AT524011B1

AT524011B1 - Kraftfahrzeug mit einem mit kohlenstofffreiem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor mit daran angeschlossenem Abgassystem

Info

Publication number: AT524011B1
Application number: ATA50564/2020A
Authority: AT
Inventors: Raser Dipl Ing Bernhard; Macherhammer Dipl Ing Josef; Hadl Dr Klaus
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-04-15
Also published as: DE112021001728A5; AT524011A1; WO2022000012A1; CN115667683A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem mit kohlenstofffreiem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor mit daran angeschlossenem Abgassystem (1), welches einen insbesondere ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2), einen dem ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2) strömungstechnisch vorgeschalteten zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (8) sowie einen Wärmetauscher (3) aufweist, wobei vom Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas vor einer Zufuhr zum Stickoxidreduktionskatalysator (2) mit einem einstellbaren Anteil durch den Wärmetauscher (3) geleitet werden kann. Erfindungsgemäß weist das Abgassystem (1) ferner einen Wärmetauscher (3) auf, wobei vom Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas vor einer Zufuhr zum Stickoxidreduktionskatalysator (2) mit einem einstellbaren Anteil durch den Wärmetauscher (3) geleitet werden kann. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des durch den Wärmetauscher (3) geleiteten Abgases in Verbindung mit einem Betrieb des Wärmetauschers (3) und/oder einer Energierückgewinnungseinrichtung (6) so gewählt wird, dass eine Temperatur des ersten Stickoxidreduktionskatalysators (2) zumindest überwiegend unterhalb einer vorgebbaren oberen Temperaturgrenze gehalten wird.

Description

Beschreibung

KRAFTFAHRZEUG MIT EINEM MIT KOHLENSTOFFFREIEM KRAFTSTOFF BETRIEBENEN VERBRENNUNGSMOTOR MIT DARAN ANGESCHLOSSENEM ABGASSYSTEM

[0001] Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem mit kohlenstofffreiem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.

[0002] Aus der DE 10 2007 021 827 A1 ist ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug bekannt. Der entsprechende Verbrennungsmotor wird mit Wasserstoff als kohlenstofffreiem Kraftstoff betrieben. Auslasseitig des Verbrennungsmotors wird dem Abgassystem aus einem Speichertank entnommener Wasserstoff zugeführt. Ein stromabwärts im Abgassystem angeordneter Katalysator entfernt im Abgas enthaltene Stickoxide durch katalysierte Reduktion mit dem zugeführten Wasserstoff.

[0003] Weitere gattungsgemäße Kraftfahrzeuge sind beispielsweise aus der DE 102013206594 A1, der US 2012144804 A1, der US 2011265451 A1, der EP 2789818 A1, der US 2009012698 A1 und der DE 102018219337 A1 bekannt.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einem mit kohlenstofffreiem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor anzugeben, welches eine demgegenüber verbesserte Energieausnutzung und Abgasreinigung ermöglicht.

[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

[0006] Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor auf, der mit einem kohlenstofffreien Kraftstoff betrieben wird. Ein an den Verbrennungsmotor angeschlossenes Abgassystem weist einen insbesondere ersten Stickoxidreduktionskatalysator und ferner einen Wärmetauscher auf, wobei vom Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas vor einer Zufuhr zum Stickoxidreduktionskatalysator mit einem einstellbaren Anteil durch den Wärmetauscher geleitet werden kann. Der Verbrennungsmotor ist bevorzugt als funkengezündeter Hubkolbenmotor ausgebildet.

[0007] Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmetauschers kann Abgas des Verbrennungsmotors vor Erreichen des Stickoxidreduktionskatalysators temperiert, insbesondere gekühlt werden. Während ein erster vorgebbarer Anteil des gesamten, vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abgases durch den Wärmetauscher geleitet wird, gelangt der verbleibende zweite Anteil unter Umgehung des Wärmetauschers zum Stickoxidreduktionskatalysator. Der vorgebbare und einstellbare erste Anteil des gesamten, vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abgases kann dabei Werte zwischen 0 % und 100 % annehmen. Der durch den Wärmetauscher geleitete Teilabgasstrom wird wieder mit dem den Wärmetauscher umgehenden Abgasstrom zusammengeführt und ein gemeinsamer, temperierter Gesamtabgasstrom dem Stickoxidreduktionskatalysator zugeführt. Auf diese Weise kann der Stickoxidreduktionskatalysator zumindest überwiegend in seinem Betriebstemperaturbereich gehalten werden. Bevorzugt wird dem durch den Wärmetauscher geleiteten Abgas Wärme entzogen und der dem Stickoxidreduktionskatalysator zugeführte Gesamtabgasstrom ist daher gekühlt. Somit kann eine Wirksamkeit des Stickoxidreduktionskatalysators auch bei hoher abgegebener Leistung des Verbrennungsmotors mit Ausstoß von Abgas mit entsprechend hohen, oberhalb des Betriebstemperaturbereichs des Stickoxidreduktionskatalysators liegenden Temperaturen erreicht werden. Dies ermöglicht in einem erweiterten Motorbetriebsbereich eine effektive Stickoxidreduktion. Weiterhin ist auch der Einsatz von Katalysatormaterialien mit einem relativ niedrigen Betriebstemperaturbereich ermöglicht. Ebenso kann durch den vorgeschalteten umgehbaren Wärmetauscher vermieden werden, dass der Stickoxidreduktionskatalysator eine Degradationstemperaturgrenze erreicht oder überschreitet. Somit ist auch eine Dauerhaltbarkeit des Stickoxidreduktionskatalysators verbessert.

