EP4386191A1 - Verfahren zum betreiben eines ammoniakverbrennungsmotors, ammoniakverbrennungsmotor und mobile oder stationäre anlage - Google Patents

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EP4386191A1
EP4386191A1 EP23213038.5A EP23213038A EP4386191A1 EP 4386191 A1 EP4386191 A1 EP 4386191A1 EP 23213038 A EP23213038 A EP 23213038A EP 4386191 A1 EP4386191 A1 EP 4386191A1
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EP
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ammonia
combustion engine
molar ratio
combustion chamber
exhaust gas
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Pending
Application number
EP23213038.5A
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French (fr)
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Dominik Gschwend
Felix SEITZ
Christian LIEBER
Simon Schiegg
Jan TE HEESEN
Daniel PEITZ
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Hug Engineering AG
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Hug Engineering AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an ammonia combustion engine, an ammonia combustion engine and a mobile or stationary system comprising an ammonia combustion engine.
  • Ammonia combustion engines are combustion engines that use ammonia as fuel and represent an alternative to "classic" combustion engines that use hydrocarbons such as natural gas, gasoline or diesel as fuel.
  • the use of ammonia combustion engines is particularly desirable when hydrocarbons from fossil sources are at least partially replaced by ammonia with a lower CO2 footprint as fuel. This is an advantage even if fuels other than ammonia are still used to ignite or burn the ammonia.
  • many ammonia combustion engines are multi-fuel capable, meaning they can continue to be operated with other fuels in addition to ammonia.
  • ammonia combustion engines produce exhaust gas streams that are fundamentally different from those produced in a conventional combustion engine.
  • the problem here is that, depending on the operating point, design and tuning of the ammonia combustion engine, an exhaust gas stream is produced that may contain an excess of nitrogen oxides (NO x ) or ammonia (NH 3 ).
  • NO x nitrogen oxides
  • NH 3 ammonia
  • the object of the invention is to provide a way to reduce the complexity and/or costs of exhaust aftertreatment of an exhaust gas stream generated in an ammonia combustion engine.
  • the object is achieved according to the invention by a method for operating an ammonia combustion engine with a combustion chamber and an injection device which is in flow connection with the combustion chamber and with which ammonia can be metered into the combustion chamber, wherein ammonia is metered into the combustion chamber in such a way that an exhaust gas flow generated by the ammonia combustion engine has a predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides regardless of the current operating point of the ammonia combustion engine.
  • the "operating point" of the ammonia combustion engine refers to a specific point in the characteristic map of the respective ammonia combustion engine. Accordingly, the current operating point is the point in the characteristic map of the ammonia combustion engine that exists at the current point in time. The current operating point is therefore also an expression of the combustion conditions in the ammonia combustion engine.
  • molar ratio refers to the molar ratio of ammonia to nitrogen oxides, unless otherwise stated.
  • the invention is based on the basic idea of actively controlling or adjusting the molar ratio in the exhaust gas flow generated in such a way that a previously determined and thus sufficiently known molar ratio of ammonia to nitrogen oxides is generated in the exhaust gas flow at all times.
  • an exhaust gas aftertreatment system downstream of the ammonia combustion engine only needs to be adjusted or aligned to the predetermined molar ratio, which minimizes the complexity and structure and thus the costs of the exhaust gas aftertreatment system.
  • the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides refers in particular to the molar ratio of ammonia to nitrogen oxides in the exhaust gas flow at an outlet of the ammonia combustion engine, for example at the end of a discharge line of the ammonia combustion engine that is in flow connection with the combustion chamber.
  • the predetermined molar ratio is in particular the molar ratio of ammonia to nitrogen oxides that the exhaust gas flow generated by the ammonia combustion engine has before treatment with an exhaust gas aftertreatment system downstream of the ammonia combustion engine.
  • the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides is the molar ratio of ammonia to nitrogen oxides that the exhaust gas stream has before the exhaust gas stream is treated in an actively controlled component of the exhaust gas aftertreatment system downstream of the ammonia combustion engine. Passive components of the exhaust gas aftertreatment system can therefore already have treated the exhaust gas stream.
  • the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides (R) is in the range from R:1 to 1.1 ⁇ R:1, where R denotes a planned NO x reduction rate.
  • R denotes a planned NO x reduction rate.
  • the predetermined molar ratio is a maximum of 1.1 times the planned NO x reduction rate. If the planned NO x reduction rate is, for example, 80%, the predetermined molar ratio can be in the range from 0.8:1 to 0.88:1.
  • the planned NO x reduction rate R can accordingly be less than 100%, for example in the range from 80% to less than 100%.
  • the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides is 1:1 or higher.
  • the predetermined molar ratio is in the range of 1:1 to 1.5:1.
  • an excess of ammonia is chosen in comparison to the nitrogen oxide content in the exhaust gas flow, or at least a balance between ammonia and the nitrogen oxides to be reduced.
  • a so-called “ammonia slip” can be used in a targeted manner. It has been shown that particularly advantageous operating points of ammonia combustion engines can be used if an ammonia slip in the exhaust gas flow is accepted.
  • Another advantage of an ammonia slip in the exhaust gas flow is that in a downstream exhaust gas aftertreatment system, additional dosing systems for adding ammonia to the exhaust gas flow can be dispensed with or a dosing area of the exhaust gas aftertreatment system of the additional dosing system can at least be minimized.
  • Such dosing systems are necessary if there is an excess of nitrogen oxides in the exhaust gas flow in order to convert them into nitrogen and water. This means that the complexity, costs and space requirements of the The cost of the exhaust aftertreatment system can be further reduced because either a dosing system can be dispensed with completely or at least more cost-effective dosing systems with smaller dosing ranges and/or simpler components can be provided.
  • the exhaust gas stream also contains nitrous oxide (N 2 O).
  • Nitrous oxide is a by-product that occurs at at least some operating points of an ammonia combustion engine and has a greenhouse gas potential that is more than 250 times the greenhouse gas potential of carbon dioxide over a time horizon of 100 years. It is therefore crucial that nitrous oxide contained in the exhaust gas stream is reliably converted from the exhaust gas stream in the exhaust gas aftertreatment system.
  • the predetermined molar ratio can be selected such that the predetermined molar ratio is not optimized for ammonia and nitrogen oxide exhaust gas aftertreatment, but is optimized for removing nitrous oxide from the exhaust gas stream.
  • This can be achieved by a molar ratio of ammonia to nitrogen oxides in the exhaust gas stream that is matched to an N 2 O decomposition catalyst arranged in the exhaust gas aftertreatment system, so that the N 2 O decomposition catalyst achieves an optimized conversion rate and selectivity.
  • the threshold value is set in such a way that if there is a deviation of more than 5% between the expected molar ratio and the predetermined molar ratio, the dosed amount of ammonia is adjusted.
  • Steps a) to d) can be carried out in a control unit of the ammonia combustion engine, whereby the threshold value is stored in the control unit.
  • steps a) to d) are repeated continuously so that any excessive deviations from the predetermined molar ratio can be detected promptly and compensated with minimal time delay.
