EP4430289B1 - Verfahren zum betrieb einer verbrennungskraftmaschine, ein system zur durchführung des verfahrens sowie eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer verbrennungskraftmaschine, ein system zur durchführung des verfahrens sowie eine verbrennungskraftmaschine

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EP4430289B1
EP4430289B1 EP22817616.0A EP22817616A EP4430289B1 EP 4430289 B1 EP4430289 B1 EP 4430289B1 EP 22817616 A EP22817616 A EP 22817616A EP 4430289 B1 EP4430289 B1 EP 4430289B1
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EP
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internal combustion
combustion engine
combustion chamber
exhaust
exhaust system
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Keyou GmbH
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    • F02M26/15—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system in relation to engine exhaust purifying apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, a system for carrying out the method and an internal combustion engine.
  • JP 2006 057504 discloses a method in which an internal combustion engine is powered by hydrogen.
  • a nitrogen oxide storage catalyst is located in the exhaust system of the internal combustion engine, which stores nitrogen oxides produced during combustion. To regenerate the nitrogen oxide storage catalyst, fossil fuel is added to the combustion mixture.
  • Regeneration requires complex control, and several fuels are involved in the formation of the combustion mixture, which complicates the system and combustion.
  • the object of this invention is therefore to operate an internal combustion engine in a simple and robust manner as a zero/lowest emission system.
  • a method for operating an internal combustion engine in which the internal combustion engine comprises: at least one combustion chamber in which a fuel is at least partially combusted with ambient air; an exhaust system which is fluidly coupled to an outlet side of the at least one combustion chamber. Hydrogen is used as fuel for the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine further comprises at least one nitrogen oxide storage catalyst, and an exhaust gas discharged from the at least one combustion chamber into the exhaust system flows at least partially, preferably completely, through the at least one nitrogen oxide storage catalyst.
  • a lean air/hydrogen mixture is combusted in the at least one combustion chamber.
  • the nitrogen oxide storage catalyst is regenerated, and in the second operating state, a rich air/hydrogen mixture is combusted in the at least one combustion chamber.
  • the internal combustion engine has at least one nitrogen oxide storage catalyst through which the discharged exhaust gas flows.
  • This allows nitrogen oxide (NOx) emissions to be stored in said nitrogen oxide storage catalyst, also referred to as an LNT catalyst. Therefore, the continuous supply of reducing agents is unnecessary.
  • the first aspect utilizes synergy effects that arise from using hydrogen as fuel for the internal combustion engine.
  • Internal combustion engines operated in this way only produce thermal nitrogen oxides as harmful combustion products.
  • Other exhaust gas aftertreatment systems are therefore unnecessary. Accordingly, space is available in the exhaust system for an appropriately sized nitrogen oxide storage catalyst.
  • the process conditions, such as the combustion temperature, of a hydrogen-powered internal combustion engine result in lower nitrogen oxide formation compared to, for example, diesel engines. This allows nitrogen oxides to be reliably stored in the nitrogen oxide catalyst over a long period of time.
  • a lean air/hydrogen mixture is burned in the at least one combustion chamber in a first operating state.
  • Combustion of a lean mixture can increase the efficiency of the internal combustion engine. At the same time, combustion temperatures can be reduced, which further inhibits the formation of nitrogen oxides and thus allows the nitrogen oxide storage catalyst to store nitrogen oxides over a long period of time.
  • the lean mixture is preferably burned continuously, i.e., over a large number of internal combustion engine cycles.
  • a lean air/hydrogen mixture is a superstoichiometric mixture.
  • a ⁇ of greater than or equal to 1 and less than or equal to 5 is preferably set; depending on the operating point, a ⁇ of greater than or equal to 1.3 and less than or equal to 3.5 is particularly preferred.
  • the nitrogen oxide storage catalyst is regenerated in a second operating state.
  • the nitrogen oxide stored in the nitrogen oxide storage catalyst can be converted into atmospheric nitrogen and released into the environment.
  • the storage catalyst can then absorb new nitrogen oxides. This continuously prevents the release of pollutant emissions.
  • a rich air/hydrogen mixture is burned in the at least one combustion chamber.
  • a substoichiometric air/hydrogen mixture can be supplied to the combustion chamber.
  • a rich air/hydrogen mixture can, on the one hand, reduce the formation of nitrogen oxide due to a lack of oxygen, preferably completely prevent it, and, on the other hand, ensure that unburned hydrogen is supplied to the exhaust system as a reducing agent. This allows the excess hydrogen to be used to regenerate the nitrogen oxide storage catalyst.
  • the rich mixture can be adjusted in appropriate situations due to the low nitrogen oxide formation and the associated long storage period.
  • the internal combustion engine further comprises an exhaust gas recirculation device which recirculates exhaust gas from the exhaust system into the combustion chamber.
  • the exhaust gas is recirculated as high-pressure exhaust gas, particularly from a position upstream of a turbine in the exhaust system. This ensures a sufficient recirculation quantity.
  • exhaust gas in the second operating state, can be recirculated into the at least one combustion chamber via the exhaust gas recirculation device.
  • the formation of further nitrogen oxide can be reduced, preferably completely prevented, and the regeneration of the storage catalyst can be carried out reliably.
  • a further advantageous effect occurs particularly in conjunction with hydrogen, since the less reactive mixture, a tendency towards pre-ignition, i.e. early ignition, can be prevented.
  • the second operating state can be set in an idling operation of the internal combustion engine.
  • the second operating state can be implemented in appropriate situations, such as when stationary at a traffic light, i.e., in particular when the internal combustion engine is operating without performing its predetermined work, for example, when it is disconnected from at least one drive wheel of a vehicle, or in other words, when there is no load on the internal combustion engine. Since such situations occur with sufficient probability when the internal combustion engine is used in a motor vehicle, the operation of the motor vehicle is not limited by necessary regeneration phases of the catalytic converter.
  • the second operating state can also be set during overrun of the internal combustion engine.
  • Overrun is characterized in particular by the fact that the power generated by the internal combustion engine is less than the drag power applied to the internal combustion engine. In other words, the internal combustion engine can be kept rotating from the output side.
  • the operation of a motor vehicle is not limited by necessary regeneration phases of the catalytic converter, since the overrun of the internal combustion engine also occurs with sufficient probability during long journeys.
  • the supplied air quantity is throttled during idling operation, the supplied fuel quantity can be specifically adjusted during overrun operation so that a rich mixture is burned.
  • ignition can be very late, which stabilizes combustion and thereby reduces, or preferably prevents, the formation of further nitrogen oxides. Ignition preferably occurs in a range of a maximum of 40° before top dead center of a crankshaft angle until the opening of an exhaust valve, in particular in a crankshaft angle range of a maximum of 40°.
  • the rich mixture and the delayed ignition allow the exhaust gas enthalpy to be increased, which ensures a sufficient temperature for catalyst regeneration.
  • the power generated by the internal combustion engine during overrun is lower than the applied drag power so that overrun can be maintained.
  • Combusting a rich mixture as regeneration mode during the overrun phase has the advantage that the transition from the lean to the rich mixture range can occur discontinuously, thus eliminating the need to pass through a mixture range around ⁇ equal to 1. In this range, the formation of nitrogen oxides is generally very high.
  • exhaust gas is recirculated at least temporarily during a transition between the first operating state and the second operating state.
  • a method for operating an internal combustion engine wherein the internal combustion engine has at least one combustion chamber in which a fuel is at least partially combusted with ambient air, and an exhaust system which is coupled in a fluid-communicating manner to an outlet side of the at least one combustion chamber.
  • Hydrogen is used as fuel for the internal combustion engine, wherein the internal combustion engine further comprises at least one nitrogen oxide storage catalyst and an exhaust gas discharged from the at least one combustion chamber into the exhaust system flows at least partially, preferably completely, through the at least one nitrogen oxide storage catalyst, wherein in a first operating state a lean air/hydrogen mixture is combusted in the at least one combustion chamber, wherein in a second operating state the nitrogen oxide storage catalyst is regenerated, wherein in the second operating state a reducing agent for reducing the nitrogen oxides stored in the nitrogen oxide storage catalyst is supplied as part of the exhaust gas into the at least one combustion chamber, or downstream of the at least one combustion chamber upstream of the nitrogen oxide storage catalyst or into the nitrogen oxide storage catalyst into the exhaust system.
  • the combustion of the lean air/hydrogen mixture also produces only thermal nitrogen oxides as harmful combustion products.
  • Other exhaust aftertreatment systems are therefore unnecessary. Accordingly, there is space in the exhaust system for an appropriately dimensioned nitrogen oxide storage catalyst.
  • the process conditions such as the combustion temperature of a lean-burn and/or high-efficiency hydrogen-powered internal combustion engine, result in lower nitrogen oxide formation compared to, for example, diesel engines. This allows nitrogen oxides to be reliably stored in the nitrogen oxide catalyst over a long period of time.
  • Combustion of a lean mixture can increase the efficiency of the internal combustion engine. At the same time, combustion temperatures can be reduced, which further inhibits the formation of nitrogen oxides and thus allows the nitrogen oxide storage catalyst to store nitrogen oxides over a long period of time.
  • the lean mixture is preferably burned continuously, i.e., over a large number of internal combustion engine cycles.
  • a lean air/hydrogen mixture is a superstoichiometric mixture.
  • a ⁇ of greater than or equal to 1 and less than or equal to 5 is preferably set; depending on the operating point, a ⁇ of greater than or equal to 1.3 and less than or equal to 3.5 is particularly preferred.
  • the nitrogen oxide storage catalyst is regenerated in a second operating state.
  • the nitrogen oxide stored in the nitrogen oxide storage catalyst can be converted into atmospheric nitrogen and released into the environment.
  • the storage catalyst can then absorb new nitrogen oxides. This continuously prevents the release of pollutant emissions.
  • the reducing agent can be supplied directly to the exhaust system without having to be provided as exhaust gas from combustion.
  • the internal combustion engine can continue to be operated in the first operating state of combustion of a lean air/hydrogen mixture.
  • a lean air/hydrogen mixture can continue to be combusted.
  • the first and second operating states are therefore not mutually exclusive, but can also exist alongside one another.
  • the direct supply of a reducing agent to the exhaust system can also occur alongside the combustion of a rich mixture, so that only the second operating state then exists.
  • the reducing agent can be fed into the combustion chamber and then, after being discharged from the combustion chamber, fed into the exhaust system.
  • a rotary or divergent component is imparted to the flow of the supplied reducing agent at least in sections.
  • the reducing agent is preferably hydrogen and particularly preferably originates from the same source as the hydrogen used as fuel.
  • the same supply device used to supply the hydrogen to the combustion chamber can be used.
  • the reducing agent is supplied to the combustion chamber after completion of a combustion process, and further preferably during an exhaust stroke in which the exhaust gas is discharged from the combustion chamber. This ensures that the reducing agent is not combusted with the oxygen in the air contained in the combustion chamber.
  • the second operating state can be set at a saturation level of the nitrogen oxide storage catalyst of greater than 20% or less than 100%, preferably 70-90%, particularly preferably 80%.
  • Known methods for determining the saturation level can be used.
  • a method for operating an internal combustion engine wherein the internal combustion engine has at least one combustion chamber in which a fuel is at least partially combusted with ambient air, and an exhaust gas line which is connected to an outlet side of the at least a combustion chamber is fluidly coupled, wherein hydrogen is used as fuel for the internal combustion engine.
  • the exhaust system has a plurality of exhaust system sections connected in parallel, wherein at least two of the plurality of exhaust system sections each have at least one nitrogen oxide storage catalyst through which at least a portion of an exhaust gas discharged from the at least one combustion chamber into the exhaust system flows at least temporarily, wherein at least temporarily the flow rate through the at least one nitrogen oxide storage catalyst in at least one of the exhaust system sections is varied, preferably by a variable throttle device arranged upstream of the at least one nitrogen oxide storage catalyst.
  • the flow of the exhaust gas can be influenced depending on the residual capacity of at least one nitrogen oxide storage catalyst. If the nitrogen oxide storage catalyst in an exhaust system is close to its capacity limit, the flow rate in this exhaust system can be reduced, while larger amounts can continue to flow through nitrogen oxide storage catalysts connected in parallel. This also allows the nitrogen oxide storage catalyst to be operated efficiently, as in the above aspects.
  • the flow rate is changed independently of one another in a plurality of exhaust system sections, each of which has the at least one nitrogen oxide storage catalyst.
  • a variable throttle device can be arranged at least in one, preferably in a plurality of, the plurality of exhaust line sections arranged parallel to one another upstream of the at least one nitrogen oxide storage catalyst, which is individually controlled to regulate the amount of exhaust gas in the respective exhaust line section.