[0008] In Ausgestaltung der Erfindung weist das Abgassystem eine Energierückgewinnungseinrichtung auf, die Nutzenergie aus der durch den Wärmetauscher geleitetem Abgas entzogenen Wärmeenergie erzeugen kann. Die Energierückgewinnungseinrichtung kann beispielsweise als thermoelektrischer Generator ausgebildet sein, der elektrische Nutzenergie erzeugt. Es kann auch eine Einrichtung vorgesehen sein, welche durch einen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise einen Rankine-Prozess, mechanische Nutzenergie erzeugt. Hierfür wird im Wärmetauscher dem Abgas Wärme entzogen und einem Betriebsmittel zugeführt. Das Betriebsmittel wird zur Energierückgewinnungseinrichtung geleitet, wo die aufgenommene Wärme teilweise in mechanische Nutzenergie überführt wird. In der Energierückgewinnungseinrichtung erzeugte elektrische oder mechanische Energie kann im Kraftfahrzeug beispielsweise in Hilfseinrichtungen genutzt werden. Dadurch verbessert sich insgesamt die Energieausnutzung des Kraftfahrzeugs.

[0009] Gemäß der Erfindung ist ein zweiter Stickoxidreduktionskatalysator vorgesehen, der dem ersten Stickoxidreduktionskatalysator strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass bei einem typischerweise vorhandenen Temperaturgefälle längs des Abgasweges zumindest einer der beiden Stickoxidreduktionskatalysatoren auf Betriebstemperatur ist. Insbesondere ist es infolge des Wärmetauschers zudem möglich, das Temperaturgefälle in diesem Sinne zu beeinflussen. Somit ist der Betriebsbereich des Verbrennungsmotors in welchem eine wirksame Stickoxidentfernung aus dem Abgas erfolgen kann stark erweitert. Dabei kann es vorteilhaft sein, für den ersten und den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator Katalysatormaterialien mit unterschiedlichen Betriebstemperaturbereichen vorzusehen. Beispielsweise kann der zweite Stickoxidreduktionskatalysator einen niedrigeren Betriebstemperaturbereich als der erste Stickoxidreduktionskatalysator aufweisen. Dadurch steht der zweite Stickoxidreduktionskatalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors rasch zur Stickoxidreduktion zur Verfügung. Erwärmt sich der zweite Stickoxidreduktionskatalysator bei einem Warmlauf auf eine Temperatur oberhalb seines Betriebstemperaturbereichs, so ist inzwischen der erste Stickoxidreduktionskatalysator auf Betriebstemperatur und kann Stickoxide aus dem Abgas entfernen. Ebenso kann es vorgesehen sein, die Volumina der beiden Stickoxidreduktionskatalysatoren unterschiedlich zu wählen. Beispielsweise kann der zweite Stickoxidreduktionskatalysator ein geringeres Volumen als der erste Stickoxidreduktionskatalysator aufweisen. Dadurch ist eine besonders rasche Aufwärmung des zweiten Stickoxidreduktionskatalysators auf Betriebstemperatur ermöglicht. Der zweite Stickoxidreduktionskatalysator kann beispielsweise weniger als 80 %, 60 % oder 40 % des Volumens des ersten Stickoxidreduktionskatalysators oder ein noch geringeres Volumen aufweisen. Weiterhin kann es vorgesehen sein, den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator motornah, beispielsweise in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs anzuordnen, während der erste Stickoxidreduktionskatalysator motorfern in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.

[0010] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher strömungstechnisch dem ersten Stickoxidreduktionskatalysator vorgeschaltet und dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator nachgeschaltet. Strömungstechnisch gesehen ist somit der Wärmetauscher zwischen dem weiter stromauf angeordneten zweiten und dem weiter stromab angeordneten ersten Stickoxidreduktionskatalysator angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass dann, wenn der zweite Stickoxidreduktionskatalysator bereits oberhalb seiner Betriebstemperatur ist, bei einer drohenden zu starken weiteren Erwärmung des ersten Stickoxidreduktionskatalysators dessen Wirksamkeit durch entsprechenden Betrieb des Wärmetauschers weiterhin aufrechterhalten werden kann.