  • continuously repeated means that between two repetitions of the respective procedural steps, only the time period absolutely necessary for carrying out the subsequent procedural steps is observed.
  • the expected molar ratio is determined in particular on the basis of a data set stored in a control unit of the ammonia combustion engine, wherein the data set is based at least on operating information on the behavior of the ammonia combustion engine.
  • the operating information on the behavior of the ammonia combustion engine may include at least one of the following information: amount of ammonia dosed into the combustion chamber per unit of time, total amount of ammonia dosed into the combustion chamber in a combustion cycle, temporal distribution of the amount of ammonia dosed into the combustion chamber, charge air pressure, temperature, relative humidity, air-fuel ratio and ignition pressure.
  • the stored data set thus represents a "mapping" of the behavior of the ammonia combustion engine.
  • the expected molar ratio can be determined completely passively using the stored data set, i.e. no additional actively measured parameters need to be included in the determination of the expected molar ratio. This is particularly advantageous if the behavior of the ammonia combustion engine is sufficiently known at all relevant operating points and can be described with sufficient accuracy using the operating information stored in the stored data set.
  • the ammonia combustion engine can have at least one sensor that samples the exhaust gas flow generated, with the expected molar ratio being determined based on the sensor measurement data generated by the sensor during sampling.
  • the dosage of ammonia into the combustion chamber of the exhaust gas aftertreatment system can be adjusted in a "closed loop" process based on the sensor measurement data generated.
  • control unit can have a machine learning module that is designed to adapt the at least one piece of operating information based on the sensor measurement data generated by the at least one sensor. In this way, deviations detected during use of the ammonia combustion engine can be taken into account, so that the expected molar ratio of ammonia to nitrogen oxides can be determined reliably and precisely at any time.
  • the at least one sensor can be arranged both at a location in the exhaust gas stream at which the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides must be present, and at a location that only allows a conclusion to be drawn about the actual molar ratio of ammonia to nitrogen oxides at another location in the exhaust gas stream at which the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides must be present.
  • At least one of the sensors is arranged in an exhaust aftertreatment system associated with the ammonia combustion engine.
  • the amount of ammonia dosed into the combustion chamber is selected via charging and/or purging of the combustion chamber, in particular via valve overlap of the ammonia combustion engine.
  • the injection device is a direct injection device and ammonia is dosed into the combustion chamber in a modified injection.
  • a modified injection can be realized by a longer duration of the main injection, a multiple injection or an additional post-injection.
  • the timing of the post-injection is chosen so that at least the total amount of ammonia dosed in the post-injection is no longer converted in the current stroke or combustion cycle of the ammonia combustion engine, i.e. at a time when the main combustion of fuel in the current stroke or combustion cycle of the ammonia combustion engine is completely completed or almost completed.
  • the ammonia dosed via the post-injection therefore no longer functions as fuel, at least in part, but as a chemical to optimize or simplify the exhaust gas aftertreatment of the exhaust gas flow generated in the combustion chamber.
  • Analogous post-injection processes are well known from diesel engines, for example.
  • the fuel present in the combustion chamber is ignited in particular by means of an ignition jet.
  • an ignition jet can be used to control the dosage of ammonia in the combustion chamber and the predetermined molar ratio present in the generated exhaust gas flow at the current operating point even better.
  • ammonia combustion engine with a combustion chamber and an injection device which is in flow connection with the combustion chamber and with which ammonia can be metered into the combustion chamber, wherein the ammonia combustion engine is designed to carry out the method as described above.
  • a mobile or stationary system comprising an ammonia combustion engine as described above and an exhaust gas aftertreatment system in flow connection with the ammonia combustion engine for treating the exhaust gas stream generated by the ammonia combustion engine.
  • the mobile plant can be a vehicle such as a land vehicle or a watercraft, for example a ship.
  • the land vehicle can be road or rail-based.
  • the stationary plant can be a power plant for producing electricity, heat and/or cold. It is also possible that the stationary plant is a compression plant, a pump or a plant for the stationary direct drive of mechanical processes.
  • a mobile or stationary system 10 according to the invention is shown, which in the embodiment shown is a vehicle, specifically a watercraft, namely a cargo ship.
  • the mobile or stationary system 10 according to the invention can in principle also be another watercraft or a land vehicle, for example a road-bound vehicle or a rail-bound vehicle. It is also possible for the mobile or stationary system 10 according to the invention to be a power plant.
  • the vehicle is powered by an ammonia combustion engine 12, i.e. an engine that uses ammonia (NH 3 ) as fuel and converts it with oxygen (O 2 ).
  • an ammonia combustion engine 12 i.e. an engine that uses ammonia (NH 3 ) as fuel and converts it with oxygen (O 2 ).
  • Oxygen is contained in the ambient air of the ammonia combustion engine 12, which can be used directly to burn ammonia.
  • the exhaust gas stream generated during this combustion process may contain, in addition to the desired conversion products nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O), unreacted ammonia and nitrogen oxides (NO x ), which must be removed from the exhaust gas stream before it is released into the environment.
  • the exhaust gas stream generated is therefore treated with an exhaust gas aftertreatment system 14 assigned to the ammonia combustion engine 12.
  • Fig.2 shows further details of the ammonia combustion engine 12 according to the invention and the exhaust gas aftertreatment system 14.
  • the ammonia combustion engine 12 has a cylinder 15 having a combustion chamber 16 and including a piston 18 movably disposed within the cylinder 15 and connected to a crankshaft (not shown).
  • Fresh air can be supplied to the combustion chamber 16 from an air supply 24 via an air supply line 20 and an air inlet valve 22.
  • the air supply 24 is thus in flow connection with the combustion chamber 16.
  • Ammonia can be metered into the combustion chamber 16 by means of an injection device 26, wherein the injection device 26 comprises an injection nozzle 28 and an injection control unit 30, which are in flow connection with one another.
  • the injection control unit 30 is supplied via an ammonia supply line 32 by means of a pump 34 from a tank 36 in which ammonia is stored.
  • the embodiment shown is a direct injection system in which air and ammonia are metered directly into the combustion chamber 16. It is understood that different designs of the ammonia combustion engine 12 can also be used. For example, an upstream mixing chamber can be provided in which ammonia and air are mixed to form an ammonia-air mixture and the ammonia-air mixture is metered into the combustion chamber 16.
  • An embodiment of the ammonia combustion engine 12 can also be provided in which the ammonia-air mixture present in the combustion chamber 16 is ignited by means of an ignition jet.
  • the exhaust gas generated within the combustion chamber 16 is guided as an exhaust gas flow via an outlet valve 38 into a discharge line 40 of the ammonia combustion engine 12 and from there to the exhaust gas aftertreatment system 14, as in Fig.2 indicated by an arrow P.
  • the exhaust aftertreatment system 14 has a first catalyst unit 42, a second catalyst unit 44 and a third catalyst unit 46, which are arranged in the order mentioned in the flow direction of the exhaust gas flow.
  • the type and function of the catalyst units 42, 44 and 46 is geared to the expected chemical composition of the exhaust gas stream in order to convert nitrogen oxides and ammonia contained in the exhaust gas stream into nitrogen and water.
