DE102021127949B4

DE102021127949B4 - Antriebsanordnung für ein Mobil, Mobil mit der Antriebsanordnung sowie Verfahren zur Abgasreinigung bei der Antriebsanordnung und/oder bei dem Mobil

Info

Publication number: DE102021127949B4
Application number: DE102021127949.6A
Authority: DE
Inventors: Georgios Bikas
Original assignee: Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Current assignee: Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: DE102021127949A1

Abstract

Antriebsanordnung (1) für ein Automobil (2)mit einem ersten thermischen Umwandlungsmotor (3) zur Erzeugung eines ersten Antriebsmoments für das Automobil (2), wobei der erste Umwandlungsmotor (3) einen Abgasauslass (6) zur Ableitung von Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor (3) aufweist,mit einem zweiten thermischen Umwandlungsmotor (7), wobei der zweite Umwandlungsmotor (7) einen Gaseinlass (9) aufweist,mit einem Generator (11), wobei der Generator (11) mit dem zweiten Umwandlungsmotor (7) antriebstechnisch zur Umwandlung der mechanischen Energie von dem zweiten Umwandlungsmotor (7) in elektrische Energie gekoppelt ist,wobei der zweite Umwandlungsmotor (7) exklusiv mit dem Generator (11) antriebstechnisch gekoppelt ist, so dass die gesamte mechanische Energie von dem zweiten Umwandlungsmotor (7) in den Generator (11) geleitet wird,wobei der Abgasauslass (6) mit dem Gaseinlass (9) strömungstechnisch verbunden ist, so dass der zweite Umwandlungsmotor (7) das Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor (3) thermisch umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Mobil mit Abgasreinigung. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Mobil mit der Antriebsanordnung sowie ein Verfahren zur Abgasreinigung bei der Antriebsanordnung und/oder bei dem Mobil.
Die Europäische Kommission kündigte in ihrem Konzept European Green Deal eine neue Gesetzesvorlage für strengere Standards der Schadstoffemissionen von PKW, Transportern, Bussen und LKW für 2021 an. Um die europäische Luftqualität nachhaltig zu verbessern, bietet die Euro-7-Verordnung eine einzigartige Gelegenheit, einen regulatorischen Rahmen unter Berücksichtigung folgender übergreifender Prinzipien, zu implementieren:

▪ weitere Konzentration auf Real-Driving Emissions (RDE) sicherstellen
▪ Kraftstoff- und Technologieneutralität erreichen
▪ Beruhend auf einer ganzheitlichen Analyse auf Lebenszyklusbasis Gesetze erlassen

Die angekündigte strengere Schadstoffnorm Euro 7 dürfte große Auswirkungen auf die Technologieauswahl zu einem vertretbaren Kosten-Nutzen-Verhältnis aufweisen Eine erwartete Komplexitätserhöhung der Abgasnachbehandlung wird kostenneutral nicht zu erreichen sein. Folglich wird eine realistische Umsetzung der CO2 Ziele mit großer Wahrscheinlichkeit über eine stärkere Nutzung von e-Fuels, Hybridantriebe (HEV) und langfristig durch die H2-Technologie in einem kohlenstoffneutralen Ansatz erfolgen. Aktuelle Studien und Verkaufszahlen, sowie Prognosen deuten auf eine Symbiose von thermochemischen Energieumwandlungsmaschinen mit elektrischen Antrieben hin und zeigen somit die Notwendigkeit, die Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren weiter zu senken.
Derzeitige Reglementierungen von Schadstoffemissionen berücksichtigen unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO, NO2 - beide zusammengefasst bezeichnet als NOx -), Partikel (Masse: PM und Anzahl: PN) und CO2.
Bei der Reduktion der Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren unterscheidet man unter:

1) Innermotorischen Maßnahmen, zur Absenkung der Rohemissionen
2) Außermotorischen Maßnahmen in Form eines dem Motor nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystems.
3) Eine Kombination aus 1) und 2).