[0011] Gemäß der Erfindung ist weiter das Reduktionsmittel zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden am ersten und/oder am zweiten Stickoxidreduktionskatalysator der zum Betrieb des Verbrennungsmotors eingesetzte Kraftstoff. Damit kann ein Vorratsbehälter für ein separates Reduktionsmittel entfallen oder zumindest verkleinert ausgeführt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Verbrennungsmotor ausgebildet ist, das Reduktionsmittel über einen Brennraum des Verbrennungsmotors dem Abgassystem zuzuführen. Hierfür ist für wenigstens einen Zylinder des Verbrennungsmotors vorzugsweise ein schnell arbeitendes Kraftstoffeinbringventil vorgesehen, über welches der Kraftstoff direkt in den entsprechenden Brennraum eingebracht werden kann. Dadurch wird eine separate

Zuführeinrichtung zur Zuführung des Reduktionsmittels zum Abgas eingespart. Zudem ist auf diese Weise eine besonders homogene Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas ermöglicht. Bevorzugt wird der als Reduktionsmittel eingesetzte Kraftstoff durch eine derart spät im Arbeitstakt durchgeführte Kraftstoff-Nacheinspritzung bzw. -Einblasung in den Brennraum oder die Brennräume eingebracht, dass er chemisch zumindest annähernd unverändert mit dem Ausschiebetakt ausgestoßen wird. Bevorzugt erfolgt diese in einem Kurbelwinkelbereich von 120 ° bis 180 ° nach dem oberen Totpunkt.

[0012] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kraftstoff zum Betrieb des Verbrennungsmotors Wasserstoff. Dadurch werden klimaschädliche Kohlendioxidemissionen vermieden. Ebenfalls vermieden werden Emissionen von Rußpartikeln, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Bei einer vorzugsweise zumindest überwiegend vorgesehenen mageren Betriebsweise des Verbrennungsmotors entstehen bei der Kraftstoffverbrennung als Schadstoff lediglich Stickoxide, die jedoch durch einen Stickoxidreduktionskatalysator aus dem Abgas entfernt werden können.

[0013] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Stickoxidreduktionskatalysator ein Mager-Denox-Katalysator ist, der eine Reduktion von Stickoxiden mit Wasserstoff als Reduktionsmittel katalysieren kann. Diese Ausführungsform ist insbesondere in Verbindung mit einem als Wasserstoffmotor ausgeführten Verbrennungsmotor vorteilhaft, da dann der zum Betrieb des Motors verwendete Kraftstoff auch als Reduktionsmittel für eine Reduktion von Stickoxiden am zweiten Stickoxidreduktionskatalysator eingesetzt werden kann. Hierfür kann der Wasserstoff entweder über einen Brennraum des Verbrennungsmotors oder über eine motorexterne Dosiervorrichtung dem Abgas zugeführt werden. Der Mager-Denox-Katalysator weist bevorzugt eine katalytische Beschichtung auf, welche Edelmetalle, insbesondere der Platingruppe, wie Platin und/oder Rhodium enthält. Generell ist eine katalytische Beschichtung vorgesehen, welche eine Stickoxidreduktion mit Wasserstoff als Reduktionsmittel auch bei Vorliegen eines Sauerstoffüberschusses im Abgas katalysieren kann. Insbesondere bei einem Platin und/oder Rhodium und/oder Palladium enthaltenden Mager-Denox-Katalysator ist der Betriebstemperaturbereich dabei relativ niedrig. Eine untere Temperaturgrenze des Betriebsbereichs kann bei etwa 80 °C liegen. Eine obere Temperaturgrenze des Betriebsbereichs kann bei etwa 250 °C liegen. Der Mager-Denox-Katalysator ist damit sehr rasch nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors betriebsbereit.

[0014] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eingangsseitig des ersten Stickoxidreduktionskatalysators eine Dosiervorrichtung zur Einbringung eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittels ins Abgas vorgesehen. Ammoniak kann in freier oder gebundener Form im Reduktionsmittel enthalten sein. Bevorzugt ist eine Dosiervorrichtung zur Einbringung einer wässrigen Harnstofflösung ins Abgas vorgesehen. Die Harnstofflösung wird dabei bevorzugt mittels einer Fördereinrichtung von einem separaten Vorratsbehälter zur Dosiervorrichtung gefördert. Die Dosiervorrichtung ist bevorzugt in Strömungsrichtung gesehen nach der Zusammenführungsstelle von durch den Wärmetauscher geleitetem und den Wärmetauscher umgehenden Abgas vorgesehen.

