EP4656856A1 - Vorrichtung zur abgasrückführung und verfahren zur verhinderung der eisbildung in einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur abgasrückführung und verfahren zur verhinderung der eisbildung in einer solchen vorrichtung

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EP4656856A1
EP4656856A1 EP25178291.8A EP25178291A EP4656856A1 EP 4656856 A1 EP4656856 A1 EP 4656856A1 EP 25178291 A EP25178291 A EP 25178291A EP 4656856 A1 EP4656856 A1 EP 4656856A1
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exhaust gas
gas recirculation
line
combustion engine
catalyst
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EP25178291.8A
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Moritz Schumacher
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Daimler Truck AG
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    • F02M26/72—Housings
    • F02M26/73—Housings with means for heating or cooling the EGR valve

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine, in particular a gas engine, according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for preventing ice formation in such an exhaust gas recirculation system.
  • the catalysts described in these writings therefore serve to clean the exhaust gas and are arranged in the direction of flow upstream of the exhaust gas recirculation cooler and the exhaust gas recirculation valve in order to reduce contamination of these components accordingly.
  • the exhaust gases have a very high water content of up to 30%.
  • the exhaust gas recirculation (EGR) valve is typically designed to allow a certain amount of leakage to adjust the exhaust gas flow rate under varying temperatures and conditions.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • This leakage becomes problematic in cold ambient conditions and with a high water content in the recirculated exhaust gas, as contact with the cold intake air can lead to condensation and ice formation.
  • This can, for example, block a throttle valve or restrict the flow cross-section for the incoming air and/or the recirculated exhaust gas to such an extent that the combustion engine can no longer operate efficiently.
  • an EGR valve that seals completely can be used. By reducing leakage in this way, the use of the EGR line can be completely prevented at very low ambient temperatures.
  • this has its drawbacks, as such EGR valves are relatively expensive and tend to fail relatively quickly due to potential contamination in the exhaust system.
  • the object of the present invention is to provide an improved device for the recirculation of exhaust gas, in particular for hydrogen-powered combustion engines, which reduces the problem of freezing simply and efficiently.
  • the device according to the invention provides an exhaust gas recirculation line which, similar to the prior art, has an exhaust gas recirculation valve, an exhaust gas recirculation cooler and a catalyst.
  • this catalyst is arranged downstream of the exhaust gas recirculation cooler in the direction of exhaust gas flow. It comprises a platinum group metal (also known as platinum group metals (PGM), Pt, Ir, Os, Pd, Rh, Ru) or a combination of several platinum group metals, which can be applied, for example, as a coating on metallic or ceramic substrates or stored in the catalyst in the form of pellets or coated ceramic pellets. Fuel, and in particular hydrogen, reaching the catalyst is thus able to be catalytically oxidized within it. Especially with hydrogen, very low temperatures on the order of 25°C are sufficient to enable catalytic conversion.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a gas engine, in particular as a hydrogen engine.
  • the exhaust gas recirculation line can branch off from the exhaust gas line of the internal combustion engine upstream of a turbine and lead into the intake air line to the internal combustion engine downstream of a compressor.
  • This is therefore a so-called high-pressure exhaust gas recirculation system, which operates at the pressure level between the compressor and a turbine of a turbocharger provided here.
  • an intercooler and a throttle valve can be arranged, so that the regularly flowing air is conveyed via the compressor, sent through the intercooler, and then metered into the combustion engine via the throttle valve.
  • the recirculated exhaust gas then enters the intake air system in the direction of airflow after this throttle valve.
  • the exhaust gas recirculation valve can, in principle, be positioned either before or after the exhaust gas recirculation cooler. According to a particularly advantageous embodiment, it is positioned between the exhaust gas recirculation cooler and the branch of the exhaust gas recirculation line from the exhaust pipe. The exhaust gas recirculation valve is therefore the first component within the exhaust gas recirculation line.
