DE102012017930A1 - Internal combustion engine e.g. diesel engine, has feeding equipment provided with combustible gas for feeding gas for operation of engine, and comprising feeding aperture that opens into exhaust gas recirculation line - Google Patents

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Abstract

The engine (1) has a combustion chamber (5) comprises a combustion air supply (7) and an exhaust gas discharge line (13), and a feeding equipment provided with combustible gas i.e. natural gas, for feeding a combustible gas for operation of the engine. The exhaust gas discharge line stands in a fluid connection with the combustion air supply. A feeding aperture i.e. nozzle, of the feeding equipment opens into an exhaust gas recirculation line (15). A catalyst (17) is arranged downstream to the feeding aperture of the feeding equipment in the exhaust gas recirculation line. An independent claim is also included for a method for operating an internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of claim 8.

Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zu deren Betreiben sind bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 021 477 A1 geht eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum hervor, der eine Brennluftzuführung und eine Abgasableitung aufweist. Dabei ist eine Zugabeeinrichtung für Brenngas vorgesehen, sodass die Verbrennungskraftmaschine mit Brenngas, insbesondere mit Erdgas, betreibbar ist. Dabei wird das Brenngas direkt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeblasen.Internal combustion engines and methods for their operation are known. From the German patent application DE 10 2007 021 477 A1 goes out an internal combustion engine with a combustion chamber, which has a combustion air supply and an exhaust gas discharge. In this case, an adding device for fuel gas is provided, so that the internal combustion engine with fuel gas, in particular natural gas, is operable. The fuel gas is injected directly into the combustion chamber of the internal combustion engine.

Brenngase für Verbrennungskraftmaschinen wir Erdgas, Biogas oder auch Sondergase umfassen im Allgemeinen einen hohen Methan-Anteil oder bestehen aus Methan. Methan, das chemisch durch die Summenformel CH4 beschrieben wird, weist einen hohen Wasserstoffgehalt und damit ein erhebliches CO2-Einsparungspotenzial auf. Die Verfügbarkeit von Methan ist zudem günstiger als die von erdölbasierten Kraftstoffen wie Benzin beziehungsweise Diesel. Nachteilig ist allerdings, dass bei bekannten Verbrennungskraftmaschinen ein erheblicher Methanschlupf besteht, wobei unverbranntes Methan aus dem Brennraum emittiert wird, welches sich nur schwer oder gar nicht durch gängige Abgasreinigungskonzepte umsetzen lässt. Dies liegt zum Teil daran, dass Methan für eine gute Konversion eine hohe Temperatur, typischerweise über 450°C benötigt. Das Treibhauspotenzial von Methan ist um ungefähr einen Faktor 25 höher als das von CO2, sodass die Vorteile aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts durch den erhöhten Methanschlupf deutlich geschmälert werden.Fuel gases for internal combustion engines we natural gas, biogas or special gases generally comprise a high proportion of methane or consist of methane. Methane, which is chemically described by the empirical formula CH 4 , has a high hydrogen content and thus a considerable CO 2 saving potential. The availability of methane is also more favorable than that of petroleum-based fuels such as gasoline or diesel. The disadvantage, however, is that in known internal combustion engines there is a significant methane slip, with unburned methane is emitted from the combustion chamber, which can be difficult or impossible to implement by conventional emission control concepts. This is partly because methane needs a high temperature, typically over 450 ° C, for good conversion. The global warming potential of methane is about 25 times higher than that of CO 2 , so that the benefits of increased methane slip significantly reduce its benefits.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei welchen ein Brenngasschlupf, mithin eine Emission von Brenngas aus der Verbrennungskraftmaschine, deutlich reduziert wird. Zugleich soll es möglich sein, Abgaswärme der Verbrennungskraftmaschine zu nutzen, um deren Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen.The invention is therefore based on the object to provide an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine, in which a fuel gas slip, thus an emission of fuel gas from the internal combustion engine, is significantly reduced. At the same time it should be possible to use exhaust heat of the internal combustion engine to increase their overall efficiency.

Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird.The object is achieved by providing an internal combustion engine having the features of claim 1.

Die Abgasableitung steht mit der Brennluftzuführung in Fluidverbindung, wodurch eine Abgasrückführstrecke ausgebildet ist. Dadurch, dass eine Zugabeöffnung der Zugabeeinrichtung für das Brenngas in die Abgasrückführstrecke mündet, wird dieses nicht wie bei bekannten, mit Brenngas betriebenen Verbrennungskraftmaschinen direkt in den Brennraum eingeblasen, sondern in den heißen Abgasrückführstrom zugegeben. Hier erfolgt eine zumindest partielle Umsetzung des Brenngases in ein Gas, welches in dem Brennraum zu einem deutlich höheren Anteil umgesetzt werden kann als das Brenngas selbst. Ein Brenngasschlupf der Verbrennungskraftmaschine wird somit drastisch reduziert. Insbesondere, wenn bei der Umsetzung eine endotherme Reaktion beteiligt ist, wird Abwärme des Abgasrückführstroms quasi zurückgewonnen und in chemische Energie überführt. Diese steht im Brennraum wiederum zur Verfügung, sodass sich insgesamt ein höherer Gesamtwirkungsgrad ergibt.The exhaust gas outlet is in fluid communication with the combustion air supply, whereby an exhaust gas recirculation path is formed. Characterized in that an addition opening of the feed device for the fuel gas discharges into the exhaust gas recirculation line, this is not blown directly into the combustion chamber as in known, powered by fuel gas internal combustion engines, but added to the hot exhaust gas recirculation stream. Here is an at least partial conversion of the fuel gas into a gas which can be implemented in the combustion chamber to a much higher proportion than the fuel gas itself. A fuel gas slip of the internal combustion engine is thus drastically reduced. In particular, if an endothermic reaction is involved in the reaction, waste heat from the exhaust gas recirculation flow is quasi recovered and converted into chemical energy. This is again available in the combustion chamber, resulting in a higher overall efficiency overall.

Die Zugabeeinrichtung ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Verbrennungskraftmaschine als Injektor ausgebildet, wobei die Zugabeöffnung als Düse des Injektors ausgebildet ist. Auf diese Weise wird das Brenngas, vorzugsweise Erdgas, Biogas, ein Sondergas oder auch reines Methan, besonders bevorzugt jedenfalls ein Gas mit hohem Methananteil, in den Abgasrückführstrom eingedüst.The feed device is designed as an injector in a preferred embodiment of the internal combustion engine, wherein the feed opening is formed as a nozzle of the injector. In this way, the fuel gas, preferably natural gas, biogas, a special gas or pure methane, particularly preferably at least a gas with a high methane content, injected into the exhaust gas recirculation stream.

Es wird eine Verbrennungskraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Katalysator in der Abgasrückführstrecke stromabwärts der Zugabeöffnung angeordnet ist. Das Brenngas wird dementsprechend in dem Katalysator umgesetzt.An internal combustion engine is preferred, which is characterized in that a catalyst is arranged in the exhaust gas recirculation path downstream of the feed opening. The fuel gas is accordingly reacted in the catalyst.