  • the first catalyst unit 42 is a first SCR catalyst
  • the second catalyst unit 44 is an oxidation catalyst for breaking down ammonia
  • the third catalyst unit 46 is a second SCR catalyst.
  • the exhaust aftertreatment system 14 may also include a different number of and/or other types of catalyst units, for example additionally an N 2 O decomposition catalyst that converts nitrous oxide (N 2 O) contained in the exhaust gas stream into nitrogen and oxygen.
  • N 2 O decomposition catalyst that converts nitrous oxide (N 2 O) contained in the exhaust gas stream into nitrogen and oxygen.
  • the ammonia combustion engine 12 further comprises a control unit 48 which is configured to control the injection control unit 30 and thus is configured to regulate the amount of ammonia injected into the combustion chamber 16.
  • the control unit 48 comprises a memory module 50 in which operating information on the behavior of the ammonia combustion engine 12 is stored.
  • control unit 48 has a machine learning module 52, the function of which will be discussed later.
  • the control unit 48 is connected to sensors 54, 56 and 58 for signal transmission, with the sensor 54 being connected to the ammonia combustion engine 12 , namely the discharge line 40, and the sensors 56 and 58 are assigned to the exhaust gas aftertreatment system 14.
  • the sensor 56 is arranged, viewed along the flow direction of the exhaust gas flow, upstream of the first catalyst unit 42 and the sensor 58 is arranged between the first catalyst unit 42 and the second catalyst unit 44.
  • the sensors 54, 56 and 58 sample the exhaust gas stream, whereby the resulting sensor measurement data from the sensors 54, 56 and 58 can be used to determine the molar ratio of ammonia to nitrogen oxides in the exhaust gas stream at the location of the respective sensor 54, 56 or 58.
  • ammonia as a fuel is reacted with air within the combustion chamber 16.
  • the chemical composition of the exhaust gas generated during the reaction, and thus the chemical composition of the exhaust gas stream discharged via the discharge line 40, is generally dependent on the current operating point of the ammonia combustion engine 12, for example on the currently prevailing load conditions.
  • the metering of ammonia via the injection device 26 is carried out in such a way that the molar ratio of ammonia to nitrogen oxides in the exhaust gas stream corresponds to a predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides.
  • the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides is 1:1 or higher and is in particular in the range from 1:1 to 1.5:1, so that an equimolar ratio between ammonia and nitrogen oxides or an excess of ammonia is present at all times. It is also possible to aim for a significant excess of ammonia by making the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides 2:1 or higher, for example in the range from 2:1 to 10:1.
  • the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides (R) is in the range of R:1 to 1.1 ⁇ R:1, where R denotes a designated NO x reduction rate. If the designated For example, if the NO x reduction rate is 80%, the predetermined molar ratio may be in the range of 0.8:1 to 0.88:1.
  • the predetermined molar ratio is selected such that a N 2 O decomposition catalyst used in the exhaust aftertreatment system 14 achieves an optimized conversion rate and selectivity.
  • the exhaust aftertreatment system 14 can thus be designed such that only exhaust gas streams with the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides have to be handled.
  • the current operating point of the ammonia combustion engine 12 is determined, that is, the point in the characteristic map of the ammonia combustion engine 12 that reflects the currently prevailing load conditions.
  • the expected molar ratio of ammonia to nitrogen oxides can be determined using the data set stored in the storage module 50.
  • the data set is based on at least one item of operating information on the behavior of the ammonia combustion engine.
  • the operating information may include one or more of the following: amount of ammonia dosed into the combustion chamber per unit of time, total amount of ammonia dosed into the combustion chamber in a combustion cycle, temporal distribution of the amount of ammonia dosed into the combustion chamber, charge air pressure, temperature, relative humidity, air-fuel ratio and ignition pressure.
  • the dosage of ammonia in the combustion chamber 16 is adjusted such that the exhaust gas flow has the required predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen.
  • control unit 48 can additionally access the sensor measurement data collected by the sensors 54, 56 and 58.
  • the sensor 54 provides information on the composition of the exhaust gas flow directly after it has left the combustion chamber 16.
  • the sensor 56 makes it possible to determine the composition of the exhaust gas flow at the beginning of the exhaust aftertreatment system 14, i.e. before the exhaust gas flow has been treated by one of the catalyst units 42, 44 and 46.
  • the sensor 58 provides information on the composition of the exhaust gas stream after the exhaust gas stream has already passed through the first catalyst unit 42.
  • the expected molar ratio of ammonia to nitrogen oxides at another location within the discharge line 40 and/or the exhaust gas aftertreatment system 14 is determined in the control unit 48 solely on the basis of the sensor measurement data.
  • the expected molar ratio of ammonia to nitrogen can also be determined based only on the data set or only on the collected sensor measurement data. Fewer or more sensors can also be used than in Fig.2 shown.
  • control unit 48 can use the machine learning module 52 to update the operating information contained in the data set based on the sensor measurement data received from the sensors 54, 56 and 58, so that operating information can be provided at any time that optimally describes the real behavior of the ammonia combustion engine 12.
  • the determined expected molar ratio of ammonia to nitrogen oxides is then compared with the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides.
  • the amount of ammonia metered into the combustion chamber 16 via the injection device 26 is adjusted such that the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides is restored.
  • ammonia is post-injected into the combustion chamber 16 via the injection nozzle 28 in order to increase the proportion of ammonia in the exhaust gas stream.
  • the process steps described above can be repeated continuously in order to react at any time to changes in the current molar ratio of ammonia to nitrogen oxides and thus ensure particularly reliably that the predetermined molar ratio of ammonia to nitrogen oxides is achieved.
  • the method according to the invention makes it possible to generate a controlled composition of the exhaust gas flow at any time and in this way to minimize the complexity and operating costs of the exhaust gas aftertreatment system 14 without having to accept disadvantages in the quality of the exhaust gas aftertreatment.

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Abstract

In einem Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakverbrennungsmotors (12) mit einer Brennkammer (16) und einer mit der Brennkammer (16) in Strömungsverbindung stehenden Einspritzeinrichtung (26), mit der Ammoniak in die Brennkammer (16) dosierbar ist, wird Ammoniak derart in die Brennkammer (16) dosiert, dass ein vom Ammoniakverbrennungsmotor (12) erzeugter Abgasstrom unabhängig vom momentanen Betriebspunkt des Ammoniakverbrennungsmotors (12) ein vorbestimmtes Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden aufweist.
Ferner wird ein Ammoniakverbrennungsmotor (12) und eine mobile oder stationäre Anlage mit einem solchen Ammoniakverbrennungsmotor angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakverbrennungsmotors, einen Ammoniakverbrennungsmotor und eine mobile oder stationäre Anlage umfassend einen Ammoniakverbrennungsmotor.
