zuführventil
    9
    Speicher für Ammoniak
    10
    Katalysator
    11
    Ausgangsleitung
    12
    Abscheidereinheit
    13
    Abgasleitung
    14
    Gaszwischenspeicher
    15
    Vorfilter
    16
    Vor-Förderpumpe
    17
    Filter
    18
    Hochdruckpumpe

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Gemisch aus oder enthaltend Ammoniak und Dimethylether, umfassend die Schritte:
    Einführen, insbesondere Einspritzen bzw. Einblasen des verflüssigten oder gasförmigen Gemisches in einen Brennraum (4),
    Entzünden des in dem Brennraum (4) eingeführten Gemisches, und
    Nutzen der Expansion des entzündeten Gemisches zum Antrieb der Brennkraftmaschine (1),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zum Entzünden des eingeführten Gemisches in dem Brennraum (4) vorab eine Voreinspritzung mit einem selbstzündenden Kraftstoff erfolgt, sodass eine Entflammung der Voreinspritzung zu einem Entzünden des nachfolgend eingespritzten Gemisches führt, wobei
    die Voreinspritzung mit Dimethylether erfolgt, das aus dem verflüssigten oder gasförmigen Gemisch von Ammoniak und Dimethylether separiert worden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gemisch ein azeotropes Gemisch ist, und/oder aus 55-65 %, vorzugsweise 60 %, Ammoniak und 35-45 %, vorzugsweise 40 %, Dimethylether besteht bzw. umfasst und bevorzugterweise aus einer Mischung von Ammoniak und Dimethylether im Verhältnis von 60:40 besteht.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Entzünden des eingespritzten oder eingeblasenen Gemisches in dem Brennraum (4) eine Zündkerze vorgesehen ist, die das Gemisch entzündet.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der selbstzündende Kraftstoff Dimethylether oder Diesel und Dimethylether enthält bzw. hieraus besteht.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 4, wobei die Voreinspritzung über die identische Zuführung wie das Gemisch, aber zeitlich vor dieser, in die Brennkammer eingebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verflüssigte oder gasförmige Gemisch vor einem Einspritzen in einen Brennraum (4) auf einen Einspritzdruck von mehr als 500 bar, vorzugsweise mehr als 700 bar und bevorzugterweise mehr als 900 bar gebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein nach einem Entzünden des eingeführten Gemisches in dem Brennraum (4) entstandene Abgas einer Abgasnachbehandlung unterzogen wird, bei der Ammoniak verwendet wird.
  8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 7, wobei der bei der Abgasnachbehandlung verwendete Ammoniak aus dem verflüssigten oder gasförmigen Gemisch von Ammoniak und Dimethylether separiert worden ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt:
    vor dem Schritt des Einführens in den Brennraum (4); Verflüssigen des Gemisches durch Erzeugen eines Überdrucks, vorzugsweise durch einen Überdruck von mindestens 5 bar, bevorzugterweise 8 bar, und besonders bevorzugterweise 9 bar und einem Überdruck von höchstens 60 bar, bevorzugterweise höchstens 20 bar, und besonders bevorzugterweise höchstens 10 bar.
  10. Brennkraftmaschine (1) zum Betreiben mit einem Gemisch aus oder enthaltend Ammoniak und Dimethylether, umfassend:
    einen Kraftstofftank (2) zum Aufnehmen des Gemisches in flüssigem oder gasförmigen Zustand bei einem Überdruck, vorzugsweise bei einem Überdruck von mindestens 5 bar, bevorzugterweise 8 bar, und besonders bevorzugterweise 9 bar und einem Überdruck von höchstens 60 bar, bevorzugterweise 20 bar, und besonders bevorzugterweise 10 bar, und
    eine Kraftstoffzuführleitung (3), die den Kraftstofftank (2) mit einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) verbindet und dazu dient, das in dem Kraftstofftank (2) befindlichen Gemisch in den Brennraum (4) einzuführen,
    gekennzeichnet durch
    eine mit dem Kraftstofftank (2) verbundene Separationseinheit (5) zum Separieren der Bestandteile des Gemisches in reines Ammoniak und reinen Dimethylether.
  11. Brennkraftmaschine (1) nach dem vorhergehenden Anspruch 10, ferner mit einem Speicher (6) für Dimethylether, der von der Separationseinheit (5) gespeist und eine mit der Kraftstoffzuführleitung (3) verbundene Ausgangsleitung (7) aufweist.
  12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, wobei über ein Zuführventil (8) die Menge an in die Kraftstoffzuführleitung (3) einzuführender Dimethylether regelbar ist.
  13. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10, 11 oder 12, ferner mit einem Speicher (9) für Ammoniak, der von der Separationseinheit (5) gespeist und eine mit einem Katalysator (10), insbesondere einem SCR-Katalysator, verbundene Ausgangsleitung (11) aufweist, wobei der Katalysator (10) dazu dient, ein vom Brennraum (4) abgegebenes Abgas zu reinigen, vorzugsweise hinsichtlich der NOx-Emissionen.
  14. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10-13, fortgebildet mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ferner mit einer Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, zum Ausführen eines Verbrennvorgangs in dem Brennraum (4) zunächst den über die Separationseinheit (5) gewonnenen Dimethylether einzuspritzen, um damit eine selbst-zündfähige Voreinspritzung zu bilden, mit Hilfe derer eine Entflammung des nachfolgend eingespritzten Gemisches erfolgt.
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