In diesem Zusammenhang wird eine Verbrennungskraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Katalysatormaterial für den Katalysator so gewählt ist, dass das Brenngas in dem Katalysator von dem Katalysatormaterial zu einem Gas umwandelbar ist, welches in dem Brennraum im Vergleich zu dem Brenngas nahezu emissionsfrei umsetzbar ist. Vorzugweise ist in dem Katalysator Methan zu Synthesegas umwandelbar. Dabei bedeutet der Begriff „Synthesegas” ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.In this context, an internal combustion engine is preferred, which is characterized in that a catalyst material for the catalyst is selected so that the fuel gas in the catalyst from the catalyst material to a gas is convertible, which in the combustion chamber compared to the fuel gas almost zero emissions implementable is. Preferably, in the catalyst, methane is convertible to synthesis gas. The term "synthesis gas" means a mixture of carbon monoxide and hydrogen.

Eine Umsetzung von Methan zu Synthesegas erfolgt in dem Katalysator vorzugsweise mittels partieller Oxidation, autothermer Reformierung oder Dampfreformierung, insbesondere abhängig von den in dem Katalysator herrschenden Prozessparametern wie Temperatur, Restsauerstoffgehalt, Strömungsgeschwindigkeit sowie weiteren Parametern, nach einer der folgenden Reaktionen: CH4 + 0.5O2 → CO + 2H2, ΔH < 0 (1) 2CH4 + 0.5O2 + H2O → 2CO + 5H2, ΔH ≈ 0 (2) CH4 + H2O → 3H2 + CO, ΔH > 0 (3) CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, ΔH < 0 (4) A conversion of methane to synthesis gas preferably takes place in the catalyst by means of partial oxidation, autothermal reforming or steam reforming, in particular depending on the process parameters prevailing in the catalyst, such as temperature, residual oxygen content, flow rate and other parameters, according to one of the following reactions: CH 4 + 0.5O 2 → CO + 2H 2 , ΔH <0 (1) 2CH 4 + 0.5O 2 + H 2 O → 2CO + 5H 2 , ΔH ≈ 0 (2) CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO, ΔH> 0 (3) CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O, ΔH <0 (4)

Dabei beschreibt die Reaktionsgleichung (1) eine partielle Oxidation, welche eine negative Reaktionsenthalpie aufweist, also exotherm ist. Die Reaktionsgleichung (2) beschreibt eine autotherme Reformierung, die durch eine verschwindende Raktionsenthalpie gekennzeichnet ist. Die Reaktionswärme ist demnach gleich Null, und die Reaktion ist weder exotherm noch endotherm. Die dritte Reaktionsgleichung (3) beschreibt eine Dampfreformierung, deren Reaktionsenthalpie positiv ist, sodass die Reaktion endotherm ist. Schließlich beschreibt die letzte Reaktionsgleichung (4) eine Methanoxidation mit negativer Reaktionsenthalpie, sodass diese Reaktion mithin exotherm ist.The reaction equation (1) describes a partial oxidation which has a negative reaction enthalpy, ie is exothermic. The reaction equation (2) describes an autothermal reforming, which is characterized by a vanishing Raktionsenthalpie. The heat of reaction is therefore zero, and the reaction is neither exothermic nor endothermic. The third reaction equation (3) describes a steam reforming whose reaction enthalpy is positive, so that the reaction is endothermic. Finally, the last reaction equation (4) describes a methane oxidation with negative reaction enthalpy, so that this reaction is therefore exothermic.

Es ist offensichtlich, dass im Rahmen der durch die Reaktionsgleichungen (1) bis (3) beschriebenen Reaktionen Synthesegas mit verschiedenem Wasserstoffanteil gebildet wird. Im Brennraum des Verbrennungsmotors ist Wasserstoff sehr effizient im Rahmen einer Knallgasreaktion zu Wasser umsetzbar, wobei eine große Energiemenge frei wird. Auch das von dem Synthesegas umfasste Kohlenmonoxid ist in dem Brennraum zu Kohlendioxid oxidierbar.It is apparent that synthesis gas having a different hydrogen content is formed in the reactions described by reaction equations (1) to (3). In the combustion chamber of the internal combustion engine, hydrogen can be converted into water very efficiently in the context of an oxyhydrogen gas reaction, whereby a large amount of energy is released. Also included in the synthesis gas carbon monoxide is oxidizable in the combustion chamber to carbon dioxide.

Es ist auch offensichtlich, dass im Rahmen der endothermen Dampfreformierung, also der durch die Reaktionsgleichung (3) beschriebenen Reaktion, Synthesegas mit dem höchsten Wasserstoffanteil gebildet wird, sodass die Dampfreformierung für eine effiziente Umsetzung mit hohem Wirkungsgradpotenzial zu bevorzugen ist. Besonders günstig ist dabei auch, dass sie endotherm verläuft, sodass Abwärme des Abgasrückführstroms in chemische Energie umgewandelt wird, die in dem Brennraum durch Verbrennung insbesondere des hohen Wasserstoffanteils wieder zur Verfügung steht. Damit ergibt sich insgesamt ein besonders hoher Wirkungsgrad, wenn die Reaktionsbedingungen in dem Katalysator zugunsten der Dampfreformierung verschoben werden.It is also obvious that in the context of the endothermic steam reforming, ie the reaction described by reaction equation (3), synthesis gas having the highest hydrogen content is formed, so that steam reforming is to be preferred for efficient conversion with high efficiency potential. It is also particularly favorable that it is endothermic, so that waste heat of the exhaust gas recirculation flow is converted into chemical energy, which is available again in the combustion chamber by combustion, in particular of the high hydrogen content. This results in a particularly high overall efficiency when the reaction conditions are shifted in the catalyst in favor of steam reforming.

Es zeigt sich auch, dass die Methanoxidation, die mit der Reaktionsgleichung (4) beschrieben wird, eine ungünstige, eher zu vermeidende Reaktion darstellt, weil hier lediglich in Hinblick auf eine Verbrennung in dem Brennraum inerte Gase wie Kohlendioxid und Wasser gebildet werden.It also turns out that the methane oxidation, which is described with the reaction equation (4), represents an unfavorable, rather avoidable reaction, because here inert gases such as carbon dioxide and water are formed only with regard to combustion in the combustion chamber.

Ein Restsauerstoffgehalt in dem rückgeführten Abgasstrom wird insbesondere durch ein Luft-/Brennstoff-Gemisch in dem Brennraum bestimmt, welches im Folgenden als Lambda bezeichnet wird. Der Lambda-Wert gibt dabei ein Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft bezogen auf ein stöchiometrisch ausgewogenes Verhältnis für die Verbrennung an, bei welchem der Lambda-Wert gleich 1 ist. Lambda-Werte größer als 1 kennzeichnen ein mageres Gemisch, bei welchem ein höherer Luftanteil vorliegt als zur vollständigen Verbrennung erforderlich ist, während Lambda-Werte kleiner als 1 ein fettes Gemisch kennzeichnen, bei dem weniger Luft vorhanden ist als für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs nötig wäre.A residual oxygen content in the recirculated exhaust gas flow is determined in particular by an air / fuel mixture in the combustion chamber, which is referred to below as lambda. The lambda value indicates a ratio between fuel and air in relation to a stoichiometrically balanced ratio for the combustion, in which the lambda value is equal to 1. Lambda values greater than 1 indicate a lean mixture in which a higher proportion of air is present than is required for complete combustion, while lambda values less than 1 indicate a rich mixture in which less air is present than necessary for complete combustion of the fuel would.