  • Ammoniakverbrennungsmotoren sind Verbrennungsmotoren, die Ammoniak als Kraftstoff verwenden, und stellen eine Alternative zu "klassischen" Verbrennungsmotoren dar, die als Brennstoff Kohlenwasserstoffe wie Erdgas, Benzin oder Diesel einsetzen. Der Einsatz von Ammoniakverbrennungsmotoren ist insbesondere wünschenswert, wenn Kohlenwasserstoffe aus fossilen Quellen durch Ammoniak mit niedrigerem CO2-Fußabdruck als Brennstoff wenigstens teilweise ersetzt werden. Dies ist selbst dann von Vorteil, wenn weiterhin andere Brennstoffe als Ammoniak zur Zündung oder Verbrennung des Ammoniaks eingesetzt werden. Zudem sind viele Ammoniakverbrennungsmotoren mehrbrennstofffähig, können also neben Ammoniak auch weiterhin mit anderen Brennstoffen betrieben werden.
  • Jedoch erzeugen Ammoniakverbrennungsmotoren Abgasströme, die sich von denen, die in einem klassischen Verbrennungsmotor anfallen, grundlegend unterscheiden. Hierbei stellt sich das Problem, dass je nach Betriebspunkt, Auslegung und Tuning des Ammoniakverbrennungsmotors ein Abgasstrom erzeugt wird, der einen Überschuss an Stickoxiden (NOx) oder Ammoniak (NH3) aufweisen kann. Dies stellt hohe Anforderungen an nachgeschaltete Abgasnachbehandlungssysteme, da diese für beide Situationen ausgelegt werden müssen, wodurch die Komplexität und der Kostenaufwand für die Abgasnachbehandlung von Ammoniakverbrennungsmotoren hoch sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Komplexität und/oder die Kosten für die Abgasnachbehandlung eines in einem Ammoniakverbrennungsmotor erzeugten Abgasstromes zu reduzieren.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakverbrennungsmotors mit einer Brennkammer und einer mit der Brennkammer in Strömungsverbindung stehenden Einspritzeinrichtung, mit der Ammoniak in die Brennkammer dosierbar ist, wobei Ammoniak derart in die Brennkammer dosiert wird, dass ein vom Ammoniakverbrennungsmotor erzeugter Abgasstrom unabhängig vom momentanen Betriebspunkt des Ammoniakverbrennungsmotors ein vorbestimmtes Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden aufweist.
  • Der "Betriebspunkt" des Ammoniakverbrennungsmotors bezeichnet einen bestimmten Punkt im Kennfeld des jeweiligen Ammoniakverbrennungsmotors. Entsprechend ist der momentane Betriebspunkt derjenige Punkt im Kennfeld des Ammoniakverbrennungsmotors, der zum momentanen Zeitpunkt vorliegt. Der momentane Betriebspunkt ist somit auch ein Ausdruck für die Verbrennungsbedingungen im Ammoniakverbrennungsmotor.
  • Hier und im Folgenden bezieht sich der Begriff "Molverhältnis" auf das Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden, sofern nichts anderes erwähnt ist.
  • Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, das Molverhältnis im erzeugten Abgasstrom derart aktiv zu steuern bzw. einzustellen, dass jederzeit ein zuvor festgelegtes und somit hinreichend bekanntes Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden im Abgasstrom erzeugt wird. Auf diese Weise muss ein dem Ammoniakverbrennungsmotor nachgeschaltetes Abgasnachbehandlungssystem lediglich auf das vorbestimmte Molverhältnis abgestimmt bzw. ausgerichtet werden, wodurch sich die Komplexität und Aufbau und somit die Kosten des Abgasnachbehandlungssystems minimieren lässt.
  • Das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden bezeichnet insbesondere das Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden im Abgasstrom an einem Auslass des Ammoniakverbrennungsmotors, beispielsweise am Ende einer mit der Brennkammer in Strömungsverbindung stehenden Abfuhrleitung des Ammoniakverbrennungsmotors. Anders ausgedrückt ist das vorbestimmte Molverhältnis insbesondere dasjenige Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden, das der vom Ammoniakverbrennungsmotor erzeugte Abgasstrom vor der Behandlung mit einem dem Ammoniakverbrennungsmotor nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem aufweist.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass als vorbestimmtes Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden dasjenige Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden herangezogen wird, dass der Abgasstrom aufweist, bevor der Abgasstrom in einem aktiv gesteuerten Bestandteil des dem Ammoniakverbrennungsmotor nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystems behandelt wird. Somit können passiv arbeitende Bestandteile des Abgasnachbehandlungssystems den Abgasstrom bereits behandelt haben.
  • In einer Variante liegt das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden (R) im Bereich von R:1 bis 1,1×R:1, wobei R eine vorgesehene NOx-Reduktionsrate bezeichnet. Anders ausgedrückt beträgt das vorbestimmte Molverhältnis maximal das 1,1-fache der vorgesehenen NOx-Reduktionsrate. Beträgt die vorgesehene NOx-Reduktionsrate beispielsweise 80%, so kann das vorbestimmte Molverhältnis im Bereich von 0,8:1 bis 0,88:1 liegen. Die vorgesehene NOx-Reduktionsrate R kann entsprechend kleiner 100 % sein, beispielsweise im Bereich von 80% bis kleiner 100% liegen.
  • In einer anderen Variante beträgt das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden 1:1 oder höher. Insbesondere liegt das vorbestimmte Molverhältnis im Bereich von 1:1 bis 1,5:1.
  • In dieser Variante wird somit ein Überschuss von Ammoniak im Vergleich zum Gehalt an Stickoxiden im Abgasstrom gewählt oder wenigstens ein Gleichgewicht zwischen Ammoniak und den zu reduzierenden Stickoxiden. Anders ausgedrückt kann gezielt ein sogenannter "Ammoniakschlupf" genutzt werden. Es hat sich gezeigt, dass besonders vorteilhafte Betriebspunkte von Ammoniakverbrennungsmotoren genutzt werden können, wenn ein Ammoniakschlupf im Abgasstrom in Kauf genommen wird.
  • Vorteilhaft an einem Ammoniakschlupf im Abgasstrom ist zudem, dass in einem nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem auf zusätzliche Dosiersysteme zum Zudosieren von Ammoniak in den Abgasstrom verzichtet werden kann oder ein Dosierbereich des Abgasnachbehandlungssystems des zusätzlichen Dosiersystems zumindest minimiert werden kann. Derartige Dosiersysteme sind notwendig, wenn ein Überschuss an Stickoxiden im Abgasstrom vorliegen würde, um diese zu Stickstoff und Wasser umzusetzen. Somit können die Komplexität, die Kosten und der Platzbedarf des Abgasnachbehandlungssystems weiter reduziert werden, da entweder komplett auf ein Dosiersystem verzichtet werden oder zumindest kostengünstigere Dosiersysteme mit kleineren Dosierbereichen und/oder einfacheren Komponenten vorgesehen werden können.
  • Ferner ist es möglich, dass als vorbestimmtes Molverhältnis ein Molverhältnis gewählt wird, das für den Abbau von Lachgas optimiert eingestellt wird, da neben Ammoniak und Stickoxiden im Abgasstrom auch Lachgas (N2O) enthalten ist.