  • the flow rate in at least one of the exhaust system sections can be reduced, preferably completely suppressed.
  • nitrogen oxides would continue to flow through at least one exhaust system section with the nitrogen oxide storage catalyst in an unthrottled state, near the capacity limit. This reduction can thus suppress a further significant supply of nitrogen oxides in at least one of the exhaust system sections during regeneration.
  • a reducing agent for reducing the nitrogen oxides stored in the nitrogen oxide storage catalyst is supplied upstream of the at least one nitrogen oxide storage catalyst or into the at least one nitrogen oxide storage catalyst at least in one, particularly preferably in each, of the plurality of exhaust gas line sections connected in parallel, and particularly preferably the amount of reducing agent supplied is individually controlled for each exhaust gas line section.
  • the internal combustion engine can continue to operate with a lean combustion mixture. If only a single exhaust system is provided in this process, a considerable amount of reducing agent (hydrogen) must be supplied to compensate for the oxygen present due to the lean combustion. Only then can regeneration take place in the absence of oxygen.
  • the above aspect allows the oxygen supply in at least one exhaust system section in question to be reduced, for example, by the throttle device, thus requiring a smaller amount of hydrogen compared to the case where only one exhaust system section is provided, even if the internal combustion engine continues to operate with a lean combustion mixture.
  • the separate supply of reducing agent to the respective exhaust system section is therefore particularly advantageous if, for regeneration, the flow rate in the respective exhaust system section is reduced compared to a non-regeneration state, such as the unthrottled state.
  • regeneration can be carried out alternately at least in two of the exhaust system sections.
  • the throttle device of an exhaust system section can be controlled, at least for the regeneration of the storage catalyst arranged therein, in such a way that it completely blocks the exhaust gas supply in this exhaust system section, at least one of which storage catalyst is to be regenerated.
  • the throttle device in the parallel exhaust system section is preferably controlled so that it is completely open.
  • the change in the flow rate compared to a reference state can take place alternately.
  • the respective throttle devices are controlled during operation of the internal combustion engine up to half of the Maximum power is alternately fully opened and closed, meaning the respective flow rates are alternately completely suppressed and not reduced.
  • the flow rates are alternately reduced, in particular completely suppressed and not reduced, to a value equal to one times the rated power minus the inverse of the number of parallel exhaust system sections times the rated power.
  • At least the storage catalysts connected in parallel can be configured such that the nitrogen oxides generated at maximum power can be completely stored in the unthrottled state of all exhaust system sections, i.e., when the flow rate is not reduced.
  • the sum of all storage catalysts connected in parallel is configured according to a predetermined space velocity.
  • the storage catalysts and exhaust system sections are dimensioned identically.
  • the storage catalysts connected in parallel can be configured according to the predetermined space velocity.
  • each of the exhaust system sections is preferably configured such that, at rated power, the nitrogen oxides generated are completely stored in the at least one storage catalyst of the exhaust system section in which the flow rate is not reduced. This makes it possible to expand the range of the characteristic map in which complete regeneration is possible.
  • control device which is configured to carry out the method according to one of the preceding aspects.
  • Such a control device allows a platform in which it is installed to be operated as a low-emission system.
  • this invention also relates to a program that, when executed on a computer coupled to an internal combustion engine, carries out the above method.
  • This invention also relates to a computer-readable storage medium on which said program is stored.
  • the above object is achieved by a system for carrying out a method according to one of the above aspects, wherein the system comprises: an internal combustion engine as defined according to one of the above aspects; and a storage device for hydrogen which is fluidly coupled to the internal combustion engine.
  • Such a system represents a reliable zero/low emission system.
  • system further comprises a control device which is configured to carry out the method according to one of the above aspects.
  • the internal combustion engine further comprises at least one inflow device via which the reducing agent can be supplied into the combustion chamber or into the exhaust system, preferably at least one inflow device for each exhaust system section in the case of a plurality of exhaust system sections connected in parallel.
  • the reducing agent in the internal combustion engine, can be fed into the exhaust system via the combustion chamber or bypassing the combustion chamber, so that a mixture switch from a lean mixture to a rich mixture is not necessary.
  • the internal combustion engine is further configured to impart a rotary or divergent component to the flow of the reducing agent in the exhaust gas line, at least in sections, wherein the internal combustion engine preferably has a spiral device or a profile inclined relative to a main flow direction.
  • the spiral device makes it easy to impose the rotational component. By adjusting the profile, the flow can be made divergent along this profile.
  • Fig. 1 shows a schematic of a system with which the method explained above can be carried out.
  • Fig. 2 shows a schematic longitudinal sectional view of a modification of an exhaust system of an internal combustion engine not according to the invention as such.
  • Fig. 3 shows a flow chart for a process for regenerating a nitrogen oxide storage catalyst.
  • the system 1 has an internal combustion engine 2 (motor) which Fig. 1 in a longitudinal sectional view along an axis of a cylindrical combustion chamber 3 of the internal combustion engine 2.
  • the internal combustion engine 2 has an intake pipe 5 and an exhaust line 6, each of which is fluidly connected to the combustion chamber via an inlet and outlet 7a and 7b, which are opened and closed by valves.
  • a throttle valve 8 for regulating the air flow and an injection device 9 for injecting fuel into the intake manifold 5 are located.
  • the combustion chamber 3 is closed by a cylinder head in which a spark plug 10 is arranged to ignite the air/fuel mixture entering the combustion chamber through the inlet 7a.
  • the combustion chamber 3 is closed by a piston 11, which is rotatably coupled to a crankshaft 12. Hydrogen is preferably used exclusively as the fuel.
  • the outlet 7b opposite the inlet 7a is the outlet 7b, through which the exhaust gas produced by combustion of the air/fuel mixture flows into the exhaust system 6.
  • a NOx storage catalyst (NSC) 13 is located in the exhaust system 6 downstream of the outlet 7b.
  • This NOx storage catalyst 13 consists essentially of an aluminum oxide support on which CeO2 and Ba(OH)2 or BaCO3 are applied. Platinum, rhodium, or even palladium can serve as active components, for example.
  • the exhaust system Upstream of the storage catalyst 13, the exhaust system has a branch 14.
  • Branch 14a in which the storage catalyst 13 is located, ends in a tailpipe of the exhaust system, while the other branch 14b is part of an exhaust gas recirculation device and opens into the intake pipe 5 at the downstream end relative to the branch.
  • the exhaust gas recirculation device thus recirculates high-pressure gas.
  • the exhaust gas recirculation device can further contain, for example, valves and sensors for monitoring the recirculated exhaust gas.
  • a turbine driving an exhaust gas turbocharger can also be provided in branch 14a, preferably upstream of the storage catalyst 13.
  • the system 1 further comprises a storage device 15 filled with hydrogen.
  • the storage device 15 is coupled to the intake pipe 5 in a fluid-communicating manner via the injection device 9, wherein the injection device 9 can inject the hydrogen into the intake pipe 5 upstream of the inlet 7a.
  • the injection device 9 is an example of a supply device for supplying the fuel.
  • the storage device 15 is coupled to the exhaust system upstream of the catalyst 13 in a fluid-communicating manner via a line 16.
  • An end section 16a (injector) of the line 16 is designed in a divergent shape toward the outlet 16a1, thus representing a profile inclined with respect to a main flow direction of the line 16.
  • the end section 16a with the outlet 16a1 is an inflow device for the reducing agent within the meaning of the claims.
  • the system 1 comprises a control device 17, such as an ECU.
  • the control device 17 receives signals (shown in dashed lines) from numerous sensors arranged in the system 1 and, in turn, controls actuators and valves arranged in the system 1 via electrical signals (shown in dashed lines).
  • the method described above can be carried out with the system 1. If the control device 17 receives a start signal to start the internal combustion engine 2, the injection device 9 is activated to inject the hydrogen fuel into the air in the intake pipe 5 during the intake stroke. to be injected. The combustion of the hydrogen/air mixture in the combustion chamber 3 by ignition by the spark plug 10 delivers power to the crankshaft 12. The combustion product enters the exhaust system 6 as exhaust gas through the outlet 7b. There, it flows through the NOx storage catalyst 13.
  • the function of the storage catalyst 13 is as follows. In a regular first operating state of the engine 2 ( ⁇ >1, combustion of a lean mixture), NO is oxidized by the precious metals, such as platinum, of the catalyst 9 by means of the excess oxygen to form NO2.
  • This NO2 is bound to storage components, preferably basic storage components such as Ba(OH)2 or BaCO3, as nitrite and, above all, nitrate.
  • the engine 2 can be operated continuously in the first operating state. Combustion of a lean mixture can increase the efficiency of the engine 2. At the same time, combustion temperatures can be reduced, which inhibits the formation of nitrogen oxides and thus allows the nitrogen oxide storage catalyst 13 to store nitrogen oxides over a long period of time.
  • the lean mixture is preferably burned continuously, i.e., over a large number of cycles of the internal combustion engine.
  • a ⁇ of greater than or equal to 1 and less than or equal to 5 is set; depending on the operating point, a ⁇ of greater than or equal to 1.3 and less than or equal to 3.5 is particularly preferred.
  • control device 17 If the control device 17 now receives the information that the engine 2 is operating in idling mode, for example because the motor vehicle in which the system 1 is used is stopped at a traffic light, the control device 17 controls the throttle valve 8 and thus reduces the amount of air in the intake pipe 5. At the same time, the control device 17 activates the exhaust gas recirculation device, for example by opening a shut-off valve arranged in branch 14b and reducing the flow rate of the exhaust gas in branch 14a. Thus, in idling mode, a second operating state is set in which a rich air/hydrogen mixture ( ⁇ 1) is burned, since the amount of air is reduced to such an extent that a rich mixture is established with the amount of fuel injected by the injection device 9 at the same mixture calorific value. At the same time, recirculated exhaust gas is fed to the mixture.
  • the air supply is preferably set so that a substoichiometric mixture is established with the mixture calorific value required at least for idling power.
  • a rich air/hydrogen mixture can, on the one hand, reduce, preferably completely prevent, the formation of nitrogen oxide due to the complete combustion of oxygen with hydrogen, and, on the other hand, ensure that unburned hydrogen is supplied to the exhaust system 6 as a reducing agent.
  • the recirculated exhaust gas recirculates inert components of the combustion product from the exhaust system 6 into the combustion chamber 3. These components no longer participate in the combustion. This allows the process temperature to be reduced, which inhibits the formation of further nitrogen oxide. This allows the regeneration of the storage catalyst to be carried out reliably. For this reason, it is also advantageous if exhaust gas is recirculated, at least temporarily, during a transition between the first operating state and the second operating state.
  • the second operating state is set by the control device 17 until the catalyst 13 is completely regenerated.
  • control device can also set the second operating state during overrun of the engine 2. If, for example, the control device 17 determines that overrun is present, the control device 17 controls the injection device 9 such that a rich mixture is present in accordance with the supplied air quantity, which can be regulated by the throttle valve 8. Furthermore, the exhaust gas recirculation is activated in a similar manner to idle operation.
  • a prerequisite for overrun operation is that the operator (e.g., a driver) does not request any torque from the internal combustion engine, i.e., the accelerator pedal is not depressed.
  • spark plug 10 is activated at a very late point in time.
  • the ignition takes place in a range of a maximum of 40° before the top dead center of a crankshaft angle until the opening of an exhaust valve, in particular in an angular range of a crankshaft of a maximum of 40° before to a maximum of 360° after the top dead center, further preferably from a maximum of 20° before to a maximum of 360° after the top dead center, again preferably from a maximum of an angle corresponding to a top dead center to a maximum of 360° after the top dead center.
  • the air supply during overrun is reduced compared to a working mode (driven by the internal combustion engine), for example, by opening the throttle valve.
  • a working mode driven by the internal combustion engine
  • the rich mixture and the late ignition allow the exhaust gas enthalpy to be increased, which ensures a temperature sufficient for regeneration of the catalytic converter 13.
  • the power generated by the internal combustion engine during overrun mode corresponding to the rich mixture calorific value, is less than the drag power applied to the internal combustion engine.
  • Carrying out combustion of a rich mixture as regeneration mode during the overrun phase has the advantage that the transition from the lean to the rich mixture range can be discontinuous and thus a mixture range around ⁇ equal to 1 does not have to be passed through. In this range, the formation of nitrogen oxides is generally very high. During the transition to idling mode, it may under certain circumstances occur that a mixture range with high nitrogen oxide formation is passed through if the mixture is continuously transferred from the superstoichiometric to the substoichiometric range.
  • step S1 system 1 continuously monitors the NOx saturation level of the catalyst 13.