Es zeigt sich, dass das in dem Katalysator erzeugte Synthesegas im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine nahezu emissionsfrei umgesetzt werden kann. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich eine reduzierte Partikelemission in der Verbrennung, die deutlich geringer ausfällt, als wenn Methan direkt im Brennraum umgesetzt würde. Die Rahmenbedingungen, insbesondere Prozessparameter in dem Katalysator stellen sich entsprechend des Lambda-Werts in dem Brennraum ein, weil dieser insbesondere den Restsauerstoffgehalt in dem rückgeführten Abgas bestimmt. Es ist dann möglich, die Menge an in die Abgasrückführstrecke eingedüstem Methan entsprechend dieses Restsauerstoffgehalts, der vorzugsweise durch Lambda-Messungen ermittelt wird, so einzustellen, dass ein gewünschter Reaktionsweg in dem Katalysator erreicht wird.It turns out that the synthesis gas generated in the catalyst can be implemented in the combustion chamber of the internal combustion engine almost emission-free. As an additional advantage results in a reduced particulate emission in the combustion, which is significantly lower than if methane would be implemented directly in the combustion chamber. The framework conditions, in particular process parameters in the catalytic converter, adjust themselves in accordance with the lambda value in the combustion chamber, because this particular determines the residual oxygen content in the recirculated exhaust gas. It is then possible to adjust the amount of methane injected into the exhaust gas recirculation path corresponding to this residual oxygen content, which is preferably determined by lambda measurements, so that a desired reaction path in the catalyst is achieved.

Um die Synthesegasausbeute zu maximieren, wird der Reaktionsweg möglichst vollständig auf die Dampfreformierungsreaktion gemäß der Reaktionsgleichung (3) eingestellt. Hierzu ist ein Lambda-Wert von 1 in dem Brennraum anzustreben, weil bei diesem eine vollständige Verbrennung erfolgt, mithin im Wesentlichen in dem Katalysator wirksames Wasser entsteht, welches dort mit Methan im Sinne der Dampfreformierung zu Synthesegas mit hohem Wasserstoffanteil umgesetzt wird.In order to maximize the syngas yield, the reaction path is as completely as possible adjusted to the steam reforming reaction according to the reaction equation (3). For this purpose, a lambda value of 1 in the combustion chamber is desirable, because in this complete combustion occurs, thus essentially in the catalyst effective water is formed, which is converted there with methane in the steam reforming to synthesis gas with high hydrogen content.

Es wird auch eine Verbrennungskraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Abgasrückführkühler in der Abgasrückführstrecke stromabwärts des Katalysators angeordnet ist. Das rückgeführte Abgas wird vorzugsweise insbesondere gekühlt, um eine höhere Aufladung des Verbrennungsmotors erreichen zu können, weil eine Dichte des rückgeführten Abgases mit sinkender Temperatur steigt.An internal combustion engine is also preferred, which is characterized in that an exhaust gas recirculation cooler is arranged in the exhaust gas recirculation path downstream of the catalytic converter. The recirculated exhaust gas is preferably cooled in particular in order to achieve a higher charge of the internal combustion engine can, because a density of recirculated exhaust gas increases with decreasing temperature.

Dabei zeigt sich Folgendes: Der Abgasrückführkühler kann mit kleinerer Kühlleistung und auch bezüglich seines Bauraums kleiner ausfallen, wenn Synthesegas in dem Katalysator im Wesentlichen durch Dampfreformierung nach der Reaktionsgleichung (3) erzeugt wird. Da diese Reaktion nämlich endotherm ist, wird Abgaswärmeenergie in chemische Energie umgewandelt, sodass die Temperatur des Abgasstroms sinkt. Somit ist eine geringere Kühlleistung erforderlich, um das rückgeführte Abgas auf eine gewünschte Temperatur zu bringen. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors deutlich erhöht.This shows the following: The exhaust gas recirculation cooler can be smaller with smaller cooling capacity and also with respect to its installation space, if synthesis gas is generated in the catalyst essentially by steam reforming according to the reaction equation (3). Namely, since this reaction is endothermic, exhaust heat energy is converted into chemical energy, so that the temperature of the exhaust gas flow decreases. Thus, a lower cooling capacity is required to bring the recirculated exhaust gas to a desired temperature. As a result, the overall efficiency of the internal combustion engine is significantly increased.

Es wird auch eine Verbrennungskraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Zuführeinrichtung für flüssigen Kraftstoff vorgesehen ist, wobei eine Zuführöffnung der Zuführeinrichtung in die Brennluftzuführung oder in den Brennraum mündet. Dabei ist es möglich, dass die Zuführeinrichtung als Injektor ausgebildet ist, wobei die Zuführöffnung als Düse des Injektors ausgebildet ist. Wird der flüssige Kraftstoff in die Brennluftzuführung eingedüst, wird dem Brennraum über die Brennluftzuführung ein Gemisch aus Luft und Brennstoff zugeführt. Wir der flüssige Kraftstoff dagegen direkt in den Brennraum eingedüst, wird ihm über die Brennluftzuführung lediglich Luft zugeführt. Der Begriff „Brennluft” bezeichnet demnach je nach Ausführungsbeispiel der Verbrennungskraftmaschine ein Gemisch aus Luft und Brennstoff, insbesondere aus Luft und flüssigem Kraftstoff, oder reine Luft. An internal combustion engine is also preferred, which is characterized in that a supply device for liquid fuel is provided, wherein a feed opening of the feed device opens into the combustion air supply or into the combustion chamber. It is possible that the feed device is designed as an injector, wherein the feed opening is formed as a nozzle of the injector. If the liquid fuel is injected into the combustion air supply, a mixture of air and fuel is supplied to the combustion chamber via the combustion air supply. In contrast, when the liquid fuel is injected directly into the combustion chamber, it is merely supplied with air via the combustion air supply. Depending on the exemplary embodiment of the internal combustion engine, the term "combustion air" accordingly denotes a mixture of air and fuel, in particular of air and liquid fuel, or pure air.

Es ist möglich, die zusätzlich eingedüste Menge flüssigen Kraftstoffs je nach Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine anzupassen, beziehungsweise in bestimmten Betriebszuständen auch völlig auf eine Eindüsung zusätzlichen flüssigen Kraftstoffs zu verzichten. Besonders bevorzugt wird die zusätzlich eingebrachte Menge an flüssigem Kraftstoff je nach Lastanforderung an den Energieinhalt des über die Abgasrückführstrecke zugeführten Synthesegasstroms angepasst. Dabei wird die Verbrennungskraftmaschine besonders bevorzugt in stationären Lastpunkten ausschließlich mit über die Abgasrückführstrecke zugeführtem Brennstoff, insbesondere Methan und/oder Synthesegas, betrieben, während vorzugsweise dynamische Laständerungen über die zusätzliche Zuführung flüssigen Kraftstoffs abgedeckt werden. Es zeigt sich nämlich, dass die Zuführung flüssigen Kraftstoffs rascher und leichter regelbar ist als die Zuführung von Brenngas über die Abgasrückführstrecke.It is possible to adjust the additionally injected amount of liquid fuel depending on the operating conditions of the internal combustion engine, or to completely dispense with injecting additional liquid fuel in certain operating conditions. Particularly preferably, the additionally introduced amount of liquid fuel is adapted to the energy content of the synthesis gas flow supplied via the exhaust gas recirculation path, depending on the load requirement. In this case, the internal combustion engine is particularly preferably operated in stationary load points exclusively with fuel supplied via the exhaust gas recirculation path, in particular methane and / or synthesis gas, while preferably dynamic load changes are covered by the additional supply of liquid fuel. It turns out that the supply of liquid fuel is faster and easier to control than the supply of fuel gas via the exhaust gas recirculation line.