[0015] Bei Einsatz eines Ammoniak enthaltenden Reduktionsmittels kann der erste Stickoxidreduktionskatalysator als klassischer SCR-Katalysator, beispielsweise als Kupfer oder Eisen enthaltender zeolithischer Katalysator ausgeführt sein. Insbesondere ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der erste Stickoxidreduktionskatalysator Vanadium enthalt. Vanadium liegt dabei bevorzugt als Oxid, insbesondere als Vanadiumpentoxid vor. Weitere in Bezug auf eine Förderung der selektiven Stickoxidreduktionsfähigkeit wirksame Bestandteile wie Oxide von Wolfram, Molybdän und/oder Titan können natürlich ebenfalls vorgesehen sein. Der Betriebstemperaturbereich des vorgesehenen Stickoxidreduktionskatalysators liegt typischerweise aus anwendungstechnischer Sicht betrachtet in einem mittleren Bereich von etwa 180 °C - 200 °C bis etwa 420 °C - 480 °C. In Betracht kommende vanadiumhaltige Stickoxidreduktionskatalysatoren können jedoch eine vergleichsweise niedrige Temperaturgrenze in Bezug auf Stabilität bzw. Degradation aufweisen. Aus diesem Grund ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Temperatur des in den Stickoxidreduktionskatalysator eintretenden Abgases durch Kühlung mittels des Wärmetauschers zumindest überwiegend unterhalb von 350 °C, insbesondere unterhalb von 300 °C

gehalten wird.

[0016] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kraftstoff zum Betrieb des Verbrennungsmotors Ammoniak. Damit werden schädliche kohlenstoffhaltige Emissionen ebenfalls vermieden. Weiterhin kann in vorteilhafter Weise der Kraftstoff zum Betrieb des Verbrennungsmotors auch als Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden im Abgassystem eingesetzt werden. Dadurch kann ein separater Reduktionsmittelvorratsbehälter entfallen. Ammoniak als Stickoxidreduktionsmittel kann einem Stickoxidreduktionskatalysator des Abgassystems motorisch, speziell durch eine spät im Arbeitstakt vorgenommen Einbringung in einen Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Bevorzugt erfolgt diese in einem Kurbelwinkelbereich von 120 ° bis 180 ° nach dem oberen Totpunkt. Eine motorexterne Zufuhr zum Abgas kann jedoch zusätzlich oder alternativ durch eine separate Dosiervorrichtung erfolgen.

[0017] Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein wie vorstehend beschrieben ausgeführtes Kraftfahrzeug sieht vor, dass der Anteil des durch den Wärmetauscher geleiteten Abgases in Verbindung mit einem Betrieb des Wärmetauschers und/oder der Energierückgewinnungseinrichtung so gewählt wird, dass eine Temperatur des ersten Stickoxidreduktionskatalysators zumindest überwiegend unterhalb einer vorgebbaren oberen Temperaturgrenze gehalten wird. Die vorgebbare Temperaturgrenze kann in Abhängigkeit von einer oberen Betriebstemperaturgrenze oder einer Temperaturstabilitätsgrenze des Stickoxidreduktionskatalysators gewählt werden. Eine obere Temperaturgrenze von 350 °C bis 300 °C, insbesondere von 300 °C ist bevorzugt. Weist das Abgas, das eine Verzeigungsstelle zur Aufteilung des Abgasstroms in einen durch den Wärmetauscher strömenden Anteil und einen den Wärmetauscher umgehenden Anteil erreicht, eine die obere Temperaturgrenze überschreitende Temperatur auf, so wird mittels eines Verstellelements ein bestimmter Anteil des Abgases durch den Wärmetauscher geleitet. Eine Aufteilung des Abgasstroms in einen durch den Wärmetauscher geleiteten Anteil und in einen den Wärmetauscher umgehenden Anteil erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von der Abgastemperatur und der vorgesehenen oberen Temperaturgrenze. Dabei kann zusätzlich die Kühlwirkung des Wärmetauschers durch Beeinflussung der Menge des durch den Wärmetauscher strömenden und Wärme aufnehmenden Betriebsmittels entsprechend angepasst werden. Insbesondere kann die Kühlwirkung durch Erhöhung des Betriebsmittelstroms falls notwendig gesteigert werden. Dadurch kann auf zuverlässige Weise vermieden werden, dass in den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator eintretendes Abgas die obere Temperaturgrenze überschreitet. Somit kann eine hohe Wirksamkeit des Reduktionsmittelkatalysators erzielt und dessen Degradation vermieden werden.

