WO2019020647A1 - Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein kraftfahrzeug, sowie verfahren zum betreiben einer solchen verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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hydrogen
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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1 and a method for operating such an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 8.
  • the internal combustion engine has at least one combustion chamber, which can be supplied with hydrogen for operating the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is thus designed as a hydrogen engine and can be operated in their fired operation with hydrogen as fuel.
  • the internal combustion engine has at least one operating state designed as a lean operation.
  • the internal combustion engine in particular in its fired operation, is operated by means of hydrogen as fuel, wherein the hydrogen is introduced into the combustion chamber.
  • the internal combustion engine in particular during its fired operation, operated in a lean operation.
  • the combustion air ratio ( ⁇ ) is greater than 1.
  • the internal combustion engine is operated with excess air and thus with a lean or poor mixture.
  • the actually available in the combustion chamber for the combustion of hydrogen air or air mass is greater than the minimum necessary stoichiometric air mass, which is required for complete combustion of the introduced into the combustion chamber hydrogen.
  • DE 103 21 793 A1 discloses a method for operating an internal combustion engine, which can be operated lean by means of a fuel with wide ignition limits such as hydrogen.
  • a method for operating an internal combustion engine is known from US Pat. No. 6,823,852 B2.
  • a gaseous fuel comprising hydrogen is provided.
  • Object of the present invention is to further develop an internal combustion engine and a method of the type mentioned in such a way that a particularly efficient and low-emission operation of the internal combustion engine can be realized.
  • a first aspect of the invention relates to an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle.
  • the example as a motor vehicle, especially as a commercial vehicle, trained motor vehicle can be driven by means of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has at least one combustion chamber or a plurality of combustion chambers.
  • the respective combustion chamber is designed, for example, as a cylinder.
  • the internal combustion engine is designed, for example, as a reciprocating piston engine, wherein the internal combustion engine has, for example, at least one output shaft designed in particular as a crankshaft. Via the output shaft, the internal combustion engine can provide torques for driving the motor vehicle.
  • the combustion chamber can be supplied with hydrogen for operating the internal combustion engine, in particular in a fired operation of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is thus designed as a hydrogen engine, which, in particular in its fired operation, is operable with said hydrogen as fuel.
  • the combustion chamber is supplied with hydrogen as fuel, wherein the hydrogen introduced into the combustion chamber is burned with air introduced into the combustion chamber.
  • the internal combustion engine is designed as a gasoline engine or is operated in the manner of a gasoline engine or operated in the manner of a gasoline engine, so that for example a mixture which comprises the introduced into the combustion chamber hydrogen and introduced into the combustion chamber air, by means of a spark ignition device such as a spark plug is ignited.
  • the internal combustion engine has at least one operating state designed as a lean operation.
  • the internal combustion engine is operated in the at least one operating state in a lean operation, so that the combustion air ratio ( ⁇ ) is greater than 1. In other words, during lean operation, ⁇ > 1.
  • a blowing device is provided, by means of which the hydrogen for operating the internal combustion engine, in particular in the fired operation, directly into the combustion chamber is blown or is blown.
  • the aforementioned mixture is formed such that the introduced into the combustion chamber air mixed only in the combustion chamber with the hydrogen.
  • the mixture is formed only in the combustion chamber and not approximately upstream of the combustion chamber, for example in an intake tract of the internal combustion engine designed to guide the air.
  • the direct injection of hydrogen into the combustion chamber takes place at a pressure which is in a range of 10 bar inclusive up to and including 100 bar.
  • the hydrogen is injected directly into the combustion chamber at a pressure or by means of a pressure which is within a range of from 20 bar to 90 bar inclusive.
  • a medium-pressure injection is provided, in the context of which the hydrogen is injected into the combustion chamber at medium pressures, which are in the above-mentioned range of 20 bar including up to 90 bar. This area is also known as the medium pressure area.
  • the invention is based in particular on the following finding: Hydrogen is the only known fuel, upon combustion of which at least almost no carbon dioxide (CO2) is produced which can be emitted.
  • CO2 carbon dioxide
  • hydrogen engines represent a cost-effective and short-term operational or operational alternative to likewise carbon dioxide-free drive units with electric motors in conjunction with batteries and / or with hydrogen-powered fuel cells.
  • the absence of carbon in the hydrogen also produces no carbon monoxide when the hydrogen is burned. Furthermore, no hydrocarbon compounds are formed.
  • the air used as the oxidizing agent is nitrogen-containing, however, in an internal engine combustion process, in the context of which the hydrogen is burned with air in the combustion chamber, basically nitrogen oxides are formed, which are also referred to as nitrogen oxides.
  • nitrogen oxides are formed, which are also referred to as nitrogen oxides.
  • the nitrogen oxide emissions can be kept particularly low in the internal combustion engine according to the invention, which can be realized in particular by the combination of lean operation and medium-pressure injection.
  • Previous hydrogen engines used in road traffic usually operate according to the Otto principle and thus in the manner of a gasoline engine and with the following features: sequential cylinder-individual injection of hydrogen into intake manifold arms of an intake manifold;
  • Hydrogen is a fuel with extremely low knocking resistance (by definition methane number 0) and high tendency to auto-ignition.
  • hydrogen engines are operated, for example, with a low compression ratio.
  • Such a low compression ratio causes a relatively low efficiency.
  • the efficiency is further reduced in partial and low load operation by the Otto engine typical, in stoichiometric operation particularly high charge exchange losses.
  • the internal combustion engine according to the invention now forms the basis for avoiding the aforementioned problems and disadvantages, so that a particularly efficient operation with a high power density can be represented.
  • the internal combustion engine in a very high lambda range, that is, with a very large combustion air ratio, operated.
  • the mixture mentioned above and also referred to as hydrogen-air mixture ignites up to a lambda (combustion air ratio) whose value is greater than 6.
  • the value of the combustion air ratio is also referred to as lambda value.
  • lambda values which are greater than 2 the tendency to knock and the tendency to autoignition decrease sharply.
  • the internal combustion engine is operated during the lean operation with a combustion air ratio which is greater than 2, in particular smaller than 4, and preferably greater than 2.3 and less than 2.6.
  • the compression ratio can be significantly increased in the internal combustion engine according to the invention compared to conventional internal combustion engines, whereby the efficiency is improved relevant.
  • the charge cycle losses are reduced by the fact that the throttling of the internal combustion engine according to the invention compared to conventional hydrogen engines can be reduced. This results in a significantly increased efficiency (more than 30%).
  • combustion temperatures in the combustion chamber can be kept particularly low, so that only a small amount of nitrogen oxides is formed. It is possible to comply with current emission requirements for commercial vehicles according to Euro VI without exhaust aftertreatment only by optimally designed lean operation. At the same time there are efficiencies that are only slightly below the efficiencies of comparable diesel engines, but significantly exceed the efficiencies of gasoline engines operated with other fuels.
  • the hydrogen is introduced directly into the combustion chamber, in particular blown, is, an internal mixture formation is provided.
  • the hydrogen is thus not injected into Saugrohrarme the intake tract, but directly into the combustion chamber.
  • the injection directly into the combustion chamber after closing the inlet valves results in an increase in pressure in the combustion chamber with the result of an increased compression end pressure.
  • the injection after inlet closes causes an increase in efficiency similar to increasing the compression ratio.
  • the pressure is at or with which the direct injection of hydrogen into the combustion chamber, in a range of 10 to 20 inclusive, in others Applications in the range of 30 bar to 50 bar inclusive.
  • a particularly high power density can be realized, so that a particularly efficient and low-emission operation can be represented.
  • Another embodiment is characterized in that at least one exhaust gas recirculation device is provided, by means of which exhaust gas from the combustion chamber is traceable and can be introduced into the combustion chamber. In other words, during the fired operation results from the combustion of the mixture exhaust gas, which can be recycled by means of the exhaust gas recirculation device and introduced into the combustion chamber.
  • the recirculated exhaust gas may act as an inert gas in a subsequent combustion to avoid, in particular local, excessive temperatures in the combustion chamber.
  • the formation of nitrogen oxides which are also referred to as nitrogen oxides (NOx)
  • NOx nitrogen oxides
  • the exhaust gas recirculation device is designed to perform an external exhaust gas recirculation.
  • the exhaust gas recirculation device or the exhaust gas recirculation system which can be effected by the exhaust gas recirculation device, which is also referred to as exhaust gas recirculation, has a similar effect as the lean operation.
  • the exhaust gas present during combustion and acting as an inert gas makes it possible to increase the compression ratio of the internal combustion engine, and the internal combustion engine designed as a hydrogen engine can be further throttled. As a result, the efficiency continues to increase, and the combustion temperature drops, which also reduces the formation of nitrogen oxides.
  • the lean operation is preferably carried out with a combustion air ratio of 2, in particular if a, in particular by means of the exhaust gas recirculation means caused, exhaust gas recirculation is omitted.
  • the lean operation is performed with a combustion air ratio of 1, 6, in particular when a, in particular by means of the exhaust gas recirculation device caused exhaust gas recirculation is performed.
  • the combustion air ratio of the gas engine is also referred to as lambda or ⁇ .
  • the lean operation is operated at a combustion air ratio which is within a range of from 1.6 to 2.8 inclusive.
  • the combustion air ratio is preferably set as a function of a, in particular current, operating point of the gas engine and / or in dependence on an, in particular current, exhaust gas recirculation rate.
  • the exhaust gas recirculation rate is an amount of recirculated exhaust gas.
  • At least one of the exhaust gas from the combustion chamber through-flow SCR catalyst is provided (SCR - selective catalytic reduction).
  • SCR - selective catalytic reduction By means of the SCR catalyst, at least a high proportion of nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas is to be removed from the exhaust gas by using hydrogen as the reducing agent.
  • This at least partial removal of nitrogen oxides from the exhaust gas is also referred to as Entsticken and is effected or carried out by means of the SCR catalyst and in particular in the SCR catalyst with the aid of hydrogen as the reducing agent.
  • the SCR catalyst supports or effects a selective catalytic reduction, in the context of which at least some of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas react with hydrogen contained, for example, in the exhaust gas or in the SCR catalyst as the reducing agent, in particular to water and nitrogen.
  • a further embodiment is characterized in that at least one compressor is provided, by means of which the air to be supplied to the combustion chamber is to be compressed.
  • the compressor may in principle be designed as an electric compressor or compressor or mechanical supercharger, wherein the compressor or a compressor wheel, for example, mechanically driven by the aforementioned output shaft of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has at least one exhaust gas turbocharger which has a turbine which can be driven by exhaust gas from the combustion chamber and the compressor.