Die Kombination aus 1) und 2) stellt auch den Stand der Technik sämtlicher mobilen Anwendungen zur Erfüllung der gängigen Emissionsnormen dar. In der Regel wird durch innermotorische Maßnahmen versucht, die Rohemissionen (engine-out) so weit zu reduzieren, dass das nachgeschaltete Abgasnachbehandlungssystem nicht unnötig komplex und teuer wird. Zu den innermotorischen Maßnahmen gehört auch die Abgasrezirkulation (AGR), die oft als notwendiges Übel gesehen wird. AGR sinkt den Sauerstoffgehalt und die Prozesstemperatur ab, wodurch eine Minderung von NOx verursacht wird. Die weitere Reduktion von NOx (bezeichnet als deNOx Technologie) erfolgt üblicherweise mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR). Das im SCR verwendete Reduktionsmittel ist eine wässrige Harnstofflösung mit dem kommerziellen Namen AdBlue. Abhängig von der NOx-Konzentration im Rohabgas (engine-out) und dem Motorzustand wird Adblue zur Reduktion zu Stickstoff, Kohlendioxid (CO2) und Wasser eingespritzt. Das dabei entstandene CO2 ist ein unerwünschtes Nebenprodukt der SCR Technologie und trägt somit zu einer Erhöhung des CO2 Ausstoßes des Verbrennungsmotors bei.
Die Druckschrift DE 24 04 492 A1 offenbart einen Ammoniakmotor.
Die Druckschrift DE 10 2013 202 803 A1 offenbart eine Anordnung von Brennkraftmaschinen, welche insbesondere als ein Verbundtriebwerk ausgebildet ist. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Brennkraftmaschine bezüglich eines Abtriebs parallel und/oder seriell betrieben werden. Zu diesem Zweck wäre vorzugsweise eine entsprechende Kupplung-und/oder Getriebeanordnung vorgesehen.
Die Druckschrift DE 10 2012 208 071 A1 offenbart ein Antriebssystem, welches insbesondere als ein Schiffsantriebssystem ausgebildet ist. Aus der Beschreibung ergibt sich, dass eine erste Brennkraftmaschine als Hauptmaschine für den Vortrieb des Schiffes und eine zweite Brennkraftmaschine als eine mit Dieselkraftstoff zu betreibende Antriebsmaschine eines Generatorsatzes des Schiffsantriebssystems ausgebildet ist. Die zweite Brennkraftmaschine weist eine Abzweigleitung auf, die den Abgasausgang der zweite Brennkraftmaschine mit dem Lufteingang der ersten Brennkraftmaschine verbindet, so dass von der zweiten Brennkraftmaschine ausgestoßen das Abgas dem Lufteingang der ersten Brennkraftmaschine zuführbar ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebsanordnung mit einem verbesserten Abgasverhalten vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Automobil mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch ein Verfahren zur Abgasreinigung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebsanordnung, welche für ein Mobil ausgebildet als Automobil geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Mobil ist insbesondere als ein bewegbares Objekt, insbesondere selbstbewegbares Objekt ausgebildet.
Insbesondere stellt die Antriebsanordnung ein Gesamtantriebsmoment für das Mobil bereit. Insbesondere dient die Antriebsanordnung dafür, das Mobil auf eine Geschwindigkeit größer als 10 km/h, vorzugsweise größer als 40 km/h zu beschleunigen und/oder zu fahren.
Die Antriebsanordnung weist einen ersten thermischen Umwandlungsmotor auf. Der erste Umwandlungsmotor ist zur Erzeugung eines ersten Antriebsmoments für das Mobil ausgebildet. Optional kann das erste Antriebsmoment dem Gesamtantriebsmoment des Mobils entsprechen. Der erste Umwandlungsmotor weist einen Abgasauslass zur Ableitung von Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor auf.
Die Antriebsanordnung weist einen zweiten thermischen Umwandlungsmotor auf, wobei der zweite Umwandlungsmotor einen Gaseinlass aufweist. Insbesondere dient der Gaseinlass zu Übernahme von Gas, insbesondere mit anteiliger Umgebungsluft, um die thermische Umsetzung, insbesondere eine Verbrennung bei der thermischen Umsetzung zu ermöglichen.
Der Brennstoff des ersten und/oder des zweiten Umwandlungsmotors wird insbesondere verbrannt. Der erste und/oder der zweite Umwandlungsmotor ist beispielsweise als ein Verbrennungsmotor ausgebildet. Der erste und/oder der zweite Umwandlungsmotor wandelt einen Brennstoff thermisch um, um chemische Energie in Wärmeenergie und nachfolgend in mechanische Energie umzusetzen.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Abgasauslass mit dem Gaseinlass strömungstechnisch verbunden ist, so dass der zweite Umwandlungsmotor das Abgas aus den ersten Umwandlungsmotor thermisch umwandelt, insbesondere mitumwandelt, im Speziellen verbrennt.
Bevorzugt wird der gesamte und/oder vollständige Abgasmassenstrom des ersten Umwandlungsmotors über den Abgasauslass und/oder über den Gaseinlass in den zweiten Umwandlungsmotor zur thermischen Umwandlung geleitet. Für den Fall, dass der erste Umwandlungsmotor über eine Abgasrückführung verfügt, wird bevorzugt der gesamte und/oder vollständige nicht-rückgeführte Anteil des Abgasmassenstroms des ersten Umwandlungsmotors über den Abgasauslass und/oder über den Gaseinlass in den zweiten Umwandlungsmotor zur thermischen Umwandlung geleitet. Die thermische Umwandlung in dem zweiten Umwandlungsmotor des Abgases entspricht insbesondere einer Abgasreinigung durch eine Nachverbrennung.
Die Antriebsanordnung kann auch mehrere derartige zweite Umwandlungsmotoren aufweisen.
Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass typische Abgasnachbehandlungssysteme mit steigender Anzahl von Komponenten, Aktoren, Sensoren etc. eine hohe Komplexität und damit erhöhte Fertigungskosten aufweisen. Ferner führen die aktiven und passiven Komponenten in den typischen Abgasnachbehandlungssystemen zu einer begrenzten Lebensdauer der Komponenten. Es ist auch nicht zu unterschätzen, dass durch die Nutzung von zusätzlichen Betriebsmitteln, wie zum Beispiel Harnsäure („AdBlue“), in den Abgasnachbehandlungssystemen der CO2-Anteil beim Ausstoß erhöht wird. Dagegen schlägt Erfindung vor, einen Teil oder das gesamte Abgasnachbehandlungssystem durch den zweiten thermischen Umwandlungsmotor zu ersetzen. Insbesondere können durch die thermische Umsetzung kritische Emissionen, insbesondere NOx abgebaut werden.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist der zweite Umwandlungsmotor eine Brennstoffzuführung zur Zuführung von Ammoniak oder einem Vorprodukt von Ammoniak auf. Insbesondere bildet das Ammoniak oder das Vorprodukt des Ammoniaks einen Haupt-Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor. Unter einem Vorprodukt von Ammoniak ist beispielsweise Harnsäure oder die bekannten AdBlue-Mischungen zu verstehen. Optional kann dem zweiten Umwandlungsmotor ergänzend Wasserstoff zugeführt werden, um die Verbrennung zu verbessern. Durch die Nutzung von Ammoniak oder einem entsprechenden Vorprodukt von Ammoniak können eine Vielzahl von Vorteile genutzt werden.
Ammoniak kann als Wasserstoffträger betrachtet und als Kraftstoff verwendet werden. Es gilt als langfristig interessant, insbesondere als Kraftstoff für den Seeverkehr. Ammoniak kann als sogenannter „Elektrokraftstoff“ (e-fuel) betrachtet werden, da er durch Elektrolyse von Wasser und anschließender katalytischer Umwandlung von Wasserstoff und Stickstoff (aus der Luft) zu Ammoniak hergestellt werden kann. Im Gegensatz zu den meisten anderen Elektrobrennstoffen kann Ammoniak ohne Verwendung einer Kohlenstoffquelle hergestellt werden. Es werden lediglich nur Strom, Wasser und Luft benötigt, was in vielerlei Hinsicht vorteilhaft ist. Der Strom könnte aus Wind- oder Wasserkraft oder aus anderen nachhaltigen Quellen erzeugt werden, sodass das erzeugte Ammoniak ein nachhaltiger Brennstoff ist. Insbesondere verbrennt Ammoniak bei der thermischen Umsetzung ohne Produktion von CO2.
Der Kraftstoff (NH3) des zweiten Umwandlungsmotors wirkt zugleich als Reduktionsmittel für die NOx in dem Abgas des ersten Umwandlungsmotors. Die NOx werden mittels selektiver nicht katalytischer Reduktion (SNCR) in der oder den Brennkammern des zweiten Umwandlungsmotors zu N2 reduziert. Dies erfolgt nach der Reaktion: NH2 + NO → N2 + H2O.
Erfindungsgemäß weist die Antriebsanordnung einen Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie auf. Der Generator ist mit dem zweiten Umwandlungsmotor antriebstechnisch gekoppelt. Damit übernimmt der zweite Umwandlungsmotor neben der Funktion der Abgasreinigung zudem die Funktion einer Energiebereitstellung. Dies kann insbesondere in Verbindung mit Ammoniak oder einem Vorprodukt von Ammoniak als Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor besonders effizient sein, da Ammoniak einen ähnlichen Brennwert wie Benzin aufweist. Somit kombiniert der zweite Umwandlungsmotor die Aufgaben eines Abgasnachbehandlungssystems und eines „bottoming cycle“ in Form einer Stromerzeugung. Ein „bottoming cycle“ ist in diesem Fall ein nachgeschalteter Prozess, ausgebildet als ein thermodynamischer Prozess oder Zyklus, in dem Strom aus Abwärme erzeugt wird. Somit wird die chemische Energie bei der Abgasreinigung in dem zweiten Umwandlungsmotor nicht an die Umwelt abgegeben, sondern über den Umweg der mechanischen Energie in elektrische Energie gewandelt und in dem Mobil weiterverwendet.
Die gewonnene elektrische Energie kann beispielsweise in eine Energiespeichereinrichtung, zum Beispiel in einem Akkumulator, gespeichert werden oder verbraucht werden.
Es ist erfindungsgemäß, dass der zweite Umwandlungsmotor exklusiv mit dem Generator antriebstechnisch gekoppelt ist. Es wird somit die gesamte mechanische Energie des zweiten Umwandlungsmotors an den Generator zur Umwandlung in elektrische Energie weitergegeben. Diese Ausgestaltung vereinfacht die Architektur der Antriebsanordnung, da der zweite Umwandlungsmotor nicht in einen mechanischen Antriebsstrang der Antriebsanordnung integriert werden muss.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist der zweite Umwandlungsmotor als ein Zweitaktmotor ausgebildet. Zweitaktmotoren zeichnen sich durch eine geringe Komplexität aus, insbesondere werden bei Zweitaktmotoren keine Ventile benötigt. Durch die Wahl des Zweitaktmotors als zweiter Umwandlungsmotor wird somit die Komplexität der Systemtechnik für die Abgasreinigung weiter reduziert.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Umwandlungsmotor als ein Kreiselmotor und/oder als ein Kreiskolbenmotor und/oder als ein Kreismotor ausgebildet. Beispielsweise kann dieser als ein Wankelmotor realisiert sein.
Besonders bevorzugt ist der zweite Umwandlungsmotor als eine Rotationsmaschine für Kompression und Dekompression ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Rotationsmaschine