  • Lachgas ist ein an wenigstens einigen Betriebspunkten eines Ammoniakverbrennungsmotors anfallendes Nebenprodukt mit einem Treibhausgaspotential, das in einem Zeithorizont von 100 Jahren mehr als dem 250-fachen des Treibhausgaspotentials von Kohlenstoffdioxid entspricht. Somit ist es von entscheidender Bedeutung, dass im Abgasstrom enthaltenes Lachgas zuverlässig im Abgasnachbehandlungssystem aus dem Abgasstrom umgewandelt wird.
  • Zu diesem Zweck kann das vorbestimmte Molverhältnis derart gewählt werden, dass das vorbestimmte Molverhältnis zwar nicht optimiert für die Ammoniak- und Stickoxidabgasnachbehandlung ist, jedoch optimiert dafür, Lachgas aus dem Abgasstrom zu entfernen. Dies kann durch ein Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden im Abgasstrom erfolgen, das auf einen im Abgasnachbehandlungssystem angeordneten N2O-Zersetzungskatalysator abgestimmt wird, sodass der N2O-Zersertungskatalysator eine optimierte Umsetzungsrate und Selektivität erreicht.
  • In einer Variante umfasst das Verfahren folgende Schritte:
    1. a) Ermitteln des momentanen Betriebspunkts des Ammoniakverbrennungsmotors,
    2. b) Bestimmen eines erwarteten Molverhältnisses von Ammoniak zu Stickoxiden im erzeugten Abgasstrom am momentanen Betriebspunkt,
    3. c) Vergleichen des erwarteten Molverhältnisses mit dem vorbestimmten Molverhältnis, und
    4. d) Anpassen der in die Brennkammer über die Einspritzeinrichtung dosierten Menge an Ammoniak, falls das erwartete Molverhältnis um mehr als einen Schwellenwert vom vorbestimmten Molverhältnis abweicht.
  • Der Schwellenwert ist insbesondere derart festgelegt, dass bei einer Abweichung von mehr als 5 % zwischen erwartetem Molverhältnis und vorbestimmten Molverhältnis die dosierte Menge an Ammoniak angepasst wird.
  • Die Schritte a) bis d) können in einer Kontrolleinheit des Ammoniakverbrennungsmotors ausgeführt werden, wobei in der Kontrolleinheit der Schwellenwert hinterlegt ist.
  • Bevorzugt werden die Schritte a) bis d) kontinuierlich wiederholt, sodass etwaige übermäßige Abweichungen vom vorbestimmten Molverhältnis zeitnah erkannt und noch mit minimalem Zeitverzug ausgeglichen werden können.
  • "Kontinuierlich wiederholt" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen zwei Wiederholungen der jeweiligen Verfahrensschritte lediglich die für die Durchführung der weiteren Verfahrensschritte zwingend benötigte Zeitdauer eingehalten wird.
  • Das erwartete Molverhältnis wird insbesondere anhand eines in einer Kontrolleinheit des Ammoniakverbrennungsmotors hinterlegten Datensatzes ermittelt, wobei der Datensatz wenigstens auf einer Betriebsinformation zum Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors basiert.
  • Zu den Betriebsinformationen zum Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors (auch als Motorbetriebsparameter bezeichnet) kann wenigstens eine der folgenden Informationen gehören: Menge an pro Zeiteinheit in die Brennkammer dosierten Ammoniaks, Gesamtmenge an in einem Verbrennungszyklus in die Brennkammer dosierten Menge an Ammoniak, zeitliche Verteilung der in die Brennkammer dosierten Menge an Ammoniak, Ladeluftdruck, Temperatur, relative Luftfeuchte, Luft-Brennstoff-Verhältnis und Zünddruck.
  • Der hinterlegte Datensatz stellt somit ein "Mapping" des Verhaltens des Ammoniakverbrennungsmotors dar. Je umfangreicher der hinterlegte Datensatz ausgestaltet wird, desto genauer kann das erwartete Molverhältnis basierend auf dem Datensatz ermittelt werden.
  • Insbesondere kann das erwartete Molverhältnis anhand des hinterlegten Datensatzes vollständig passiv ermittelt werden, das heißt, es müssen keine zusätzlichen aktiv gemessenen Parameter in die Ermittlung des erwarteten Molverhältnisses einfließen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors bei allen relevanten Betriebspunkten hinreichend bekannt ist und über die im hinterlegten Datensatz gespeicherten Betriebsinformationen hinreichend genau beschrieben werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Ammoniakverbrennungsmotor über wenigstens einen Sensor verfügen, der den erzeugten Abgasstrom beprobt, wobei das erwartete Molverhältnis anhand der vom Sensor beim Beproben erzeugten Sensormessdaten ermittelt wird. Auf diese Weise kann über eine aktive Überprüfung der Zusammensetzung des erzeugten Abgasstroms eine besonders präzise Aussage zum erwarteten Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden gewonnen werden. Insbesondere kann die Dosierung von Ammoniak in die Brennkammer des Abgasnachbehandlungssystems in einem "closed loop"-Verfahren basierend auf den erzeugten Sensormessdaten angepasst werden.
  • Auch ist es möglich, dass für das Bestimmen des erwarteten Molverhältnisses von Ammoniak zu Stickoxiden eine Kombination der im hinterlegten Datensatz vorhandenen Betriebsinformationen und vom wenigstens einen Sensor erzeugten Sensormessdaten herangezogen wird.
  • Zudem kann die Kontrolleinheit über ein Maschinenlernmodul verfügen, das dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Betriebsinformation basierend auf den vom wenigstens einen Sensor erzeugten Sensormessdaten anzupassen. Auf diese Weise können beim Einsatz des Ammoniakverbrennungsmotors festgestellte Abweichungen berücksichtigt werden, sodass jederzeit das erwartete Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden zuverlässig und präzise bestimmt werden kann.
  • Der wenigstens eine Sensor kann sowohl an einer Stelle im Abgasstrom angeordnet sein, an dem das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden vorliegen muss, als auch an einer Stelle, die lediglich einen Rückschluss auf das tatsächliche Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden an einer anderen Stelle im Abgasstrom ermöglicht, an der das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden vorliegen muss.
  • Beispielsweise ist es möglich, dass wenigstens einer der Sensoren in einem dem Ammoniakverbrennungsmotor zugeordneten Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist.
  • In einer Variante wird die in die Brennkammer dosierte Menge an Ammoniak über eine Aufladung und/oder eine Spülung der Brennkammer gewählt, insbesondere über eine Ventilüberschneidung des Ammoniakverbrennungsmotors.
  • Die Ventilüberschneidung kann über das Öffnungsverhalten
    • a) eines Einlassventils oder mehrerer Einlassventile und eines Auslassventils oder mehrerer Auslassventile der Brennkammer des Ammoniakverbrennungsmotors,
    • b) über einen Einlassschlitz oder mehrere Einlassschlitze und einen Auslassschlitz oder mehrere Auslassschlitze der Brennkammer des Ammoniakverbrennungsmotors,
    • c) einer Kombination von einem oder mehreren Einlassschlitzen und einem oder mehreren Auslassventilen der Brennkammer des Ammoniakverbrennungsmotors oder
    • d) einer Kombination von einem oder mehreren Einlassventilen und einem oder mehreren Auslassschlitzen
    vorgegeben bzw. variiert werden. Auch ist es möglich, dass zusätzlich eine Abgasrückführung (AGR, auch engl. als "Exhaust gas recirculation" / EGR bezeichnet) genutzt wird.