  • the compressor or its compressor wheel designed for compressing the air can be driven by the turbine.
  • the compression of the air supplied to the combustion chamber and the introduction of the compressed air into the combustion chamber are also referred to as charging or charging, so that the internal combustion engine is preferably designed as a supercharged internal combustion engine.
  • the background of this embodiment is that the lean operation requires large amounts of air in order to realize the fired operation of the internal combustion engine.
  • the charging makes it possible to achieve particularly high power and torque values of the internal combustion engine.
  • the charging can be carried out in particular as turbocharging or as external charging and a combination of foreign and turbocharging.
  • the SCR catalyst described above is also referred to as H2-SCR catalyst, since the SCR catalyst uses hydrogen (H2) as a reducing agent in order to at least partially de-nitrogen the exhaust gas in the context of SCR (selective catalytic reduction).
  • H2 hydrogen
  • the nitrogen oxide formation can be kept particularly low by the lean operation.
  • an exhaust aftertreatment takes place by means of the H2-SCR catalyst.
  • the H2-SCR catalyst is a special catalyst, by means of which, using hydrogen as a reducing agent in the exhaust gas, any nitrogen oxides present are converted into nitrogen and water or water vapor, in particular in the context of the abovementioned selective catalytic reduction (SCR).
  • a temperature prevails which is in a range of from 100 degrees Celsius up to and including 300 degrees Celsius.
  • the at least partial removal of nitrogen oxides from the exhaust gas takes place at a, in particular prevailing in the catalyst, temperature, in particular the exhaust gas, which is also denitrified as temperature in a range of 100 degrees to 300 degrees Celsius inclusive.
  • a second aspect of the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine according to the first aspect of the invention.
  • the internal combustion engine has at least one combustion chamber designed in particular as a cylinder.
  • the internal combustion engine in particular during its fired operation, operated by means of a gaseous fuel in the form of hydrogen, which is introduced into the combustion chamber.
  • the internal combustion engine in particular during its fired operation, operated in a lean operation.
  • the pressure at or with which the hydrogen is blown directly into the combustion chamber in a range of 10 bar inclusive including 20 bar in other applications in the range of 30 bar to 50 bar inclusive.
  • exhaust gas is recirculated from the combustion chamber and introduced into the combustion chamber by means of at least one, in particular external, exhaust gas recirculation device.
  • the formation of nitrogen oxide can be kept in a particularly small framework, so that even the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine can be kept particularly low.
  • a third aspect of the invention independent of the first aspect and of the second aspect relates to an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, having at least one combustion chamber, which can be supplied with hydrogen for operating the internal combustion engine.
  • at least one of exhaust gas from the combustion chamber by Ström ble SCR catalyst is provided, by means of which, using hydrogen as the reducing agent, at least a portion of nitrogen oxides contained in the exhaust gas is to be removed from the exhaust gas.
  • the SCR catalyst is formed as a previously described H2-SCR catalyst.
  • the internal combustion engine has at least one operating state designed as a lean operation.
  • the single FIGURE shows a schematic representation of a designated as a whole with 10 internal combustion engine including peripheral components, wherein the internal combustion engine 10, as will be explained below, is designed as a hydrogen engine.
  • the internal combustion engine 10 is for example part of a motor vehicle, which is drivable by means of the internal combustion engine 10.
  • the motor vehicle is designed as a motor vehicle and preferably as a commercial vehicle.
  • the internal combustion engine 10 includes at least one engine block 12, by which at least one combustion chamber 14 of the internal combustion engine 10 is formed or limited. From the Fig. It can be seen that the internal combustion engine 10 has a plurality of combustion chambers 14, which are formed by the engine block 12.
  • the internal combustion engine 10 is designed as a reciprocating piston engine, wherein the respective combustion chamber 14 is formed as a cylinder.
  • the engine block 12 is formed as a cylinder housing.
  • the internal combustion engine 10 may have at least one further housing element, which is not recognizable in the figure and designed, for example, as a crankcase.
  • the crankcase is formed integrally with the engine block 12 (cylinder housing), for example, so that, for example, the engine block 12 and the crankcase form a cylinder crankcase. Further, it is conceivable that the engine block 12 and the crankcase are formed as separately formed and interconnected housing parts.
  • the internal combustion engine 10 also has an output shaft, which is designed, for example, as a crankshaft 13.
  • the crankshaft 13 is rotatably mounted on the crankcase and thus can rotate about an axis of rotation relative to the crankcase and relative to the cylinder housing or engine block 12.
  • the internal combustion engine 10 can provide torques for driving the motor vehicle via the output shaft (crankshaft 13).
  • the output shaft is rotatably connected to a flywheel 15.
  • a piston not shown in the figure, is received translationally movable.
  • the respective piston is pivotally coupled to the output shaft, so that the translational movements of the piston in the respective combustion chamber 14 are converted into a rotational movement of the output shaft about its axis of rotation.
  • the respective combustion chamber 14 can be supplied with hydrogen as fuel for operating the internal combustion engine 10, in particular in the fired operation.
  • hydrogen for operating the internal combustion engine 10 and for effecting the fired operation of the internal combustion engine 10 is introduced into the respective combustion chamber 14.
  • a fuel-air mixture which is simply referred to as a mixture arises.
  • the fuel-air mixture is ignited and thereby burned, resulting in exhaust gas of the internal combustion engine 10.
  • the mixture is burned as part of a combustion or a combustion process.
  • the mixture expands, whereby the respective piston is driven.
  • the output shaft is driven and thus rotated about its axis of rotation.
  • the internal combustion engine 10 has at least one operating state designed as a lean operation.
  • the internal combustion engine 10 in particular during its fired operation, operated in a lean operation becomes.
  • the internal combustion engine 10 is lean, that is, operated with a combustion air ratio ( ⁇ ), which is greater than 1. In other words, during lean operation, ⁇ > 1.
  • the internal combustion engine 10 comprises a blowing device 16, by means of which the hydrogen for operating the internal combustion engine 10, in particular in the fired operation, directly into the respective combustion chamber 14 is blown or blown becomes.
  • the internal combustion engine 10 is operated with an internal mixture formation, in the context of which the above-described mixture is not formed upstream of the combustion chambers 14 in an air-flowable through the intake manifold 18 of the internal combustion engine 10, but only in the respective combustion chamber 14.
  • the motor vehicle in its fully manufactured state, has a tank, not shown in the figure, for receiving and storing the hydrogen.
  • the injection device 16 per combustion chamber 14 comprises an injector 20, by means of which the hydrogen is injected directly into the respective combustion chamber 14 or is blown.
  • the respective injector 20 is also referred to as an H2 injector.
  • the injection device 16 comprises, for example, a distribution element 22 common to the injectors 20, which is also referred to as a hydrogen distribution element, rail or hydrogen rail.
  • the hydrogen can be introduced from the tank into the distribution element 22.
  • the hydrogen introduced into the distribution element 22 can first be stored or temporarily stored in the distribution element 22, in particular with the injection pressure.
  • the hydrogen stored in the distribution element 22 has the injection pressure.
  • the hydrogen in particular with the mentioned injection pressure, is distributed to the injectors 20, so that the hydrogen from the distribution element 22 is blown directly into the respective combustion chambers 14 from the distribution element 22 with the said injection pressure.
  • a pressure regulator 26 is arranged, which is also referred to as H2 pressure regulator.
  • the internal combustion engine 10 further comprises an exhaust gas recirculation device 28 designed as an external exhaust gas recirculation device for performing an external exhaust gas recirculation. As part of the exhaust gas recirculation at least a portion of the exhaust gas is recycled from the respective combustion chamber 14 and introduced into the respective combustion chamber 14.
  • the internal combustion engine 10 comprises an exhaust tract 30, which can be flowed through by the respective exhaust gas from the respective combustion chamber 14.
  • the exhaust gas recirculation device 28 comprises at least one exhaust gas recirculation line 32, which is fluidly connected on the one hand to the exhaust system 30 and on the other hand to the intake system 18.
  • the exhaust gas recirculation line 32 is fluidically connected to the exhaust gas tract 30 at a first connection point V1.
  • the first connection point V1 is arranged in the exhaust tract 30 downstream of the combustion chambers 14.
  • the exhaust gas recirculation line 32 is fluidically connected to the intake tract 18 at a second connection point V2.
  • the second connection point V2 is arranged in the intake tract 18 upstream of the combustion chambers 14.
  • the exhaust gas recirculation line 32 can at least a part of the exhaust tract 30th flowing exhaust gas at the first junction V1 are diverted from the exhaust system 30.
  • the branched off exhaust gas flows through the exhaust gas recirculation line 32 and is returned by means of this to the intake tract 18, in particular to the second connection point V2.
  • the exhaust gas flowing through the exhaust gas recirculation line 32 can flow out of the exhaust gas recirculation line 32 and flow into the intake section 18.
  • the exhaust gas flowing through the exhaust gas recirculation line 32 is introduced into the intake tract 18 and in particular into the air flowing through the intake tract 18, which is conducted to the and in particular into the combustion chambers 14 by means of the intake tract 18, so that the second connection point V2 diverts a point of introduction for the branching and recirculated exhaust gas.
  • the air transports the recirculated exhaust gas into the combustion chambers 14, in which it can act as an inert gas during the respective combustion.
  • the exhaust gas recirculation device 28 comprises a valve element 34, by means of which an amount of the exhaust gas recirculation line 32 flowing through the exhaust gas is adjustable.
  • the valve element 34 is designed, for example, as an exhaust gas recirculation valve (EGR valve) or as an EGR control valve.
  • EGR valve exhaust gas recirculation valve
  • EGR rate exhaust gas recirculation rate
  • the valve element 34 is arranged in the exhaust gas recirculation line 32.
  • the exhaust gas recirculation device 28 further comprises an exhaust gas recirculation cooler 36, which is arranged in the exhaust gas recirculation line 32, in particular downstream of the valve element 34.
  • EGR cooler exhaust gas recirculation cooler
  • the internal combustion engine 10 also comprises at least one of the exhaust gas from the combustion chambers 14 through-flowable SCR catalyst 38, by means of which at least a portion of nitrogen oxides contained in the exhaust gas, which are also referred to as nitrogen oxides, is to be removed from the exhaust gas using hydrogen as a reducing agent ,
  • SCR selective catalytic reduction
  • the SCR catalyst 38 uses hydrogen and not some other reducing agent such as a urea solution to at least partially remove nitrogen oxides contained in the exhaust gas from the exhaust gas, the SCR catalyst 38 is also referred to as H2-SCR catalyst.