Es wird auch eine Verbrennungskraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet und angeordnet ist, um den Katalysator zu beheizen. Dies dient insbesondere einem verbesserten Kaltstartverhalten, weil der Katalysator in der Abgasrückführstrecke erst ab einer vorherbestimmten Betriebstemperatur effizient arbeitet. Nach einem Start der Verbrennungskraftmaschine wird demnach angestrebt, den Katalysator möglichst rasch auf seine vorherbestimmte Betriebstemperatur beziehungsweise darüber hinaus zu heizen, wobei die elektrische Heizeinrichtung helfen kann, dies besonders schnell zu erreichen. Die elektrische Heizeinrichtung wird vorzugsweise abgeschaltet, wenn der Abgasrückführkatalysator seine vorherbestimmte Betriebstemperatur erreicht oder überschritten hat.An internal combustion engine is also preferred, which is characterized in that an electric heater is provided, which is designed and arranged to heat the catalyst. This is in particular an improved cold start behavior, because the catalyst in the exhaust gas recirculation path only works efficiently from a predetermined operating temperature. After a start of the internal combustion engine, the aim is therefore to heat the catalyst as quickly as possible to its predetermined operating temperature or beyond, wherein the electric heater can help to achieve this particularly quickly. The electric heater is preferably turned off when the exhaust gas recirculation catalyst has reached or exceeded its predetermined operating temperature.

Schließlich wir eine Verbrennungskraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der so angeordnet ist, dass ein in der Abgasableitung strömender Abgasstrom den Wärmetauscher durchströmt, wobei Wärme von dem Abgasstrom in dem Wärmetauscher an den Katalysator abgebbar ist. Der Katalysator wird also nicht nur durch den Abgasstrom in der Abgasrückführstrecke, der ihn unmittelbar durchströmt, sowie gegebenenfalls durch die elektrische Heizeinrichtung beheizt, sondern mittels des Wärmetauschers auch durch Abwärme des Abgasstroms, der in der Abgasableitung strömt. Dabei ist der Wärmetauscher vorzugsweise stromaufwärts einer Abgasturboladeturbine angeordnet, die in der Abgasableitung vorgesehen ist. Diese Anordnung wird bevorzugt, weil typischerweise ein deutlicher Temperaturgradient über der Abgasturboladerturbine auftritt, sodass eine Temperatur des Abgasstroms stromabwärts derselben deutlich geringer ist als stromaufwärts derselben. Dementsprechend wird bevorzugt möglichst heißes Abgas zur Erwärmung des Katalysators über den Wärmetauscher verwendet, bevor dieses die Abgasturboladeturbine passiert. Dabei wird der Wärmetauscher bevorzugt nicht nur verwendet, um möglichst rasch die Betriebstemperatur des Katalysators zu erreichen. Vielmehr steht die Wärme in dem Wärmetauscher auch zur Verfügung, um zusätzlich Energie für die endotherme Synthesegaserzeugung mittels Dampfreformierung gemäß der Reaktionsgleichung (3) bereitzustellen. Hierdurch kann der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine weiter gesteigert werden.Finally, we prefer an internal combustion engine, which is characterized in that a heat exchanger is provided which is arranged so that an exhaust gas stream flowing in the exhaust gas outlet flows through the heat exchanger, wherein heat can be emitted from the exhaust gas stream in the heat exchanger to the catalyst. The catalyst is therefore heated not only by the exhaust gas flow in the exhaust gas recirculation path, which flows through it directly, and optionally by the electric heater, but by the heat exchanger also by waste heat of the exhaust stream flowing in the exhaust gas discharge. In this case, the heat exchanger is preferably arranged upstream of an exhaust gas turbocharger turbine, which is provided in the exhaust gas outlet. This arrangement is preferred because typically a significant temperature gradient occurs across the exhaust turbocharger turbine such that a temperature of the exhaust stream downstream thereof is significantly less than upstream thereof. Accordingly, the hotest possible exhaust gas is preferably used for heating the catalyst via the heat exchanger before it passes through the exhaust gas turbocharger turbine. The heat exchanger is preferably not only used to reach the operating temperature of the catalyst as quickly as possible. Rather, the heat in the heat exchanger is also available to provide additional energy for the endothermic synthesis gas production by steam reforming according to the reaction equation (3). As a result, the overall efficiency of the internal combustion engine can be further increased.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, mit den Merkmalen des Anspruchs 8 geschaffen wird. Die Verbrennungskraftmaschine wird – zumindest in bestimmten Betriebszuständen – mit einem Brenngas und mit flüssigem Kraftstoff betrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Brenngas stromaufwärts eines in einer Abgasrückführstrecke vorgesehenen Katalysators in die Abgasrückführstrecke eindosiert wird, wobei das Brenngas in dem Katalysator zu einem Gas umgewandelt wird, welches in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu dem Brenngas nahezu emissionsfrei umsetzbar ist.The object is also achieved by providing a method for operating an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine according to one of the previously described embodiments, with the features of claim 8. The internal combustion engine is - at least in certain operating conditions - operated with a fuel gas and liquid fuel. The method is characterized in that fuel gas is metered upstream of a catalyst provided in an exhaust gas recirculation path in the exhaust gas recirculation path, wherein the fuel gas is converted in the catalyst to a gas which is almost zero emissions in a combustion chamber of the internal combustion engine compared to the fuel gas.

Bevorzugt wird als Brenngas Methan verwendet, wobei bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens auch Erdgas, Biogas oder ein Sondergas verwendet werden kann, bevorzugt also ein Gas, welches einen hohen Methananteil aufweist. Das Methan wird in dem Katalysator vorzugsweise zu Synthesegas umgewandelt.Methane is preferably used as the fuel gas, wherein in a preferred embodiment of the method, natural gas, biogas or a special gas can be used, so preferably a gas which has a high methane content. The methane is preferably converted to synthesis gas in the catalyst.

Damit reduziert sich im Rahmen des Verfahrens ein Methanschlupf der Verbrennungskraftmaschine deutlich, und ihr Gesamtwirkungsgrad kann gesteigert werden. Es verwirklicht insoweit die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine beschrieben wurden.Thus, as part of the process, a slippage of the internal combustion engine significantly reduced, and their overall efficiency can be increased. It realizes the advantages that have already been described in connection with the internal combustion engine.

Im Übrigen werden die in Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine beschriebenen Merkmale auch als entsprechende Schritte des Verfahrens bevorzugt, insbesondere die in Zusammenhang mit der Verbrennungskraftmaschine als Verfahrensschritte beschriebenen Merkmale. Insoweit wird auf die Ausführungen zu der Verbrennungskraftmaschine verwiesen.Incidentally, the features described in connection with the internal combustion engine are also preferred as corresponding steps of the method, in particular the features described in connection with the internal combustion engine as method steps. In that regard, reference is made to the comments on the internal combustion engine.

Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine in die Abgasrückführstrecke eindosierte Brenngasmenge abhängig von einem Lambda in dem Brennraum so geregelt wird, dass ein vorherbestimmter Reaktionsweg in dem Katalysator erreicht wird. Dabei bestimmt das Lambda im Brennraum insbesondere einen Restsauerstoffgehalt in der Abgasrückführstrecke. Die eindosierte Brenngasmenge wird hierauf geregelt, um einen bevorzugten Reaktionsmechanismus, mithin bevorzugte Anteile der durch die Reaktionsgleichungen (1) bis (4) beschriebenen Reaktionen an einem Gesamtreaktionsweg, einzustellen.A method is preferred which is characterized in that a fuel gas quantity metered into the exhaust gas recirculation path is regulated as a function of a lambda in the combustion chamber such that a predetermined reaction path is achieved in the catalytic converter. In this case, the lambda in the combustion chamber determines in particular a residual oxygen content in the exhaust gas recirculation path. The metered amount of fuel gas is then controlled in order to set a preferred reaction mechanism, hence preferred proportions of the reactions described by the reaction equations (1) to (4) on a total reaction path.