  • Known methods for example, can be used by measuring and/or modeling the saturation level. If control device 17 determines that the saturation level has reached a predetermined limit value Th, for example, greater than 20% or less than 100%, preferably 70-90%, regeneration is requested in step S2, i.e., the second operating state is specified.
  • Th for example, greater than 20% or less than 100%, preferably 70-90%
  • a check is carried out to determine whether idling operation (LL) or overrun operation (SB) can be expected within a predetermined time interval.
  • LL idling operation
  • SB overrun operation
  • the predetermined time interval preferably depends on the limit value Th. If idling or overrun operation can be expected within the predetermined time interval, regeneration is carried out in one of the two states in a step S3a. If it is determined that idling or overrun operation is not or will not be present, a shut-off valve in line 16 is released, for example, and hydrogen from the hydrogen storage device 15 is fed directly into the exhaust system 6 via the inflow device 16a, bypassing the combustion chamber 3.
  • VL full load
  • TL full load
  • the line 16 and the inflow device 16a can also be omitted.
  • the control device 17 can be activated, for example, at a saturation level of more than 20%, or less than 100%, preferably 70-90%, of the catalytic converter 13, a warning is issued to the user of the internal combustion engine 2 (driver) that they should switch to idle mode.
  • the limit value is preferably lower than when the inflow device is present, in order to allow sufficient time to switch to overrun or idle mode.
  • control device 17, not according to the invention as such can also be programmed such that it does not adjust the combustion of a rich mixture with exhaust gas recirculation either during overrun or idling operation.
  • regeneration in the second operating state can take place solely via the line 16 and the inflow device 16a, with a reducing agent being fed directly into the exhaust system 6.
  • the engine 2 can thus continue to be operated in the first operating state (lean mixture) while the second operating state exists simultaneously.
  • the reducing agent can be fed into the combustion chamber 3 and then, after being discharged from the combustion chamber 3, fed to the exhaust system 6.
  • the supply to the combustion chamber 3 preferably occurs after the completion of a combustion process, i.e., when ignition by the spark plug is complete, and the energy of the combusted mixture does not allow combustion of the reducing agent supplied, particularly during the exhaust stroke.
  • the reducing agent is hydrogen and can be supplied via the same supply device as the combusted hydrogen. In this case, too, a lean mixture can be combusted.
  • FIG. 2 a schematic longitudinal sectional view of a modification of an exhaust system 106 of the engine, which is not in itself according to the invention, is shown.
  • the exhaust line 106 differs from the above exhaust line 6 in that it is divided into two exhaust line sections 106a and 106b, preferably downstream of the Fig. 1 shown branching, which are connected in parallel to one another, for example. Both the exhaust line section 106a and the exhaust line section 106b each have a nitrogen oxide storage catalyst 13a and 13b. Throttle valves (throttle devices within the meaning of the claims) 18a and 18b are located upstream of the two catalysts 13a and 13b.
  • each exhaust line section 106a and 106b has an inflow device 19a and 19b upstream of the catalysts 13a and 13b.
  • Each inflow device 19a and 19b preferably comprises an injector. The injector injects the reducing agent (hydrogen) into the exhaust line section 106a and 106b.
  • the throttle valves 18a and 18b are designed to be variable in terms of their degree of throttling.
  • the opening angle of each throttle valve 18a and 18b can be adjusted individually, i.e., independently of the other throttle valve.
  • the amount of exhaust gas flowing into the respective exhaust line section 106a and 106b can be varied, in particular, individually regulated.
  • the inflow devices (injectors) can be individually controlled, so that reducing agent can be supplied separately to each exhaust line section 106a and 106b.
  • the supplied amount (mass flow) of reducing agent is individually controlled.
  • the advantage of the above modification is that the engine can be operated at the optimal operating point and does not have to perform rich combustion to avoid oxygen and nitrogen oxide components in the exhaust gas.
  • the efficiency of nitrogen oxide storage and regeneration can be increased. If one (e.g. 13a) of the nitrogen oxide storage catalysts 13a and 13b in the parallel exhaust system sections is close to its capacity limit, for example above the predetermined limit value Th, exhaust gas can still be stored in the other nitrogen oxide storage catalyst 13b in the other exhaust system section 106b by the throttle device 18a of the exhaust system section in which the storage catalyst 13a is located, which is operating close to its capacity limit, reducing the supplied flow rate for this exhaust system section, preferably completely suppressing it.
  • This configuration proves particularly effective during regeneration.
  • the internal combustion engine With only one storage catalyst, either the internal combustion engine must be operated rich for regeneration, or a considerable amount of reducing agent must be separately supplied into the exhaust system, bypassing at least one combustion chamber. With the latter method, the internal combustion engine can still be operated lean, but a considerable amount of reducing agent (hydrogen) must be supplied to compensate for the oxygen present due to the lean combustion. Only then can regeneration take place in the absence of oxygen.
  • the present embodiment allows the oxygen supply in the relevant exhaust system section 106a to be reduced by the throttle device 18a, thus requiring a smaller amount of hydrogen compared to only one exhaust system section as in the first embodiment.
  • the storage catalysts 13a and 13b and the exhaust system sections 106a and 106b are identically dimensioned.
  • the parallel-connected storage catalysts 13a and 13b and the exhaust system sections 106a and 106b are configured in such a way that the nitrogen oxides produced at maximum power can be completely stored when all exhaust system sections are unthrottled, i.e., when the flow rate is not reduced.
  • the entire exhaust gas produced at maximum power possibly minus an exhaust gas recirculation amount, is purified of nitrogen oxide when the exhaust system sections 106a and 106b are fully open.
  • the throttle device 18a of an exhaust system section can be controlled, at least for the purpose of regenerating the storage catalyst 13a arranged therein, such that it completely blocks the exhaust gas supply in this exhaust system section 106a, whose at least one storage catalyst 13a is to be regenerated.
  • the throttle device 18b is preferably controlled such that it is fully open. The respective flow rates are thus alternately completely suppressed and not reduced.
  • the respective throttle devices 18a and 18b are alternately fully opened and closed during operation of the internal combustion engine at an applied power of up to half of the maximum power.
  • the ECU 17 controls the throttle valves 18a and 18b, as well as the intake devices 19a and 19b.
  • each of the exhaust system sections is preferably configured such that, at rated power, the nitrogen oxides produced can be completely stored in the at least one storage catalyst of the exhaust system section, in which the flow rate is not reduced. This allows the engine map range in which complete regeneration is possible to be expanded.
  • the catalysts and exhaust system sections are therefore oversized compared to the case in which they are designed in total such that the entire exhaust gas volume can be purified in the unthrottled state.
  • nitrogen oxide sensors 21a and 21b Downstream of the catalysts are nitrogen oxide sensors 21a and 21b, which detect the nitrogen oxide content in the aftertreated exhaust gas and can thus determine complete saturation or a malfunction of the catalysts. For example, if a nitrogen oxide content is detected downstream of the catalyst 13a, the control device 17 can control the throttle valve 18a so that it is completely closed. At the same time, the other throttle valve 18b is completely opened.
  • the saturation level in the catalysts themselves can be measured using known methods. The saturation level can also be modeled.
  • At least one nitrogen oxide sensor upstream of the storage catalysts. This can be done in each of the parallel exhaust system sections 106a and 106b, preferably upstream of the respective throttle valve, and/or in the common exhaust system 106 upstream of the split. In particular, an output of this at least one nitrogen oxide sensor can be used to control the parallel exhaust system sections.
  • the exhaust system sections can thus be controlled based on a signal from at least one nitrogen oxide sensor upstream or downstream of the catalysts. It is preferred that the throttle valves 18a and 18b be controlled such that when the regeneration limit, for example, of 80% saturation level in one catalyst 13a, is reached, the other catalyst 13b has a saturation level difference of at least 20% from its regeneration limit. In this way, it can be ensured that when the catalyst 13a is regenerated, the other catalyst 13b has sufficient capacity for additional nitrogen oxide.
  • the regeneration limit for example, of 80% saturation level in one catalyst 13a
  • the number of exhaust system sections is not limited to two. Rather, more than two exhaust system sections can be provided. Furthermore, advantageous effects are achieved even if only one of the exhaust system sections upstream of the catalytic converter has a variable throttle device. This is because the catalytic converter in question can then When the capacity limit is reached, they are kept free of further nitrogen oxide and regenerated independently of the other parallel catalysts.
  • the parallel catalysts and/or the exhaust system sections are designed with a 1:1 storage volume or cross-sectional area ratio. This allows for a particularly high increase in efficiency.
  • a rich combustion mixture can also be burned for regeneration.
  • a plurality of combustion chambers can be provided instead of one combustion chamber.
  • the type of mixture formation is irrelevant. This can occur inside or outside the combustion chamber.
  • a spiral device with helical flights can also be provided, along which the fluid is forced to flow.
  • the main flow direction of the outlet 16a1 can also be inclined relative to the main flow direction of the exhaust line or exhaust line section. In this case, an inclined profile does not need to be provided.
  • the inclined arrangement imparts a rotational component to the flow.
  • the exhaust gas is recirculated upstream of the at least one storage catalyst, but the exhaust gas recirculation can also take place downstream of the at least one storage catalyst.
  • the above system 1 is preferably used in a motor vehicle and is embedded therein.
  • the engine 2 is preferably a converted conventional diesel engine, particularly preferably a diesel engine of a commercial vehicle such as a truck.
  • a hydrogen tank is provided in the system as the fuel storage device 15.
  • an internal combustion engine based on the diesel principle is preferably used, including a nitrogen oxide storage catalyst. The catalyst is correspondingly large and thus ensures long storage times for the hydrogen engine.
  • a further aspect of this disclosure is thus directed to a conversion method for an existing diesel-powered system, which can be implemented, for example, in a motor vehicle, wherein the fuel storage device is replaced by a hydrogen storage device and the direct injection device is replaced by a spark plug. It is also conceivable to provide a supply device for supplying the hydrogen into the combustion chamber, preferably on the cylinder head. If not present, a throttle valve can also be added. Furthermore, the control device is programmed to execute the above method.
  • the disclosure also relates to a use of an internal combustion engine used in a diesel-powered system, which is provided with at least one storage catalyst, and/or the at least one storage catalyst in a system described in this disclosure and/or for a method described in this system.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, ein System zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verbrennungskraftmaschine.
  • Es ist bekannt, dass mit Wasserstoff betriebene Verbrennungskraftmaschinen im Hinblick auf Emissionen vorteilhaft sind. So entfallen bei diesen Verbrennungskraftmaschinen kohlenstoffhaltige Emissionsprodukte wie Ruß und Kohlenstoffmonoxid.
  • Weiterhin wurde in der DE10 2016 107 466 A1 eine selektive katalytische Reduktion zur Reduktion von NOx-Bestandteilen in Abgasen von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Dabei muss jedoch kontinuierlich ein Reduktionsmittel in den Abgasstrang zugeführt werden. Dabei ist eine feine Dosierung des Reduktionsmittels mit kontinuierlichem Regelbedarf notwendig, wobei bei deren Ausfall NOx-Emissionen in die Atmosphäre gelangen können.
  • JP 2006 057504 offenbart ein Verfahren, wobei ein Verbrennungsmotor mit Wasserstoff betrieben wird. Im Abgasstrang des Verbrennungsmotors befindet sich ein Stickoxid-Speicherkatalysator, der während der Verbrennung entstehende Stickoxide einspeichert. Zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators wird dem Verbrennungsgemisch fossiler Kraftstoff beigemischt.
  • US 2004/055 281 A1 und EP 1 754 874 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren gemäß der Präambel von Anspruch 1.
  • Die Regeneration erfordert dabei eine schwierige Regelung, außerdem sind mehrere Kraftstoffe an der Bildung des Verbrennungsgemischs beteiligt, was das System sowie die Verbrennung kompliziert macht.
  • Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine in einfacher und robuster Weise als Null-/Niedrigstemissions-System zu betreiben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, bei dem die Verbrennungskraftmaschine aufweist: zumindest einen Brennraum, in dem ein Brennstoff mit Umgebungsluft zumindest teilweise verbrannt wird; einen Abgasstrang, der an eine Auslassseite des zumindest einen Brennraums fluidkommunizierend gekoppelt ist. Als Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine wird Wasserstoff verwendet. Die Verbrennungskraftmaschine weist weiterhin zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator auf und ein aus dem zumindest einen Brennraum in den Abgasstrang entladenes Abgas durchströmt zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, den zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator. In dem zumindest einen Brennraum wird in einem ersten Betriebszustand ein mageres Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt. In einem zweiten Betriebszustand wird der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert, wobei in dem zweiten Betriebszustand in dem zumindest einen Brennraum ein fettes Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt wird.