  • the at least partial removal of nitrogen oxides contained in the exhaust gas from the exhaust gas is also referred to as Entsticken.
  • the hydrogen used for Entsticken is introduced, for example, in the exhaust gas, in particular at a Einbringstelle.
  • the introduction point is arranged, for example, in the exhaust gas tract 30, wherein the introduction point can be arranged upstream of the SCR catalytic converter 38.
  • the introduction point is arranged downstream of the combustion chambers 14 in the exhaust tract 30.
  • the point of introduction which is denoted by E in the figure, is arranged in the SCR catalytic converter 38, so that the hydrogen is introduced into the SCR catalytic converter 38 in order to de-stale the exhaust gas, in particular directly.
  • a line element 40 is provided, which is on the one hand fluidly connected to the injection device 16, in particular to the distribution element 22.
  • the line element 40 is fluidically connected to a further injector 42 assigned to the SCR catalytic converter 38 and designed as an H2 injector.
  • the conduit element 40 for example, at least part of the hydrogen taken up in the distribution element 22 is branched off from the distribution element 22.
  • the hydrogen branched off from the distribution element 22 can flow through the line element 40 and is guided by the line element 40 from the distribution element 22 to the injector 42.
  • the hydrogen flowing through the line element 40 can be introduced at the point of introduction E into the exhaust tract 30 and, in the present case, directly into the SCR catalytic converter 38, in particular injected.
  • the hydrogen introduced into the exhaust gas in this way as a reducing agent can react with nitrogen oxides possibly present in the exhaust gas, in the context of the SCR to form nitrogen and water.
  • the exhaust gas can be aftertreated particularly advantageous, so that nitrogen oxide emissions can be kept particularly low or even avoided.
  • the internal combustion engine 10 further comprises at least one compressor 44, by means of which the air flowing through the intake tract 18 and to be supplied to the respective combustion chamber 14 is to be compressed or compressed.
  • the compressor 44 is arranged in the intake tract 18.
  • the compressed 44 comprises at least one compressor wheel 46, by means of which the air flowing through the intake tract 18 and to be supplied to the combustion chamber 14 is compressible or compressed.
  • the compressor 44 and thus the compressor wheel 46 are components of an exhaust gas turbocharger 48, which has the compressor 44 and thus the compressor wheel 46 and a turbine 50 arranged in the exhaust gas tract 30.
  • the turbine 50 has a turbine wheel 52 which is drivable by the exhaust gas.
  • the compressor wheel 46 and the turbine wheel 52 are components of a rotor 54 of the exhaust gas turbocharger 48.
  • the rotor 54 further comprises a shaft 56 which is non-rotatably connected to the turbine wheel 52 and non-rotatably connected to the compressor 46.
  • the compressor wheel 46 can be driven by the turbine wheel 52 via the shaft 56, so that the compressor 44 can be driven by the turbine 50.
  • the air flowing through the intake tract 18 is compressed, so that energy contained in the exhaust gas can be used to compress the air.
  • the compressor 44 the air can be compressed to a boost pressure.
  • the boost pressure can be adjusted, for example, by means of a bypass device 58 of the exhaust-gas turbocharger 48, also referred to as a wastegate.
  • the bypass device 58 which is assigned to the turbine 50, comprises at least one bypass line 60, which is also referred to as a wastegate line or bypass.
  • the bypass line 60 is fluidly connected to the exhaust tract 30 at a third connection point V3 arranged upstream of the turbine wheel 52 and at a fourth connection point V4 arranged downstream of the turbine wheel 52.
  • the bypass device 58 comprises a valve element 62, also referred to as a wastegate valve, which is arranged in the bypass line 60.
  • the exhaust gas flowing through the bypass line 60 bypasses the turbine wheel 52 so that the exhaust gas flowing through the bypass line 60 does not drive the turbine wheel 52.
  • an amount of the exhaust gas flowing through the bypass line 60 can be adjusted as needed.
  • the aforementioned boost pressure can be adjusted.
  • the exhaust gas is expanded or expanded.
  • the first connection point V1 is arranged upstream of the turbine wheel 52 or the turbine 50, so that the exhaust gas recirculation is performed as high-pressure exhaust gas recirculation (HP-EGR).
  • HP-EGR high-pressure exhaust gas recirculation
  • the SCR catalytic converter 38 is arranged downstream of the turbine wheel 52 or the turbine 50.
  • a trained example as a broadband lambda probe lambda probe 64 is further arranged by means of which, for example, the combustion air ratio is adjustable or adjusted.
  • a lambda control is carried out by means of the lambda probe 64.
  • the lambda probe 64 is arranged upstream of the turbine wheel 52 and in particular upstream of the first connection point V1.
  • a muffler 66 is also arranged, which is arranged upstream of the SCR catalyst 38 and downstream of the turbine wheel 52. By using the muffler 66, excessive noise emissions can be avoided.
  • an exhaust gas cooler 68 is arranged in the exhaust tract 30, which is present upstream of the SCR catalytic converter 38 and downstream of the turbine wheel 52.
  • the exhaust gas can be cooled and thereby brought to a particularly advantageous temperature, so that for example by means of the SCR catalyst 38, the SCR can be performed or effected or supported at a particularly advantageous temperature.
  • the SCR is performed for removing the exhaust gas at a temperature which is within a range of 100 degrees inclusive Celsius is up to and including 300 degrees Celsius, for example, prevails in the SCR catalyst 38 and / or a temperature of the exhaust gas.
  • an air filter 70 is arranged upstream of the compressor wheel 46, by means of which the air flowing into the intake tract 18 and flowing through the intake tract 18 is filtered. Furthermore, a throttle valve 78 is arranged in the intake tract 18 upstream of the combustion chambers 14, by means of which a quantity of the air flowing through the intake tract 18 and to be supplied to the combustion chambers 14 and / or a pressure ratio in the intake tract 18 can be adjusted.
  • the internal combustion engine 10 further includes a scavenging device 72 having a scavenging duct 74 and a diverter valve 76 disposed in the diverter duct 74, the diverter duct 74 being fluidly connected to the intake duct 18 at a fifth junction V5 and at a sixth junction V6.
  • the fifth connection point V5 is arranged upstream of the compressor wheel 46, the sixth connection point V6 being arranged downstream of the compressor wheel 46.
  • a charge air cooler 80 is arranged in the intake tract 18, in particular downstream of the compressor wheel 46.
  • the intercooler 80 By means of the intercooler 80, the compressed and thus heated air is cooled.
  • the intercooler 80 is arranged upstream of the throttle valve 78.
  • a cooling device 82 for cooling the internal combustion engine 10 or the engine block 12 can be seen particularly schematically in the figure.
  • the cooling device 82 comprises a cooling circuit 84, through which a coolant can flow, wherein the coolant is, for example, a cooling fluid.
  • the cooling liquid is also referred to as cooling water or simply as water.
  • the water may flow through the engine block 12, cooling the engine block 12 due to heat transfer from the engine block 12 to the coolant.
  • the coolant may for example flow through a cooler 86 of the cooling device 82 arranged in the cooling circuit 84 and also designated as a water cooler.
  • the radiator 86 By means of the radiator 86, the coolant is cooled.
  • the exhaust gas recirculation cooler 36 is arranged in the cooling circuit 84, so that, for example, a heat transfer from the recirculated exhaust gas flowing through the exhaust gas recirculation line 32 can take place via the exhaust gas recirculation cooler 36 to the coolant.
  • the exhaust gas flowing through the exhaust gas recirculation line 32 is cooled and the coolant is heated.
  • the intercooler 80 and / or the radiator 86 are formed, for example, as an air-air heat exchanger or as a liquid-air heat exchanger and can thereby cool the compressed air or the coolant, that a heat transfer from the compressed air or from the coolant via the intercooler 30 or via the radiator 86 takes place in air, which flows around the intercooler 80 and the radiator 86.
  • This air flowing around the charge air cooler 80 or the radiator 86 results, for example, from the wind during a drive of the motor vehicle.
  • a fan 88 which can be operated in particular electrically or hydraulically, is provided with a fan wheel 90. By means of the fan wheel 90, air can be conveyed and thereby an air flow can be effected, which flows around the charge air cooler 80 and the radiator 86.
  • the internal combustion engine 10 embodied as a gas engine operates, for example, by Otto engine, that is to say according to the Otto principle or in the manner of a gasoline engine.
  • the respective mixture is externally ignited in the respective combustion chamber 14.
  • Combustion chamber 14 is provided, for example, designed as a spark plug 92 external ignition device, by means of which at least one spark for igniting the mixture can be generated or generated.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (14), welcher mit Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) versorgbar ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest einen als Magerbetrieb ausgebildeten Betriebszustand aufweist, wobei eine Einblaseinrichtung (16), mittels welcher der Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) direkt in den Brennraum (14) einblasbar ist, und wobei das direkte Einblasen des Wasserstoffs in den Brennraum (14) mit einem Druck erfolgt, welcher in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 100 bar liegt.

Description

Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein solches Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine sind beispielsweise bereits der DE 103 21 794 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Brennraum auf, welcher mit Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine versorgbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist somit als Wasserstoffmotor ausgebildet und kann in ihrem befeuerten Betrieb mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben werden. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen als Magerbetrieb ausgebildeten Betriebszustand auf. Mit anderen Worten ist es im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in ihrem befeuerten Betrieb, mittels Wasserstoff als Kraftstoff betrieben wird, wobei der Wasserstoff in den Brennraum eingebracht wird. Dabei wird die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere während ihres befeuerten Betriebs, in einem Magerbetrieb betrieben. Unter einem solchen Magerbetrieb ist zu verstehen, dass das Verbrennungsluftverhältnis (λ) größer als 1 ist. So wird die Verbrennungskraftmaschine mit Luftüberschuss und somit mit einem mageren oder armen Gemisch betrieben. Wie allgemein bekannt ist, ist unter einem Magerbetrieb zu verstehen, dass die tatsächlich in dem Brennraum für eine Verbrennung des Wasserstoffes zur Verfügung stehende Luft beziehungsweise Luftmasse größer ist als die mindestens notwendige stöchiometrische Luftmasse, die für eine vollständige Verbrennung des in den Brennraum eingebrachten Wasserstoffes benötigt wird.