  • In noch einer Variante ist die Einspritzeinrichtung eine Direkteinspritzeinrichtung und Ammoniak wird in einer modifizierten Einspritzung in die Brennkammer dosiert.
  • Eine modifizierte Einspritzung kann über eine längere Dauer der Haupteinspritzung, eine Mehrfacheinspritzung oder eine zusätzliche Nacheinspritzung realisiert werden.
  • Wird Ammoniak zusätzlich in einer Nacheinspritzung in die Brennkammer dosiert, wird der Zeitpunkt der Nacheinspritzung so gewählt, dass zumindest nicht mehr die Gesamtmenge an in der Nacheinspritzung dosierten Ammoniaks im aktuellen Takt bzw. Verbrennungszyklus des Ammoniakverbrennungsmotors umgesetzt wird, also zu einem Zeitpunkt, an dem die Hauptverbrennung von Brennstoff im aktuellen Takt bzw. Verbrennungszyklus des Ammoniakverbrennungsmotors vollständig abgeschlossen oder nahezu abgeschlossen ist. Somit fungiert das über die Nacheinspritzung dosierte Ammoniak zumindest teilweise nicht mehr als Brennstoff, sondern als Chemikalie zur Optimierung bzw. Vereinfachung der Abgasnachbehandlung des in der Brennkammer erzeugten Abgasstroms. Analoge Nacheinspritzungsverfahren sind beispielsweise aus Dieselmotoren hinlänglich bekannt.
  • Der in der Brennkammer vorhandene Kraftstoff wird insbesondere mittels eines Zündstrahls gezündet. Auf diese Weise kann auf den Einsatz von alternativen Zündeinrichtungen, wie beispielsweise einer Zündkerze, verzichtet werden, während zugleich eine zuverlässige Zündung und ein definiertes Verbrennungsverhalten realisiert werden kann. Somit kann über die Verwendung eines Zündstrahls die Dosierung von Ammoniak in die Brennkammer und das im erzeugten Abgasstrom am momentanen Betriebspunkt vorliegende vorbestimmte Molverhältnis noch besser gesteuert werden.
  • Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch einen Ammoniakverbrennungsmotor mit einer Brennkammer und einer mit der Brennkammer in Strömungsverbindung stehenden Einspritzeinrichtung, mit der Ammoniak in die Brennkammer dosierbar ist, wobei der Ammoniakverbrennungsmotor dazu eingerichtet ist, das Verfahren wie zuvor beschrieben auszuführen.
  • Die Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Ammoniakverbrennungsmotor und umgekehrt.
  • Die Aufgabe wird weiter erfindungsgemäß gelöst durch eine mobile oder stationäre Anlage umfassend einen Ammoniakverbrennungsmotor wie zuvor beschrieben und ein mit dem Ammoniakverbrennungsmotor in Strömungsverbindung stehendem Abgasnachbehandlungssystem zum Behandeln des vom Ammoniakverbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms.
  • Die mobile Anlage kann ein Fahrzeug wie ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug, beispielsweise ein Schiff, sein. Das Landfahrzeug kann straßen- oder schienengebunden sein. Es ist jedoch auch möglich, dass es sich um ein nicht straßen- oder schienengebundenes Fahrzeug handelt, beispielsweise um ein Fahrzeug im Forst-, Agrar- oder Bergbaubereich.
  • Die stationäre Anlage kann ein Kraftwerk zur Strom-, Wärme- und/oder Kälteproduktion sein. Es ist auch möglich, dass die stationäre Anlage eine Kompressionsanlage, eine Pumpe oder eine Anlage für den stationären direkten Antrieb von mechanischen Prozessen ist.
  • Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll, sowie aus den Zeichnungen. In diesen zeigen:
    • Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Ammoniakverbrennungsmotor, und
    • Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ammoniakverbrennungsmotors, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Ammoniakverbrennungsmotors durchzuführen.
  • In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße mobile oder stationäre Anlage 10 dargestellt, welches in der gezeigten Ausführungsform ein Fahrzeug, speziell ein Wasserfahrzeug ist, nämlich ein Frachtschiff.
  • Die erfindungsgemäße mobile oder stationäre Anlage 10 kann grundsätzlich auch ein anderes Wasserfahrzeug oder ein Landfahrzeug sein, beispielsweise ein straßengebundenes Fahrzeug oder ein schienengebundenes Fahrzeug. Auch ist es möglich, dass die erfindungsgemäße mobile oder stationäre Anlage 10 ein Kraftwerk ist.
  • Das Fahrzeug wird über einen Ammoniakverbrennungsmotor 12 angetrieben, das heißt über einen Motor, der Ammoniak (NH3) als Kraftstoff verwendet und diesen mit Sauerstoff (O2) umsetzt. Sauerstoff ist in der Umgebungsluft des Ammoniakverbrennungsmotors 12 enthalten, welche direkt zur Verbrennung von Ammoniak verwendet werden kann.
  • Der bei diesem Verbrennungsprozess erzeugte Abgasstrom kann neben den gewünschten Umsetzungsprodukten Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) nicht umgesetzten Ammoniak sowie Stickoxide (NOx) enthalten, die aus dem Abgasstrom entfernt werden müssen, bevor dieser an die Umwelt abgegeben wird.
  • Der erzeugte Abgasstrom wird daher mit einem dem Ammoniakverbrennungsmotor 12 zugeordneten Abgasnachbehandlungssystem 14 behandelt.
  • Fig. 2 zeigt weitere Details des erfindungsgemäßen Ammoniakverbrennungsmotors 12 und des Abgasnachbehandlungssystems 14.
  • Der Ammoniakverbrennungsmotor 12 verfügt über einen Zylinder 15, der eine Brennkammer 16 aufweist und einen Kolben 18 umfasst, der beweglich innerhalb des Zylinders 15 angeordnet ist und mit einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle verbunden ist.
  • Über eine Luftzufuhrleitung 20 und ein Lufteinlassventil 22 kann ausgehend von einer Luftzufuhr 24 Frischluft in die Brennkammer 16 zugegeben werden. Somit steht die Luftzufuhr 24 in Strömungsverbindung mit der Brennkammer 16.
  • Ammoniak ist mittels einer Einspritzeinrichtung 26 in die Brennkammer 16 dosierbar, wobei die Einspritzeinrichtung 26 eine Einspritzdüse 28 und eine Einspritzregeleinheit 30 umfasst, die in Strömungsverbindung miteinander stehen.
  • Die Einspritzregeleinheit 30 wird über eine Ammoniakzufuhrleitung 32 mittels einer Pumpe 34 aus einem Tank 36 versorgt, in dem Ammoniak vorgelegt ist.