Dabei wird das Lambda in dem Brennraum vorzugsweise auf einen Lambda-Wert von 1 geregelt. Dies wird bevorzugt, weil so eine möglichst vollständige Verbrennung in dem Brennraum erreicht wird, bei welcher im Wesentlichen in dem Katalysator wirksames Wasser anfällt, sodass der Reaktionsweg vollständig oder zumindest im Wesentlichen die Dampfreformierungsreaktion gemäß der Reaktionsgleichung (3) umfasst. So kann eine möglichst hohe Synthesegasausbeute gewährleistet werden, wobei zugleich – insbesondere aufgrund der endothermen Eigenschaft der Reaktion – ein erhöhter Gesamtwirkungsgrad resultiert.In this case, the lambda in the combustion chamber is preferably regulated to a lambda value of 1. This is preferred because as complete as possible combustion is achieved in the combustion chamber, in which substantially effective in the catalyst water is obtained, so that the reaction path completely or at least substantially the steam reforming reaction according to the reaction equation (3). Thus, the highest possible synthesis gas yield can be ensured, wherein at the same time - in particular due to the endothermic property of the reaction - results in an increased overall efficiency.

Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass abhängig von einer Temperatur des Katalysators verschiedene Betriebsarten gewählt werden.Finally, a method is preferred which is characterized in that different operating modes are selected depending on a temperature of the catalyst.

Dabei erfolgt in einem ersten Temperaturbereich, der im Vergleich zu einer vorherbestimmten Betriebstemperatur des Katalysators kalt ist, besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich von weniger als 450°C, ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ausschließlich mit flüssigem Kraftstoff. Insbesondere ein Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine wird vorzugsweise ausschließlich mit flüssigem Kraftstoff durchgeführt, weil noch keine effiziente Umsetzung des Brenngases in dem Katalysator möglich ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Katalysator elektrisch beheizt wird, um seine Temperatur möglichst rasch zu erhöhen und auf die vorherbestimmte Betriebstemperatur oder darüber hinaus zu bringen.In this case, in a first temperature range, which is cold compared to a predetermined operating temperature of the catalyst, particularly preferably in a temperature range of less than 450 ° C, an operation of the internal combustion engine exclusively with liquid fuel. In particular, a cold start of the internal combustion engine is preferably carried out exclusively with liquid fuel, because no efficient implementation of the fuel gas in the catalyst is possible. It is preferably provided that the catalyst is electrically heated in order to increase its temperature as quickly as possible and bring it to the predetermined operating temperature or beyond.

In einem mittleren Temperaturbereich, der sich vorzugsweise von mindestens 450°C bis knapp unterhalb einer vorherbestimmten Betriebstemperatur von 600°C erstreckt, mithin eine höhere Temperatur aufweist als der niedrigere Temperaturbereich, jedoch eine niedrigere Temperatur als die vorherbestimmte Betriebstemperatur des Katalysators, wird Brenngas in die Abgasrückführstrecke eindosiert, während zugleich ein Luft-Brennstoffgemisch, also ein Lambda, in dem Brennraum so geregelt wird, dass der Katalysator durch freiwerdende Reaktionswärme weiter geheizt wird. Das Lambda wird also so geregelt, dass ein Restsauerstoffgehalt resultiert, über den ein Reaktionsweg in dem Katalysator eingestellt werden kann, bei dem exotherme Reaktionen wie die durch die Reaktionsgleichungen (1) und (4) beschriebene partielle Oxidation und Methanoxidation bevorzugt werden. Hierdurch wird in dem Katalysator Wärme frei, sodass dieser möglichst rasch weiter aufgeheizt wird. Alternativ oder zusätzlich wird das Lambda so geregelt, dass mittels des Restsauerstoffgehalts in dem rückgeführten Abgas ein Reaktionsweg in dem Katalysator einstellbar ist, bei welchem dieser nicht durch aufgenommene Reaktionswärme gekühlt wird. Es wird also in diesem Betriebszustand die Dampfreformierungsreaktion vorzugsweise unterdrückt, sodass keine Wärme durch eine endotherme Reaktion aufgenommen wird. Stattdessen ist es möglich, die autotherme Reformierung gemäß der Reaktionsgleichen (2) zu bevorzugen, welche sich durch eine verschwindende Reaktionsentalphie auszeichnet, wodurch jedenfalls gewährleistet ist, dass der Katalysator nicht aufgrund in chemische Energie umgewandelter Wärme gekühlt wird. In dem hier beschriebenen Betriebszustand wird eine Zuführung von flüssigem Kraftstoff zu dem Brennraum vorzugsweise abhängig von einer Lastanforderung um eine energetische Menge an in dem Katalysator erzeugtem Gas reduziert, sodass bei gegebener Lastanforderung die Leistung des Verbrennungsmotors aufgeteilt wird auf das im Katalysator erzeugte Gas einerseits und den zudosierten flüssigen Kraftstoff andererseits. Hierdurch sinkt in diesem Betriebszustand bereits der Verbrauch an flüssigem Kraftstoff.In a middle temperature range, which preferably extends from at least 450 ° C to just below a predetermined operating temperature of 600 ° C, thus has a higher temperature than the lower temperature range, but a lower temperature than the predetermined operating temperature of the catalyst, fuel gas is in the Exhaust gas recirculation line metered while at the same time an air-fuel mixture, ie a lambda, is controlled in the combustion chamber so that the catalyst is heated by liberated heat of reaction on. The lambda is thus controlled so that a residual oxygen content results, via which a reaction path can be set in the catalyst, in which exothermic reactions such as the partial oxidation and methane oxidation described by the reaction equations (1) and (4) are preferred. As a result, heat is released in the catalyst, so that it is heated as quickly as possible. Alternatively or additionally, the lambda is controlled so that by means of the residual oxygen content in the recirculated exhaust gas, a reaction path in the catalyst is adjustable, in which this is not cooled by absorbed reaction heat. Thus, in this operating state, the steam reforming reaction is preferably suppressed, so that no heat is absorbed by an endothermic reaction. Instead, it is possible to favor the autothermal reforming according to the reaction equations (2), which is characterized by a vanishing Reaktionsentalphie, thereby at least ensures that the catalyst is not cooled due to converted into chemical energy heat. In the operating state described here, a supply of liquid fuel to the combustion chamber is preferably reduced depending on a load requirement by an energetic amount of gas generated in the catalyst, so that for a given load request, the power of the internal combustion engine is divided between the gas generated in the catalyst on the one hand and On the other hand, metered liquid fuel. As a result, the consumption of liquid fuel already drops in this operating state.

Schließlich wird in einem Temperaturbereich, indem der Katalysator seine vorherbestimmte Betriebstemperatur, vorzugsweise eine Temperatur von 600°C, erreicht oder überschreitet, also in einem Temperaturbereich von mindestens 600°C und darüber, ein Lambda in dem Brennraum mit einem Lambda-Wert von 1 eingeregelt, sodass als Reaktionsweg in dem Katalysator der Abgasrückführstrecke die Dampfreformierung als in Hinblick auf die Ausbeute an Synthesegas, insbesondere dessen Wasserstoffgehalt, und in Hinblick auf einen Gesamtwirkungsgrad optimale Reaktion bevorzugt oder ausschließlich abläuft. Besonders bevorzugt wird in diesem Betriebszustand auf eine Zuführung von flüssigem Kraftstoff zu dem Brennraum verzichtet. Dies ist jedoch gegebenenfalls bei einem Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotors nur unter stationären Lastbedingungen möglich. Dynamische Laständerungen werden vorzugsweise über die Zudosierung flüssigen Kraftstoffs ausgeglichen.Finally, in a temperature range in which the catalytic converter reaches or exceeds its predetermined operating temperature, preferably a temperature of 600 ° C., ie in a temperature range of at least 600 ° C. and above, a lambda in the combustion chamber is regulated with a lambda value of 1 such that steam reforming is preferred as the reaction path in the catalyst of the exhaust gas recirculation path, as being optimal in view of the yield of synthesis gas, in particular its hydrogen content, and in view of overall efficiency, or runs exclusively. Particularly preferably, in this operating state, a supply of liquid fuel to the combustion chamber is dispensed with. However, this is possibly possible in an embodiment of the internal combustion engine only under steady-state load conditions. Dynamic load changes are preferably compensated by the metered addition of liquid fuel.

Im Übrigen ist ein vollständiger Verzicht auf eine Zudosierung flüssigen Kraftstoffs auch nur bei einer Verbrennungskraftmaschine möglich, die als Ottomotor ausgebildet ist. Eine nach dem dieselmotorischen Funktionsprinzip, also als Selbstzünder arbeitende Verbrennungskraftmaschine benötigt dagegen stets die Zudosierung einer Mindestmenge an flüssigem Kraftstoff, insbesondere Diesel, der als Zündstrahl eingespritzt werden muss. Insgesamt ist es allerdings möglich, insbesondere in dem Betriebmodus, der für den Katalysator bei oder über seiner vorherbestimmten Betriebstemperatur bevorzugt wird, eine Kohlendioxidemission und zugleich auch einen Methanschlupf der Verbrennungskraftmaschine zu minimieren.Incidentally, a complete abandonment of a metered liquid fuel is possible only in an internal combustion engine, which is designed as a gasoline engine. On the other hand, an internal combustion engine operating according to the diesel engine operating principle, ie as an internal combustion engine, always requires the metered addition of a minimum quantity of liquid fuel, in particular diesel, which must be injected as a priming jet. Overall, however, it is possible, in particular in the operating mode, which is preferred for the catalyst at or above its predetermined operating temperature, to minimize carbon dioxide emission and at the same time also a methane slip of the internal combustion engine.

Die Temperatur, die als Führungsgröße für das Wechseln der hier beschriebenen Betriebsmodi herangezogen wird, wird vorzugsweise vor dem Abgasrückführ-Katalysator in der Abgasrückführstrecke gemessen, besonders bevorzugt – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – unmittelbar vor dem Katalysator.The temperature, which is used as a reference variable for changing the operating modes described here, is preferably measured before the exhaust gas recirculation catalyst in the exhaust gas recirculation path, particularly preferably - seen in the flow direction of the exhaust gas - immediately before the catalyst.

Prinzipiell ist es möglich, zumindest in den beiden Betriebsmodi, in denen der Katalysator nicht kalt ist, wenn also die als Führungsgröße herangezogene Temperatur mindestens 450°C beträgt, eine Mengenaufteilung zwischen zudosiertem, flüssigem Kraftstoff und Brenngas prinzipiell frei zu wählen. Damit kann insbesondere die zudosierte Menge flüssigen Kraftstoffs auf die motorische Verbrennung hin optimiert werden. Durch die Beimischung von Gas, insbesondere von Synthesegas werden die verbrennungsrelevanten Kraftstoffeigenschaften wie eine Oktanzahl beziehungsweise Cetanzahl verändert, insbesondere positiv beeinflusst.In principle, it is possible, at least in the two operating modes, in which the catalyst is not cold, so if the temperature used as a reference variable is at least 450 ° C, to choose a quantity distribution between dosed, liquid fuel and fuel gas in principle free. In particular, the metered quantity of liquid fuel can thus be optimized for engine combustion. The admixture of gas, in particular synthesis gas, the combustion-relevant fuel properties such as an octane number or cetane number are changed, in particular influenced positively.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Verbrennungskraftmaschine.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. The single figure shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine.

Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst hier vier Zylinder 3, die jeweils einen Brennraum 5 aufweisen. Es ist eine Brennluftzuführung 7 vorgesehen, über die hier Luft in die Brennräume 5 der Zylinder 3 eingebracht wird. Die Luft wird in einem Verdichter eines Abgasturboladers 9 verdichtet und in einem Ladeluftkühler 11 gekühlt, Bevor sie über die Brennluftzuführung 7 den Brennräumen 3 zugeführt wird.The internal combustion engine 1 here includes four cylinders 3 , each with a combustion chamber 5 exhibit. It is a combustion air supply 7 provided over here air into the combustion chambers 5 the cylinder 3 is introduced. The air is in a compressor of an exhaust gas turbocharger 9 compacted and in a charge air cooler 11 Cooled before going over the combustion air supply 7 the combustion chambers 3 is supplied.

Es ist weiterhin eine Abgasableitung 13 vorgesehen, wobei ein Abgasstrom durch eine den Verdichter antreibende Turbine des Abgasturboladers 9 geführt wird, um die Ladeluft zu verdichten, wobei er anschließend einem weiteren Abgasableitungssystem zugeführt wird, was durch einen Pfeil P symbolisiert ist.It is also an exhaust gas discharge 13 provided, wherein an exhaust gas flow through a turbine driving the compressor of the exhaust gas turbocharger 9 is guided to compress the charge air, where it is then fed to another exhaust gas discharge system, which is symbolized by an arrow P.

Die Abgasableitung 13 steht über eine Abgasrückführstrecke 15 mit der Brennluftzuführung 7 in Fluidverbindung, sodass in der Verbrennungskraftmaschine 1 eine Abgasrückführung realisiert ist.The exhaust gas discharge 13 is via an exhaust gas recirculation line 15 with the combustion air supply 7 in fluid communication, so in the internal combustion engine 1 an exhaust gas recirculation is realized.

Durch einen Pfeil P/1 ist dargestellt, dass in die Abgasrückführstrecke 15 Brenngas eindosiert wird. Dabei erfolgt die Eindosierung des Brenngases stromaufwärts eines in der Abgasrückführstrecke 15 angeordneten Katalysators 17.By an arrow P / 1 is shown that in the exhaust gas recirculation line 15 Fuel gas is metered. In this case, the metering of the fuel gas takes place upstream of a in the exhaust gas recirculation path 15 arranged catalyst 17 ,

Stromabwärts des Katalysators 17 ist in der Abgasrückführstrecke 15 ein Abgasrückführkühler 19 angeordnet, durch den das rückgeführte Abgas gekühlt wird, um seine Dichte zu erhöhen und damit eine Aufladung der Brennräume 5 zu verbessern.Downstream of the catalyst 17 is in the exhaust gas recirculation line 15 an exhaust gas recirculation cooler 19 arranged, through which the recirculated exhaust gas is cooled in order to increase its density and thus a charge of the combustion chambers 5 to improve.

Es ist eine Zuführeinrichtung 21 für flüssigen Kraftstoff vorgesehen, wobei einzelne Zuführvorrichtungen 23 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit hier nicht extra bezeichneten Zuführöffnungen in die Brennräume 5 münden, wobei sie vorzugsweise als Injektoren ausgebildet sind.It is a feeder 21 intended for liquid fuel, with individual feeders 23 in the illustrated embodiment with not separately designated supply openings in the combustion chambers 5 open, wherein they are preferably designed as injectors.

Als Brenngas wird in den heißen Abgasrückführstrom der Abgasrückführstrecke 15 an der durch den Pfeil P/1 gekennzeichneten Stelle vorzugsweise Methan eindosiert. Dieses wird vorzugsweise in dem Katalysator 17 zu Synthesegas umgesetzt. Dabei wird ein Lambda in den Brennräumen 5 vorzugsweise so eingestellt, dass ein Lambda-Wert von 1 resultiert, wobei eine Verbrennung möglichst vollständig abläuft, sodass in dem Katalysator 17 ein minimaler Restsauerstoffgehalt und ein vergleichsweise großer Gehalt an Wasser vorliegt. In diesem Fall läuft in dem Katalysator 17 bevorzugt eine Dampfreformierungsreaktion ab, mittels derer das Methan mit Wasser zu Synthesegas mit hohem Wasserstoffanteil umgesetzt wird.As fuel gas is in the hot exhaust gas recirculation flow of the exhaust gas recirculation line 15 Methane is preferably metered in at the point indicated by the arrow P / 1. This is preferably in the catalyst 17 converted to synthesis gas. This is a lambda in the combustion chambers 5 preferably set so that a lambda value of 1 results, with combustion as complete as possible, so that in the catalyst 17 there is a minimum residual oxygen content and a comparatively high water content. In this case, running in the catalyst 17 Preferably, a steam reforming reaction, by means of which the methane is reacted with water to synthesis gas with a high hydrogen content.

Dieses Synthesegas, welches Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit hohem Anteil umfasst, kann wiederum sehr effizient in den Brennräumen 5 verbrannt werden, wobei nur eine geringe Menge Kohlendioxid entsteht, und wobei im Wesentlichen Wasser gebildet wird. Dabei wird insbesondere bei der Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser eine große Energiemenge frei. Die Verbrennungskraftmaschine 1 weist demnach eine sehr geringe Kohlendioxidemission und zugleich einen minimalen Methanschlupf auf.This synthesis gas, which comprises carbon monoxide and high-content hydrogen, can again be very efficient in the combustion chambers 5 are burned, with only a small amount of carbon dioxide is formed, and wherein essentially water is formed. In this case, in particular in the reaction of hydrogen with oxygen to water a large amount of energy released. The internal combustion engine 1 therefore has a very Low carbon dioxide emission and at the same time a minimal methane slip on.

Die Dampfreformierungsreaktion ist endotherm, sodass die Wärme des rückgeführten Abgasstroms in dem Katalysator 17 teilweise in chemische Energie umgewandelt wird, die anschließend wiederum in den Brennräumen 5 für die Verbrennung zur Verfügung steht. Dabei wird zugleich das rückgeführte Abgas gekühlt, sodass der Abgasrückführkühler 19 mit einer geringeren Kühlleistung ausgelegt werden kann, als wenn die Eindosierung von Brenngas in die Abgasrückführstrecke 15 und der Katalysator 17 nicht vorgesehen wären. Damit erhöht sich ein Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 1, und es wird Bauraum eingespart, weil der Abgasrückführkühler 19 kleiner ausfallen kann.The steam reforming reaction is endothermic, so that the heat of the recirculated exhaust gas stream in the catalyst 17 partially converted into chemical energy, which in turn is then in the combustion chambers 5 is available for combustion. At the same time, the recirculated exhaust gas is cooled, so that the exhaust gas recirculation cooler 19 can be designed with a lower cooling capacity, as if the metering of fuel gas in the exhaust gas recirculation line 15 and the catalyst 17 would not be provided. This increases the overall efficiency of the internal combustion engine 1 , and space is saved, because the exhaust gas recirculation cooler 19 may be smaller.

In der Figur nicht dargstellt ist eine elektrische Heizeinrichtung, die bevorzugt vorgesehen ist, um den Katalysator 17 bei einem Kaltstart rasch auf seine Betriebstemperatur bringen zu können.In the figure not dargstellt is an electric heater, which is preferably provided to the catalyst 17 be able to quickly bring it to its operating temperature during a cold start.

Ebenfalls ist in der Figur ein Wärmetauscher nicht dargestellt, der bevorzugt so angeordnet ist, dass ein in der Abgasableitung 13 strömender Abgasstrom den Wärmetauscher stromaufwärts des Abgasturboladers 9 durchströmt, wobei er Wärme an den Katalysator 17 abgibt. Dies dient zum einen einer raschen Aufheizung des Katalysators 17, zum anderen der Bereitstellung einer zusätzlichen Wärmemenge zur effizienten Umsetzung von Methan in dem Katalysator 17 mittels der endothermen Dampfreformierungsreaktion. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 1 weiter erhöht, weil nicht nur die Wärme des den Katalysator 17 durchströmenden, rückgeführten Abgases für die endotherme Reaktion nutzbar gemacht wird, sondern zusätzlich auch Abwärme des in der Abgasableitung 13 zu dem Abgasturbolader 19 strömenden Abgases. Diese in dem Katalysator 17 in chemische Energie umgewandelte Wärme steht anschließend in den Brennräumen 5 wiederum zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Verfügung.Also, in the figure, a heat exchanger is not shown, which is preferably arranged so that a in the exhaust gas discharge 13 flowing exhaust gas flow the heat exchanger upstream of the exhaust gas turbocharger 9 flows through, giving heat to the catalyst 17 emits. This serves for a rapid heating of the catalyst 17 on the other hand the provision of an additional amount of heat for the efficient conversion of methane in the catalyst 17 by the endothermic steam reforming reaction. As a result, the overall efficiency of the internal combustion engine 1 further increased, because not only the heat of the catalyst 17 flowing through, recirculated exhaust gas is made available for the endothermic reaction, but also waste heat in the exhaust gas discharge 13 to the exhaust gas turbocharger 19 flowing exhaust gas. These in the catalyst 17 Heat converted into chemical energy is then stored in the combustion chambers 5 turn to the operation of the internal combustion engine 1 to disposal.

Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe der Verbrennungskraftmaschine 1 und des Verfahrens möglich ist, einen geringen Kohledioxidausstoß und zugleich einen minimalen Methanschlupf zu realisieren, wobei zusätzlich ein Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 1 insbesondere über eine geschickte Ausnutzung von Abwärme in einer endothermen Reaktion optimiert werden kann.Overall, it shows that it's using the internal combustion engine 1 and the method is possible to realize a low carbon dioxide emissions and at the same time a minimum methane slip, in addition to an overall efficiency of the internal combustion engine 1 in particular can be optimized by a clever use of waste heat in an endothermic reaction.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007021477 A1 [0002] DE 102007021477 A1 [0002]

Claims (10)