  • Gemäß dem ersten Aspekt weist die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator auf, den das entladene Abgas durchströmt. Dadurch können Stickoxid (NOx)-Emissionen in besagtem Stickoxid-Speicherkatalysator, der auch als LNT-Katalysator bezeichnet wird, eingespeichert werden. Deshalb erübrigt sich das kontinuierliche Zuführen von Reduktionsmitteln.
  • Der erste Aspekt bedient sich dabei Synergieeffekte, die dadurch entstehen, dass als Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine Wasserstoff verwendet wird. So entstehen bei auf diese Weise betriebenen Verbrennungskraftmaschinen lediglich thermische Stickoxide als schädliche Verbrennungsprodukte. Andere Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung können deshalb entfallen. Dementsprechend steht im Abgasstrang Platz für einen entsprechend dimensionierten Stickoxid-Speicherkatalysator zur Verfügung.
  • Weiterhin bewirken die Prozessbedingungen wie Verbrennungstemperatur einer wasserstoffbetriebenen Verbrennungskraftmaschine eine im Vergleich beispielsweise mit Dieselmotoren geringe Stickoxid-Bildung. Somit können zuverlässig über einen langen Zeitraum Stickoxide in den Stickoxid-Katalysator eingespeichert werden.
  • Weiterhin wird bei dem Verfahren in dem zumindest einen Brennraum in einem ersten Betriebszustand ein mageres Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt.
  • Durch die Verbrennung eines mageren Gemisches kann der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erhöht werden. Gleichzeitig lassen sich die Verbrennungstemperaturen herabsetzen, was die Bildung von Stickoxiden weiter hemmt und damit den Stickoxid-Speicherkatalysator über einen langen Zeitraum Stickoxide einspeichern lässt. Dabei wird die Verbrennung des mageren Gemisches vorzugsweise kontinuierlich, also über eine Vielzahl von Zyklen der Verbrennungskraftmaschine betrieben. Ein mageres Luft/Wasserstoff-Gemisch ist ein überstöchiometrisches Gemisch. Vorzugsweise wird ein λ von größer gleich 1 und kleiner gleich 5, betriebspunktabhängig wird besonders bevorzugt ein λ von größer gleich 1,3 und kleiner gleich 3,5 eingestellt.
  • Zudem wird in einem zweiten Betriebszustand der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert.
  • Dabei kann das im Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherte Stickoxid in atmosphärischen Stickstoff umgewandelt werden und an die Umgebung abgegeben werden. Anschließend kann der Speicherkatalysator von neuem Stickoxide aufnehmen. Somit kann kontinuierlich ein Ausstoß von Schadstoffemissionen verhindert werden.
  • Erfindungsgemäß wird in dem zweiten Betriebszustand in dem zumindest einen Brennraum ein fettes Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt.
  • In dem zweiten Betriebszustand kann dem Brennraum also ein unterstöchiometrisches Luft/Wasserstoff-Gemisch zugeführt werden. Vorzugsweise wird ein λ von größer gleich 0,6 und kleiner gleich 1,0, besonders bevorzugt von größer gleich 0,8 und kleiner gleich 0,9 eingestellt. Durch ein fettes Luft/Wasserstoffgemisch kann zum Einen die Bildung von Stickoxid aufgrund Sauerstoffmangels reduziert werden, vorzugsweise vollständig unterbunden werden, zum Anderen kann sichergestellt werden, dass unverbrannter Wasserstoff dem Abgasstrang als Reduktionsmittel zugeführt wird. Damit kann der überschüssige Wasserstoff zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators verwendet werden.
  • Das fette Gemisch kann aufgrund der geringen Stickoxid-Bildung und der damit verbundenen langen Einspeicherungsmöglichkeit in angemessenen Situationen eingestellt werden.
  • Vorzugsweise weist die Verbrennungskraftmaschine weiterhin eine Abgasrückführeinrichtung auf, die Abgas von dem Abgasstrang in den Brennraum zurückführt.
  • Damit können inerte Bestandteile des Verbrennungsprodukts von dem Abgasstrang in den Brennraum zurückgeführt werden. Diese Bestandteile nehmen nicht mehr an der Verbrennung teil und entziehen dem Verbrennungsprozess exotherme Energie. Somit kann die Prozesstemperatur herabgesetzt werden, was die Bildung von weiterem Stickoxid hemmt. Vorzugsweise wird das Abgas als Hochdruckabgas rückgeführt, insbesondere von einer Position stromaufwärts einer Turbine im Abgasstrang. Damit kann eine ausreichende Rückführmenge sichergestellt werden.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann in dem zweiten Betriebszustand Abgas über die Abgasrückführeinrichtung in den zumindest einen Brennraum rückgeführt werden.
  • Somit kann in dem zweiten Betriebszustand zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators die Bildung von weiterem Stickoxid reduziert werden, vorzugsweise vollständig unterbunden werden, und die Regeneration des Speicherkatalysators zuverlässig durchgeführt werden. Ein weiterer vorteilhafter Effekt stellt sich insbesondere in Verbindung mit Wasserstoff ein, da durch das weniger reaktive Gemisch eine Vorentflammungsneigung, also eine Frühzündung, verhindert werden kann.
  • Gemäß der Erfindung kann der zweite Betriebszustand in einem Leerlaufbetrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden.
  • Somit können Auswirkungen des Regenerationsbetriebs auf das Verhalten der von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Vorrichtung verhindert werden. Insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor können Auswirkungen auf das Fahrverhalten unterbunden werden. Wie bereits erwähnt, kann der zweite Betriebszustand dabei in angemessenen Situationen wie beispielsweise das Stehen an einer Ampel durchgeführt werden, also insbesondere wenn die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, ohne die für sie vorbestimmte Arbeit zu verrichten, indem sie beispielsweise von zumindest einem Antriebsrad eines Fahrzeugs getrennt ist, oder mit anderen Worten keine Last an der Verbrennungskraftmaschine anliegt. Da solche Situationen bei Verwendung der Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit hinreichender Wahrscheinlichkeit auftreten, wird der Betrieb des Kraftfahrzeugs nicht durch nötige Regenerationsphasen des Katalysators limitiert. Weiterhin kann durch die im Leerlauf erfolgende Drosselung der zugeführten Luftmenge erreicht werden, dass hohe Raten an Abgas rückgeführt werden. Dies beruht darauf, dass der Abgasgegendruck (vor der Turbine eines möglichen Abgasturboladers) in diesem Zustand größer ist als der Druck im Saugrohr. Somit lassen sich die obigen Effekte der Abgasrückführung im Regenerationsbetrieb zuverlässig erreichen.
  • Gemäß der Erfindung kann der zweite Betriebszustand auch in einem Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden. Der Schubbetrieb ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die von der Verbrennungskraftmaschine generierte Leistung kleiner ist als die an der Verbrennungskraftmaschine anliegende Schleppleistung. Mit anderen Worten kann die Verbrennungskraftmaschine von der Abtriebsseite her in Rotation gehalten werden.
  • Auch in diesem Fall gilt, dass der Betrieb eines Kraftfahrzeugs nicht durch nötige Regenerationsphasen des Katalysators limitiert wird, da auch der Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine mit hinreichender Wahrscheinlichkeit während langer Fahrten auftritt. Während im Leerlaufbetrieb die zugeführte Luftmenge gedrosselt wird, kann im Schubbetrieb die zugeführte Brennstoffmenge gezielt so eingestellt werden, dass ein fettes Gemisch verbrannt wird. Gleichzeitig kann die Zündung sehr spät erfolgen, was die Verbrennung stabilisiert und dadurch das Entstehen von weiteren Stickoxiden reduziert, vorzugsweise unterbindet. Vorzugsweise erfolgt die Zündung in einem Bereich von maximal 40° vor dem oberen Totpunkt eines Kurbelwellenwinkels bis zum Öffnen eines Auslassventils, insbesondere in einem Winkelbereich einer Kurbelwelle von maximal 40° vor bis maximal 360° nach dem oberen Totpunkt, weiterhin bevorzugt von maximal 20° vor bis maximal 360° nach dem oberen Totpunkt, nochmals bevorzugt von maximal einem Winkel entsprechend einem oberen Totpunkt bis maximal 360° nach dem oberen Totpunkt.
  • Durch das fette Gemisch und die späte Zündung kann die Abgasenthalpie erhöht werden, was eine für eine Regeneration des Katalysators ausreichende Temperatur sicherstellt. Die im Schubbetrieb generierte Leistung der Verbrennungskraftmaschine ist kleiner als die anliegende Schleppleistung, damit der Schubbetrieb aufrecht erhalten werden kann. Die Durchführung einer Verbrennung eines fetten Gemisches als Regenerationsbetrieb in der Schubphase hat den Vorteil, dass der Übergang von dem mageren in den fetten Gemischbereich diskontinuierlich erfolgen kann und somit ein Gemischbereich um λ gleich 1 nicht durchlaufen werden muss. In diesem Bereich ist die Bildung von Stickoxiden in der Regel sehr hoch.
  • Vorzugsweise wird zumindest vorübergehend bei einem Übergang zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand Abgas rückgeführt.
  • Somit kann selbst in einem Fall in dem ein Gemisch nahe dem stöchiometrischen Verhältnis beim Übergang durchlaufen wird, die Bildung von Stickoxiden reduziert, vorzugsweise vollständig unterbunden werden.
  • Gemäß noch einem weiteren hierin offenbarten, aber für sich genommen nicht erfindungsgemäßen Aspekt, der als von dem ersten Aspekt abhängiger Aspekt vorgesehen werden kann, wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen Brennraum, in dem ein Brennstoff mit Umgebungsluft zumindest teilweise verbrannt wird, und einen Abgasstrang, der an eine Auslassseite des zumindest einen Brennraums fluidkommunizierend gekoppelt ist, aufweist. Als Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine wird Wasserstoff verwendet, wobei die Verbrennungsraftmaschine weiterhin zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweist und ein aus dem zumindest einen Brennraum in den Abgasstrang entladenes Abgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, den zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator durchströmt, wobei in dem zumindest einen Brennraum in einem ersten Betriebszustand ein mageres Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert wird, wobei in dem zweiten Betriebszustand ein Reduktionsmittel zur Reduzierung der in dem Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherten Stickoxide als Teil des Abgases in den zumindest einen Brennraum, oder stromabwärts des zumindest einen Brennraums stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators oder in den Stickoxid-Speicherkatalysator in den Abgasstrang zugeführt wird.
  • Auch gemäß diesem Aspekt entstehen bei der Verbrennung des mageren Luft/Wasserstoff-Gemischs lediglich thermische Stickoxide als schädliche Verbrennungsprodukte. Andere Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung können deshalb entfallen. Dementsprechend steht im Abgasstrang Platz für einen entsprechend dimensionierten Stickoxid-Speicherkatalysator zur Verfügung.
  • Weiterhin bewirken die Prozessbedingungen wie Verbrennungstemperatur einer mager und/oder mit hoher Abgasrückführungsrate wasserstoffbetriebenen Verbrennungskraftmaschine eine im Vergleich beispielsweise mit Dieselmotoren geringe Stickoxid-Bildung. Somit können zuverlässig über einen langen Zeitraum Stickoxide in den Stickoxid-Katalysator eingespeichert werden.
  • Durch die Verbrennung eines mageren Gemisches kann der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erhöht werden. Gleichzeitig lassen sich die Verbrennungstemperaturen herabsetzen, was die Bildung von Stickoxiden weiter hemmt und damit den Stickoxid-Speicherkatalysator über einen langen Zeitraum Stickoxide einspeichern lässt. Dabei wird die Verbrennung des mageren Gemisches vorzugsweise kontinuierlich, also über eine Vielzahl von Zyklen der Verbrennungskraftmaschine betrieben. Ein mageres Luft/Wasserstoff-Gemisch ist ein überstöchiometrisches Gemisch. Vorzugsweise wird ein λ von größer gleich 1 und kleiner gleich 5, betriebspunktabhängig wird besonders bevorzugt ein λ von größer gleich 1,3 und kleiner gleich 3,5 eingestellt.
  • Zudem wird in einem zweiten Betriebszustand der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert.
  • Dabei kann das im Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherte Stickoxid in atmosphärischen Stickstoff umgewandelt werden und an die Umgebung abgegeben werden. Anschließend kann der Speicherkatalysator von neuem Stickoxide aufnehmen. Somit kann kontinuierlich ein Ausstoß von Schadstoffemissionen verhindert werden.