  • In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um ein Direkteinspritzsystem, bei dem Luft und Ammoniak direkt in die Brennkammer 16 dosiert werden. Es versteht sich, dass auch abweichende Ausgestaltungen des Ammoniakverbrennungsmotors 12 eingesetzt werden können. Beispielsweise kann eine vorgelagerte Mischkammer vorgesehen sein, in der Ammoniak und Luft zu einem Ammoniak-Luft-Gemisch vermischt und das Ammoniak-Luft-Gemisch in die Brennkammer 16 dosiert wird.
  • Auch kann eine Ausgestaltung des Ammoniakverbrennungsmotors 12 vorgesehen sein, in der das in der Brennkammer 16 vorhandene Ammoniak-Luft-Gemisch mit Hilfe eines Zündstrahls gezündet wird.
  • Das innerhalb der Brennkammer 16 erzeugte Abgas wird als Abgasstrom über ein Auslassventil 38 in eine Abfuhrleitung 40 des Ammoniakverbrennungsmotors 12 und aus dieser zum Abgasnachbehandlungssystem 14 geführt, wie in Fig. 2 über einen Pfeil P angedeutet ist.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 14 verfügt über eine erste Katalysatoreinheit 42, eine zweite Katalysatoreinheit 44 und eine dritte Katalysatoreinheit 46, die in der genannten Reihenfolge in Strömungsrichtung des Abgasstroms angeordnet sind.
  • Die Art und Funktion der Katalysatoreinheiten 42, 44 und 46 ist auf die erwartete chemische Zusammensetzung des Abgasstroms ausgerichtet, um im Abgasstrom enthaltene Stickoxide sowie enthaltenes Ammoniak zu Stickstoff und Wasser umzusetzen.
  • Beispielsweise ist die erste Katalysatoreinheit 42 ein erster SCR-Katalysator, die zweite Katalysatoreinheit 44 ein Oxidationskatalysator zum Abbau von Ammoniak und die dritte Katalysatoreinheit 46 ein zweiter SCR-Katalysator.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 14 kann auch eine abweichende Anzahl von und/oder andere Arten an Katalysatoreinheiten umfassen, beispielsweise zusätzlich einen N2O-Zersetzungskatalysator, der im Abgasstrom enthaltenes Lachgas (N2O) zu Stickstoff und Sauerstoff umsetzt.
  • Der Ammoniakverbrennungsmotor 12 umfasst ferner eine Kontrolleinheit 48, die dazu eingerichtet ist, die Einspritzregeleinheit 30 zu steuern und somit dazu eingerichtet ist, die Menge von in die Brennkammer 16 eingespritzten Ammoniaks zu regulieren.
  • Die Kontrolleinheit 48 umfasst ein Speichermodul 50, in dem Betriebsinformationen zum Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors 12 hinterlegt sind.
  • Zudem verfügt die Kontrolleinheit 48 über ein Maschinenlernmodul 52, auf dessen Funktion später noch eingegangen wird.
  • Die Kontrolleinheit 48 ist mit Sensoren 54, 56 und 58 signalübertragend verbunden, wobei der Sensor 54 dem Ammoniakverbrennungsmotor 12 zugeordnet ist, nämlich der Abfuhrleitung 40, und die Sensoren 56 und 58 dem Abgasnachbehandlungssystem 14 zugeordnet sind.
  • Der Sensor 56 ist, entlang der Strömungsrichtung des Abgasstroms betrachtet, vor der ersten Katalysatoreinheit 42 und der Sensor 58 zwischen der ersten Katalysatoreinheit 42 und der zweiten Katalysatoreinheit 44 angeordnet.
  • Die Sensoren 54, 56 und 58 beproben den Abgasstrom, wobei aus den daraus erhaltenen Sensormessdaten der Sensoren 54, 56 und 58 auf das Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden im Abgasstrom am Ort des jeweiligen Sensors 54, 56 bzw. 58 geschlossen werden kann.
  • Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Ammoniakverbrennungsmotors 12 erläutert.
  • Wie zuvor bereits beschrieben wird innerhalb der Brennkammer 16 Ammoniak als Brennstoff mit Luft umgesetzt. Die chemische Zusammensetzung des bei der Umsetzung erzeugten Abgases, und somit die chemische Zusammensetzung des über die Abfuhrleitung 40 abgegebenen Abgasstroms, ist im Allgemeinen vom momentanen Betriebspunkt des Ammoniakverbrennungsmotors 12 abhängig, beispielsweise von den derzeit vorliegenden Lastbedingungen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Dosierung von Ammoniak über die Einspritzeinrichtung 26 derart, dass das Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden im Abgasstrom einem vorbestimmten Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden entspricht.
  • Bevorzugt beträgt das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden 1:1 oder höher und liegt insbesondere im Bereich von 1:1 bis 1,5:1, sodass jederzeit ein äquimolares Verhältnis zwischen Ammoniak und Stickoxiden oder ein Ammoniaküberschuss vorliegt. Es ist auch möglich, dass ein deutlicher Ammoniaküberschuss angestrebt wird, indem das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden 2:1 oder höher beträgt, beispielsweise im Bereich von 2:1 bis 10:1 liegt.
  • In einer anderen Ausführungsform liegt das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden (R) im Bereich von R:1 bis 1,1×R:1, wobei R eine vorgesehene NOx-Reduktionsrate bezeichnet. Beträgt die vorgesehene NOx-Reduktionsrate beispielsweise 80%, so kann das vorbestimmte Molverhältnis im Bereich von 0,8:1 bis 0,88:1 liegen.
  • In noch einer anderen Ausführungsform wird das vorbestimmte Molverhältnis derart gewählt, dass ein im Abgasnachbehandlungssystem 14 eingesetzter N2O-Zersetzungskatalysator eine optimierte Umsetzungsrate und Selektivität erreicht.
  • Erfindungsgemäß kann das Abgasnachbehandlungssystem 14 somit derart ausgelegt werden, dass lediglich Abgasströme mit dem vorbestimmten Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden gehandhabt werden müssen.
  • Um sicherzustellen, dass jederzeit das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden im Abgasstrom vorliegt, kann folgende Abfolge an Schritten erfolgen.
  • Zunächst wird der momentane Betriebspunkt des Ammoniakverbrennungsmotor 12 ermittelt, das heißt, der Punkt im Kennfeld des Ammoniakverbrennungsmotors 12, der die derzeit vorherrschenden Lastbedingungen wiederspiegelt.
  • Anschließend wird ein erwartetes Molverhältnis von Ammoniak zu Stickstoff im am momentanen Betriebspunkt erzeugten Abgasstrom bestimmt.
  • Das erwartete Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden kann anhand des im Speichermodul 50 hinterlegten Datensatzes ermittelt werden. Zu diesem Zweck basiert der Datensatz auf wenigstens einer Betriebsinformation zum Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors.
  • Zu den Betriebsinformationen können eine oder mehrere der folgenden Informationen gehören: Menge an pro Zeiteinheit in die Brennkammer dosierten Ammoniaks, Gesamtmenge an in einem Verbrennungszyklus in die Brennkammer dosierten Menge an Ammoniak, zeitliche Verteilung der in die Brennkammer dosierten Menge an Ammoniak, Ladeluftdruck, Temperatur, relative Luftfeuchte, Luft-Brennstoff-Verhältnis und Zünddruck.