Des Weiteren offenbart die DE 103 21 793 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welche mager mittels eines Kraftstoffes mit weiten Zündgrenzen wie beispielsweise Wasserstoff betreibbar ist.
Des Weiteren ist aus der US 6,823,852 B2 ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Bei dem Verfahren wird ein gasförmiger Kraftstoff, welcher Wasserstoff aufweist, bereitgestellt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter und emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Das beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Nutzfahrzeug, ausgebildete Kraftfahrzeug ist mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum oder eine Mehrzahl von Brennräumen auf. Der jeweilige Brennraum ist beispielsweise als ein Zylinder ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildet, wobei die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise wenigstens eine insbesondere als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle aufweist. Über die Abtriebswelle kann die Verbrennungskraftmaschine Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Der Brennraum ist mit Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, versorgbar. Die Verbrennungskraftmaschine ist somit als Wasserstoffmotor ausgebildet, welcher, insbesondere in seinem befeuerten Betrieb, mit dem genannten Wasserstoff als Kraftstoff betreibbar ist. Mit anderen Worten, zumindest in dem befeuerten Betrieb der als Gasmotor und dabei als Wasserstoffmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine wird der Brennraum mit Wasserstoff als Kraftstoff versorgt, wobei der in den Brennraum eingebrachte Wasserstoff mit in den Brennraum eingebrachter Luft verbrannt wird. Beispielsweise ist die Verbrennungskraftmaschine als Ottomotor ausgebildet beziehungsweise ist nach Art eines Ottomotors betreibbar oder wird nach Art eines Ottomotors betrieben, sodass beispielsweise ein Gemisch, welches den in den Brennraum eingebrachten Wasserstoff und die in den Brennraum eingebrachte Luft umfasst, mittels einer Fremdzündeinrichtung wie beispielsweise einer Zündkerze gezündet wird.
Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei zumindest einen als Magerbetrieb ausgebildeten Betriebszustand auf. Mit anderen Worten wird die Verbrennungskraftmaschine in dem zumindest einen Betriebszustand in einem Magerbetrieb betrieben, sodass das Verbrennungsluftverhältnis (λ) größer als 1 ist. Mit anderen Worten gilt während des Magerbetriebs: λ > 1 .
Um nun einen besonders effizienten und somit kraftstoffverbrauchsarmen sowie emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist erfindungsgemäß eine Einblaseinrichtung vorgesehen, mittels welcher der Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in dem befeuerten Betrieb, direkt in den Brennraum einblasbar ist beziehungsweise eingeblasen wird. Somit ist bei der Verbrennungskraftmaschine eine innere Gemischbildung vorgesehen, da das zuvor genannte Gemisch derart gebildet wird, dass sich die in den Brennraum eingebrachte Luft erst in dem Brennraum mit dem Wasserstoff vermischt. Mit anderen Worten wird das Gemisch erst in dem Brennraum und nicht etwa stromauf des Brennraums beispielsweise in einem zum Führen der Luft ausgebildeten Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine gebildet. Dabei ist es ferner erfindungsgemäß vorgesehen, dass das direkte Einblasen des Wasserstoffes in den Brennraum mit einem Druck erfolgt, welcher in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 100 bar liegt. Mit anderen Worten wird der Wasserstoff in den Brennraum bei einem Druck beziehungsweise mittels eines Drucks direkt eingeblasen, welcher in einem Bereich von einschließlich 20 bar bis einschließlich 90 bar liegt. Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist somit eine Mitteldruckeinblasung vorgesehen, in deren Rahmen der Wasserstoff in den Brennraum bei mittleren Drücken eingeblasen wird, die in dem zuvor genannten Bereich von einschließlich 20 bar bis einschließlich 90 bar liegen. Dieser Bereich wird auch als Mitteldruckbereich bezeichnet.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass gerade durch Kombination des Magerbetriebs mit der Mitteldruckeinblasung bei einem Wasserstoffmotor ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, das heißt ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine, realisiert werden kann, sodass ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb darstellbar ist. Außerdem können die Emissionen, insbesondere Schadstoffemissionen, der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Wasserstoff ist der einzig bekannte Kraftstoff, bei dessen Verbrennung zumindest nahezu kein Kohlendioxid (CO2) entsteht, das emittiert werden kann. Somit stellen Wasserstoff moto ren eine kostengünstige und kurzfristig einsatzfähige beziehungsweise einsatzbereite Alternative zu ebenfalls kohlendioxidfreien Antriebsaggregaten mit Elektromotoren in Verbindung mit Akkumulatoren und/oder mit wasserstoffgespeisten Brennstoffzellen dar.
Durch die Abwesenheit von Kohlenstoff in dem Wasserstoff entsteht bei der Verbrennung des Wasserstoffes zudem kein Kohlenmonoxid. Ferner entstehen keine Kohlenwasserstoffverbindungen. Da die als Oxidationsmittel eingesetzte Luft stickstoffhaltig ist, können jedoch bei einem innermotorischen Verbrennungsprozess, in dessen Rahmen in dem Brennraum der Wasserstoff mit Luft verbrannt wird, grundsätzlich Stickstoffoxide entstehen, welche auch als Stickoxide bezeichnet werden. Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist es nun jedoch möglich, die Entstehung von solchen Stickstoffoxiden zu vermeiden oder besonders gering zu halten und insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen bis an die Nachweisbarkeitsgrenze zu reduzieren. Mit anderen Worten können bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine insbesondere die Stickstoffoxidemissionen besonders geringgehalten werden, was insbesondere durch die Kombination aus Magerbetrieb und Mitteldruckeinblasung realisierbar ist.
Bisherige, im Straßenverkehr eingesetzte Wasserstoffmotoren arbeiten üblicherweise nach dem Ottoprinzip und somit nach Art eines Ottomotors sowie mit folgenden Merkmalen: sequentielle zylinderindividuelle Einblasung des Wasserstoffs in Saugrohrarme eines Ansaugrohrs;
- Saugmotor ohne Aufladung;
Fremdzündung mittels kennfeldgesteuerter ruhender Zündanlage;
stöchiometrischer Betrieb;
Abgasnachbehandlung mittels Lambda-geregeltem Reduktionskatalysator. Nachteilig an den bisher bekannten Verbrennungskraftmaschinen sind insbesondere die folgenden Punkte:
Emissionen: Wie oben beschrieben, emittieren Wasserstoffmotoren so gut wie kein Kohlendioxid, kein Kohlenmonoxid und keine anderen Kohlenwasserstoffverbindungen. Bei einem stöchiometrischen Betrieb (λ = 1 ) können jedoch hohe Temperaturen entstehen, sodass während eines in dem Brennraum stattfindenden Verbrennungsprozesses Stickstoffoxide in erheblichem Maße entstehen können. Somit weisen herkömmliche Wasserstoffmotoren hohe Emissionen mit hohem Stickstoffoxidgehalt auf. Um die Stickstoffoxid-Emissionen an die Umwelt gering zu halten, kann ein hochwirksamer Reduktionskatalysator nachgeschaltet werden. Als Reduktionsmittel wird hierbei eine geringe Menge an Wasserstoff genutzt, welcher beispielsweise über den stöchiometrischen Bedarf hinaus zugegeben, insbesondere in den Brennraum eingebracht, wird. Dadurch lassen sich die Stickstoffoxidemissionen zumindest nahezu vollständig vermeiden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass während der katalytischen Reduktion Ammoniak entsteht. Um dies zu vermeiden, muss die Lambda-Regelung sehr hohen Anforderungen genügen.
Leistungsdichte: Durch die geringe Dichte von Wasserstoffen verdrängt der im Saugrohr zugeführte Wasserstoff circa ein Drittel der, insbesondere bei Benzinbetrieb, eingesaugten Luft. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der maximalen Motorleistung und des im Drehzahlband erreichten Drehmoments.
Wirkungsgrad: Wasserstoff ist ein Kraftstoff mit extrem geringer Klopffestigkeit (definitionsgemäß Methanzahl 0) und hoher Selbstzündungsneigung. Um der Klopfgefahr und der Gefahr von Rückzündungen vorzubeugen, werden Wasserstoffmotoren beispielsweise mit geringem Verdichtungsverhältnis betrieben. Ein solch geringes Verdichtungsverhältnis bewirkt einen relativ geringen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad wird im Teil- und Schwachlastbetrieb durch die ottomotorisch typischen, bei stöchiometrischem Betrieb besonders hohen Ladungswechselverluste weiter reduziert.
Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine bildet nun die Grundlage, die zuvor genannten Probleme und Nachteile zu vermeiden, sodass ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb mit einer hohen Leistungsdichte darstellbar ist. Im Rahmen des Magerbetriebs kann die Verbrennungskraftmaschine in einem sehr hohen Lambda-Bereich, das heißt mit einem sehr großen Verbrennungsluftverhältnis, betrieben werden. So zündet beispielsweise das zuvor genannte und auch als Wasserstoff-Luft-Gemisch genannte Gemisch bis zu einem Lambda (Verbrennungsluftverhältnis), dessen Wert größer als 6 ist. Der Wert des Verbrennungsluftverhältnisses wird auch als Lambda-Wert bezeichnet. Bei Lambda- Werten, welche größer als 2 sind, nehmen die Klopfneigung und die Selbstzündungsneigung stark ab. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine während des Magerbetriebs mit einem Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, welches größer als 2, insbesondere kleiner als 4 und vorzugsweise größer als 2,3 und kleiner als 2,6, ist. Das Verdichtungsverhältnis kann bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen deutlich angehoben werden, wodurch der Wirkungsgrad relevant verbessert wird. Die Ladungswechselverluste werden dadurch reduziert, dass die Drosselung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu herkömmlichen Wasserstoff motoren reduziert werden kann. Es ergibt sich ein deutlich gesteigerter Wirkungsgrad (mehr als 30 %). Außerdem können Verbrennungstemperaturen in dem Brennraum besonders geringgehalten werden, sodass eine nur geringe Menge an Stickstoffoxiden entsteht. Es ist möglich, nur durch optimal ausgelegten Magerbetrieb aktuelle Emissionsanforderungen für Nutzfahrzeuge nach Euro VI ohne Abgasnachbehandlung einzuhalten. Gleichzeitig ergeben sich Wirkungsgrade, die nur unwesentlich unterhalb der Wirkungsgrade vergleichbarer Dieselmotoren liegen, dabei aber deutlich die Wirkungsgrade von Ottomotoren die mit anderen Kraftstoffen betrieben werden übertreffen.