  • Weiterhin kann gemäß diesem Aspekt das Reduktionsmittel direkt in den Abgasstrang zugeführt werden, ohne als Abgas aus einer Verbrennung bereitgestellt werden zu müssen. Somit kann die Verbrennungskraftmaschine weiterhin in dem ersten Betriebszustand der Verbrennung eines mageren Luft/Wasserstoff-Gemischs betrieben werden. Insbesondere kann weiterhin ein mageres Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt werden. Der erste und zweite Betriebszustand schließen sich demnach nicht aus, sondern können auch nebeneinander vorliegen. Natürlich kann die direkte Zuführung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang auch neben der Verbrennung eines fetten Gemischs erfolgen, sodass dann nur der zweite Betriebszustand vorliegt.
  • Gemäß diesem Aspekt ist es aber auch möglich, insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen, die den Brennstoff direkt in den Brennraum zuführen, das Reduktionsmittel als Teil des Abgases vorzusehen. Dabei kann das Reduktionsmittel in den Brennraum zugeführt werden, und anschließend nach dem Entladen aus dem Brennraum dem Abgasstrang zugeführt werden.
  • Vorzugsweise wird der Strömung des zugeführten Reduktionsmittels zumindest abschnittsweise eine rotatorische oder divergente Komponente aufgeprägt.
  • Dadurch kann die Durchmischung in dem Abgasstrang erhöht werden und der Speicherkatalysator zuverlässig regeneriert werden, da er gleichmäßig von dem Reduktionsmittel durchströmt wird.
  • Vorzugsweise ist das Reduktionsmittel Wasserstoff und stammt besonders bevorzugt aus derselben Quelle wie der Wasserstoff, der als Brennstoff verwendet wird. Insbesondere wenn das Reduktionsmittel direkt in den Brennraum eingespritzt wird, kann dabei dieselbe Zuführeinrichtung, die zur Zuführung des Wasserstoffs in den Brennraum verwendet wird, verwendet werden.
  • Somit kann die Komplexität des Systems verringert werden, da alle Komponenten auf Wasserstoff ausgelegt werden können. Weiterhin kann auf eine zusätzliche Speichereinrichtung wie einen Tank für das Reduktionsmittel verzichtet werden.
  • Vorzugsweise wird das Reduktionsmittel nach Abschluss eines Verbrennungsvorgangs in den Brennraum zugeführt, weiterhin vorzugsweise während eines Ausstoßtakts, in dem das Abgas aus dem Brennraum entladen wird, zugeführt. Somit kann sichergestellt werden, dass das Reduktionsmittel nicht mit dem Sauerstoff der in dem Brennraum enthaltenen Luft verbrannt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Einstellen des zweiten Betriebszustands bei einem Sättigungsgrad des Stickoxid-Speicherkatalysators von größer 20%, beziehungsweise kleiner 100%, vorzugsweise 70 - 90%, besonders bevorzugt 80%, durchgeführt werden. Dabei kann auf bekannte Verfahren zur Bestimmung des Sättigungsgrads zurückgegriffen werden.
  • Somit kann der Speicherkatalysator über einen Großteil seiner Speicherkapazität genutzt werden. Durch die geringe Stickoxid-Bildung im ersten Betriebszustand kann eine Übersättigung während des Umschaltens verhindert werden, sodass die Umschaltung sehr nahe an der Speicherkapazitätsgrenze erfolgen kann.
  • Gemäß noch einem weiteren hierin offenbarten, aber für sich genommen nicht erfindungsgemäßen Aspekt, der als von den obigen Aspekten abhängiger Aspekt vorgesehen werden kann, wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, wobei die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen Brennraum, in dem ein Brennstoff mit Umgebungsluft zumindest teilweise verbrannt wird, und einen Abgasstrang, der an eine Auslassseite des zumindest einen Brennraums fluidkommunizierend gekoppelt ist, aufweist, wobei als Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine Wasserstoff verwendet wird. Der Abgasstrang weist eine Vielzahl von parallel geschalteten Abgasstrangabschnitten auf, wobei zumindest zwei der Vielzahl der Abgasstrangabschnitte jeweils zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisen, den zumindest ein Teil eines aus dem zumindest einen Brennraum in den Abgasstrang entladenes Abgas zumindest zeitweise durchströmt, wobei zumindest zeitweise die Strömungsmenge durch den zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator in zumindest einem der Abgasstrangabschnitte, vorzugsweise durch eine stromaufwärts des zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysators angeordnete variable Drosseleinrichtung, verändert wird.
  • Somit kann in Abhängigkeit der Restkapazität des zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysators die Strömung des Abgases beeinflusst werden. Befindet sich in einem Abgasstrang der Stickoxid-Speicherkatalysator nahe der Kapazitätsgrenze, kann in diesem Abgasstrang die Strömungsmenge reduziert werden, während parallel geschaltete Stickoxid-Speicherkatalysatoren weiterhin in größeren Mengen durchströmt werden können. Auch dadurch lässt sich wie in den obigen Aspekten der Stickoxid-Speicherkatalysator effizient betreiben.
  • Vorzugsweise wird die Strömungsmenge in einer Vielzahl von den Abgasstrangabschnitten, die jeweils den zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisen, unabhängig voneinander verändert.
  • Dazu kann zumindest in einem, vorzugsweise in einer Vielzahl, der Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Abgasstrangabschnitten stromaufwärts des zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysators eine variable Drosseleinrichtung angeordnet sein kann, die zur Regulierung der Abgasmenge in dem jeweiligen Abgasstrangabschnitt individuell gesteuert wird.
  • Somit kann auf jeden parallel geschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator unabhängig reagiert werden.
  • Weiterhin kann zur Regeneration des zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysators die Strömungsmenge in zumindest einem der Abgasstrangabschnitte reduziert werden, vorzugsweise vollständig unterdrückt werden.
  • Wird die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise mit einem mageren Verbrennungsgemisch betrieben, würden in einem ungedrosselten Zustand weiterhin Stickoxide durch den zumindest einen Abgasstrangabschnitt mit dem Stickoxid-Speicherkatalysator nahe der Kapazitätsgrenze strömen. Durch die Reduzierung kann somit eine weitere starke Stickoxidzufuhr in dem zumindest einen der Abgasstrangabschnitte während der Regeneration unterdrückt werden.
  • Vorzugsweise wird zumindest in einen, besonders bevorzugt in jeden, der Vielzahl von parallel zueinander geschalteten Abgasstrangabschnitten ein Reduktionsmittel zur Reduzierung der in dem Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeicherten Stickoxide stromaufwärts des zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysators oder in den zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator zugeführt, und besonders bevorzugt wird die zugeführte Menge an Reduktionsmittel für jeden Abgasstrangabschnitt individuell gesteuert.
  • Dadurch kann die Effizienz der Stickoxid-Speicherung sowie der Regeneration gesteigert werden. Die Verbrennungskraftmaschine kann hier weiter mit einem mageren Verbrennungsgemisch betrieben werden. Wird bei diesem Verfahren nur ein einziger Abgasstrang vorgesehen, muss eine beträchtliche Menge an Reduktionsmittel (Wasserstoff) zugeführt werden, um den aufgrund der mageren Verbrennung vorhandenen Sauerstoff zu kompensieren. Erst dann kann die Regeneration unter Ausschluss von Sauerstoff stattfinden. Dagegen kann durch den obigen Aspekt die Sauerstoffzufuhr in dem zumindest einen betreffenden Abgasstrangabschnitt beispielsweise durch die Drosseleinrichtung reduziert werden, womit eine geringere Menge an Wasserstoff benötigt wird, verglichen mit dem Fall, in dem nur ein Abgasstrangabschnitt vorgesehen wird, sogar wenn die Verbrennungskraftmaschine weiterhin mit einem mageren Verbrennungsgemisch betrieben wird. Die gesonderte Reduktionsmittelzuführung in den jeweiligen Abgasstrangabschnitt ist also besonders vorteilhaft, wenn zur Regeneration, die Strömungsmenge in dem jeweiligen Abgasstrangabschnitt gegenüber einem Nicht-Regenerationszustand wie dem ungedrosselten Zustand reduziert wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann zumindest in zwei der Abgasstrangabschnitte zumindest zeitweise wechselweise regeneriert werden.
  • Beispielsweise ergibt sich die höchste Effizienzsteigerung im Falle von zwei parallel geschalteten Speicherkatalysatoren, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit maximal der Hälfte der Maximalleistung betrieben wird. Denn in diesem Fall kann die Drosseleinrichtung eines Abgasstrangabschnitts zumindest zur Regeneration des darin angeordneten Speicherkatalysators so angesteuert werden, dass sie in diesem Abgasstrangabschnitt, dessen zumindest einer Speicherkatalysator zu regenerieren ist, die Abgaszufuhr vollständig sperrt. Dabei wird in dem parallelen Abgasstrangabschnitt die Drosseleinrichtung vorzugsweise so angesteuert, dass sie vollständig geöffnet ist. Somit wird in zwei der Abgasstrangabschnitte wechselweise regeneriert, wobei in einem Abgasstrangabschnitt regeneriert wird und im anderen nicht. Ebenso kann die Veränderung der Strömungsmenge gegenüber einem Referenzzustand wie dem Nicht-Regenerationszustand, insbesondere die Reduzierung, wechselweise erfolgen. Besonders bevorzugt werden die jeweiligen Drosseleinrichtungen während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine bis zur Hälfte der Maximalleistung wechselweise vollständig geöffnet und geschlossen, also die jeweiligen Strömungsmengen wechselweise vollständig unterdrückt und nicht reduziert. Vorzugsweise werden die Strömungsmengen bis zu dem Einfachen der Nennleistung minus dem Kehrwert der Anzahl der parallel angeordneten Abgasstrangabschnitte mal der Nennleistung wechselweise reduziert, insbesondere vollständig unterdrückt, und nicht reduziert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt können zumindest die jeweils parallel geschalteten Speicherkatalysatoren, vorzugsweise jeweils die gesamten Abgasstrangabschnitte so konfiguriert sein, dass die bei Maximalleistung entstehenden Stickoxide im ungedrosselten Zustand aller Abgasstrangabschnitte, also wenn die Strömungsmenge nicht reduziert wird, vollständig eingespeichert werden können, insbesondere die Summe aller parallel geschalteten Speicherkatalysatoren entsprechend einer vorgegebenen Raumgeschwindigkeit konfiguriert ist. Dabei sind vorzugsweise die Speicherkatalysatoren und Abgasstrangabschnitte identisch dimensioniert.
  • Es ist aber auch denkbar zumindest die jeweils parallel geschalteten Speicherkatalysatoren, vorzugsweise den gesamten jeweiligen Abgasstrangabschnitt so zu konfigurieren, dass zumindest in einem Abgasstrangabschnitt bei Nennleistung die Strömungsmenge vollständig unterdrückt werden kann. Die Strömungsmenge kann also dann bei Nennleistung durch die verbleibenden Abgasstrangabschnitte, in denen die Strömungsmenge nicht reduziert wird, und die darin angeordneten Speicherkatalysatoren strömen. Somit kann sichergestellt werden, dass selbst bei Nennleistung generiertes Stickoxid in den Speicherkatalysatoren der nicht reduzierten Abgasstrangabschnitte eingespeichert wird. Insbesondere kann die Summe der verbleibenden parallel geschalteten Speicherkatalysatoren entsprechend der vorgegebenen Raumgeschwindigkeit konfiguriert sein. Bei zwei parallelen Abgasstrangabschnitten ist vorzugsweise jeder der Abgasstrangabschnitte so konfiguriert, dass bei Nennleistung die entstehenden Stickoxide vollständig in dem zumindest einen Speicherkatalysator des Abgasstrangabschnitts eingespeichert werden, in dem die Strömungsmenge nicht reduziert wird. Somit kann der Kennfeldbereich, in dem eine vollständige Regeneration möglich ist, erweitert werden.
  • Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, das Verfahren nach einem der vorangegangen Aspekte durchzuführen.
  • Eine solche Steuereinrichtung erlaubt eine Plattform, in der sie installiert ist, als Niedrigstemissionssystem zu betreiben.
  • Neben der Steuereinrichtung betrifft diese Erfindung auch ein Programm, das, wenn es auf einem mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Computer ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt. Ebenso betrifft diese Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, auf dem das besagte Programm gespeichert ist.
  • Weiterhin wird obige Aufgabe gelöst durch ein System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der obigen Aspekte, wobei das System aufweist: eine Verbrennungskraftmaschine wie sie gemäß einem der obigen Aspekte definiert ist; und eine Speichereinrichtung für Wasserstoff, die mit der Verbrennungskraftmaschine fluidkommunizierend gekoppelt ist.
  • Ein solches System stellt ein zuverlässiges Null-/Niedrigstemissions-System dar.
  • Weiterhin weist das System weiterhin eine Steuereinrichtung auf, die konfiguriert ist, das Verfahren nach einem der obigen Aspekte durchzuführen.
  • Durch das Zusammenwirken von Steuereinrichtung, Verbrennungskraftmaschine und Speichereinrichtung können die obigen Effekte zuverlässig realisiert werden.
  • Vorzugsweise weist in dem System die Verbrennungskraftmaschine weiterhin zumindest eine Zuströmeinrichtung auf, über die das Reduktionsmittel in den Brennraum oder in den Abgasstrang zugeführt werden kann, vorzugsweise zumindest jeweils eine Zuströmeinrichtung für jeden Abgasstrangabschnitt im Falle von einer Vielzahl von parallel geschalteten Abgasstrangabschnitten.
  • Dadurch kann in der Verbrennungskraftmaschine das Reduktionsmittel über den Brennraum oder unter Umgehung des Brennraums in den Abgasstrang zugeführt werden, sodass eine Gemischumschaltung von einem mageren Gemisch auf ein fettes Gemisch nicht notwendig ist.
  • Vorzugsweise ist in dem System die Verbrennungskraftmaschine weiterhin konfiguriert, der Strömung des Reduktionsmittels im Abgasstrang zumindest abschnittsweise eine rotatorische oder divergente Komponente aufzuprägen, wobei die Verbrennungskraftmaschine dabei vorzugsweise eine Wendeleinrichtung oder ein zu einer Hauptströmungsrichtung angestelltes Profil aufweist.
  • Dadurch kann eine verbesserte Durchmischung des Reduktionsmittels in dem Abgasstrang erreicht werden, die den Wirkungsgrad des Katalysators erhöht. Durch die Wendeleinrichtung kann auf einfache Weise die rotatorische Komponente aufgeprägt werden. Durch ein angestelltes Profil kann die Strömung entlang dieses Profils divergent ausgebildet werden.
  • Weiterhin wird eine Verbrennungskraftmaschine für das eben beschriebene System vorgesehen, die insbesondere jede Kombination der strukturellen Merkmale dieser Offenbarung aufweisen kann.
  • Die obigen Aspekte werden nun anhand beispielhafter Ausführungsformen gemäß den Figuren näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein System, mit dem das oben erläuterte Verfahren durchgeführt werden kann.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer Abwandlung eines Abgasstrangs einer als solchen nicht erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.
  • Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators.
  • Das System 1 weist eine Verbrennungskraftmaschine 2 (Motor) auf, die in Fig. 1 in einer Längsschnittansicht entlang einer Achse eines zylindrischen Brennraums 3 der Verbrennungskraftmaschine 2 gezeigt ist. Neben dem Brennraum 3 weist die Verbrennungskraftmaschine 2 ein Ansaugrohr 5 sowie einen Abgasstrang 6, die jeweils über einen Ein- und Auslass 7a und 7b, die über Ventile geöffnet bzw. verschlossen werden, mit dem Brennraum fluidkommunizierend verbunden sind.
  • In dem Ansaugrohr 5 kann sich, wie in der Fig. 1 gezeigt, eine Drosselklappe 8 zur Regulierung der Luftmenge, sowie eine Einspritzeinrichtung 9 zum Einspritzen eines Brennstoffs in das Ansaugrohr 5 befinden. An einem oberen Ende ist der Brennraum 3 von einem Zylinderkopf verschlossen, in dem eine Zündkerze 10 zur Zündung des durch den Einlass 7a in den Brennraum gelangte Luft/Brennstoff-Gemisch angeordnet ist. Am unteren Ende wird der Brennraum 3 von einem Kolben 11 verschlossen, der an eine Kurbelwelle 12 drehbar gekoppelt ist. Als Brennstoff wird vorzugsweise ausschließlich Wasserstoff verwendet.
  • Bezüglich der Achse gegenüberliegend des Einlasses 7a befindet sich der Auslass 7b, über den das durch Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs entstandene Abgas in den Abgasstrang 6 strömt.
  • In dem Abgasstrang 6 befindet sich stromabwärts des Auslasses 7b ein NOx-Speicher-Katalysator (NSK) 13. Dieser NOx-Speicher-Katalysator 13 besteht beispielsweise im Wesentlichen aus einem Aluminiumoxid-Träger, auf dem CeO2 und Ba(OH)2 bzw. BaCO3 aufgebracht sind. Als Aktivkomponenten können beispielsweise Platin und Rhodium oder auch Palladium dienen.
  • Stromaufwärts des Speicherkatalysators 13 weist der Abgasstrang eine Verzweigung 14 auf. Der Zweig 14a, in dem sich der Speicherkatalysator 13 befindet, endet in einem Endrohr des Abgasstrangs, während der andere Zweig 14b Teil einer Abgasrückführeinrichtung ist und am stromabwärtigen Ende bezüglich der Verzweigung in das Ansaugrohr 5 mündet. Die Abgasrückführeinrichtung führt somit Hochdruckgas zurück. Die Abgasrückführeinrichtung kann weiterhin beispielsweise Ventile und Sensoren zur Kontrolle des rückgeführten Abgases enthalten. In dem Zweig 14a kann, vorzugsweise stromaufwärts des Speicherkatalysators 13, weiterhin eine Turbine vorgesehen sein, die einen Abgasturbolader antreibt.
  • Das System 1 weist weiterhin eine Speichereinrichtung 15 auf, die mit Wasserstoff befüllt ist. Die Speichereinrichtung 15 ist mit dem Ansaugrohr 5 in fluidkommunizierender Weise über die Einspritzeinrichtung 9 gekoppelt, wobei die Einspritzeinrichtung 9 den Wasserstoff in das Ansaugrohr 5 stromaufwärts des Einlasses 7a einspritzen kann. Die Einspritzeinrichtung 9 ist ein Beispiel einer Zuführeinrichtung zur Zuführung des Brennstoffs. Weiterhin ist die Speichereinrichtung 15 mit dem Abgasstrang stromaufwärts des Katalysators 13 in fluidkommunizierender Weise über eine Leitung 16 gekoppelt. Ein Endabschnitt 16a (Injektor) der Leitung 16 ist dabei in Richtung Auslass 16a1 in divergenter Form ausgebildet, und stellt damit ein bezüglich einer Hauptströmungsrichtung der Leitung 16 angestelltes Profil dar. Der Endabschnitt 16a mit dem Auslass 16a1 ist eine Zuströmeinrichtung für das Reduktionsmittel im Sinne der Ansprüche.
  • Weiterhin weist das System 1 eine Steuereinrichtung 17 wie beispielsweise eine ECU auf. Die Steuereinrichtung 17 empfängt Signale (gestrichelt dargestellt) von zahlreichen in dem System 1 angeordneten Sensoren und steuert ihrerseits in dem System 1 angeordnete Aktuatoren und Ventile über elektrische Signale (gestrichelt dargestellt) an.
  • Mit dem System 1 kann das oben erläuterte Verfahren durchgeführt werden. Erhält die Steuereinrichtung 17 ein Startsignal zum Starten der Verbrennungskraftmaschine 2, wird die Einspritzeinrichtung 9 aktiviert, um im Ansaugtakt den Brennstoff Wasserstoff in die Luft im Ansaugrohr 5 einzuspritzen. Durch die Verbrennung des Wasserstoff/Luft-Gemischs im Brennraum 3 durch Zündung durch die Zündkerze 10 wird Leistung an die Kurbelwelle 12 abgegeben. Das Verbrennungsprodukt gelangt als Abgas durch den Auslass 7b in den Abgasstrang 6. Dort durchströmt es den NOx-Speicherkatalysator 13.
  • Die Funktion des Speicherkatalysators 13 ist wie folgt. Im einem regulären ersten Betriebszustand des Motors 2 (λ>1, Verbrennung eines mageren Gemischs) wird NO an den Edelmetallen, wie Platin, des Katalysators 9, mittels des im Überschuss vorhandenen Sauerstoffs zu NO2 oxidiert, welches an Speicherkomponenten, vorzugsweise basischen Speicherkomponenten wie beispielsweise Ba(OH)2 bzw. BaCO3 als Nitrit und vor allem Nitrat gebunden wird.
  • Der Motor 2 kann kontinuierlich in dem ersten Betriebszustand betrieben werden. Durch die Verbrennung eines mageren Gemischs kann der Wirkungsgrad des Motors 2 erhöht werden. Gleichzeitig lassen sich die Verbrennungstemperaturen herabsetzen, was die Bildung von Stickoxiden hemmt und damit den Stickoxid-Speicherkatalysator 13 über einen langen Zeitraum Stickoxide einspeichern lässt. Dabei wird die Verbrennung des mageren Gemisches vorzugsweise kontinuierlich, also über eine Vielzahl von Zyklen der Verbrennungskraftmaschine betrieben. Vorzugsweise wird ein λ von größer gleich 1 und kleiner gleich 5, betriebspunktabhängig besonders bevorzugt ein λ von größer gleich 1,3 und kleiner gleich 3,5 eingestellt.
  • Erhält die Steuereinrichtung 17 nun die Information, dass der Motor 2 in einem Leerlaufbetrieb betrieben wird, beispielsweise weil das Kraftfahrzeug, in dem das System 1 verwendet wird, an einer Ampel hält, steuert die Steuereinrichtung 17 die Drosselklappe 8 an und reduziert damit die Luftmenge im Ansaugrohr 5. Gleichzeitig aktiviert die Steuereinrichtung 17 die Abgasrückführungseinrichtung, indem sie beispielsweise ein in dem Zweig 14b angeordnetes Sperrventil öffnet und die Durchflussmenge des Abgases im Zweig 14a reduziert. Somit wird im Leerlaufbetrieb ein zweiter Betriebszustand eingestellt, bei dem ein fettes Luft/Wasserstoff-Gemisch (λ<1) verbrannt wird, da die Luftmenge soweit reduziert ist, dass sich mit der von der Einspritzeinrichtung 9 eingespritzten Menge Brennstoff bei gleichem Gemischheizwert ein fettes Gemisch einstellt. Gleichzeitig wird rückgeführtes Abgas dem Gemisch zugeführt. Die Luftzufuhr wird vorzugsweise so eingestellt, dass sich ein unterstöchiometrisches Gemisch mit dem zumindest für die Leerlaufleistung erforderlichen Gemischheizwert einstellt.
  • Durch ein fettes Luft/Wasserstoff-Gemisch kann zum Einen die Bildung von Stickoxid aufgrund der vollständigen Verbrennung des Sauerstoffs mit Wasserstoff reduziert, vorzugsweise vollständig unterbunden werden, zum Anderen kann sichergestellt werden, dass unverbrannter Wasserstoff dem Abgasstrang 6 als Reduktionsmittel zugeführt wird. Damit kann der überschüssige Wasserstoff zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 13 verwendet werden. Durch das rückgeführte Abgas werden inerte Bestandteile des Verbrennungsprodukts von dem Abgasstrang 6 in den Brennraum 3 zurückgeführt. Diese Bestandteile nehmen nicht mehr an der Verbrennung teil. Somit kann die Prozesstemperatur herabgesetzt werden, was die Bildung von weiterem Stickoxid hemmt. Somit kann die Regeneration des Speicherkatalysators zuverlässig durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist es auch vorteilhaft, wenn zumindest vorübergehend bei einem Übergang zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand Abgas rückgeführt wird.
  • Vorzugsweise wird der zweite Betriebszustand bis zur vollständigen Regeneration des Katalysators 13 durch die Steuereinrichtung 17 eingestellt.
  • In ähnlicher Weise wie im Leerlaufbetrieb kann die Steuereinrichtung den zweiten Betriebszustand auch während eines Schubbetriebs des Motors 2 einstellen. Stellt die Steuereinrichtung 17 beispielsweise fest, dass ein Schubbetrieb vorliegt, steuert die Steuereinrichtung 17 die Einspritzeinrichtung 9 so an, dass entsprechend der zugeführten Luftmenge, die durch die Drosselklappe 8 geregelt werden kann, ein fettes Gemisch vorliegt. Weiterhin wird in ähnlicher Weise wie im Leerlaufbetrieb die Abgasrückführung aktiviert.
  • Eine Voraussetzung für den Schubbetrieb ist, dass der Betreiber (beispielsweise ein Fahrer) kein Moment von der Verbrennungskraftmaschine anfordert, das heißt, das Fahrpedal ist nicht betätigt. Um ein Nullmoment trotz Kraftstoffzuführung zu gewährleisten wird die Zündkerze 10 zu einem sehr späten Zeitpunkt aktiviert.