[0018] In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird dem ersten und/oder dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator Reduktionsmittel zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden aus einem externen Vorratsbehälter zugeführt. Insbesondere für den ersten Stickoxidreduktionskatalysator kann eine Reduktionsmittelversorgung aus einem externen Vorratsbehälter vorgesehen sein. Wenn ein zweiter Stickoxidreduktionskatalysator vorhanden ist, so kann zusätzlich oder alternativ für diesen eine Reduktionsmittelversorgung aus einem externen Vorratsbehälter vorgesehen sein. Als Reduktionsmittel zur Stickoxidreduktion am ersten und/oder am zweiten Stickoxidreduktionskatalysator kommt insbesondere wässrige Harnstofflösung infrage. Als Reduktionsmittel kann aber auch Ammoniak, insbesondere gasförmiges Ammoniak, oder Wasserstoff vorgesehen sein.

[0019] In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird zumindest einem Brennraum des Verbrennungsmotors Kraftstoff zu einem derart späten Zeitpunkt eines Arbeitstakts zugeführt, dass der Kraftstoff zumindest annähernd chemisch unverändert aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßen und dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator als Reduktionsmittel zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden zugeführt wird. In diesem Fall wirkt der zum Betrieb des Verbrennungsmotors eingesetzte Kraftstoff auch als Reduktionsmittel zur Stickoxidreduktion zumindest am zweiten Stickoxidreduktionskatalysator. Eine Späteinbringung von gasförmigem Ammoniak oder Wasserstoff als Kraftstoff in einen Brennraum oder in mehrere Brennräume erfolgt vorzugsweise in einem Kurbelwinkelbereich von 120 ° bis 180 ° nach dem oberen Totpunkt. Damit ist gewährleistet, dass in den Brennraum eingebrachter Kraftstoff

nicht mehr oder nur zu einem unwesentlichen Teil an der Verbrennung teilnimmt und praktisch chemisch unverändert aus dem Brennraum in das Abgassystem ausgeschoben wird.

[0020] Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren 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. Oben genannte sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nichteinschränkender Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Dabei zeigen:

[0021] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten vorteilhaften Ausführungsform eines Abgassystems des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,

[0022] Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform eines Abgassystems des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,

[0023] Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten vorteilhaften Ausführungsform eines Abgassystems des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und

[0024] Fig. 4 eine schematische Darstellung einer ersten vorteilhaften Ausführungsform eines Abgassystems des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,

[0025] Fig. 1 zeigt lediglich schematisch und stark vereinfacht ein erstes Beispiel für eine vorteilhafte Ausführungsform eines an einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs angeschlossenen Abgassystems 1. Auf eine Darstellung des Kraftfahrzeugs wurde dabei verzichtet. Der ebenfalls nicht dargestellte Verbrennungsmotor ist als ein mit kohlenstofffreiem Kraftstoff betriebener Verbrennungsmotor ausgeführt. Bevorzugt ist eine Ausführung als Wasserstoffmotor. Eine Ausführung als Ammoniakmotor ist jedoch ebenfalls möglich. Jedenfalls ist ein zumindest überwiegend magerer Betrieb, d.h. ein Betrieb mit Luftüberschuss für den Verbrennungsmotor vorgesehen.

[0026] Vom Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas tritt über eine Abgasleitung 13 in das Abgassystem 1 ein. Entsprechend der mit einem offenen Pfeil gekennzeichneten Abgasströmungsrichtung strömt das Abgas zunächst durch einen hier als zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 bezeichneten katalytischen Konverter. Stromab des zweiten Stickoxidreduktionskatalysators 8 ist eine Umgehungsleitung 4 vorgesehen, die einen Abgasleitungsteilabschnitt 13‘ umgeht. Über Stellmittel 9, 9‘ kann ein erster Abgasteilstrom 5 durch die Umgehungsleitung 4 geleitet werden, während der verbleibende Anteil des gesamten Abgasstroms als zweiter Abgasteilstrom 10 durch den zur Umgehungsleitung 4 strömungstechnisch parallelen Abgasleitungsteilabschnitt 13° geführt wird. Am Stellmittel 9° mündet die Umgehungsleitung 4 wieder in die Abgasleitung 13 und die Abgasteilströme 5, 10 werden wieder zusammengeführt. Der durch die zusammengeführten Abgasteilströme 5, 10 wieder gebildete Gesamtabgasstrom wird sodann durch einen hier als ersten Stickoxidreduktionskatalysator 2 bezeichneten katalytischen Konverter geführt.