  • Anders ausgedrückt kann basierend auf Erfahrungswerten zum Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors 12 dessen Verhalten am momentanen Betriebspunkt abgeschätzt und basierend darauf die Dosierung von Ammoniak in die Brennkammer 16 derart angepasst werden, dass der Abgasstrom das geforderte vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickstoff aufweist.
  • In der gezeigten Ausführungsform kann die Kontrolleinheit 48 zusätzlich auf die von den Sensoren 54, 56 und 58 erhobenen Sensormessdaten zurückgreifen.
  • Der Sensor 54 liefert in diesem Zusammenhang Informationen zur Zusammensetzung des Abgasstroms direkt nachdem dieser die Brennkammer 16 verlassen hat.
  • Der Sensor 56 ermöglicht es, die Zusammensetzung des Abgasstroms zu Beginn des Abgasnachbehandlungssystems 14 zu ermitteln, also noch bevor der Abgasstrom von einer der Katalysatoreinheiten 42, 44 und 46 behandelt wurde.
  • Der Sensor 58 liefert Informationen zur Zusammensetzung des Abgasstroms nachdem der Abgasstrom die erste Katalysatoreinheit 42 bereits durchlaufen hat.
  • Basierend auf den Sensormessdaten der Sensoren 54, 56 und 58 ist somit eine Abschätzung des tatsächlichen Ist-Werts des Molverhältnisses von Ammoniak zu Stickoxiden im Abgasstrom am Einbauort des jeweiligen Sensors 54, 56 und 58 möglich, das als erwartetes Molverhältnis herangezogen werden kann.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass anhand der erhaltenen Sensormessdaten das erwartete Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden an einem anderen Ort innerhalb der Abfuhrleitung 40 und/oder des Abgasnachbehandlungssystems 14 lediglich auf Basis der Sensormessdaten in der Kontrolleinheit 48 bestimmt wird.
  • Grundlegend kann das erwartete Molverhältnis von Ammoniak zu Stickstoff auch lediglich basierend auf dem Datensatz oder lediglich basierend auf den erhobenen Sensormessdaten bestimmt werden. Auch können weniger oder mehr Sensoren zum Einsatz kommen als in Fig. 2 dargestellt.
  • Die Kontrolleinheit 48 kann in der gezeigten Ausführungsform unter Einsatz des Maschinenlernmoduls 52 die im Datensatz enthaltenen Betriebsinformationen basierend auf den von den Sensoren 54, 56 und 58 erhaltenen Sensormessdaten aktualisieren, sodass jederzeit Betriebsinformationen bereitgestellt werden können, die das reale Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors 12 optimal beschreiben.
  • Das bestimmte erwartete Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden wird anschließend mit dem vorbestimmten Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden verglichen.
  • Weicht das erwartete Molverhältnis um mehr als einen Schwellenwert vom vorbestimmten Molverhältnis ab, wird die über die Einspritzeinrichtung 26 in die Brennkammer 16 dosierte Menge an Ammoniak angepasst, derart, dass sich das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden wieder einstellt.
  • Beispielsweise wird bei Bedarf über die Einspritzdüse 28 eine Ammoniaknacheinspritzung in die Brennkammer 16 vorgenommen, um auf diese Weise den Anteil an Ammoniak im Abgasstrom zu erhöhen.
  • Die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte können kontinuierlich wiederholt werden, um jederzeit auf Änderungen im momentanen Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden zu reagieren und so besonders zuverlässig sicherzustellen, dass das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden erreicht ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, jederzeit eine kontrollierte Zusammensetzung des Abgasstroms zu erzeugen und auf diese Weise die Komplexität und die Betriebskosten des Abgasnachbehandlungssystems 14 minimieren zu können, ohne Nachteile in der Qualität der Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Ammoniakverbrennungsmotors (12) mit einer Brennkammer (16) und einer mit der Brennkammer (16) in Strömungsverbindung stehenden Einspritzeinrichtung (26), mit der Ammoniak in die Brennkammer (16) dosierbar ist, wobei Ammoniak derart in die Brennkammer (16) dosiert wird, dass ein vom Ammoniakverbrennungsmotor (12) erzeugter Abgasstrom unabhängig vom momentanen Betriebspunkt des Ammoniakverbrennungsmotors (12) ein vorbestimmtes Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vorbestimmte Molverhältnis von Ammoniak zu Stickoxiden (R) im Bereich von R:1 bis 1,1×R:1 liegt, wobei R eine vorgesehene NOx-Reduktionsrate bezeichnet, oder 1:1 oder höher beträgt, insbesondere im Bereich von 1:1 bis 1,5:1 liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    a) Ermitteln des momentanen Betriebspunkts des Ammoniakverbrennungsmotors (12),
    b) Bestimmen eines erwarteten Molverhältnisses von Ammoniak zu Stickoxiden im erzeugten Abgasstrom am momentanen Betriebspunkt,
    c) Vergleichen des erwarteten Molverhältnisses mit dem vorbestimmten Molverhältnis, und
    d) Anpassen der in die Brennkammer (16) über die Einspritzeinrichtung (26) dosierten Menge an Ammoniak, falls das erwartete Molverhältnis um mehr als einen Schwellenwert vom vorbestimmten Molverhältnis abweicht.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte a) bis d) kontinuierlich wiederholt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erwartete Molverhältnis anhand eines in einer Kontrolleinheit (48) des Ammoniakverbrennungsmotors (12) hinterlegten Datensatzes ermittelt wird, wobei der Datensatz wenigstens auf einer Betriebsinformation zum Verhalten des Ammoniakverbrennungsmotors (12) basiert.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Ammoniakverbrennungsmotor (12) über wenigstens einen Sensor (54, 56, 58) verfügt, der den erzeugten Abgasstrom beprobt, und wobei das erwartete Molverhältnis anhand der vom Sensor (54, 56, 58) beim Beproben erzeugten Sensormessdaten ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in die Brennkammer (16) dosierte Menge an Ammoniak über eine Aufladung und/oder eine Spülung der Brennkammer (16) gewählt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einspritzeinrichtung (26) eine Direkteinspritzeinrichtung ist und Ammoniak in einer modifizierten Einspritzung in die Brennkammer (16) dosiert wird, wobei die modifizierte Einspritzung insbesondere über eine längere Dauer der Haupteinspritzung, eine Mehrfacheinspritzung oder eine zusätzliche Nacheinspritzung realisiert wird.
  9. Ammoniakverbrennungsmotor (12) mit einer Brennkammer (16) und einer mit der Brennkammer (16) in Strömungsverbindung stehenden Einspritzeinrichtung (26), mit der Ammoniak in die Brennkammer (16) dosierbar ist, wobei der Ammoniakverbrennungsmotor (12) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  10. Mobile oder stationäre Anlage (10), umfassend einen Ammoniakverbrennungsmotor (12) nach Anspruch 9 und ein mit dem Ammoniakverbrennungsmotor (12) in Strömungsverbindung stehendem Abgasnachbehandlungssystem (14) zum Behandeln des vom Ammoniakverbrennungsmotor (12) erzeugten Abgasstroms.
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