- einen scheibenförmigen Rotor mit einer ersten Drehachse, die rechtwinklig zur Ebene des Rotors steht und in einer Orientierungsebene liegt,
- ein im Wesentlichen scheibenförmiges Schwingelement mit einer zweiten Drehachse, die in der Ebene des scheibenförmigen Schwingelements und in der Orientierungsebene liegt, wobei die zweite Drehachse einen Winkel mit der ersten Drehachse in der Orientierungsebene bildet;
- ein im Wesentlichen kugelförmiges Gehäuse, das den Rotor und das Schwingelement umgibt und in Kombination damit vier (De)Kompressionskammern bildet;
- einen Verbindungskörper, der den Rotor und das Schwingelement im Gehäuse relativ zueinander verschiebbar positioniert und die vier (De)Kompressionskammern abdichtet;

Insbesondere ist der Generator in der Rotationsmaschine integriert, wobei der Generator einen Statorabschnitt und einen Rotorabschnitt aufweist, wobei der Rotorabschnitt von dem Rotor angetrieben wird und der Stator an dem Gehäuse angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Rotationsmaschine als ein Zweitaktmotor ausgebildet. Insbesondere ist die Rotationsmaschine nach der WO 2012/ 002 816 A2 ausgebildet. In dieser Hinsicht wird Bezug genommen auf die Anmeldung WO 2012/ 002 816 A2 deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.
Optional weist die Antriebsanordnung eine elektrische Maschine zum Antrieb des Mobils auf. Die elektrische Maschine stellt ein zweites Antriebsmoment für das Mobil bereit, wobei das Gesamtantriebsmoment durch das erste Antriebsmoment und das zweite Antriebsmoment gebildet ist. Die elektrische Maschine wird unmittelbar durch den Generator mit elektrischer Energie und/oder mittelbar über die Energiespeichereinrichtung versorgt oder zumindest mitversorgt. In dieser Ausgestaltung wird die chemische Energie aus dem Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor genutzt um das Mobil anzutreiben, so dass die Abgasreinigung quasi energieneutral durchgeführt wird.
Bei einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung arbeitet der erste Umwandlungsmotor mit einem fossilen Brennstoff. Insbesondere ist der Brennstoff als Diesel, Benzin oder als ein Erdgas, insbesondere Methan ausgebildet. Bei diesen Brennstoffen ist die Reinigung der Abgase von Stickstoffoxiden/ besonders aufwändig. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass Methan Hauptbestandteil von Erdgas ist. Im mageren Betrieb (erhöhter Luftüberschuss) von Erdgasmotoren stellt der Methanschlupf (Kraftstoff, der nicht in der Verbrennung teilnimmt und mit den Abgasen aus dem Motor austritt) eine große Herausforderung dar. Dies ist wegen der hohen Aktivierungstemperatur zur Methanoxidation. Während andere unverbrannte Kohlenwasserstoffe in einem herkömmlichen Katalysator oxidiert werden, ist die katalytische Nachoxidation von Methan schwer. In dem zweiten Umwandlungsmotor wird dem Methan eine zweite Chance gegeben, in der Hochtemperatur Gasphasen Oxidation zu reagieren.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Umwandlungsmotor auf Basis eines erneuerbaren Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff oder eFuels, ausgebildet. Bei der Verbrennung der erneuerbaren Brennstoffe entsteht besonders viel NOx, welches mit Blick auf die geplanten gesetzlichen Regelungen in näherer Zukunft nicht beseitigt werden muss. Hier hilft die Erfindung jenseits der gesetzlichen Vorgaben einen erhöhten Umwelt- und damit Klimaschutz umzusetzen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist durch ein Automobil gebildet, welches eine Antriebsanordnung wie diese zuvor beschrieben wurde und/oder nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Insbesondere ist das Automobil als ein Fahrzeug realisiert, wobei das Gesamtantriebsmoment das Fahrzeug antreibt. Besonders bevorzugt ist das Mobil als ein Hybridfahrzeug ausgebildet, wobei dieses die zusätzliche elektrische Maschine zur Erzeugung des zweiten Antriebsmoments aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Abgasreinigung bei der Antriebsanordnung und/oder bei dem Mobil als Automobil wie diese bzw. dies zuvor beschrieben wurde gebildet, wobei in dem ersten Umwandlungsmotor Abgase erzeugt werden und wobei die Abgase in dem zweiten Umwandlungsmotor thermisch umgesetzt werden, um eine Abgasreinigung durchzuführen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figur. Diese zeigt:

1 eine schematische Blockdarstellung von einem Mobil mit einer Antriebsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Antriebsanordnung 1 für ein Mobil 2, wobei das Mobil 2 beispielsweise als ein Automobil ausgebildet ist. Die Antriebsanordnung 1 hat die Funktion ein Gesamtantriebsmoment für das Mobil 2 bereitzustellen, damit dieses auf eine Fahrgeschwindigkeit beschleunigen kann.
Die Antriebsanordnung 1 weist einen ersten thermischen Umwandlungsmotor 3 auf, wobei der erste thermische Umwandlungsmotor 3 als ein Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Der erste Umwandlungsmotor 3 hat die Funktion, ein erstes Antriebsmoment für das Mobil 2 zu erzeugen. Das erste Antriebsmoment bildet einen Teil des Gesamtantriebsmoments. In dem ersten Umwandlungsmotor 3 findet eine thermische Umsetzung von einem Brennstoff statt, wobei der Brennstoff ausgehend von einem Tank 4 dem ersten Umwandlungsmotor 3 zugeführt wird. Zudem wird Umgebungsluft optional über einen Verdichter 5 dem Umwandlungsmotor 3 zugeführt. Der Brennstoff kann z.B. nach dem Verdichter 5 mit der verdichteten Umgebungsluft gemischt werden (Saugrohreinspritzung). Alternativ kann der Brennstoff direkt in eine Brennkammer des Umwandlungsmotors 3 eingespritzt werden.
In dem Tank 4 kann als Brennstoff Benzin, Diesel, Methan, Wasserstoff und/oder künstliche Brennstoffe, wie z.B. eFuels angeordnet sein.
Der erste Umwandlungsmotor 3 weist einen Abgasauslass 6 auf, wobei über den Abgasauslass 6 Abgase aus der thermischen Umsetzung des Brennstoffs aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 abgeleitet werden.
Die Antriebsanordnung 1 weist einen zweiten thermischen Umwandlungsmotor 7 auf, wobei der zweite Umwandlungsmotor 7 ebenfalls als ein Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Der zweite Umwandlungsmotor 7 wird über einen zweiten Tank 8 mit Brennstoff versorgt, wobei der Brennstoff in dem zweiten Tank 8 als Ammoniak oder als ein Vorprodukt von Ammoniak ausgebildet ist. Optional kann ergänzend Wasserstoff zugeführt werden, das Ammoniak bzw. das Vorprodukt von Ammoniak bildet allerdings den Haupt-Brennstoff für den zweiten Umwandlungsmotor 7.
Der zweite Umwandlungsmotor 7 weist einen Gaseinlass 9 auf, wobei der Gaseinlass 9 gegebenenfalls über einen Expander 10 strömungstechnisch mit dem Gasauslass 6 verbunden ist, so dass die Abgase aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 zu dem zweiten Umwandlungsmotor 7 zur thermischen Umwandlung weitergeführt werden. Der Verdichter 5 und der Expander 10 bilden eine Aufladegruppe, insbesondere einen Turbocharger bzw. Turbolader, diese ist jedoch optional. Insbesondere werden Abgase mit dem Brennstoff aus dem zweiten Tank 8 vermischt und nachfolgend thermisch umgesetzt, insbesondere verbrannt.
Die Antriebsanordnung 1 weist einen Generator 11 auf, wobei der Generator 11 antriebstechnisch mit dem zweiten Umwandlungsmotor 7 verbunden ist. Bei einer konkreten Ausführungsform kann der Generator 11 in dem zweiten Umwandlungsmotor 7 integriert sein.
Durch den aus dem zweiten Tank 8 zugeführten Brennstoff und dem über den Gaseinlass 9 zugeführten Abgasen aus dem ersten Umwandlungsmotor 3 wird über die thermische Umsetzung zum einen erreicht, dass die Abgase gereinigt werden und zum andern wird erreicht, dass über die Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffs über thermische Energie und nachfolgend in elektrische Energie über den Generator 11 die Abgasreinigung durch die thermische Umwandlung der Abgase kein energetischer Verlustprozess ist, sondern die darin aufgewendete chemische Energie als elektrische Energie über den Generator 11 wieder abgeführt wird.