[0027] In der Umgehungsleitung 4 ist ein Wärmetauscher 3 angeordnet, welcher der Übertragung von Wärme vom ersten Abgasteilstrom 5 auf ein Arbeitsfluid dient. Das Arbeitsfluid wird in einem Arbeitsfluicdkreislauf 7 einerseits durch den Wärmetauscher 3 und andererseits durch eine Energierückgewinnungseinrichtung 6 geführt. Die Energierückgewinnungseinrichtung 6 kann mit dem Arbeitsfluid zugeführte Wärme in Nutzenergie umwandeln. Vorzugsweise arbeitet die Energierückgewinnungseinrichtung 6 als thermodynamischer Kreisprozess bzw. als Teil eines thermodynamischen Kreisprozesses und kann mechanische Nutzenergie aus der mittels des Arbeitsfluids dem ersten Abgasteilstrom 5 entzogenen Wärme erzeugen. Dadurch wird das Arbeitsfluid abgekühlt und wird wieder zurück zum Wärmetauscher 3 geführt, wo es erneut Wärme vom ersten Abgasteilstrom 5 aufnehmen kann. Vorzugsweise sind hier nicht näher dargestellte Fördermittel vorgesehen, welche den Arbeitsfluidkreislauf 7 in Gang halten und dessen Stärke einstellbar steuern können. Dadurch ist eine Steuerung des dem Abgasteilstrom 5 entnommenen Wärmestroms steuerbar. Weiterhin ist eine Steuerung der dem Abgas entzogenen Wärme durch

Betätigung der Stellmittel 9, 9‘ vorgesehen, über welche der Anteil des ersten Abgasteilstroms 5 am Gesamtabgasstrom bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Eines der beiden Stellmittel 9, 9‘ kann auch entfallen.

[0028] Stromauf des ersten Stickoxidreduktionskatalysators 2 und stromab der Vereinigungsstelle von erstem Abgasteilstrom 5 und zweitem Abgasteilstrom 10 ist eine erste Reduktionsmittelzugabevorrichtung 11 vorgesehen, die ein Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden dem Abgas bedarfsgerecht zuführen kann. Analog ist stromauf des zweiten Stickoxidreduktionskatalysators 8 eine zweite Reduktionsmittelzugabevorrichtung 12 vorgesehen, mit welcher ebenfalls ein Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden dem Abgas zugeführt werden kann. Das jeweilige Reduktionsmittel wird vorliegend einem nicht näher dargestellten Vorratsbehälter entnommen. Als Reduktionsmittel kommen Wasserstoff, Ammoniak oder wässrige Harnstofflösung in Betracht. Für den ersten Stickoxidreduktionskatalysator 2 und den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 kann das gleiche Reduktionsmittel vorgesehen sein. Es können jedoch auch unterschiedliche Reduktionsmittel zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann Harnstofflösung als Reduktionsmittel für den ersten Stickoxidreduktionskatalysator 2 und Wasserstoff oder Ammoniak für den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 oder umgekehrt vorgesehen sein. Die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel ist insbesondere dann vorgesehen, wenn der Verbrennungsmotor als Wasserstoffmotor ausgeführt ist. Die Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel ist insbesondere dann vorgesehen, wenn der Verbrennungsmotor als Ammoniakmotor ausgeführt ist. In beiden Fällen kann in vorteilhafter Weise der für den Verbrennungsmotor eingesetzte Kraftstoff als Reduktionsmittel eingesetzt werden.

[0029] Das für den ersten Stickoxidreduktionskatalysator 2 und für den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 eingesetzte Katalysatormaterial wird vorteilhafterweise abhängig von der Art des jeweils eingesetzten Reduktionsmittels gewählt. Besonders bevorzugt ist eine Niedertemperaturausführung für den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8, da dieser vorzugsweise motornah verbaut ist. Auf diese Weise ist er nach einem Kaltstart besonders rasch einsatzbereit. Ein bevorzugter Betriebstemperaturbereich liegt dabei zwischen etwa 100 °C und etwa 250 °C. Dies lässt sich bei Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel durch einen Mager-Denox-Katalysator erreichen, der beispielsweise ein Platin, Palladium und/oder Rhodium enthaltendes Katalysatormaterial aufweist. In einer vorteilhaften Ausführungsform mit Einsatz von Ammoniak oder wässriger Harnstofflösung als Reduktionsmittel für den ersten Stickoxidreduktionskatalysator 2 ist dieser bevorzugt als Vanadium enthaltender Katalysator ausgeführt.