  • Vorzugsweise erfolgt die Zündung in einem Bereich von maximal 40° vor dem oberen Totpunkt eines Kurbelwellenwinkels bis zum Öffnen eines Auslassventils, insbesondere in einem Winkelbereich einer Kurbelwelle von maximal 40° vor bis maximal 360° nach dem oberen Totpunkt, weiterhin bevorzugt von maximal 20° vor bis maximal 360° nach dem oberen Totpunkt, nochmals bevorzugt von maximal einem Winkel entsprechend einem oberen Totpunkt bis maximal 360° nach dem oberen Totpunkt.
  • Vorzugsweise ist die Luftzufuhr im Schubbetrieb gegenüber einem Arbeitsmodus (Antrieb durch Verbrennungskraftmaschine) reduziert, beispielsweise durch Anstellen der Drosselklappe. Dadurch braucht nur sehr wenig Wasserstoff bereitgestellt werden, um ein fettes Gemisch einzustellen.
  • Durch das fette Gemisch und die späte Zündung kann die Abgasenthalpie erhöht werden, was eine für eine Regeneration des Katalysators 13 ausreichende Temperatur sicherstellt. Die im Schubbetrieb entsprechend dem fetten Gemischheizwert generierte Leistung der Verbrennungskraftmaschine ist kleiner als die an der Verbrennungskraftmaschine anliegende Schleppleistung. Die Durchführung einer Verbrennung eines fetten Gemischs als Regenerationsbetrieb in der Schubphase hat den Vorteil, dass der Übergang von dem mageren in den fetten Gemischbereich diskontinuierlich erfolgen kann und somit ein Gemischbereich um λ gleich 1 nicht durchlaufen werden muss. In diesem Bereich ist die Bildung von Stickoxiden in der Regel sehr hoch. Beim Übergang in den Leerlaufbetrieb kann es unter Umständen dazu kommen, dass ein Gemischbereich hoher Stickoxidbildung durchschritten wird, wenn das Gemisch kontinuierlich von dem überstöchiometrischen in den unterstöchiometrischen Bereich überführt wird.
  • Das zuvor beschriebene Verfahren wird unter Zuhilfenahme von Fig. 3 zusammengefasst. In einem Schritt S1 überwacht das System 1 den Sättigungszustand NOx % des Katalysators 13 kontinuierlich, wobei auf bekannte Methoden beispielsweise durch Messung zurückgegriffen werden kann und/oder der Sättigungszustand modelliert werden kann. Stellt die Steuereinrichtung 17 fest, dass der Sättigungszustand beispielweise einen vorgegebenen Grenzwert Th größer 20%, beziehungsweise kleiner 100%, vorzugsweise 70 - 90% erreicht hat, wird in Schritt S2 eine Regeneration angefordert, also der zweite Betriebszustand angewiesen.
  • In einem Schritt S3 wird überprüft, ob in einem vorgegebenen Zeitintervall ein Leerlaufbetrieb LL oder ein Schubbetrieb SB erwartet werden kann. Dabei kann beispielsweise auf das Streckenprofil, auf dem ein die Verbrennungskraftmaschine aufweisendes Kraftfahrzeugs fährt, oder auf Navigationsdaten zurückgegriffen werden. Das vorgegebene Zeitintervall hängt vorzugsweise von dem Grenzwert Th ab. Kann innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls mit einem Leerlauf- oder Schubbetrieb gerechnet werden, wird in einem Schritt S3a die Regeneration in einem der beiden Zustände durchgeführt. Wird festgestellt, dass kein Leerlaufbetrieb oder Schubbetrieb vorliegt oder vorliegen wird, wird beispielsweise ein Sperrventil in der Leitung 16 freigegeben und Wasserstoff aus der Wasserstoff-Speichereinrichtung 15 wird unter Umgehung des Brennraums 3 direkt in den Abgasstrang 6 über die Zuströmeinrichtung 16a zugeführt. Somit kann auch für den Fall, dass über lange Zeit kein angemessener Zustand für die Verbrennung eines fetten Gemischs auftritt, eine Regeneration des Katalysators 13 sichergestellt werden. Insbesondere kann der Katalysator 13 in Volllast VL oder TL regeneriert werden.
  • Gegebenenfalls kann auf die Leitung 16 und die Zuströmeinrichtung 16a auch verzichtet werden. Dann kann die Steuereinrichtung 17 beispielsweise ab einem Sättigungsgrad von größer 20%, beziehungsweise kleiner 100%, vorzugsweise 70 - 90% des Katalysators 13 eine Warnung an den Benutzer der Verbrennungskraftmaschine 2 (Fahrer) ausgeben, dass bitte in den Leerlaufbetrieb zu schalten sei. Dabei ist der Grenzwert vorzugsweise geringer als bei Vorhandensein der Zuströmeinrichtung, um genügend Zeit zum Umschalten in den Schub- oder Leerlaufbetrieb zu verschaffen.
  • Ebenso kann die Steuereinrichtung 17, als solches nicht erfindungsgemäß, aber auch so programmiert sein, dass sie weder im Schubbetrieb noch im Leerlaufbetrieb eine Verbrennung eines fetten Gemischs unter Abgasrückführung einstellt. Dann kann die Regeneration im zweiten Betriebszustand einzig über die Leitung 16 und die Zuströmeinrichtung 16a erfolgen, wobei ein Reduktionsmittel direkt in den Abgasstrang 6 zugeführt wird. Somit kann der Motor 2 auch weiterhin in dem ersten Betriebszustand (mageres Gemisch) betrieben werden, während der zweite Betriebszustand gleichzeitig vorliegt. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, insbesondere wenn in dem Motor der Brennstoff direkt über eine Zuführeinrichtung in den Brennraum 3 zugeführt wird, das Reduktionsmittel als Teil des Abgases vorzusehen. Dabei kann das Reduktionsmittel in den Brennraum 3 zugeführt werden, und anschließend nach dem Entladen aus dem Brennraum 3 dem Abgasstrang 6 zugeführt werden. Die Zuführung in die Brennkammer 3 geschieht dabei vorzugsweise nach Abschluss eines Verbrennungsvorgangs, also wenn eine Zündung durch die Zündkerze abgeschlossen ist, und auch die Energie des verbrannten Gemischs keine Verbrennung des insbesondere in dem Ausstoßtakt zugeführten Reduktionsmittels ermöglicht. Insbesondere ist das Reduktionsmittel Wasserstoff und kann über dieselbe Zuführeinrichtung wie der verbrannte Wasserstoff zugeführt werden. Auch in diesem Fall kann ein mageres Gemisch verbrannt werden.
  • In Fig. 2 ist eine schematische Längsschnittansicht einer für sich genommen nicht erfindungsgemäßen Abwandlung eines Abgasstrangs 106 des Motors dargestellt.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt, unterscheidet sich der Abgasstrang 106 von obigem Abgasstrang 6 dadurch, dass er sich in zwei Abgasstrangabschnitte 106a und 106b, vorzugsweise stromab der in Fig. 1 gezeigten Verzweigung, aufteilt, die beispielweise parallel zueinander geschaltet sind. Sowohl der Abgasstrangabschnitt 106a als auch der Abgasstrangabschnitt 106b weisen jeweils einen Stickoxid-Speicherkatalysator 13a und 13b auf. Stromaufwärts der beiden Katalysatoren 13a und 13b befinden sich jeweils Drosselklappen (Drosseleinrichtungen im Sinne der Ansprüche) 18a und 18b. Zwischen den Drosselklappen 18a und 18b und den Katalysatoren 13a und 13b ist weiterhin jeweils eine Zuströmeinrichtung 19a bzw. 19b vorgesehen, über die ein Reduktionsmittel zur Regeneration der Katalysatoren 13a und 13b in den jeweiligen Abgasstrangabschnitt 106a und 106b zugeführt werden kann, wobei dabei der zumindest eine Brennraum umgangen wird. Mit anderen Worten weist jeder Abgasstrangabschnitt 106a und 106b eine Zuströmeinrichtung 19a und 19b stromaufwärts der Katalysatoren 13a und 13b auf. Jede Zuströmeinerichtung 19a und 19b umfasst vorzugsweise einen Injektor. Der Injektor injiziert das Reduktionsmittel (Wasserstoff) in den Abgasstrangabschnitt 106a und 106b.
  • Die Drosselklappen 18a und 18b sind hinsichtlich ihres Drosselgrades variabel ausgebildet. Der Öffnungswinkel einer jeden Drosselklappe 18a und 18b kann individuell, also unabhängig von der anderen Drosselklappe, eingestellt werden. Somit kann die dem jeweiligen Abgasstrangabschnitt 106a und 106b zuströmende Abgasmenge verändert werden, insbesondere individuell reguliert werden. Ebenso können die Zuströmeinrichtungen (Injektoren) individuell angesteuert werden, sodass jedem Abgasstrangabschnitt 106a und 106b Reduktionsmittel gesondert zugeführt werden kann. Insbesondere wird zugeführte Menge (Massenstrom) von Reduktionsmittel individuell gesteuert.
  • Vorteilhaft an der obigen Abwandlung ist, dass der Motor am optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann und nicht eine fette Verbrennung zur Vermeidung von Sauerstoff- und Stickoxid-Bestandteilen im Abgas durchführen muss. Gemäß obiger Abwandlung kann die Effizienz der Stickoxid-Speicherung sowie der Regeneration gesteigert werden. Befindet sich einer (z.B. 13a) der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 13a und 13b in den parallelen Abgasstrangabschnitten nahe seiner Kapazitätsgrenze, beispielsweise über dem vorgegebenen Grenzwert Th, kann weiterhin Abgas in dem anderen Stickoxid-Speicherkatalysator 13b im anderen Abgasstrangabschnitt 106b eingespeichert werden, indem die Drosseleinrichtung 18a des Abgasstrangabschnitts, in dem sich der Speicherkatalysator 13a befindet, der nahe seiner Kapazitätsgrenze arbeitet, die zugeführte Strömungsmenge für diesen Abgasstrangabschnitt reduziert, vorzugsweise vollständig unterdrückt. Besonders effektiv erweist sich diese Konfiguration bei der Regeneration. Bei nur einem Speicherkatalysator muss entweder die Verbrennungskraftmaschine zur Regeneration fett betrieben werden oder es muss eine beträchtliche Menge an Reduktionsmittel unter Umgehung des zumindest einen Brennraums gesondert in den Abgasstrang zugeführt werden. Bei letzterem Verfahren kann die Verbrennungskraftmaschine zwar weiterhin mager betrieben werden, allerdings muss eine beträchtliche Menge an Reduktionsmittel (Wasserstoff) zugeführt werden, um den aufgrund der mageren Verbrennung vorhandenen Sauerstoff zu kompensieren. Erst dann kann die Regeneration unter Ausschluss von Sauerstoff stattfinden. Dagegen kann durch die hier vorliegende Ausführungsform die Sauerstoffzufuhr in dem betreffenden Abgasstrangabschnitt 106a durch die Drosseleinrichtung 18a reduziert werden, womit eine geringere Menge an Wasserstoff benötigt wird, verglichen mit nur einem Abgasstrangabschnitt wie in der ersten Ausführungsform.
  • Dabei sind vorzugsweise die Speicherkatalysatoren 13a und 13b und Abgasstrangabschnitte 106a und 106b identisch dimensioniert. Die parallel geschalteten Speicherkatalysatoren 13a und 13b und die Abgasstrangabschnitte 106a und 106b sind in Summe so konfiguriert, dass die bei Maximalleistung entstehenden Stickoxide im ungedrosselten Zustand aller Abgasstrangabschnitte, also wenn die Strömungsmenge nicht reduziert wird, vollständig eingespeichert werden können. Mit anderen Worten wird das gesamte bei Maximalleistung entstehende Abgas, gegebenenfalls abzüglich einer Abgasrückführmenge, von Stickoxid gereinigt, wenn die Abgasstrangabschnitte 106a und 106b voll geöffnet sind.
  • Dabei ergibt sich die höchste Effizienzsteigerung im Falle von zwei parallel geschalteten Speicherkatalysatoren, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit maximal der Hälfte der Maximalleistung betrieben wird. Die Strömungsmengen werden folglich bei einer anliegenden Leistung von bis zu dem Einfachen der Nennleistung minus dem Kehrwert der Anzahl der parallel angeordneten Abgasstrangabschnitte (zwei, Kehrwert: 1/2) mal der Nennleistung wechselweise reduziert, insbesondere vollständig unterdrückt, und nicht reduziert.
  • Denn in diesem Fall kann die Drosseleinrichtung 18a eines Abgasstrangabschnitts zumindest zur Regeneration des darin angeordneten Speicherkatalysators 13a so angesteuert werden, dass sie in diesem Abgasstrangabschnitt 106a, dessen zumindest einer Speicherkatalysator 13a zu regenerieren ist, die Abgaszufuhr vollständig sperrt. Dabei wird in dem parallelen Abgasstrangabschnitt 106b die Drosseleinrichtung 18b vorzugsweise so angesteuert, dass sie vollständig geöffnet ist. Die jeweiligen Strömungsmengen werden also wechselweise vollständig unterdrückt und nicht reduziert.
  • Besonders bevorzugt werden die jeweiligen Drosseleinrichtungen 18a und 18b während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine bei einer anliegenden Leistung von bis zur Hälfte der Maximalleistung wechselweise vollständig geöffnet und geschlossen. Die ECU 17 übernimmt die Ansteuerung der Drosselklappen 18a und 18b, sowie der Zuströmeinrichtungen 19a und 19b.
  • Es ist aber auch denkbar zumindest die jeweils parallel angeordneten Speicherkatalysatoren, vorzugsweise den gesamten jeweiligen Abgasstrangabschnitt so zu konfigurieren, dass zumindest in einem Abgasstrangabschnitt bei Nennleistung (Maximalleistung) die Strömungsmenge vollständig unterdrückt werden kann. Die Strömungsmenge kann also dann bei Nennleistung durch die verbleibenden Abgasstrangabschnitte, in denen die Strömungsmenge nicht reduziert wird, und die darin angeordneten Speicherkatalysatoren strömen. Somit kann sichergestellt werden, dass selbst bei Nennleistung generiertes Stickoxid in den Speicherkatalysatoren der nicht reduzierten Abgasstrangabschnitte eingespeichert wird. Bei zwei parallelen Abgasstrangabschnitten ist vorzugsweise jeder der Abgasstrangabschnitte so konfiguriert, dass bei Nennleistung die entstehenden Stickoxide vollständig in dem zumindest einen Speicherkatalysator des Abgasstrangabschnitts eingespeichert werden können, in dem die Strömungsmenge nicht reduziert wird. Somit kann der Kennfeldbereich, in dem eine vollständige Regeneration möglich ist, erweitert werden. Die Katalysatoren und Abgasstrangabschnitte werden also gegenüber dem Fall, in dem sie in Summe so ausgelegt sind, dass im ungedrosselten Zustand die gesamte Abgasmenge gereinigt werden kann, überdimensioniert.
  • Stromabwärts der Katalysatoren befinden sich jeweils Stickoxid-Sensoren 21a und 21b, die einen Stickoxidgehalt im nachbehandelten Abgas erfassen und somit die vollständige Sättigung oder ein Fehlverhalten der Katalysatoren ermitteln können. Wird beispielsweise hinter dem Katalysator 13a ein Stickoxidgehalt erfasst, kann die Steuereinrichtung 17 die Drosselklappe 18a so ansteuern, dass diese vollständig geschlossen wird. Gleichzeitig wird die andere Drosselklappe 18b vollständig geöffnet. Die Messung des Sättigungsgrads in den Katalysatoren selbst kann über bekannte Methoden erfolgen. Der Sättigungsgrad kann auch modelliert werden.
  • Es ist auch möglich stromaufwärts der Speicherkatalysatoren zumindest einen Stickoxidsensor anzuordnen. Dies kann in jedem der parallelen Abgasstrangabschnitte 106a und 106b vorzugsweise vor der jeweiligen Drosselklappe geschehen und/oder in dem gemeinsamen Abgasstrang 106 vor der Aufteilung. Insbesondere kann ein Output dieses zumindest einen Stickoxidsensors zur Ansteuerung der parallel angeordneten Abgasstrangabschnitte verwendet werden.
  • Die Abgasstrangabschnitte, insbesondere Drosselklappen und Injektoren, können also auf Grundlage eines Signals des zumindest einen Stickoxidsensors stromaufwärts oder stromabwärts der Katalysatoren gesteuert werden. Es ist bevorzugt, dass die Drosselklappen 18a und 18b so angesteuert werden, dass bei Erreichen des Regenerationsgrenzwerts beispielsweise von 80% Sättigungsgrad in einem Katalysator 13a, der andere Katalysator 13b einen Abstand von mindestens 20% Sättigungsgrad zu seinem Regenerationsgrenzwert aufweist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei Regeneration des Katalysators 13a der andere Katalysator 13b ausreichend Kapazität für weiteres Stickoxid zur Verfügung hat.
  • In der Abwandlung ist die Zahl der Abgasstrangabschnitte nicht auf zwei beschränkt. Vielmehr können auch mehr als zwei Abgasstrangabschnitte vorgesehen werden. Außerdem ergeben sich vorteilhafte Effekte bereits, wenn nur einer der Abgasstrangabschnitte stromaufwärts des Katalysators eine variable Drosseleinrichtung aufweist. Denn bereits dann kann der betreffende Katalysator bei Erreichen der Kapazitätsgrenze von weiterem Stickoxid freigehalten werden und unabhängig von den anderen parallelen Katalysatoren regeneriert werden. Vorzugsweise sind die parallel angeordneten Katalysatoren und/oder die Abgasstrangabschnitte in ihrem Speichervolumen bzw. in ihrer Querschnittsfläche jeweils in einem Größenverhältnis 1:1 ausgelegt. Das erlaubt eine besonders hohe Effizienzsteigerung.
  • Auch kann zur Regeneration ein fettes Verbrennungsgemisch verbrannt werden.
  • Ebenso kann in den obigen Ausführungsformen statt eines Brennraums eine Vielzahl von Brennräumen vorgesehen werden.
  • Wie bereits erwähnt kommt es auf die Art der Gemischbildung nicht an. Diese kann innerhalb oder außerhalb des Brennraums erfolgen.
  • Anstatt des angestellten Profils im Endabschnitt 16a der Leitung 16 kann auch eine Wendeleinrichtung mit Schneckengängen vorgesehen werden, entlang derer das Fluid gezwungen wird zu strömen. Auch kann die Hauptströmungsrichtung des Auslasses 16a1 bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Abgasstrangs oder Abgasstrangabschnitts geneigt sein. Dabei muss kein angestelltes Profil vorgesehen werden. Durch die geneigte Anordnung wird der Strömung eine rotatorische Komponente aufgeprägt.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das Abgas stromaufwärts des zumindest einen Speicherkatalysators rückgeführt wird, allerdings kann die Abgasrückführung auch stromabwärts des zumindest einen Speicherkatalysators stattfinden.
  • Falls die vorliegende Offenbarung nichts gegenteiliges lehrt, umfasst "zumindest" auch die jeweilige Gesamtheit.
  • Das obige System 1 wird bevorzugt in einem Kraftfahrzeug verwendet und ist darin eingebettet. Bei dem Motor 2 handelt es sich vorzugsweise um einen umgerüsteten herkömmlichen Dieselmotor, besonders bevorzugt um einen Dieselmotor eines Nutzkraftfahrzeugs wie einem LKW. Im System wird weiterhin statt eines Dieseltanks ein Wasserstofftank als Speichereinrichtung 15 des Brennstoffs vorgesehen. Für das System 1 und das obige Verfahren wird damit vorzugsweise eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Dieselprinzip samt Stickoxid-Speicherkatalysator verwendet, der entsprechend groß ist und damit für den Wasserstoffmotor lange Einspeicherzeiten gewährleistet.
  • Ein weiterer Aspekt dieser Offenbarung ist damit auf ein Umrüstverfahren eines bestehenden dieselbetriebenen Systems, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeug implementiert sein kann, gerichtet, wobei die Speichereinrichtung für den Brennstoff durch eine Wasserstoff-Speichereinrichtung und die Direkteinspritzungseinrichtung durch eine Zündkerze ersetzt werden. Es ist weiterhin denkbar, eine Zuführeinrichtung zur Zuführung des Wasserstoffs in den Brennraum, vorzugsweise an dem Zylinderkopf vorzusehen. Falls nicht vorhanden kann weiterhin eine Drosselklappe hinzugefügt werden. Weiterhin wird die Steuereinrichtung zur Ausführung des obigen Verfahrens programmiert.
  • Die Offenbarung bezieht sich auch auf eine Verwendung einer in einem dieselbetriebenen System verwendeten Verbrennungskraftmaschine, die mit zumindest einem Speicherkatalysator versehen ist, und/oder des zumindest einen Speicherkatalysators in einem in dieser Offenbarung beschriebenen System und/oder für ein in diesem System beschriebenes Verfahren.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    System
    2
    Verbrennungskraftmaschine
    3
    Brennraum
    5
    Ansaugrohr
    6, 106
    Abgasstrang
    106a,106b
    Abgasstrangabschnitte
    7a, 7b
    Ein-, Auslass
    8
    Drosselklappe
    9
    Einspritzeinrichtung
    10
    Zündkerze
    11
    Kolben
    12
    Kurbelwelle
    13, 13a, 13b
    Stickoxid-Speicherkatalysator
    14
    Verzweigung
    14a, 14b
    Zweig
    15
    Speichereinrichtung
    16
    Leitung
    16a, 19a, 19b
    Zuströmeinrichtung
    16a1
    Auslass des Endabschnitts (der Zuströmeinrichtung)
    17
    Steuereinrichtung
    18a, 18b
    Drosseleinrichtung
    21a, 21b
    Stickoxid-Sensor

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (2), wobei die Verbrennungskraftmaschine (2) aufweist:
    zumindest einen Brennraum (3), in dem ein Brennstoff mit Umgebungsluft zumindest teilweise verbrannt wird,
    einen Abgasstrang (6, 106), der an eine Auslassseite (7b) des zumindest einen Brennraums (3) fluidkommunizierend gekoppelt ist,
    wobei als Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine (2) Wasserstoff verwendet wird, wobei
    die Verbrennungskraftmaschine (2) weiterhin zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator (13, 13a, 13b) aufweist und ein aus dem zumindest einen Brennraum (3) in den Abgasstrang (6) entladenes Abgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, den zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator (13, 13a, 13b) durchströmt,
    wobei in dem zumindest einen Brennraum (3) in einem ersten Betriebszustand ein mageres Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt wird,
    wobei in einem zweiten Betriebszustand der Stickoxid-Speicherkatalysator (13, 13a, 13b) regeneriert wird, und
    in dem zweiten Betriebszustand in dem zumindest einen Brennraum (3) ein fettes Luft/Wasserstoff-Gemisch verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    der zweite Betriebszustand in einem Leerlaufbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (2) eingestellt wird und/oder der zweite Betriebszustand in einem Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (2) eingestellt wird.
  2. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (2) nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine (2) weiterhin eine Abgasrückführeinrichtung (14) aufweist, über die Abgas von dem Abgasstrang (6) in den Brennraum (3) zurückgeführt wird.
  3. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (2) nach Anspruch 2, wobei in dem zweiten Betriebszustand Abgas über die Abgasrückführeinrichtung (14) in den zumindest einen Brennraum (3) rückgeführt wird.
  4. Steuereinrichtung (17), die konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche durchzuführen.
  5. System (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend:
    eine Verbrennungskraftmaschine (2), wobei die Verbrennungskraftmaschine (2) aufweist:
    zumindest einen Brennraum (3), in dem ein Brennstoff mit Umgebungsluft zumindest teilweise verbrennbar ist,
    einen Abgasstrang (6, 106), der an eine Auslassseite (7b) des zumindest einen Brennraums (3) fluidkommunizierend gekoppelt ist, und
    weiterhin zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator (13, 13a, 13b), wobei ein aus dem zumindest einen Brennraum (3) in den Abgasstrang (6) entladenes Abgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, den zumindest einen Stickoxid-Speicherkatalysator (13, 13a, 13b) durchströmen kann; und
    eine Speichereinrichtung (15) für Wasserstoff, die mit der Verbrennungskraftmaschine fluidkommunizierend gekoppelt ist, und
    die Steuereinrichtung (17) nach Anspruch 4, und
    wobei vorzugsweise die Verbrennungskraftmaschine (2) weiterhin zumindest eine Zuströmeinrichtung (16a) aufweist, über die ein Reduktionsmittel in den Brennraum (3) oder in den Abgasstrang (6) zugeführt werden kann, vorzugsweise zumindest jeweils eine Zuströmeinrichtung für jeden Abgasstrangabschnitt einer Vielzahl von parallel geschalteten Abgasstrangabschnitten,
    wobei die Zuströmeinrichtung (16a) weiterhin vorzugsweise mit der Speichereinrichtung (15) für Wasserstoff fluidkommunizierend gekoppelt ist.
  6. Programm, das konfiguriert ist, wenn es auf einer mit einer Verbrennungskraftmaschine (2) gekoppelten Steuereinheit nach Anspruch 4 ausgeführt wird, ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 durchzuführen.
  7. Speichermedium, auf dem das Programm nach Anspruch 6 gespeichert ist.
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