Die Antriebsanordnung 1 weist eine elektrische Maschine 12 auf, wobei die elektrische Maschine 12 ein zweites Antriebsmoment zur Verfügung stellt, wobei das zweite Antriebsmoment einen Teil des Gesamtantriebsmoments bildet. Das erste Antriebsmoment und das zweite Antriebsmoment können parallel oder alternativ das Gesamtantriebsmoment bilden. Der Generator 11 ist zum einen unmittelbar mit der elektrischen Maschine 12 verbunden, so dass der elektrische Strom unmittelbar durch die elektrische Maschine 12 verbraucht werden kann. Alternativ ist der Generator 11 über eine Energiespeichereinrichtung 13 mittelbar mit der elektrischen Maschine verbunden, so dass elektrische Energie zunächst zwischengespeichert wird und erst nachfolgend freigegeben wird. Es ist auch möglich, dass eine weitere elektrische Energiequelle oder ein weiterer elektrischer Energiespeicher vorgesehen ist.
Insbesondere sollen weitgehend die Nachteile einer Abgasnachbehandlung beseitigt werden. Diese sind: Komplexität, Kosten, Ressourcen (Edelmetalle), Lebensdauer der Komponenten, große Anzahl von in-Reihe geschalteten Katalysatoren, Sensoren und Aktoren, komplexe (auch in Motorsteuerung eingreifende) Regelung und zusätzliche Betriebsmittel (AdBlue) mit CO₂ Beitrag.
Die Antriebsanordnung 1 umfasst die Kombination zweiter Umwandlungsmotor 7 - Generator 11 insbesondere ausgebildet als ein kompakter Motor-Generator, der die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems und eines „bottoming cycle“ aufweist. Der Motor-Generator ist dem ersten Umwandlungsmotor 3 als Verbrennungsmotor, welcher den Hauptantrieb darstellt, nachgeschaltet. Der gesamte, den Verbrennungsmotor verlassenden, Abgasmassenstrom wird in den Motor-Generator eingeführt. Der Motor-Generator besteht z.B. aus einem kugelförmig-ähnlichen Gehäuse, wobei der Stator des Generators 11 in dem Äquator des Gehäuses angeordnet ist. Den Rotor des Generators 11 stellt der drehende Motor dar. Das bedeutet, dass die gesamte produzierte Arbeit in den Brennkammern des Motor-Generators direkt in Elektrizität umgewandelt wird. Der Motor des Motor-Generators arbeitet idealerweise nach dem 2-Takt Prinzip und saugt den gesamten Abgasmassenstrom des vorgeschalteten Hauptantriebes an. Der Hauptantrieb kann mit fossilen oder synthetischen Kraftstoffen betrieben werden. In den Motor des Motor-Generators hingegen wird Ammoniak (NH3), was auch mit Wasserstoff (H2) gedopt werden könnte, eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt entweder im Ansaugtrakt oder direkt in der Brennkammer. Eine Kombination aus Saugrohr- und Direkteinspritzung ist auch möglich. Die Abgase des Hauptantriebes beinhalten außer CO2, H2O, N2 und Restsauerstoff (02) im Bereich von 1% bis 15%, auch Schadstoffe wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx). HC und CO werden im Motor des Motor-Generators zu CO2 oxidiert. Der Kraftstoff (NH3) des Motors-Generators wirkt zugleich als Reduktionsmittel für die NOx. Die NOx werden mittels selektiver nicht katalytischer Reduktion (SNCR) in den Brennkammern des Motors zu N2 reduziert. Dies erfolgt nach der Reaktion: NH2 + NO → N2 + H2O. Somit kombiniert der Motor-Generator die Aufgaben eines Abgasnachbehandlungssystems und eines „bottoming cycle“ in Form eines seriellen Hybridsystems.
Der Hauptantrieb kann ohne innermotorische Maßnahmen zur NOx-Reduktion, insbesondere ohne AGR, ausgelegt und auf Wirkungsgradmaximierung optimiert werden. Dadurch erhöht sich seine Lebensdauer und es können die Anschaffungs- und Betriebskosten (cost of ownership) abgesenkt werden. Außerdem kann der Power-Split zwischen Hauptantrieb und „bottoming cycle“ in Abhängigkeit vom Betriebspunkt und der angeforderten Gesamtsystemleistung optimiert werden. Somit kann es mindestens um den Leistungsanteil des „bottoming cycle“ die CO2 Emissionen des Hauptantriebes reduziert werden. Wenn z.B. 20% der angeforderten Leistung durch den Motor-Generator mit einem kohlenstofffreien Kraftstoff wie NH3 bereitgestellt werden, verringern sich um den gleichen Prozentsatz die CO2-Emissionen des Hauptantriebes, welches einen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff verbrennt, weil dieser nur noch 80% der gesamten Leistung bereitstellen soll.
Wichtige Punkte sind somit:

▪ Ersetzung eines Teils oder des gesamten Abgasnachbehandlungssystems und dessen Komplexität z.B. für EU7 und/ oder für Heavy-Duty, Off-Road, Marine-& Stationär Anwendungen ähnliche Emissionsnormen.
▪ Realisierung eines „bottoming cycle“ in einem kompakten Motor-Generator, welcher einem, mit fossilen und/oder kohlenstoffneutralen Brennstoffen betriebenen, Verbrennungsmotor nachgeschaltet wird.
▪ Der gesamte Abgasmassenstrom des vorgeschalteten Motors fließt durch einen oder mehreren parallelgeschalteten Motor-Generatoren zwecks Abgasreinigung und gleichzeitiger Stromerzeugung in einer Hybridstrategie für die Speisung von Elektromotoren oder zur Batteriespeicherung.
▪ Jeder nachgeschaltete Motor-Generator übernimmt die Reduktion der Emissionen, insbesondere von NOx, unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO), Ruß, aber auch von, noch nicht reglementierten, Zwischenprodukte wie Formaldehyd, etc. Dies wird durch eine exotherme Reaktion erzielt, bei der dem Abgasmassenstrom ein kohlenstoffneutraler Kraftstoff und zugleich Reduktionsmittel wie Ammoniak (NH3) zugefügt wird. Der kohlenstoffneutrale Kraftstoff wird entweder vorm Eintritt in den Motor-Generator mit dem Abgasstrom des Hauptantriebs vorgemischt oder wird direkt in die Brennkammer eingespritzt.
▪ Der nachgeschaltete Motor-Generator wird - idealerweise kugelförmig - sehr kompakt ausgeführt, sodass seine Skalierung, analog dem Hubraum des vorgeschalteten Motors, ohne Einbuße in Platzverhältnissen gestaltet werden kann. Somit bewirkt eine Verdopplung des Durchmessers vom Motor-Generator eine achtfache Vergrößerung seines Hubraums.
▪ Ein elektrisch-angetriebener Verdichter kann vom Motor-Generator elektrisch gespeist werden, um den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors zu unterstützen.
▪ Methan (CH₄) slip aus lean-burn Gasmotoren kann in dem Motor-Generator oxidiert werden und benötigt keinen aufwendigen Methan-Katalysator, insbesondere kann hier der Methanschlupf ohne Katalysator oder mit weniger Katalysatoraufwand gereinigt werden.

Bezugszeichenliste

1: Antriebsanordnung
2: Mobil
3: erster Umwandlungsmotor
4: erster Tank
5: Verdichter
6: Abgasauslass
7: zweiter Umwandlungsmotor
8: zweiter Tank
9: Gaseinlass
10: Expander (optional)
11: Generator
12: elektrische Maschine

Claims

Antriebsanordnung (1) für ein Automobil (2) mit einem ersten thermischen Umwandlungsmotor (3) zur Erzeugung eines ersten Antriebsmoments für das Automobil (2), wobei der erste Umwandlungsmotor (3) einen Abgasauslass (6) zur Ableitung von Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor (3) aufweist, mit einem zweiten thermischen Umwandlungsmotor (7), wobei der zweite Umwandlungsmotor (7) einen Gaseinlass (9) aufweist, mit einem Generator (11), wobei der Generator (11) mit dem zweiten Umwandlungsmotor (7) antriebstechnisch zur Umwandlung der mechanischen Energie von dem zweiten Umwandlungsmotor (7) in elektrische Energie gekoppelt ist, wobei der zweite Umwandlungsmotor (7) exklusiv mit dem Generator (11) antriebstechnisch gekoppelt ist, so dass die gesamte mechanische Energie von dem zweiten Umwandlungsmotor (7) in den Generator (11) geleitet wird, wobei der Abgasauslass (6) mit dem Gaseinlass (9) strömungstechnisch verbunden ist, so dass der zweite Umwandlungsmotor (7) das Abgas aus dem ersten Umwandlungsmotor (3) thermisch umwandelt.
Antriebsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umwandlungsmotor (7) eine Brennstoffzuführung zur Zuführung von Ammoniak oder einem Vorprodukt von Ammoniak aufweist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umwandlungsmotor (7) als ein Zweitaktmotor ausgebildet ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umwandlungsmotor (7) als ein Kugelmotor ausgebildet ist, wobei der Kugelmotor ein Gehäuse mit einem kugelförmigen Gehäuseinnenraum aufweist, wobei in dem Gehäuseinnenraum ein Rotor angeordnet ist, wobei ein Statorabschnitt des Generators (11) mit dem Rotor verbunden ist und/oder in dem Gehäuseinnenraum angeordnet ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Maschine (12) zur Erzeugung eines zweiten Antriebsmoments für das Mobil (2), wobei die elektrische Maschine (12) mittelbar und/oder unmittelbar über den Generator (11) gespeist oder mitgespeist ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umwandlungsmotor (3) eine Brennstoffzuführung mit einem fossilen Brennstoff aufweist und/oder als ein Diesel- oder Benzin- oder Gasmotor ausgebildet ist.
Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umwandlungsmotor (3) eine Brennstoffzuführung mit einem regenerativen Brennstoff aufweist und/oder als ein Wasserstoff- eFuelmotor ausgebildet ist.
Automobil (2), gekennzeichnet durch eine Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Abgasreinigung bei der Antriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder bei dem Automobil (2) nach Anspruch 8, wobei in dem ersten Umwandlungsmotor (3) Abgase erzeugt werden und wobei die Abgase in dem zweiten Umwandlungsmotor (7) thermisch umgesetzt werden.