[0030] Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 Reduktionsmittel über die zweite Reduktionsmittelzugabevorrichtung 12 mengenreguliert zugeführt, sofern der zweite Stickoxidreduktionskatalysator 8 betriebsbereit ist. Kann durch den zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 keine oder nur eine unvollständige Stickoxidreduktion erfolgen, So wird dem ersten Stickoxidreduktionskatalysator 2 Reduktionsmittel über die erste Reduktionsmittelzugabevorrichtung 11 zugeführt, sofern der erste Stickoxidreduktionskatalysator 2 betriebsbereit ist. Dabei ermöglicht es der vorgesehene Wärmetauscher 3 in Verbindung mit der Energierückgewinnungseinrichtung 6, dass der erste Stickoxidreduktionskatalysator 2 selbst dann in seinem Betriebstemperaturbereich gehalten werden kann, wenn das aus dem zweite Stickoxidreduktionskatalysator 8 ausströmende Abgas eine höhere Temperatur aufweist. In einem solchen Fall werden die Stellmittel 9, 9° derart betätigt, dass sich durch Aufteilung des Abgasstroms auf den ersten Abgasteilstrom 5 und auf den zweiten Abgasteilstrom 10 für das in den ersten Stickoxidreduktionskatalysator 2 einströmende Abgas eine Temperatur innerhalb des Betriebstemperaturbereichs, vorzugsweise jedoch unterhalb von 300 °C, ergibt. Dabei kann die dem ersten Abgasteilstrom 5 entzogene Wärmemenge durch Betrieb der Energierückgewinnungseinrichtung 6 bzw. durch Steuerung des Arbeitsfluidkreislaufs zusätzlich eingestellt werden.

[0031] In den Figuren 2 bis 4 sind Abgassysteme ähnlich dem von Fig. 1 dargestellt, wobei die entsprechenden Bauteile, soweit sie mit den Teilen von Fig. 1 übereinstimmen, jeweils durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Aufgrund der Ahnlichkeiten mit dem in Fig. 1 dargestellten Abgassystem wird nachfolgend lediglich auf diesbezügliche Unterschiede eingegangen.

[0032] In dem in Fig.2 dargestellten Abgassystem 1 ist im Unterschied zum Abgassystem 1 von Fig.1 der zweite Stickoxidreduktionskatalysator 8 strömungstechnisch hinter der Zusammenführung des ersten Abgasteilstroms 5 und des zweiten Abgasteilstroms 10 und stromauf des ersten Stickoxidreduktionskatalysators 2 angeordnet. Damit kann bereits das dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 zugeführte Abgas bei Bedarf gekühlt werden. Dementsprechend ist es vorteilhaft, als zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 eine Niedertemperaturausführung, beispielsweise einen Mager- Denox-Katalysator einzusetzen. Der Betrieb des in Fig. 2 dargestellten Abgassystems 1 erfolgt analog zur oben beschrieben Vorgehensweise, wobei vorliegend bereits die Temperatur des strömungstechnisch weiter stromauf angeordneten zweiten Stickoxidreduktionskatalysators 8 eingestellt bzw. begrenzt werden kann. Aufgrund eines typischerweise längs des Abgasströmungswegs auftretenden Temperaturgefälles ist daher die Überschreitung einer unerwünscht hohen Temperatur des ersten Stickoxidreduktionskatalysators 2 mit noch größerer Sicherheit vermeidbar.

[0033] Das in Fig. 3 dargestellte Abgassystem 1 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten lediglich durch Wegfall der externen Reduktionsmittelzufuhr zum zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8, d.h. durch Wegfall der zweiten Reduktionsmittelzugabevorrichtung 12. In diesem Fall erhält der zweite Stickoxidreduktionskatalysator Reduktionsmittel zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden durch den Verbrennungsmotor. Hierfür erfolgt beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit Wasserstoff oder Ammoniak als Kraftstoff neben einer regulären, drehmomenterzeugenden Kraftstoffeinspritzung bzw. -Einblasung eine späte Einspritzung bzw. Einblasung von Kraftstoff gegen Ende des Arbeitstaktes. Diese ist vorzugsweise nicht drehmomentwirksam und erfolgt bevorzugt in einem Kurbelwinkelbereich zwischen 120 ° und 180 ° nach dem oberen Totpunkt. Der spät in den Brennraum eingebrachte Kraftstoff wird mit dem Ausschiebetakt als Bestandteil des gesamten Abgases ausgeschoben und dann weiter zum Abgassystem 1 geleitet. Am zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8 bewirkt der als Reduktionsmittel fungierende, im Abgas enthaltende Kraftstoffanteil eine katalytische Reduktion der ebenfalls im Kraftstoff enthaltenen Stickoxide. Der weitere Betrieb des Abgassystems 1, insbesondere in Bezug auf eine Abgastemperatureinstellung mittels des Wärmetauschers 3 und der Energierückgewinnungseinrichtung 6, erfolgt analog zur in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Betriebsweise.