Da bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine der Wasserstoff direkt in den Brennraum eingebracht, insbesondere eingeblasen, wird, ist eine innere Gemischbildung vorgesehen. Der Wasserstoff wird somit nicht in Saugrohrarme des Ansaugtrakts, sondern direkt in den Brennraum eingeblasen. Insbesondere ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Wasserstoff während eines Verdichtungstaktes der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Brennraums in diesen direkt eingeblasen wird. Dadurch kann eine unerwünschte Verdrängung von Luft vermieden werden, sodass eine besonders hohe Leistungsdichte der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Die Einblasung direkt in den Brennraum nach Schließen der Einlassventile ergibt eine Druckerhöhung im Brennraum mit der Folge eines erhöhten Verdichtungsenddrucks. Die Einblasung nach Einlass schließt, bewirkt ähnlich wie eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses eine Steigerung des Wirkungsgrades.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung liegt der Druck, bei beziehungsweise mit welchem das direkte Einblasen des Wasserstoffes in den Brennraum erfolgt, in einem Bereich von einschließlich 10 bis 20, bei anderen Anwendungen im Bereich 30 bar bis einschließlich 50 bar. Dadurch kann eine besonders hohe Leistungsdichte realisiert werden, sodass ein besonders effizienter und emissionsgünstiger Betrieb darstellbar ist. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Abgasrückführeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher Abgas aus dem Brennraum rückführbar und in den Brennraum einbringbar ist. Mit anderen Worten, während des befeuerten Betriebs resultiert aus der Verbrennung des Gemisches Abgas, welches mittels der Abgasrückführeinrichtung rückgeführt und in den Brennraum eingebracht werden kann. Das rückgeführte Abgas kann beispielsweise bei einer folgenden Verbrennung als Inertgas wirken, um, insbesondere lokale, übermäßige Temperaturen in dem Brennraum zu vermeiden. Dadurch kann die Entstehung von Stickstoffoxiden, welche auch als Stickoxide (NOx) bezeichnet werden, in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Abgasrückführeinrichtung zum Durchführen einer externen Abgasrückführung ausgebildet ist.
Die Abgasrückführeinrichtung beziehungsweise die durch die Abgasrückführeinrichtung bewirkbare Rückführung des Abgases, welche auch als Abgasrückführung bezeichnet wird, hat eine ähnliche Wirkung wie der Magerbetrieb hat. Das während der Verbrennung vorhandene und als Inertgas wirkende Abgas ermöglicht beispielsweise die Anhebung des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine, und die als Wasserstoffmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine kann weiter entdrosselt werden. In der Folge steigt der Wirkungsgrad weiter an, und die Verbrennungstemperatur sinkt, wodurch auch die Stickstoffoxidbildung sinkt.
Vorzugsweise wird der Magerbetrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis von 2 durchgeführt, insbesondere wenn eine, insbesondere mittels der Abgasrückführeinrichtung bewirkte, Abgas rückführung unterbleibt. Alternativ oder zusätzlich wird der Magerbetrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 ,6 durchgeführt, insbesondere wenn eine, insbesondere mittels der Abgasrückführeinrichtung bewirkte, Abgasrückführung durchgeführt wird. Das Verbrennungsluftverhältnis des Gasmotors wird auch als Lambda oder λ bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich wird der Magerbetrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis betrieben, welches in einem Bereich von einschließlich 1 ,6 bis einschließlich 2,8 liegt. Das Verbrennungsluftverhältnis wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einem, insbesondere aktuellen, Betriebspunkt des Gasmotors und/oder in Abhängigkeit von einer, insbesondere aktuellen, Abgasrückführrate eingestellt. Die Abgasrückführrate ist eine Menge des rückzuführenden beziehungsweise rückgeführten Abgases.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein von Abgas aus dem Brennraum durchströmbarer SCR-Katalysator vorgesehen (SCR - selektive katalytische Reduktion). Mittels des SCR-Katalysators ist unter Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel zumindest ein hoher Teil von in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden (NOx) aus dem Abgas zu entfernen. Dieses zumindest teilweise Entfernen von Stickoxiden aus dem Abgas wird auch als Entsticken bezeichnet und wird mittels des SCR-Katalysators und insbesondere in dem SCR- Katalysator unter Zuhilfenahme von Wasserstoff als Reduktionsmittel bewirkt beziehungsweise durchgeführt. Dabei unterstützt beziehungsweise bewirkt der SCR- Katalysator eine selektive katalytische Reduktion, in deren Rahmen zumindest ein Teil der im Abgas enthaltenen Stickoxide mit beispielsweise im Abgas beziehungsweise im SCR-Katalysator enthaltenem Wasserstoff als Reduktionsmittel reagieren, insbesondere zu Wasser und Stickstoff.
Da als das Reduktionsmittel Wasserstoff verwendet wird, mittels welchem auch der befeuerte Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird, kann der Einsatz eines von dem Wasserstoff unterschiedlichen, zusätzlich dazu vorgesehenen Reduktionsmittels ebenso vermieden werden wie die Verwendung eines zusätzlichen Tanks zum Speichern von separatem, zusätzlichem Reduktionsmittel. Dadurch können beispielsweise die Teileanzahl und das Gewicht des Kraftfahrzeugs gering gehalten werden, wodurch ein besonders effizienter Betrieb darstellbar ist. Vorteilhaft ist auch, dass nicht verbrannter Wasserstoff (Wasserstoffschlupf) einen Teil des Reduktionsmittels bilden kann, und somit die separat in den Katalysator einzubringende Wasserstoffmenge reduziert. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Verdichter vorgesehen ist, mittels welchem die dem Brennraum zuzuführende Luft zu verdichten ist. Mit anderen Worten wird die Luft, welche dem Brennraum zugeführt wird, mittels des Verdichters verdichtet. Der Verdichter kann grundsätzlich als elektrischer Verdichter oder Kompressor beziehungsweise mechanischer Lader ausgebildet sein, wobei der Verdichter beziehungsweise ein Verdichterrad beispielsweise mechanisch von der zuvor genannten Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist.
Zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs hat es sich jedoch als vorteilhaft gezeigt, wenn die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Abgasturbolader aufweist, der eine von Abgas aus dem Brennraum antreibbare Turbine und den Verdichter aufweist. Der Verdichter beziehungsweise dessen zum Verdichten der Luft ausgebildete Verdichterrad ist dabei von der Turbine antreibbar. Somit kann im Abgas enthaltene Energie, welche ansonsten ungenutzt insbesondere in Form von Wärme verloren ginge, genutzt werden, um die Turbine und somit den Verdichter anzutreiben und somit die dem Brennraum zuzuführende Luft zu verdichten.
Das Verdichten der dem Brennraum zuzuführenden Luft und das Einleiten der verdichteten Luft in den Brennraum werden auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet, sodass die Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Hintergrund dieser Ausführungsform ist insbesondere, dass der Magerbetrieb große Luftmengen erfordert, um den befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Die Aufladung ermöglicht es dabei, besonders hohe Leistungs- und Drehmomentwerte der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen. Die Aufladung kann insbesondere als Abgasturboaufladung oder als Fremdaufladung sowie einer Kombination aus Fremd- und Abgasturboaufladung ausgeführt sein.
Der zuvor beschriebene SCR-Katalysator wird auch als H2-SCR-Katalysator bezeichnet, da der SCR-Katalysator Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel nutzt, um im Rahmen der SCR (selektive katalytische Reduktion) das Abgas zumindest teilweise zu entsticken. Wie bereits beschrieben, kann durch den Magerbetrieb die Stickstoffoxidbildung besonders gering gehalten werden. Um dabei jedoch Stickstoffoxidemissionen besonders gering zu halten oder gar zu vermeiden und somit nur Nullemission zu verringern, findet eine Abgasnachbehandlung mittels des H2-SCR- Katalysators statt. Der H2-SCR-Katalysator ist ein spezieller Katalysator, mittels welchem unter Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel in dem Abgas etwaig vorhandene Stickstoffoxide in Stickstoff und Wasser beziehungsweise Wasserdampf überführt werden, insbesondere im Rahmen der zuvor genannten selektiven katalytischen Reduktion (SCR).
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn bei dem zumindest teilweisen Entfernen der Stickoxide aus dem Abgas in dem SCR-Katalysator eine Temperatur herrscht, die in einem Bereich von einschließlich 100 Grad Celsius bis einschließlich 300 Grad Celsius liegt. Mit anderen Worten erfolgt das zumindest teilweise Entfernen von Stickoxiden aus dem Abgas bei einer, insbesondere in dem Katalysator herrschenden, Temperatur, insbesondere des Abgases, wobei diese auch als Entstickungstemperatur bezeichnete Temperatur in einem Bereich von einschließlich 100 Grad bis einschließlich 300 Grad Celsius liegt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen insbesondere als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf. Bei dem Verfahren wird die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere während ihres befeuerten Betriebs, mittels eines gasförmigen Kraftstoffes in Form von Wasserstoff betrieben, welcher in den Brennraum eingebracht wird. Ferner wird bei dem Verfahren die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere während ihres befeuerten Betriebs, in einem Magerbetrieb betrieben.
Um nun einen besonders effizienten und emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels einer Einblaseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine der Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in dem befeuerten Betrieb, direkt in den Brennraum mit einem auch als Einblasdruck bezeichneten Druck eingeblasen wird, welcher in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 100 bar liegt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Druck, bei beziehungsweise mit welchem der Wasserstoff direkt in den Brennraum eingeblasen wird, in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 20 bar bei anderen Anwendungen im Bereich 30 bar bis einschließlich 50 bar.
Schließlich hat es sich im Rahmen des zweiten Aspekts als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn mittels wenigstens einer, insbesondere externen, Abgasrückführeinrichtung Abgas aus dem Brennraum rückgeführt und in den Brennraum eingebracht wird. Dadurch kann insbesondere die Entstehung von Stickoxid in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden, sodass bereits die Stickoxidrohemissionen der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden können.
Ein von dem ersten Aspekt und von dem zweiten Aspekt unabhängiger dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum, welcher mit Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine versorgbar ist. Außerdem ist wenigstens ein von Abgas aus dem Brennraum durch ström barer SCR-Katalysator vorgesehen, mittels welchem unter Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel zumindest ein Teil von im Abgas enthaltenen Stickoxiden aus dem Abgas zu entfernen ist. Somit ist der SCR- Katalysator bei dem dritten Aspekt der Erfindung als ein zuvor beschriebener H2-SCR- Katalysator ausgebildet. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine zumindest einen als Magerbetrieb ausgebildeten Betriebszustand auf. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn bei dem Entfernen zumindest des Teils der Stickoxide aus dem Abgas in dem SCR-Katalysator eine Temperatur, insbesondere des Abgases, herrscht, die in einem Bereich von einschließlich 100 Grad Celsius bis einschließlich 300 Grad Celsius liegt. Dabei können die Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen des ersten Aspekts und des zweiten Aspekts der Erfindung auch auf den dritten Aspekt der Erfindung übertragen werden und umgekehrt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine inklusive peripherer Komponenten, wobei die Verbrennungskraftmaschine 10, wie im Folgenden noch erläutert wird, als Wasserstoffmotor ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, welches mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Das Kraftfahrzeug ist dabei als Kraftwagen und vorzugsweise als Nutzfahrzeug ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst wenigstens einen Motorblock 12, durch welchen wenigstens ein Brennraum 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet beziehungsweise begrenzt ist. Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 mehrere Brennräume 14 aufweist, welche durch den Motorblock 12 gebildet sind. Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als Hubkolbenmaschine ausgebildet, wobei der jeweilige Brennraum 14 als Zylinder ausgebildet ist. Hierbei ist der Motorblock 12 als Zylindergehäuse ausgebildet.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 kann wenigstens ein weiteres Gehäuseelement aufweisen, welches in der Fig. nicht erkennbar und beispielsweise als Kurbelgehäuse ausgebildet ist. Das Kurbelgehäuse ist beispielsweise einstückig mit dem Motorblock 12 (Zylindergehäuse) ausgebildet, sodass beispielsweise der Motorblock 12 und das Kurbelgehäuse ein Zylinderkurbelgehäuse bilden. Ferner ist es denkbar, dass der Motorblock 12 und das Kurbelgehäuse als separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Gehäuseteile ausgebildet sind. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ferner eine Abtriebswelle auf, welche beispielsweise als Kurbelwelle 13 ausgebildet ist. Die Kurbelwelle 13 ist drehbar an dem Kurbelgehäuse gelagert und kann sich somit um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse und relativ zu dem Zylindergehäuse beziehungsweise Motorblock 12 drehen. Insbesondere in ihrem befeuerten Betrieb kann die Verbrennungskraftmaschine 10 über die Abtriebswelle (Kurbelwelle 13) Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Um einen ruhigen Lauf zu realisieren, ist die Abtriebswelle drehfest mit einem Schwungrad 15 verbunden. In den jeweiligen Brennraum 14 ist ein in der Fig. nicht dargestellter Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen. Der jeweilige Kolben ist gelenkig mit der Abtriebswelle gekoppelt, sodass die translatorischen Bewegungen des Kolbens in dem jeweiligen Brennraum 14 in eine rotatorische Bewegung der Abtriebswelle um ihre Drehachse umgewandelt werden.
Der jeweilige Brennraum 14 ist mit Wasserstoff als Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere in dem befeuerten Betrieb, versorgbar. Mit anderen Worten ist es im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgesehen, dass Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 und zum Bewirken des befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 in den jeweiligen Brennraum 14 eingebracht wird. In den jeweiligen Brennraum 14 wird auch zumindest Luft eingebracht, sodass in dem jeweiligen Brennraum 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches einfach auch als Gemisch bezeichnet wird, entsteht. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird gezündet und dadurch verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Das Gemisch wird im Rahmen einer Verbrennung beziehungsweise eines Verbrennungsprozesses verbrannt. Durch die Verbrennung dehnt sich das Gemisch aus, wodurch der jeweilige Kolben angetrieben wird. Dadurch wird wiederum die Abtriebswelle angetrieben und somit um ihre Drehachse gedreht.
Außerdem ist es vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 zumindest einen als Magerbetrieb ausgebildeten Betriebszustand aufweist. Mit anderen Worten ist es im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere während ihres befeuerten Betriebs, in einem Magerbetrieb betrieben wird. In diesem Magerbetrieb wird die Verbrennungskraftmaschine 10 mager, das heißt mit einem Verbrennungsluftverhältnis (λ) betrieben, welches größer als 1 ist. Mit anderen Worten gilt während des Magerbetriebs: λ > 1 . Um einen besonders wirkungsgradgünstigen und somit effizienten sowie emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 zu realisieren, umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Einblaseinrichtung 16, mittels welcher der Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere in dem befeuerten Betrieb, direkt in den jeweiligen Brennraum 14 einblasbar ist beziehungsweise eingeblasen wird. Somit wird die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer inneren Gemischbildung betrieben, in deren Rahmen das zuvor beschriebene Gemisch nicht etwa stromauf der Brennräume 14 in einem von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 18 der Verbrennungskraftmaschine 10, sondern erst in dem jeweiligen Brennraum 14 gebildet wird. Dabei liegt ein Druck, mit beziehungsweise bei welchem der Wasserstoff direkt in den jeweiligen Brennraum 14 eingeblasen wird, in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 100 bar, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 20 bar, bei anderen Anwendungen im Bereich 30 bar bis einschließlich 50 bar. Die in der Fig. dargestellte Verbrennungskraftmaschine 10 kann als ein Hybridmotor, das heißt als eine Mischform aus Otto- und Dieselmotor angesehen werden, weil die Verbrennungskraftmaschine 10 mit Fremdzündung, die üblicherweise Merkmal eines Ottomotors ist, und mit innerer Gemischbildung arbeitet, die üblicherweise Merkmal eines Dieselmotors ist. Ferner ist es denkbar, dass die auch als Motor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine 10 auch für stationäre Anlagen wie beispielsweise als Generatorantrieb zur Stromerzeugung und/oder in Blockheizkraftwerken verwendet werden kann.
Das Kraftfahrzeug weist beispielsweise in seinem vollständig hergestellten Zustand einen in der Fig. nicht gezeigten Tank zum Aufnehmen und Speichern des Wasserstoffes auf. Dabei umfasst die Einblaseinrichtung 16 je Brennraum 14 einen Injektor 20, mittels welchem der Wasserstoff direkt in den jeweiligen Brennraum 14 einblasbar ist beziehungsweise eingeblasen wird. Der jeweilige Injektor 20 wird auch als H2-lnjektor bezeichnet. Ferner umfasst die Einblaseinrichtung 16 beispielsweise ein den Injektoren 20 gemeinsames Verteilungselement 22, welches auch als Wasserstoffverteilungselement, Rail oder Wasserstoffrail bezeichnet wird. Beispielsweise über wenigstens eine Versorgungsleitung 24 kann der Wasserstoff aus dem Tank in das Verteilungselement 22 eingeleitet werden. Der in das Verteilungselement 22 eingeleitete Wasserstoff kann zunächst in dem Verteilungselement 22, insbesondere mit dem Einblasdruck, gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert werden. Mit anderen Worten weist beispielsweise der in dem Verteilungselement 22 gespeicherte Wasserstoff den Einblasdruck auf. Mittels des Verteilungselements 22 wird der Wasserstoff, insbesondere mit dem genannten Einblasdruck, auf die Injektoren 20 verteilt, sodass mittels der Injektoren 20 der Wasserstoff aus dem Verteilungselement 22 mit dem genannten Einblasdruck direkt in die jeweiligen Brennräume 14 eingeblasen wird beziehungsweise eingeblasen werden kann. In der Versorgungsleitung 24, welche Bestandteil der Einblaseinrichtung 16 sein kann, ist beispielsweise ein Druckregler 26 angeordnet, welcher auch als H2-Druckregler bezeichnet wird. Mittels des Druckreglers 26 kann beispielsweise der, insbesondere in dem Verteilungselement 22 herrschende, Einblasdruck, bei beziehungsweise mit welchem der Wasserstoff mittels der Injektoren 20 direkt in die Brennräume 14 eingeblasen wird, eingestellt werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner eine als externe Abgasrückführeinrichtung ausgebildete Abgasrückführeinrichtung 28 zum Durchführen einer externen Abgasrückführung. Im Rahmen der Abgasrückführung wird zumindest ein Teil des Abgases aus dem jeweiligen Brennraum 14 rückgeführt und in den jeweiligen Brennraum 14 eingebracht.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen Abgastrakt 30, welcher von dem jeweiligen Abgas aus dem jeweiligen Brennraum 14 durchströmbar ist. Dabei umfasst die Abgasrückführeinrichtung 28 wenigstens eine Abgasrückführleitung 32, welche einerseits mit dem Abgastrakt 30 und andererseits mit dem Ansaugtrakt 18 fluidisch verbunden ist. Dabei ist die Abgasrückführleitung 32 an einer ersten Verbindungsstelle V1 fluidisch mit dem Abgastrakt 30 verbunden. Die erste Verbindungsstelle V1 ist dabei in dem Abgastrakt 30 stromab der Brennräume 14 angeordnet. Ferner ist die Abgasrückführleitung 32 an einer zweiten Verbindungsstelle V2 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden. Die zweite Verbindungsstelle V2 ist dabei in dem Ansaugtrakt 18 stromauf der Brennräume 14 angeordnet. Mittels der Abgasrückführleitung 32 kann zumindest ein Teil des den Abgastrakt 30 durchströmenden Abgases an der ersten Verbindungsstelle V1 aus dem Abgastrakt 30 abgezweigt werden. Das abgezweigte Abgas durchströmt die Abgasrückführleitung 32 und wird mittels dieser zu dem Ansaugtrakt 18, insbesondere zu der zweiten Verbindungsstelle V2, rückgeführt. An der zweiten Verbindungsstelle V2 kann das die Abgasrückführleitung 32 durchströmende Abgas aus der Abgasrückführleitung 32 aus- und in den Ansaugtrakt 18 einströmen. Hierdurch wird das die Abgasrückführleitung 32 durchströmende Abgas in den Ansaugtrakt 18 und insbesondere in die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft, welche mittels des Ansaugtrakts 18 zu den und insbesondere in die Brennräume 14 geleitet wird, eingeleitet, sodass die zweite Verbindungsstelle V2 eine Einleitstelle für das abgezweigte und rückgeführte Abgas ist. Die Luft transportiert das rückgeführte Abgas in die Brennräume 14, in welchen es bei der jeweiligen Verbrennung als Inertgas wirken kann.