Verbrennungskraftmaschine (1) mit einem Brennraum (5), der eine Brennluftzuführung (7) und eine Abgasableitung (13) aufweist, wobei eine Zugabeeinrichtung für Brenngas zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (1) mit Brenngas vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasableitung (13) mit der Brennluftzuführung (7) in Fluidverbindung steht, wodurch eine Abgasrückführstrecke (15) ausgebildet ist, und dass eine Zugabeöffnung der Zugabeeinrichtung in die Abgasrückführstrecke (15) mündet.Internal combustion engine ( 1 ) with a combustion chamber ( 5 ), which is a combustion air supply ( 7 ) and an exhaust gas discharge ( 13 ), wherein an adding device for fuel gas for operating the internal combustion engine ( 1 ) is provided with fuel gas, characterized in that the exhaust gas discharge ( 13 ) with the combustion air supply ( 7 ) is in fluid communication, whereby an exhaust gas recirculation path ( 15 ) is formed, and that an addition opening of the feed device in the exhaust gas recirculation path ( 15 ) opens. Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator (17) in der Abgasrückführstrecke (15) stromabwärts der Zugabeöffnung angeordnet ist.Internal combustion engine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a catalyst ( 17 ) in the exhaust gas recirculation line ( 15 ) is arranged downstream of the addition opening. Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysatormaterial für den Katalysator (17) so gewählt ist, dass das Brenngas zu einem in dem Brennraum (5) im Vergleich zu dem Brenngas nahezu emissionsfrei umsetzbaren Gas umwandelbar ist, wobei vorzugsweise Methan zu Synthesegas umwandelbar ist.Internal combustion engine ( 1 ) according to claim 2, characterized in that a catalyst material for the catalyst ( 17 ) is selected so that the fuel gas to a in the combustion chamber ( 5 ) is convertible compared to the fuel gas almost emission-free convertible gas, preferably methane to synthesis gas is convertible. Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführkühler (19) in der Abgasrückführstrecke (15) stromabwärts des Katalysators (17) angeordnet ist.Internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 2 and 3, characterized in that an exhaust gas recirculation cooler ( 19 ) in the exhaust gas recirculation line ( 15 ) downstream of the catalyst ( 17 ) is arranged. Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuführeinrichtung (21) für flüssigen Kraftstoff, wobei eine Zuführöffnung der Zuführeinrichtung (21) in die Brennluftzuführung (7) oder in den Brennraum (5) mündet.Internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized by a feed device ( 21 ) for liquid fuel, wherein a feed opening of the feed device ( 21 ) in the combustion air supply ( 7 ) or in the combustion chamber ( 5 ) opens. Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine elektrische Heizeinrichtung, ausgebildet und angeordnet zum Beheizen des Katalysators (17).Internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 2 to 5, characterized by an electrical heating device, formed and arranged for heating the catalyst ( 17 ). Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher, der so angeordnet ist, dass ein in der Abgasableitung (13) strömender Abgasstrom den Wärmetauscher durchströmt, wobei Wärme von dem Abgasstrom in dem Wärmetauscher an den Katalysator (17) abgebbar ist, und wobei der Wärmetauscher vorzugsweise stromaufwärts einer Abgasturbolader-Turbine in der Abgasableitung (13) angeordnet ist.Internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 2 to 6, characterized by a heat exchanger which is arranged so that a in the exhaust gas discharge ( 13 ) flows through the heat exchanger, wherein heat from the exhaust gas flow in the heat exchanger to the catalyst ( 17 ), and wherein the heat exchanger preferably upstream of an exhaust gas turbocharger turbine in the exhaust gas discharge ( 13 ) is arranged. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Brenngas und mit flüssigem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass Brenngas, vorzugsweise Methan, stromaufwärts eines in einer Abgasrückführstrecke (15) vorgesehenen Katalysators (17) in die Abgasrückführstrecke (15) eindosiert wird, wobei das Brenngas in dem Katalysator (17) zu einem in einem Brennraum (5) der Verbrennungskraftmaschine (1) im Vergleich zu dem Brenngas nahezu emissionsfrei umsetzbaren Gas, vorzugsweise zu Synthesegas, umgewandelt wird.Method for operating an internal combustion engine ( 1 ), in particular an internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, with a fuel gas and with liquid fuel, characterized in that fuel gas, preferably methane, upstream of a in an exhaust gas recirculation path ( 15 ) provided catalyst ( 17 ) in the exhaust gas recirculation path ( 15 ), wherein the fuel gas in the catalyst ( 17 ) to one in a combustion chamber ( 5 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is compared to the fuel gas almost emission-free convertible gas, preferably to synthesis gas, is converted. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine eindosierte Brenngasmenge abhängig von einem Luft-/Brennstoff-Gemisch in dem Brennraum (5) so geregelt wird, dass ein vorherbestimmter Reaktionsweg in dem Katalysator (17) erreicht wird, wobei das Luft-/Brennstoff-Gemisch vorzugsweise auf einen Lambda-Wert von 1 geregelt wird.A method according to claim 8, characterized in that a metered amount of fuel gas depends on an air / fuel mixture in the combustion chamber ( 5 ) is controlled so that a predetermined pathway in the catalyst ( 17 ), wherein the air / fuel mixture is preferably controlled to a lambda value of 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Temperatur des Katalysators (17) verschiedene Betriebsarten gewählt werden, wobei vorzugsweise in einem im Vergleich zu einer vorherbestimmten Betriebstemperatur des Katalysators (17) vergleichsweise kalten Temperaturbereich ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (1) ausschließlich mit flüssigem Kraftstoff erfolgt, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der Katalysator (17) elektrisch beheizt wird; wobei in einem mittleren Temperaturbereich, der eine höhere Temperatur als der niedrige Temperaturbereich, jedoch eine niedrigere Temperatur als die vorherbestimmte Betriebstemperatur des Katalysators (17) aufweist, Brenngas in die Abgasrückführstrecke (15) eindosiert wird, während zugleich ein Luft-/Brennstoff-Gemisch in dem Brennraum (5) so geregelt wird, dass der Katalysator (17) durch frei werdende Reaktionswärme weiter geheizt und/oder nicht durch aufgenommene Reaktionswärme gekühlt wird, und wobei weiter eine Zuführung von flüssigem Kraftstoff zu dem Brennraum (5) abhängig von einer Lastanforderung um eine energetische Menge an in dem Katalysator (17) erzeugtem Gas reduziert wird; wobei vorzugsweise in einem Temperaturbereich, in dem der Katalysator (17) seine vorherbestimmte Betriebstemperatur erreicht oder überschreitet, ein Luft-/Brennstoff-Gemisch in dem Brennraum (5) mit einem Lambda-Wert von 1 eingeregelt wird, wobei besonders bevorzugt auf eine Zuführung von flüssigem Kraftstoff zu dem Brennraum (5) verzichtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that depending on a temperature of the catalyst ( 17 ), wherein preferably in one compared to a predetermined operating temperature of the catalyst ( 17 ) comparatively cold temperature range operation of the internal combustion engine ( 1 ) is carried out exclusively with liquid fuel, wherein it is preferably provided that the catalyst ( 17 ) is electrically heated; wherein in a middle temperature range, which is a higher temperature than the low temperature range, but a lower temperature than the predetermined operating temperature of the catalyst ( 17 ), fuel gas in the exhaust gas recirculation path ( 15 ) is metered while at the same time an air / fuel mixture in the combustion chamber ( 5 ) is controlled so that the catalyst ( 17 ) is further heated by released heat of reaction and / or is not cooled by absorbed heat of reaction, and further wherein a supply of liquid fuel to the combustion chamber ( 5 ) depending on a load request for an energetic amount of in the catalyst ( 17 ) is reduced; preferably in a temperature range in which the catalyst ( 17 ) reaches or exceeds its predetermined operating temperature, an air / fuel mixture in the combustion chamber ( 5 ) is adjusted with a lambda value of 1, with particular preference to a supply of liquid fuel to the combustion chamber ( 5 ) is omitted.
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