  • the inventive method for preventing ice formation in such a device is designed such that combustion and/or ignition in the internal combustion engine is controlled in such a way that a defined quantity of fuel, in particular a defined quantity of hydrogen, is supplied to the catalyst.
  • the hydrogen thus passes unburned through the internal combustion engine to the catalyst. There it is catalytically reacted or burned in order to prevent ice formation through the heat of combustion.
  • This combustion engine 1 has an exhaust gas recirculation device with an exhaust gas recirculation line 2, which branches off from an exhaust line 3 of the combustion engine 1 in the direction of flow upstream of a turbine 4 of a turbocharger 5.
  • the turbine 4 drives a compressor 6, which supplies compressed intake air to the combustion engine 1 via an intake air line 7.
  • This intake air line 7 contains a The charge air cooler 8 and a throttle valve 9 are arranged in a manner known per se.
  • the exhaust gas recirculation line 2 branches off from the exhaust gas line 3 before the turbine 4 and leads into the intake air line 7 after the compressor 6. This is therefore a so-called high-pressure exhaust gas recirculation.
  • an exhaust gas recirculation valve 10 and an exhaust gas recirculation cooler 11 are arranged within the exhaust gas recirculation line 2. Downstream of this exhaust gas recirculation cooler 11, before the exhaust gas recirculation line 2 opens into the intake air line 7, a catalyst, here designated 12, follows.
  • This catalyst 12 comprises a platinum group metal (PGM), such as Pt, Ir, Os, Pd, Rh, or Ru, or a combination of several platinum group metals, which are applied, for example, as a coating on metallic or ceramic substrates. Due to its special properties, it is thus able to catalytically combust hydrogen even at very low temperatures on the order of 25°C.
  • PGM platinum group metal
  • the combustion or ignition can be controlled by a control system of the combustion engine 1 (not shown here) so that a defined amount of hydrogen flows unburned from the combustion engine 1, is recirculated through the exhaust gas recirculation line 2 and can therefore be catalytically combusted in the catalyst 12.
  • the control system which is essentially part of the engine control unit that is required anyway, can therefore be used to achieve a targeted heat input in the area of the catalyst 12 and thus reliably prevent the icing of the exhaust gas recirculation line 2 or the intake air line 7, after the exhaust gas recirculation line 2 has connected to it, using only chemical energy from the fuel.
  • the entire system is purely passive and requires no additional valves, electrical switching elements, electrical wiring, fluid lines, or the like.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Abgasrückführleitung (2), welche einen Abgasrückführkühler (11), eine Abgasrückführventil (10) und einen Katalysator (12) aufweist. Die erfindungsgemäß Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (12) in Strömungsrichtung des zurückgeführten Abgases nach dem Abgasrückführkühler angeordnet ist. Über eine spezielle Steuerung der Verbrennung und/oder Zündung kann eine definierte Treibstoffkonzentration im Abgas eingestellt werden, die dann im Katalysator unter Wärmeentwicklung umgesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Gasmotor, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verhinderung der Eisbildung in einer solchen Abgasrückführung.
  • Der Einsatz von Abgasrückführungen bei Verbrennungsmotoren ist so weit aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Um unter bestimmten Betriebszuständen die Verbrennung und Rohemissionen zu verbessern, kann beispielsweise ein Teil des Abgases über eine Abgasrückführleitung in eine Zuluftleitung zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt wird. Rein beispielhaft kann in diesem Zusammenhang auf die US 2012/0055156 A1 hingewiesen werden. Diese zeigt einen solchen Aufbau, bei welchem die Abgasrückführleitung aus einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors vor einer Turbine abzweigt. Das Abgas durchströmt dann zuerst einen Katalysator, um Stickoxide abzubauen, einen Sensor, einen Abgasrückführkühler und wird dann in seiner Menge durch ein Abgasrückführventil eingestellt der Zuluft zu dem Verbrennungsmotor nach einem Verdichter und einem Ladeluftkühler wieder zugeführt.
  • Einen ähnlichen Aufbau mit einem NOx Katalysator zeigt auch die JP 2020-033974 A .
  • Die in diesen Schriften beschriebenen Katalysatoren dienen also dazu das Abgas zu reinigen und sind in Strömungsrichtung vor dem Abgasrückführkühler und dem Abgasrückführventil angeordnet, um Verschmutzungen dieser Bauteile entsprechend zu reduzieren.
  • Bei Gasmotoren, und hier insbesondere bei Wasserstoffmotoren, ist es so, dass die Abgase einen sehr hohen Wassergehalt von bis zu 30% aufweisen. Das Abgasrückführventil wird dabei typischerweise so ausgestaltet, dass es immer eine gewisse Leckage zulässt, um so bei unterschiedlichen Temperaturen und Bedingungen die Abgasmenge einstellen zu können. Diese Leckage ist jedoch bei kalten Umgebungsbedingungen und einem hohen Wasseranteil im rückgeführten Abgas schwierig, da es bei Kontakt mit der kalten Ansaugluft zu einer Kondensation und Eisbildung kommen kann. Hierdurch kann beispielsweise eine Drosselklappe blockiert werden oder der Strömungsquerschnitt für die zuströmende Luft und/oder das rückgeführte Abgas wird so weit verengt, dass kein sinnvoller Betrieb des Verbrennungsmotors mehr möglich ist.
  • Um die Probleme von gefrierendem Wasser in der Abgasrückführleitung und dem Bereich des Ansaugtrakts, nachdem das Abgas rückgeführt worden ist, zu umgehen, kann beispielsweise ein Abgasrückführventil eingesetzt werden, welches vollkommen dicht schließt. Durch eine solche Reduktion der Leckage kann bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen die Nutzung der Abgasrückführleitung gänzlich verhindert werden. Dies ist jedoch mit entsprechenden Nachteilen behaftet, da solche Abgasrückführventile relativ teuer sind und hinsichtlich eventueller Verschmutzungen in dem Abgassystem dazu neigen relativ schnell kaputt zu gehen.
  • Eine weitere bekannte Alternative ist hier eine elektrische Beheizung der betroffenen Bauteile, was entsprechend aufwändig und energieintensiv ist, oder die Beheizung über ein Kühlmittel des Verbrennungsmotors, was hinsichtlich des Aufwands noch nachteiliger ist, da entsprechende Ventile vorgesehen und Flüssigkeitsleitungen herangeführt und wieder weggeführt werden müssen. Außerdem sind komplexe Wärmetauscher notwendig.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin eine verbesserte Vorrichtung zur Rückführung von Abgas, insbesondere für mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotoren, anzugeben, welche die Problematik des Einfrierens einfach und effizient reduziert.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 6 die Aufgabe.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht eine Abgasrückführleitung vor, welche vergleichbar wie im Stand der Technik ein Abgasrückführventil, einen Abgasrückführkühler und einen Katalysator aufweist.
  • Erfindungsgemäß ist es nun so, dass dieser Katalysator, anders als im Stand der Technik, in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Abgasrückführkühler angeordnet ist. Er weist ein Platinmetall (auch Platinoide, Platinum Group Metal (PGM), Pt, Ir, Os, Pd, Rh, Ru) oder eine Kombination aus mehreren Platinmetallen auf, welche beispielsweise als Beschichtung auf metallischen oder keramischen Trägern aufgebracht werden oder in Form von Pellets bzw. beschichteten Keramikpellets in dem Katalysator vorgehalten werden können. Treibstoff, und hier nun insbesondere Wasserstoff, welcher zu dem Katalysator gelangt, ist so in der Lage, in diesem Katalysator katalytisch oxidiert zu werden, insbesondere bei Wasserstoff reichen bereits bei sehr geringen Temperaturen in der Größenordnung von 25° C aus, um eine katalytische Umsetzung zu ermöglichen. Auf diese Art kann der Abgasrückführleitung und damit letztlich dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors eine ausreichende Wärmemenge zugeführt werden, um ein Vereisen auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen zuverlässig auszuschließen. Der Aufbau ist außerordentlich einfach und effizient. Er benötigt keine elektrischen Heizelemente oder dergleichen und erlaubt weiterhin den Einsatz eines Abgasrückführventils in einer herkömmlichen Bauweise, welches also prinzipbedingt gewisse Leckageraten erlaubt.
  • Wie bereits erwähnt ist der Verbrennungsmotor vorzugsweise als Gasmotor, insbesondere als Wasserstoffmotor, ausgebildet.
  • Die Abgasrückführleitung kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor einer Turbine aus einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors abzweigen und nach einem Verdichter in die Zuluftleitung zu dem Verbrennungsmotor münden. Es handelt sich also hier um eine sogenannte Hochdruck-Abgasrückführung, welche auf dem Druckniveau zwischen dem Verdichter und einer Turbine eines hier vorgesehenen Turboladers arbeitet.
  • Zwischen dem Verdichter und der Mündung der Abgasrückführleitung kann insbesondere ein Ladeluftkühler und eine Drosselklappe angeordnet sein, sodass die regulär zuströmende Luft also über den Verdichter gefördert, durch den Ladeluftkühler geschickt und anschließend über die Drosselklappe in den Verbrennungsmotor dosiert wird. Das zurückgeführte Abgas gelangt dann in Strömungsrichtung der Zuluft nach dieser Drosselklappe in die Zuluft.
  • Das Abgasrückführventil kann nun prinzipiell vor oder nach dem Abgasrückführkühler angeordnet werden. Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist es insbesondere zwischen dem Abgasrückführkühler und dem Abzweig der Abgasrückführleitung aus der Abgasleitung angeordnet. Das Abgasrückführventil ist also das erste Bauteil innerhalb der Abgasrückführleitung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verhinderung der Eisbildung in einer derartigen Vorrichtung ist nun so ausgestaltet, dass eine Steuerung der Verbrennung und/oder Zündung in dem Verbrennungsmotor so erfolgt, dass eine definierte Treibstoffmenge, insbesondere eine definierte Wasserstoffmenge, zu dem Katalysator eingestellt wird. Der Wasserstoff gelangt also unverbrannt durch den Verbrennungsmotor zu dem Katalysator. Er wird dort katalytisch umgesetzt bzw. verbrannt, um durch die Verbrennungswärme eine Eisbildung zu vermeiden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
  • In der einzigen beigefügten Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors und einer Vorrichtung zur Abgasrückführung zu erkennen.
  • Den Kern der schematischen Darstellung der Figur 1 bildet ein mit 1 bezeichneter Verbrennungsmotor, welcher insbesondere als Wasserstoffmotor ausgebildet sein soll. Dieser Verbrennungsmotor 1 hat nun eine Vorrichtung zur Abgasrückführung mit einer Abgasrückführleitung 2, die aus einer Abgasleitung 3 des Verbrennungsmotors 1 in Strömungsrichtung vor einer Turbine 4 eines Turboladers 5 abzweigt. In diesem Turbolader 5 treibt die Turbine 4 einen Verdichter 6 an, welcher verdichtete Zuluft über eine Zuluftleitung 7 zu dem Verbrennungsmotor 1 fördert. In dieser Zuluftleitung 7 sind ein Ladeluftkühler 8 und eine Drosselklappe 9 in an sich bekannter Art und Weise angeordnet.
  • Die Abgasrückführleitung 2 zweigt aus der Abgasleitung 3 vor der Turbine 4 ab und mündet in die Zuluftleitung 7 nach dem Verdichter 6. Es handelt sich damit um eine sogenannte Hochdruck-Abgasrückführung.
  • In an sich bekannter Art und Weise ist innerhalb der Abgasrückführleitung 2 ein Abgasrückführventil 10 sowie ein Abgasrückführkühler 11 angeordnet. In Strömungsrichtung auf diesen Abgasrückführkühler 11 folgt nun, bevor die Abgasrückführleitung 2 in die Zuluftleitung 7 mündet, ein hier mit 12 bezeichneter Katalysator. Dieser Katalysator 12 weist ein Platinmetall (auch Platinoide, Platinum Group Metal (PGM), Pt, Ir, Os, Pd, Rh, Ru) oder eine Kombination aus mehreren Platinmetallen auf, welche beispielsweise als Beschichtung auf metallischen oder keramischen Trägern aufgebracht werden und ist damit in der Lage Wasserstoff aufgrund seiner besonderen Eigenschaften bereits bei sehr geringen Temperaturen in der Größenordnung von 25° C katalytisch zu verbrennen. Besteht nun also die Gefahr, dass eine Eisbildung in der Abgasrückführleitung 2 und/oder der Zufuhrleitung 7, nachdem die Abgasrückführleitung 2 in diese gemündet hat, auftreten könnte, dann kann über eine hier nicht dargestellte Steuerung des Verbrennungsmotors 1 die Verbrennung bzw. Zündung so gesteuert werden, dass eine definierte Menge an Wasserstoff unverbrannt aus dem Verbrennungsmotor 1 abströmt, durch die Abgasrückführleitung 2 zurückgeführt wird und dementsprechend in dem Katalysator 12 katalytisch verbrannt werden kann.
  • Die Steuerung, welche insbesondre eine Teil der ohnehin benötigten Motorsteuerung ist, kann also genutzt werden, um einen gezielten Wärmeeintrag im Bereich des Katalysators 12 zu erreichen und so alleine mit chemischer Energie aus dem Treibstoff das Vereisen der Abgasrückführleitung 2 bzw. der Zuluftleitung 7, nachdem die Abgasrückführleitung 2 in sie gemündet hat, zuverlässig zu vermeiden. Der ganze Aufbau ist dabei rein passiv und benötigt keine zusätzlichen Ventile, elektrische Schaltelemente, elektrische Leitungen, Fluidleitungen oder dergleichen.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Abgasrückführung für einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Abgasrückführleitung (2), welche einen Abgasrückführkühler (11), eine Abgasrückführventil (10) und einen Katalysator (12) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Katalysator (12) in Strömungsrichtung des zurückgeführten Abgases nach dem Abgasrückführkühler angeordnet ist.
  2. Vorrichtung zur Abgasrückführung für einen Verbrennungsmotor, welcher als Gasmotor, insbesondere als Wasserstoffmotor, ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung zur Abgasrückführung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abgasrückführleitung (2) vor einer Turbine (4) aus einer Abgasleitung (3) des Verbrennungsmotors (1) abzweigt und nach einem Verdichter (6) in eine Zuluftleitung (7) zu dem Verbrennungsmotor (1) mündet.
  4. Vorrichtung zur Abgasrückführung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen dem Verdichter (6) und der Mündung der Abgasrückführleitung (2) ein Ladeluftkühler (8) und eine Drosselklappe (9) in der Zuluftleitung angeordnet sind.
  5. Vorrichtung zur Abgasrückführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Abgasrückführventil (10) zwischen dem Abgasrückführkühler (11) und dem Abzweig der Abgasrückführleitung (2) aus der Abgasleitung (3) angeordnet ist.
  6. Verfahren zum Verhindern der Eisbildung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wozu
    durch eine Steuerung der Verbrennung und/oder Zündung in dem Verbrennungsmotor (1) eine definierte unverbrannte Menge an Treibstoff an dem Katalysator (12) eingestellt wird, welche dort katalytisch verbrennt, um durch die Verbrennungswärme eine Eisbildung zu vermeiden.
EP25178291.8A 2024-05-28 2025-05-22 Vorrichtung zur abgasrückführung und verfahren zur verhinderung der eisbildung in einer solchen vorrichtung Pending EP4656856A1 (de)

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EP (1) EP4656856A1 (de)
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Citations (4)

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