Die Abgasrückführeinrichtung 28 umfasst dabei ein Ventilelement 34, mittels welchem eine Menge des die Abgasrückführleitung 32 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Dabei ist das Ventilelement 34 beispielsweise als Abgasrückführventil (AGR-Ventil) beziehungsweise als AGR-Regelklappe ausgebildet. Mittels des Ventilelements 34 kann somit eine Menge des rückzuführenden Abgases eingestellt werden, sodass mittels des Ventilelements 34 eine Abgasrückführrate (AGR-Rate) eingestellt werden kann. Das Ventilelement 34 ist dabei in der Abgasrückführleitung 32 angeordnet. Die Abgasrückführeinrichtung 28 umfasst ferner einen Abgasrückführkühler 36, welcher in der Abgasrückführleitung 32, insbesondere stromab des Ventilelements 34, angeordnet ist. Mittels des Abgasrückführkühlers 36 (AGR-Kühler) kann das die Abgasrückführleitung 32 durchströmende und rückgeführte beziehungsweise rückzuführende Abgas gekühlt werden, insbesondere bevor es in den Ansaugtrakt 18 einströmt.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst außerdem wenigstens einen von dem Abgas aus den Brennräumen 14 durchströmbaren SCR-Katalysator 38, mittels welchem unter Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsmittel zumindest ein Teil von im Abgas enthaltenen Stickoxiden, welche auch als Stickstoffoxide bezeichnet werden, aus dem Abgas zu entfernen ist. Mittels des SCR-Katalysators 38 wird eine selektive katalytische Reduktion (SCR) bewirkt beziehungsweise unterstützt, in deren Rahmen im Abgas etwaig enthaltene Stickoxide unter Zuhilfenahme von Wasserstoff in Stickstoff und Wasser beziehungsweise Wasserdampf umgewandelt werden. Da der SCR- Katalysator 38 Wasserstoff und nicht etwa ein anderes Reduktionsmittel wie beispielsweise eine Harnstofflösung zum zumindest teilweisen Entfernen von im Abgas enthaltenen Stickoxiden aus dem Abgas nutzt, wird der SCR-Katalysator 38 auch als H2-SCR-Katalysator bezeichnet.
Das zumindest teilweise Entfernen von im Abgas enthaltenen Stickoxiden aus dem Abgas wird auch als Entsticken bezeichnet. Der zum Entsticken genutzte Wasserstoff wird beispielsweise in das Abgas eingebracht, insbesondere an einer Einbringstelle. Die Einbringstelle ist beispielsweise in dem Abgastrakt 30 angeordnet, wobei die Einbringstelle stromauf des SCR-Katalysators 38 angeordnet sein kann. Insbesondere ist die Einbringstelle stromab der Brennräume 14 in dem Abgastrakt 30 angeordnet. Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Einbringstelle, welche in der Fig. mit E bezeichnet ist, in dem SCR-Katalysator 38 angeordnet, sodass der Wasserstoff zum Entsticken des Abgases, insbesondere direkt, in den SCR-Katalysator 38 eingebracht wird. Hierzu ist beispielsweise ein Leitungselement 40 vorgesehen, welches einerseits fluidisch mit der Einblaseinrichtung 16, insbesondere mit dem Verteilungselement 22, verbunden ist. Andererseits ist das Leitungselement 40 fluidisch mit einem weiteren, dem SCR-Katalysator 38 zugeordneten und als H2-lnjektor ausgebildeten Injektor 42 verbunden. Mittels des Leitungselements 40 wird beispielsweise zumindest ein Teil des in dem Verteilungselement 22 aufgenommenen Wasserstoffes aus dem Verteilungselement 22 abgezweigt. Der aus dem Verteilungselement 22 abgezweigte Wasserstoff kann das Leitungselement 40 durchströmen und wird mittels des Leitungselements 40 von dem Verteilungselement 22 zu dem Injektor 42 geführt. Mittels des Injektors 42 kann der das Leitungselement 40 durchströmende Wasserstoff an der Einleitstelle E in den Abgastrakt 30 und vorliegend direkt in den SCR-Katalysator 38 eingebracht, insbesondere eingeblasen, werden. Der auf diese Weise in das Abgas eingebrachte Wasserstoff als Reduktionsmittel kann mit im Abgas etwaig enthaltenen Stickoxiden reagieren, und zwar im Rahmen der SCR zu Stickstoff und Wasser. Hierdurch kann das Abgas besonders vorteilhaft nachbehandelt werden, sodass Stickoxidemissionen besonders gering gehalten oder gar vermieden werden können. Zur Realisierung einer besonders hohen Leistungsdichte umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 ferner wenigstens einen Verdichter 44, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende und dem jeweiligen Brennraum 14 zuzuführende Luft zu verdichten ist beziehungsweise verdichtet wird. Dabei ist der Verdichter 44 in dem Ansaugtrakt 18 angeordnet. Der Verdichtet 44 umfasst wenigstens ein Verdichterrad 46, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende und dem Brennraum 14 zuzuführende Luft verdichtbar ist beziehungsweise verdichtet wird. Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind der Verdichter 44 und somit das Verdichterrad 46 Bestandteile eines Abgasturboladers 48, welcher den Verdichter 44 und somit das Verdichterrad 46 sowie ein in dem Abgastrakt 30 angeordnete Turbine 50 aufweist. Die Turbine 50 weist ein Turbinenrad 52 auf, welches von dem Abgas antreibbar ist. Das Verdichterrad 46 und das Turbinenrad 52 sind Bestandteile eines Rotors 54 des Abgasturboladers 48. Der Rotor 54 umfasst ferner eine Welle 56, welche drehfest mit dem Turbinenrad 52 und drehfest mit dem Verdichterrad 46 verbunden ist. Dadurch ist das Verdichterrad 46 über die Welle 56 von dem Turbinenrad 52 antreibbar, sodass der Verdichter 44 von der Turbine 50 antreibbar ist. Durch das Antreiben des Verdichterrads 46 wird die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet, sodass im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann. Mittels des Verdichters 44 kann die Luft auf einen Ladedruck verdichtet werden. Der Ladedruck ist beispielsweise mittels einer auch als Wastegate bezeichneten Umgehungseinrichtung 58 des Abgasturboladers 48 einstellbar.
Hierzu umfasst die Umgehungseinrichtung 58, welche der Turbine 50 zugeordnet ist, wenigstens eine Umgehungsleitung 60, welche auch als Wastegate-Leitung oder Bypass bezeichnet wird. Die Umgehungsleitung 60 ist an einer stromauf des Turbinenrads 52 angeordneten dritten Verbindungsstelle V3 und an einer stromab des Turbinenrads 52 angeordneten vierten Verbindungsstelle V4 fluidisch mit dem Abgastrakt 30 verbunden. Ferner umfasst die Umgehungseinrichtung 58 ein auch als Wastegate-Ventil bezeichnetes Ventilelement 62, welches in der Umgehungsleitung 60 angeordnet ist. Mittels der Umgehungsleitung 60 kann an der dritten Verbindungsstelle V3 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 30 durchströmenden Abgases abgezweigt werden, welches dann die Umgehungsleitung 60 durchströmt. Das die Umgehungsleitung 60 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad 52, sodass das die Umgehungsleitung 60 durchströmende Abgas das Turbinenrad 52 nicht antreibt. Mittels des Ventilelements 62 kann dabei eine Menge des die Umgehungsleitung 60 durchströmenden Abgases bedarfsgerecht eingestellt werden. Durch Einstellen der Menge des die Umgehungsleitung 60 durchströmenden Abgases kann der zuvor genannte Ladedruck eingestellt werden.
Mittels der Turbine 50 wird das Abgas expandiert beziehungsweise entspannt. Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die erste Verbindungsstelle V1 stromauf des Turbinenrads 52 beziehungsweise der Turbine 50 angeordnet, sodass die Abgasrückführung als Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) durchgeführt wird. Der SCR- Katalysator 38 ist dabei stromab des Turbinenrads 52 beziehungsweise der Turbine 50 angeordnet.
In dem Abgastrakt 30 ist ferner eine beispielsweise als Breitband-Lambdasonde ausgebildete Lambdasonde 64 angeordnet, mittels welcher beispielsweise das Verbrennungsluftverhältnis einstellbar ist beziehungsweise eingestellt wird. Insbesondere wird mittels der Lambdasonde 64 eine Lambdaregelung durchgeführt. Die Lambdasonde 64 ist dabei stromauf des Turbinenrads 52 und insbesondere stromauf der ersten Verbindungsstelle V1 angeordnet. In dem Abgastrakt 30 ist außerdem ein Schalldämpfer 66 angeordnet, welcher stromauf des SCR-Katalysators 38 und stromab des Turbinenrads 52 angeordnet ist. Durch den Einsatz des Schalldämpfers 66 können übermäßige Geräuschemissionen vermieden werden.
Des Weiteren ist in dem Abgastrakt 30 ein Abgaskühler 68 angeordnet, welcher vorliegend stromauf des SCR-Katalysators 38 und stromab des Turbinenrads 52 angeordnet ist. Mittels des Abgaskühlers 68 kann das Abgas gekühlt und dadurch auf eine besonders vorteilhafte Temperatur gebracht werden, sodass beispielsweise mittels des SCR-Katalysators 38 die SCR bei einer besonders vorteilhaften Temperatur durchgeführt beziehungsweise bewirkt oder unterstützt werden kann. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, dass die SCR zum Entsticken des Abgases bei einer Temperatur durchgeführt wird, welche in einem Bereich von einschließlich 100 Grad Celsius bis einschließlich 300 Grad Celsius liegt und beispielsweise in dem SCR- Katalysator 38 herrscht und/oder eine Temperatur des Abgases ist.
In dem Ansaugtrakt 18 ist stromauf des Verdichterrads 46 ein Luftfilter 70 angeordnet, mittels welchem die in den Ansaugtrakt 18 einströmende und den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft gefiltert wird. Des Weiteren ist in dem Ansaugtrakt 18 stromauf der Brennräume 14 eine Drosselklappe 78 angeordnet, mittels welcher eine den Menge der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden und den Brennräume 14 zuzuführenden Luft und/oder ein Druckverhältnis in dem Ansaugtrakt 18 eingestellt werden kann.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner eine Schubumlufteinrichtung 72 mit einer Schubumluftleitung 74 und einem in der Schubumluftleitung 74 angeordneten Schubumluftventil 76, wobei die Schubumluftleitung 74 an einer fünften Verbindungsstelle V5 und an einer sechsten Verbindungsstelle V6 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden ist. Die fünfte Verbindungsstelle V5 ist dabei stromauf des Verdichterrads 46 angeordnet, wobei die sechste Verbindungsstelle V6 stromab des Verdichterrads 46 angeordnet ist. Mittels des Schubumluftventils 76 kann eine die Schubumluftleitung 74 durchströmende Menge an Luft eingestellt werden. Mittels der Schubumlufteinrichtung 72 kann insbesondere dann, wenn die Drosselklappe 78 zunächst geöffnet wird und dann plötzlich geschlossen wird, ein Pumpen des Verdichters vermieden werden, da beispielsweise mittels der Schubumlufteinrichtung 72, insbesondere mittels der Schubumluftleitung 74, zumindest ein Teil der mittels des Verdichters 44 verdichteten Luft an der sechsten Verbindungsstelle V6 aus dem Ansaugtrakt 18 abgezweigt und zu der stromauf des Verdichterrads 46 angeordneten fünften Verbindungsstelle V5 geführt werden kann. Hierdurch kann ein übermäßiger Drehzahlabfall des Verdichterrads 46 vermieden werden.
Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 18, insbesondere stromab des Verdichterrads 46, ein Ladeluftkühler 80 angeordnet. Mittels des Ladeluftkühlers 80 wird die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt. Dabei ist der Ladeluftkühler 80 stromauf der Drosselklappe 78 angeordnet. Außerdem ist in der Fig. besonders schematisch eine Kühleinrichtung 82 zum Kühlen der Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise des Motorblocks 12 erkennbar. Die Kühleinrichtung 82 umfasst einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf 84, wobei das Kühlmittel beispielsweise eine Kühlflüssigkeit ist. Die Kühlflüssigkeit wird auch als Kühlwasser oder einfach als Wasser bezeichnet. Das Wasser kann beispielsweise den Motorblock 12 durchströmen, wobei der Motorblock 12 infolge eines Wärmeübergangs von dem Motorblock 12 an das Kühlmittel gekühlt wird. Daraufhin kann das Kühlmittel beispielsweise einen in dem Kühlkreislauf 84 angeordneten und auch als Wasserkühler bezeichneten Kühler 86 der Kühleinrichtung 82 durchströmen. Mittels des Kühlers 86 wird das Kühlmittel gekühlt. Ferner ist der Abgasrückführkühler 36 in dem Kühlkreislauf 84 angeordnet, sodass beispielsweise ein Wärmeübergang von dem rückgeführten, die Abgasrückführleitung 32 durchströmenden Abgas über den Abgasrückführkühler 36 an das Kühlmittel erfolgen kann. Hierdurch wird das die Abgasrückführleitung 32 durchströmende Abgas gekühlt und das Kühlmittel wird erwärmt.
Der Ladeluftkühler 80 und/oder der Kühler 86 sind beispielsweise als Luft-Luft- Wärmetauscher beziehungsweise als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebildet und können die verdichtete Luft beziehungsweise das Kühlmittel dadurch kühlen, dass ein Wärmeübergang von der verdichteten Luft beziehungsweise von dem Kühlmittel über den Ladeluftkühler 30 beziehungsweise über den Kühler 86 an Luft erfolgt, die den Ladeluftkühler 80 beziehungsweise den Kühler 86 umströmt. Diese den Ladeluftkühler 80 beziehungsweise den Kühler 86 umströmende Luft resultiert beispielsweise aus Fahrtwind während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs. Um auch beispielsweise während eines Stillstands des Kraftfahrzeugs die verdichtete Luft beziehungsweise das Kühlmittel hinreichend kühlen zu können, ist beispielsweise ein insbesondere elektrisch oder hydraulisch betreibbarer Lüfter 88 mit einem Lüfterrad 90 vorgesehen. Mittels des Lüfterrads 90 kann Luft gefördert und dadurch ein Luftstrom bewirkt werden, welcher den Ladeluftkühler 80 und den Kühler 86 umströmt.
Ferner ist aus der Fig. besonders gut erkennbar, dass die als Gasmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise ottomotorisch, das heißt nach dem Ottoprinzip beziehungsweise nach Art eines Ottomotors, arbeitet. Hierzu wird das jeweilige Gemisch in dem jeweiligen Brennraum 14 fremdgezündet. Dabei ist je Brennraum 14 eine beispielsweise als Zündkerze 92 ausgebildete Fremdzündeinrichtung vorgesehen, mittels welcher wenigstens ein Zündfunke zum Zünden des Gemisches erzeugbar ist beziehungsweise erzeugt wird.

Claims

ANSPRÜCHE:
1 . Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (14), welcher mit Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) versorgbar ist, wobei die
Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest einen als Magerbetrieb
ausgebildeten Betriebszustand aufweist,
gekennzeichnet durch
eine Einblaseinrichtung (1 6), mittels welcher der Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) direkt in den Brennraum (14) einblasbar ist, wobei das direkte Einblasen des Wasserstoffs in den Brennraum (14) mit einem Druck erfolgt, welcher in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 100 bar liegt.
2. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druck, mit welchem das direkte Einblasen des Wasserstoffes in den Brennraum (14) erfolgt, in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 20 bar, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 30 bar bis einschließlich 50 bar liegt.
3. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch wenigstens eine Abgasrückführeinrichtung (28), mittels welcher Abgas aus dem Brennraum (14) rückführbar und in den Brennraum (14) einbringbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abgasrückführeinrichtung (28) zum Durchführen einer externen
Abgasrückführung ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
wenigstens einen von Abgas aus dem Brennraum (14) durchströmbaren SCR- Katalysator (38), mittels welchem unter Nutzung von Wasserstoff als
Reduktionsmittel zumindest ein Teil von in dem Abgas enthaltenen
Stickoxiden aus dem Abgas zu entfernen ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
wenigstens einen Verdichter (44), mittels welchem dem Brennraum (14) zuzuführende Luft zu verdichten ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch
wenigstens einen Abgasturbolader (48), welcher eine von Abgas aus dem Brennraum (14) antreibbare Turbine (50) und den Verdichter (44) aufweist, welcher von der Turbine (50) antreibbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer wenigstens einen Brennraum (14)
aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere für ein
Kraftfahrzeug, bei welchem:
- die Verbrennungskraftmaschine (10) mittels Wasserstoff betrieben wird, welcher in den Brennraum (14) eingebracht wird; und
- die Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Magerbetrieb betrieben wird; dadurch gekennzeichnet, dass
mittels einer Einblaseinrichtung (1 6) der Verbrennungskraftmaschine (10) der Wasserstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) direkt in den Brennraum (14) mit einem Druck eingeblasen wird, welcher in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 100 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druck, mit welchem der Wasserstoff direkt in den Brennraum (14) eingeblasen wird, in einem Bereich von einschließlich 10 bar bis einschließlich 20 bar, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 30 bar bis einschließlich 50 bar, liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels wenigstens einer Abgasrückführeinrichtung (28) Abgas aus dem Brennraum (14) rückgeführt und in den Brennraum (14) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magerbetrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, welches in einem Bereich von einschließlich 1 ,6 bis einschließlich 2,8 liegt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115126581A (zh) * 2022-06-27 2022-09-30 中国第一汽车股份有限公司 一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019100384A1 (de) * 2019-01-09 2020-07-09 Volkswagen Aktiengesellschaft Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors
DE102019213133A1 (de) * 2019-08-30 2021-03-04 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit Abgasrückführung, Motorsystem, Kraftfahrzeug und Computerprogrammprodukt
DE102019213132A1 (de) * 2019-08-30 2021-03-04 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors mit interner Abgasrückführung, Motorsystem, Kraftfahrzeug und Computerprogrammprodukt
DE102019213129A1 (de) * 2019-08-30 2021-03-04 Ford Global Technologies, Llc Verfahren zum Betreiben eines Wasserstoffverbrennungsmotors, Motorsystem, Kraftfahrzeug und Computerprogrammprodukt
AT524012B1 (de) * 2020-07-03 2022-10-15 Avl List Gmbh Gasbetriebene Brennkraftmaschine und Abgasreinigung hierfür
DE102020209152A1 (de) 2020-07-21 2022-01-27 Vitesco Technologies GmbH Verfahren zum Steuern eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors und Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor
WO2022246441A1 (en) * 2021-05-20 2022-11-24 Nabors Energy Transition Solutions Llc Systems and methods for a hydrogen zero emissions vehicle
US11898448B2 (en) * 2021-07-22 2024-02-13 Achates Power, Inc. Hydrogen-powered opposed-piston engine
DE102023115185A1 (de) 2023-06-12 2023-08-31 Daimler Truck AG Einblasesystem für einen Gasmotor

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823852B2 (en) 2002-02-19 2004-11-30 Collier Technologies, Llc Low-emission internal combustion engine
DE10321793A1 (de) 2003-05-14 2004-12-09 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
DE10321794A1 (de) 2003-05-14 2004-12-09 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
WO2007085897A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisya Gas-fueled internal combustion engine and control method for gas-fueled internal combustion engine
US7281531B1 (en) * 2006-10-18 2007-10-16 Brehon Energy Plc System and method of stoichiometric combustion for hydrogen fueled internal combustion engines
WO2008041241A2 (en) * 2006-07-06 2008-04-10 Mukund Kulkarni The process of using atomic hydrogen as a fuel in internal combustion engines and other combustion engines
EP2532856A1 (de) * 2010-02-03 2012-12-12 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Arbeitsgas-zirkulationsmotor

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4711233B2 (ja) * 2006-05-10 2011-06-29 スズキ株式会社 水素エンジンの排気ガス浄化システム
US7377267B2 (en) * 2006-10-30 2008-05-27 Ford Global Technologies, Llc Injection strategy to maximize efficiency in gaseous engine

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823852B2 (en) 2002-02-19 2004-11-30 Collier Technologies, Llc Low-emission internal combustion engine
DE10321793A1 (de) 2003-05-14 2004-12-09 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
DE10321794A1 (de) 2003-05-14 2004-12-09 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
WO2007085897A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisya Gas-fueled internal combustion engine and control method for gas-fueled internal combustion engine
WO2008041241A2 (en) * 2006-07-06 2008-04-10 Mukund Kulkarni The process of using atomic hydrogen as a fuel in internal combustion engines and other combustion engines
US7281531B1 (en) * 2006-10-18 2007-10-16 Brehon Energy Plc System and method of stoichiometric combustion for hydrogen fueled internal combustion engines
EP2532856A1 (de) * 2010-02-03 2012-12-12 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Arbeitsgas-zirkulationsmotor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115126581A (zh) * 2022-06-27 2022-09-30 中国第一汽车股份有限公司 一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法
CN115126581B (zh) * 2022-06-27 2023-10-27 中国第一汽车股份有限公司 一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法

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