[0034] Analog unterscheidet sich das in Fig. 4 dargestellte Abgassystem 1 von dem in Fig. 2 dargestellten ebenfalls lediglich durch Wegfall der externen Reduktionsmittelzufuhr zum zweiten Stickoxidreduktionskatalysator 8. Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 4 erhält der zweite Stickoxidreduktionskatalysator 8 Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden durch den Verbrennungsmotor wie oben in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben. Ansonsten erfolgt der Betrieb des entsprechenden Abgassystems 1 analog zu dem von Fig. 2.

[0035] Es versteht sich, dass das Abgassystem 1 nach den Figuren 1 bis 4 nicht gesondert dargestellte Sensoren für Temperatur und Abgaskomponenten umfasst, die notwendig sind, um den Betriebszustand des Abgassystems 1 bzw. seiner Komponenten zu erfassen und entsprechende Steuersignale zur Steuerung des Betriebs des Abgassystems 1 zu erzeugen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Abgassystem

2 Erster Stickoxidreduktionskatalysator

3 Wärmetauscher

4 Umgehungsleitung

5 Erster Abgasteilstrom

6 Energierückgewinnungseinrichtung

7 Arbeitsfluickreislauf

8 Zweiter Stickoxidreduktionskatalysator

9 Stellmittel

9‘ Stellmittel

10 Zweiter Abgasteilstrom

11 Erste Reduktionsmittelzugabevorrichtung 12 Zweite Reduktionsmittelzugabevorrichtung 13 Abgasleitung

13° Abgasleitungsteilabschnitt

Claims

Patentansprüche

1. Kraftfahrzeug mit einem mit kohlenstofffreiem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor mit daran angeschlossenem Abgassystem (1), welches einen insbesondere ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2), einen dem ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2) strömungstechnisch vorgeschalteten zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (8) sowie einen Wärmetauscher (3) aufweist, wobei vom Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas vor einer Zufuhr zum Stickoxidreduktionskatalysator (2) mit einem einstellbaren Anteil durch den Wärmetauscher (3) geleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden am ersten und/oder am zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (2, 8) der zum Betrieb des Verbrennungsmotors eingesetzte Kraftstoff ist.

2, Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem (1) eine Energierückgewinnungseinrichtung (6) aufweist, die Nutzenergie aus der durch den Wärmetauscher (3) geleitetem Abgas entzogenen Wärmeenergie erzeugen kann.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) strömungstechnisch dem ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2) vorgeschaltet und dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (8) nachgeschaltet ist.

4. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ausgebildet ist, das Reduktionsmittel über einen Brennraum des Verbrennungsmotors dem Abgassystem (1) zuzuführen.

5. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zum Betrieb des Verbrennungsmotors Wasserstoff ist.

6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stickoxidreduktionskatalysator (8) ein Mager-Denox-Katalysator ist, der eine Reduktion von Stickoxiden mit Wasserstoff als Reduktionsmittel katalysieren kann.

7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig des ersten Stickoxidreduktionskatalysators (2) eine Dosiervorrichtung (11) zur Einbringung eines ammoniakhaltigen Reduktionsmittels ins Abgas vorgesehen ist.

8. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stickoxidreduktionskatalysator (2) Vanadium enthält.

9. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zum Betrieb des Verbrennungsmotors Ammoniak ist.

10. Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einem mit kohlenstofffreiem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor mit daran angeschlossenem Abgassystem (1), welches einen ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2) und einen dem ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2) strömungstechnisch vorgeschalteten zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (8) aufweist, wobei zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden dem ersten und/oder dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (2, 8) zum Betrieb des Verbrennungsmotors eingesetzter Kraftstoff zugeführt wird, vom Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas vor einer Zufuhr zum ersten Stickoxidreduktionskatalysator (2) mit einem einstellbaren Anteil durch den

Wärmetauscher (3) geleitet wird, mittels einer Energierückgewinnungseinrichtung (6) Nutzenergie aus der durch den Wärmetauscher (3) geleitetem Abgas entzogenen Wärmeenergie erzeugt wird, wobei der Anteil des durch den Wärmetauscher (3) geleiteten Abgases in Verbindung mit einem Betrieb des Wärmetauschers (3) und/oder der Energierückgewinnungseinrichtung (6) so gewählt wird, dass eine Temperatur des ersten Stickoxidreduktionskatalysators (2) zumindest überwiegend unterhalb einer vorgebbaren oberen Temperaturgrenze gehalten wird.

11. Betriebsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und/oder dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (2, 8) Reduktionsmittel zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden aus einem externen Vorratsbehälter zugeführt wird.

12. Betriebsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Brennraum des Verbrennungsmotors Kraftstoff zu einem derart späten Zeitpunkt eines Arbeitstakts zugeführt wird, dass der Kraftstoff zumindest annähernd chemisch unverändert aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßen und dem zweiten Stickoxidreduktionskatalysator (8) als Reduktionsmittel zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden zugeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen