DE102019217200A1

DE102019217200A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, Vorförderpumpe und Kraftstoffsystem

Info

Publication number: DE102019217200A1
Application number: DE102019217200.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kellner; Andreas Beiter; Frank Zehnder; Dirk Schnittger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-26
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-11-26
Also published as: CN113874617B; WO2020239352A1; CN113874617A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem der Kraftstoff in flüssiger Form in einem Tank (1) bevorratet und mittels einer Vorförderpumpe (2) aus dem Tank (1) entnommen und einer Hochdruckpumpe (3) zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt wird. Erfindungsgemäß werden der Vorförderpumpe (2) über getrennte Zulaufpfade (4, 5) sowohl flüssiger Kraftstoff aus einer im Tank (1) vorhandenen Flüssigphase (6) als auch gasförmiger Kraftstoff aus einer im Tank (1) vorhandenen Gasphase (7) zugeführt.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorförderpumpe (2) für ein Kraftstoffsystem sowie ein Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorförderpumpe (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, dient. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorförderpumpe für ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftastoff, insbesondere mit Erdgas, sowie ein Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorförderpumpe.
Stand der Technik
Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen, die mit Erdgas („Natural Gas“ = NG) betrieben werden, weisen in der Regel spezielle Tanks zur Bevorratung des Kraftstoffs auf, die dazu ausgelegt sind, den Kraftstoff in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) zu bevorraten. Bei diesen Tanks handelt es sich um tiefkalte Speicher, die ausreichend isoliert sind, um den an sich gasförmigen Kraftstoff in flüssiger Form zu speichern. Die übliche Speichertemperatur von Erdgas liegt bei -110°C bis -160°C. Eine eigene Kühlung besitzen diese Tanks in der Regel nicht. Aufgrund Wärmeeintrag von außen kann es jedoch zu einem Verdampfen des flüssigen Erdgases kommen, so dass sich oberhalb einer Flüssigphase eine Gasphase im Tank ausbildet. Mit der Erwärmung und dem Verdampfen von Erdgas steigt zugleich der Druck im Tank an. Um ein Bersten des Tanks zu vermeiden, wird daher über Sicherheitsventile Gas aus der Gasphase abgelassen („Boil-Off“), wenn ein vorgegebener maximaler Grenzwert erreicht ist. Damit geht ein Teil des energetisch wertvollen Kraftstoffs verloren. Zugleich verringert sich die Effizienz des Kraftstoffsystems. Ferner führen die damit verbundenen Methanemissionen zu einer Belastung der Umwelt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines derartigen Kraftstoffsystems effizienter und zudem umweltfreundlicher zu gestalten.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Vorförderpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Bei dem Verfahren wird der Kraftstoff in flüssiger Form in einem Tank bevorratet und mittels einer Vorförderpumpe aus dem Tank entnommen und einer Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt. Erfindungsgemäß wird der Vorförderpumpe über getrennte Zulaufpfade sowohl flüssiger Kraftstoff aus einer im Tank vorhandenen Flüssigphase als auch gasförmiger Kraftstoff aus einer im Tank vorhandenen Gasphase zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Hilfe der Vorförderpumpe dem Tank nicht nur flüssiger Kraftstoff, sondern auch gasförmiger Kraftstoff entnommen und der Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt. Das im Tank vorhandene Gasvolumen wird somit nutzbar gemacht. Das heißt, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens der nutzbare Tankinhalt erhöht werden kann, was bei einem Kraftstoffsystem, das der Versorgung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dient, zu einer Reichweitenerhöhung führt. Durch die Entnahme von gasförmigem Kraftstoff werden zugleich die Temperatur und der Druck im Tank wirksam abgesenkt, so dass kein Gas über Sicherheitsventile in die Umwelt abgelassen werden muss. Hinzu kommt, dass bei abgesenkter Temperatur der flüssige kryogene Kraftstoff eine höhere Dichte aufweist, so dass sowohl der Wirkungsgrad der Vorförderpumpe als auch der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe gesteigert werden können. Durch Nutzung des im Tank vorhandenen Gasvolumens sinkt zudem der Kraftstoffverbrauch. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann somit das Kraftstoffsystem nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch effizienter betrieben werden.
Darüber hinaus führt die Absenkung der Tanktemperatur bzw. des Tankdrucks zu einer geringeren Belastung des Tanks über die Lebensdauer. Ferner kann die Tankbefüllzeit verringert werden. Dies gilt insbesondere, wenn durch die Entnahme von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase der Tankdruck unter Tankstellenspeicherdruck abgesenkt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der der Vorförderpumpe zugeführte gasförmige Kraftstoff mit Hilfe eines in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters erst auf ein Vorförderniveau verdichtet und dann dem flüssigen Kraftstoff beigemischt. Durch das vorherige Verdichten des gasförmigen Kraftstoffs auf Vorförderniveau kann die Effizienz der nachgeschalteten Hochdruckpumpe weiter optimiert werden.
Der der Vorförderpumpe zugeführte flüssige Kraftstoff wird vorzugsweise mit Hilfe mindestens einer in die Vorförderpumpe integrierten Strömungsarbeitsmaschine gefördert. Die Strömungsarbeitsmaschine kann in den Tank integriert werden, so dass der Bauraumbedarf des Kraftstoffsystems sinkt. Die mindestens eine Strömungsarbeitsmaschine kann beispielsweise eine Kreiselpumpe und/oder eine Seitenkanalpumpe sein. Werden mehrere solcher Pumpen hintereinandergeschaltet, kann ein mehrstufiges System geschaffen werden, das zumindest eine erste Pumpenstufe und eine zweite Pumpenstufe umfasst. Auf diese Weise kann die Effizienz der Vorförderpumpe weiter optimiert werden. Ferner kann eine Welle der Strömungsarbeitsmaschine zum Antreiben des Gasverdichters verwendet werden, so dass der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Vorförderpumpe nochmals gesteigert werden. Vorteilhafterweise wird die Welle elektromotorisch angetrieben, so dass über die Drehzahl die Fördermenge der Vorförderpumpe einstellbar ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase mit Hilfe mindestens eines Schaltventils gesteuert wird. Mit Hilfe des Schaltventils kann die dem Gasverdichter zugeführte Gasmenge gesteuert werden. Das Schaltventil kann sowohl als normal offenes Ventil, als auch als normal geschlossenes Ventil ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Schaltventil in die Vorförderpumpe, insbesondere in den Zulaufpfad für den gasförmigen Kraftstoff, integriert.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Vorförderpumpe im Kraftstoffsystem anfallende Leckage- und/oder Rücklaufmengen zugeführt werden, die mit Hilfe der Vorförderpumpe verdichtet und zusammen mit dem angesaugten flüssigen Kraftstoff der Hochdruckpumpe zugeführt werden. Somit können auch diese Gasmengen einer Nutzung zugeführt werden, so dass die Effizienz des Kraftstoffsystems weiter steigt. Ferner kann die Temperatur im Tank weiter niedrig gehalten werden, da die im Betrieb des Kraftstoffsystems anfallenden Leckage- und/oder Rücklaufmengen nicht - wie sonst üblich - zurück in den Tank geführt, sondern der Vorförderpumpe zugeführt werden. Das heißt, dass der Wärmeeintrag von außen verringert wird.
Bei den Leckage- und/oder Rücklaufmengen, die der Vorförderpumpe zugeführt werden, kann es sich insbesondere um Leckage- und/oder Rücklaufmengen der Hochdruckpumpe handeln. Ferner kann es sich um die Rücklaufmengen eines Gasdruckreglers handeln, welcher der Gasdruckregelung in einem Gas-Rail des Kraftstoffsystems dient. Die im Kraftstoffsystem anfallenden Leckage- und/oder Rücklaufmengen werden bevorzugt in einem Pufferspeicher gesammelt bevor sie der Vorförderpumpe zugeführt werden.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Vorförderpumpe für ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, vorgeschlagen. Die Vorförderpumpe umfasst mindestens eine Strömungsarbeitsmaschine, beispielsweise eine Kreiselpumpe und/oder eine Seitenkanalpumpe, die über einen ersten Zulaufpfad mit flüssigem kryogenen Kraftstoff versorgbar ist. Erfindungsgemäß ist in die Vorförderpumpe ein Gasverdichter integriert, der mindestens einen hin- und herbeweglichen Gasverdichterkolben zur Begrenzung eines Druckraums umfasst, der mit einem zweiten Zulaufpfad für gasförmigen kryogenen Kraftstoff verbunden oder verbindbar ist.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorförderpumpe kann sowohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff aus dem Tank entnommen und der Hochdruckpumpe zugeführt werden. Die vorgeschlagene Vorförderpumpe ermöglicht somit die Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Das heißt, dass mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorförderpumpe die bereits zuvor in Verbindung mit dem Verfahren angegebenen Vorteile erzielt werden können, so dass hierauf verwiesen wird.
Der in die vorgeschlagene Vorförderpumpe integrierte Gasverdichter ermöglicht ein Verdichten des zugeführten gasförmigen Kraftstoffs auf ein Vorförderdruckniveau bevor dieser zusammen mit dem flüssigen Kraftstoff der Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt wird. Die Vorförderpumpe nimmt somit der Hochdruckpumpe Verdichterleistung ab. Vor dem Beimischen des verdichteten gasförmigen Kraftstoffs wird vorzugsweise der flüssige Kraftstoff mit Hilfe der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine ebenfalls auf das Vorförderdruckniveau gebracht.
Bevorzugt ist der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters mittels einer Welle der Strömungsarbeitsmaschine antreibbar. Das heißt, dass zum Antreiben des Gasverdichters bereits vorhandene Antriebsmittel genutzt werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Vorförderpumpe weiter gesteigert werden. Ferner werden Bauraum und Gewicht eingespart. Die Welle der Strömungsarbeitsmaschine wird vorzugsweise elektromotorisch angetrieben.
Des Weiteren bevorzugt ist der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters an einer drehfest mit der Welle verbundenen Kurvenscheibe abgestützt. Die Rotation der Welle kann auf diese Weise in eine Hubbewegung des mindestens einen Gasverdichterkolbens umgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters an einem drehfest mit der Welle verbundenen Nocken oder Exzenter abgestützt. Auf diese Weise wird die Rotation der Welle ebenfalls in eine Hubbewegung des mindestens einen Gasverdichterkolbens umgesetzt werden, jedoch mit dem Unterschied, dass sich der Gasverdichterkolben nicht parallel, sondern senkrecht zur Drehachse der Welle bewegt. Denn der Nocken oder Exzenter erfordert eine radiale Abstützung, während die zuvor erwähnte Kurvenscheibe zu einer axialen Abstützung des Gasverdichterkolbens führt.
Darüber hinaus kann der Gasverdichterkolben über einen Kurbeltrieb mit der Welle wirkverbunden sein. Die Gasverdichterkolben ist in diesem Fall wiederum radial in Bezug auf die Welle ausgerichtet.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in die Vorförderpumpe eine Mischkammer integriert ist, die stromabwärts der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine und stromabwärts des Gasverdichters angeordnet ist. In der Mischkammer kann dem flüssigen Kraftstoff der verdichtete gasförmige Kraftstoff beigemischt werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass in die Vorförderpumpe ein Perlator und/oder Filter zur Kondensation von Gasblasen integriert ist. Der Perlator und/oder Filter fördert eine Verflüssigung des beigemischten verdichteten gasförmigen Kraftstoffs. Die Verflüssigung des verdichteten gasförmigen Kraftstoffs trägt zur Steigerung des Wirkungsgrads der Hochdruckpumpe bei. Vorzugsweise ist bzw. sind der Perlator und/oder Filter stromabwärts der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine und stromabwärts des Gasverdichters angeordnet, weiterhin vorzugsweise ist bzw. sind der Perlator und/oder Filter der Mischkammer nachgeschaltet. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Vorförderpumpe eine weitgehend blasenfreie Vorfördermenge erzeugt und der Hochdruckpumpe zugeführt werden.
Bevorzugt ist in die Vorförderpumpe mindestens ein Schaltventil integriert, mittels dessen die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase in mindestens einen Druckraum steuerbar ist. Das Schaltventil kann beispielsweise als schaltbares Rückschlagventil ausgeführt sein, das - wenn zugeschaltet - einen Druckaufbau in dem mindestens einen Druckraum ermöglicht. Zum Zuschalten des Rückschlagventils wird das Schaltventil bevorzugt bestromt. In dieser Schaltstellung kann über das Rückschlagventil sowohl gasförmiger Kraftstoff aus der Gasphase angesaugt, als auch verdichtet werden. Bei fehlender Bestromung nimmt weiterhin bevorzugt das Schaltventil eine Stellung ein, in der eine Strömungsverbindung des mindestens einen Druckraums mit der Gasphase in beiden Strömungsrichtungen besteht. In den mindestens einen Druckraum gelangender Kraftstoff kann somit einfach wieder ausgeschoben werden, so dass kein der Gasphase entnommener gasförmiger Kraftstoff mit Hilfe des integrierten Gasverdichters verdichtet und dem flüssigen Kraftstoff beigemischt wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in die Vorförderpumpe mindestens ein weiterer Zulaufpfad zur Aufnahme von Leckage- und/oder Rücklaufmengen des Kraftstoffsystems integriert ist. Somit können auch die im Kraftstoffsystem anfallenden Leckage- und/oder Rücklaufmengen einer Nutzung zugeführt werden. Da die Leckage- und/oder Rücklaufmengen nicht mehr - wie sonst üblich - in den Tank rückgeführt werden, kann zugleich der Wärmeeintrag in den Tank verringert werden.
Die der Vorförderpumpe zugeführten Leckage- und/oder Rücklaufmengen werden vorzugsweise analog dem aus der Gasphase entnommenen gasförmigen Kraftstoff zunächst mit Hilfe des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters verdichtet und dann dem flüssigen Kraftstoff beigemischt.
Das heißt, dass die Leckage- und/oder Rücklaufmengen über den mindestens einen weiteren Zulaufpfad ebenfalls dem Druckraum des Verdichters zugeführt werden. Der mindestens eine weitere Zulaufpfad kann hierzu an den Zulaufpfad angeschlossen sein, über den gasförmiger Kraftstoff der Gasphase des Tanks entnommen wird (Hauptzulaufpfad). Die Einleitung in den Druckraum erfolgt dann über das im Hauptzulaufpfad vorgesehene Schaltventil. Alternativ kann der mindestens eine weitere Zulaufpfad über mindestens ein weiteres Schaltventil direkt an den Druckraum des Gasverdichters angeschlossen sein.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfasst einen Tank zur Bevorratung des kryogenen Kraftstoffs in flüssiger Form, eine Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung des Kraftstoffs sowie eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe, mittels welcher der Hochdruckpumpe Kraftstoff aus dem Tank zuführbar ist. Dank der erfindungsgemäßen Vorförderpumpe kann das vorgeschlagene Kraftstoffsystem zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden bzw. nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Kraftstoffsystems können demnach ebenfalls die zuvor in Verbindung mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden. Insofern kann auch hier auf die entsprechende Beschreibung verwiesen werden.
Zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Vorförderpumpe des vorgeschlagenen Kraftstoffsystems derart mit dem Tank verbunden, dass der erste Zulaufpfad an die im Tank vorhandene Flüssigphase und der zweite Zulaufpfad an die im Tank vorhandene Gasphase des Kraftstoffs angeschlossen sind. Die Vorförderpumpe ist hierzu bevorzugt im Tank angeordnet. Die Anordnung kann insbesondere in der Nähe des Tankbodens erfolgen, so dass die Vorförderpumpe vorrangig von flüssigem Kraftstoff umgeben ist. Über eine Sauglanze kann dann die Anbindung der Vorförderpumpe an die Gasphase realisiert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Vorförderpumpe über mindestens eine Rücklaufleitung mit der Hochdruckpumpe verbunden oder verbindbar ist. Über die mindestens eine Rücklaufleitung können der Vorförderpumpe in der Hochdruckpumpe anfallende Leckage- und/oder Rücklaufmengen zugeführt werden, so dass diese nicht in den Tank rückgeführt werden müssen, wodurch sich der Wärmeeintrag in den Tank verringert. Die Verbindung der Vorförderpumpe mit der Rücklaufleitung erfolgt vorzugsweise über einen weiteren Zulaufpfad, der weiterhin vorzugsweise stromaufwärts eines Schaltventils in den zweiten Zulaufpfad für den gasförmigen Kraftstoff mündet. Die Rücklaufleitung kann aber auch über ein weiteres Schaltventil direkt an den Druckraum des Gasverdichters angeschlossen sein.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Vorförderpumpe über mindestens eine Rücklaufleitung mit einem Pufferspeicher verbunden oder verbindbar ist. Im Pufferspeicher können Leckage- und/oder Rücklaufmengen zunächst gesammelt werden, bevor sie der Vorförderpumpe zugeführt werden. Die Rücklaufmengen können insbesondere von einem Gasdruckregler stammen, mit dessen Hilfe der Druck in einem Gas-Rail des Kraftstoffsystems geregelt werden kann. Somit können auch diese Rücklaufmengen einer Nutzung zugeführt werden. Bevorzugt werden auch die Leckage- und/oder Rücklaufmengen aus dem Pufferspeicher über ein Schaltventil in den Druckraum des Gasverdichters eingeleitet. Hierbei kann es sich um das in den Hauptzulaufpfad integrierte Schaltventil oder ein zusätzliches Schaltventil handeln.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorförderpumpe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 zur Darstellung der Vorförderpumpe beim Ansaugen von gasförmigem Kraftstoff,
3 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 zur Darstellung der Vorförderpumpe beim Verdichten von gasförmigem Kraftstoff,
4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
6 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
7 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorförderpumpe der 6 beim Ansaugen von Kraftstoff,
8 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorförderpumpe der 6 beim Verdichten von Kraftstoff und
9 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffsystem dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Das System umfasst hierzu einen Tank 1, in dem der Kraftstoff in flüssiger Form bevorratet wird. Im Tank 1 befindet sich somit eine Flüssigphase 6 des Kraftstoffs. Aufgrund von Wärmeeintrag von außen verdampft über die Zeit ein Teil des flüssigen Kraftstoffs und bildet im Tank 1 - oberhalb der Flüssigphase - eine Gasphase 7 aus. Um den Wärmeeintrag von außen zu verringern ist der Tank 1 von einer Isolierung 32 umgeben.
Über eine im Tank 1 aufgenommene Vorförderpumpe 2 werden im Betrieb des Kraftstoffsystems sowohl flüssiger Kraftstoff aus der im Tank 1 vorhandenen Flüssigphase 6 als auch gasförmiger Kraftstoff aus der im Tank 1 vorhandenen Gasphase 7 entnommen und einer Hochdruckpumpe 3 zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt. Damit wird auch das im Tank 1 vorhandene Gasvolumen einer Nutzung zugeführt. Bevor der der Gasphase 7 entnommene Kraftstoff dem flüssigen Kraftstoff beigemischt wird, wird dieser mit Hilfe eines in die Vorförderpumpe 2 integrierten Gasverdichters 8 verdichtet.
Wie insbesondere den 2 und 3 zu entnehmen ist, weist der Gasverdichter 8 des in der 1 dargestellten Kraftstoffsystems einen hin- und herbeweglichen Gasverdichterkolben 13 auf, der einen Druckraum 15 begrenzt. Der Druckraum 15 ist über einen Zulaufpfad 5 und ein in den Zulaufpfad 5 integriertes Schaltventil 11 mit der im Tank 1 vorhandenen Gasphase 7 verbindbar, so dass dem Druckraum 15 gasförmiger Kraftstoff zuführbar ist. Der Gasverdichterkolben 13 führt währenddessen eine Bewegung nach links aus (siehe 2). im Druckraum 15 vorhandene gasförmige Kraftstoff wird anschließend durch eine Bewegung des Gasverdichterkolbens 13 nach rechts verdichtet (siehe 3). Die Hin- und Herbewegungen des Gasverdichterkolbens 13 werden mittels einer Welle 10 und einer drehfest mit der Welle 10 verbundenen Kurvenscheibe 17 bewirkt, an welcher der Gasverdichterkolben 13 axial über eine Laufrolle 28 abgestützt ist. Eine Feder 29 hält den Gasverdichterkolben 13 in Anlage mit der Kurvenscheibe 17. Zur Realisierung einer Verdrehsicherung kann der Gasverdichterkolben 13 ferner gehäuseseitig über eine weitere Laufrolle 28 abgestützt sein. Die Welle 10 ist über zwei Lager 27 drehbar gelagert.
Der der Gasphase 7 entnommene verdichtete Kraftstoff wird aus der Druckkammer 15 über ein Rückschlagventil 31 in eine Mischkammer 18 eingeleitet. Dort vermischt er sich mit dem der Flüssigphase 6 entnommenen flüssigen Kraftstoff.
Der flüssige Kraftstoff gelangt über einen seitlich angeordneten Zulaufpfad 4 in die Vorförderpumpe 2. Die Förderung des flüssigen Kraftstoffs wird mit Hilfe zweier Strömungsarbeitsmaschinen 9 bzw. zweier Pumpstufen realisiert. Die erste Strömungsarbeitsmaschine 9 ist als Kreiselpumpe 9.1 ausgeführt. Die nachgeschaltete zweite Strömungsarbeitsmaschine 9 ist eine Seitenkanalpumpe 9.2. Beide Strömungsarbeitsmaschinen 9 werden mit Hilfe der bereits zuvor erwähnten Welle 10 angetrieben. Die Drehbewegung der Welle 10 wird mit Hilfe eines Elektromotors 26 bewirkt.
Nach Durchlaufen der beiden Strömungsarbeitsmaschinen 9 bzw. Pumpstufen gelangt auch der flüssige Kraftstoff über ein Rückschlagventil 30 in die Mischkammer 18. Ein der Mischkammer 18 nachgeschalteter Filter 19 bewirkt, dass im Kraftstoff enthaltene Gasblasen kondensieren. Erst dann verlässt der Kraftstoff die Vorförderpumpe 2.
Den 4 und 5 sind Abwandlungen einer erfindungsgemäßen Vorförderpumpe 2 zu entnehmen, die sich von der Vorförderpumpe der 1 bis 3 vorrangig dadurch unterscheiden, dass der Gasverdichter 8 zwei Gasverdichterkolben 13, 14 aufweist. Jeder Gasverdichterkolben 13, 14 begrenzt einen Druckraum 15, 16, der über ein Schaltventil 11, 12 mit gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase 7 des Tanks 1 befüllbar ist. Bei der Ausführungsform der 4 erfolgt die Befüllung beider Druckräume 15, 16 über ein gemeinsames Schaltventil 11. Bei der Ausführungsform der 5 ist jedem Druckraum 15, 16 ein Schaltventil 11, 12 zugeordnet, so dass der Druckaufbau in den Druckräumen 15, 16 zeitlich versetzt erfolgen kann. Der Antrieb der beiden Gasverdichterkolben 13, 14 wird auch hier mittels einer drehfest mit einer Welle 10 verbundenen Kurvenscheibe 17 bewirkt, an welcher die beiden Gasverdichterkolben jeweils über Laufrollen 28 abgestützt sind. Jeder Gasverdichterkolben 13,14 ist über eine Feder 29 gegen die Kurvenscheibe 17 axial vorgespannt, so dass sie sich bei einer Drehung der Welle 10 bzw. der Kurvenscheibe 17 hin- und herbewegen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 bewegen sich die beiden Gasverdichterkolben 13, 14 gleich, das heißt in die gleiche Richtung. Dies hat zur Folge, dass das Moment, dass von den Lagern 27 aufgenommen werden muss, verringert wird. Das heißt, dass die Belastung der Lager 27 sinkt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 bewegen sich die beiden Gasverdichterkolben 13, 14 gegengleich, das heißt in die jeweils entgegengesetzte Richtung. Auf diese Weise wird eine gleichmäßigere Gaszumischung erreicht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den 6 bis 8 dargestellt. Der in die Vorförderpumpe 2 integrierte Gasverdichter 8 weist einen Gasverdichterkolben 13 auf, der radial an einem drehfest mit der Welle 10 verbundenen Nocken 46 abgestützt ist. Die Abstützung erfolgt mittels einer Laufrolle 28. Um die Laufrolle 28 in Kontakt mit dem Nocken 46 zu halten, ist diese mittels einer Feder 29 in Richtung des Nockens 46 vorgespannt. Der Gasverdichter 8 ist vorliegend außerhalb des Tanks 1 angeordnet, aber allseitig von einer Isolierung 32' umgeben. Das Tankvolumen wird somit durch den Gasverdichter 8 nicht verkleinert. Im Übrigen entspricht der Aufbau der Vorförderpumpe 2 dem der zuvor beschriebenen Vorförderpumpe 2 der 1 bis 3, so dass hierauf verwiesen wird. Insbesondere weist auch die Vorförderpumpe 2 der 6 bis 8 eine zweistufige Strömungsarbeitsmaschine 9 mit einer Kreiselpumpe 9.1 als erster Stufe und einer Seitenkanalpumpe 9.2 als zweiter Stufe auf. Ferner ist in die Vorförderpumpe 2 eine Mischkammer 18 mit einem hierin aufgenommenen Filter 19 integriert. Eine Zulaufleitung 43 verbindet die Vorförderpumpe 2 mit einer Hochdruckpumpe 3. Auch die Wirkungsweise des in die Vorförderpumpe 2 integrierten Gasverdichters 8 entspricht der des Gasverdichters 8 der 1 bis 3.
In der 7 ist der Gasverdichter 8 während einer Saugphase dargestellt. Das heißt, dass der Gasverdichterkolben 13 einen Saughub ausführt. Hierzu bewegt er sich nach unten. Dabei vergrößert sich das Volumen im Druckraum 15 und füllt sich mit gasförmigem Kraftstoff aus der im Tank 1 vorhandenen Gasphase 7, da der Druckraum 15 über das Schaltventil 11 und den Zulaufpfad 5 an die Gasphase 7 angebunden ist.
Bewegt sich anschließend in der Förderphase der Gasverdichterkolben 13 wieder nach oben, wird der im Druckraum 15 vorhandene Kraftstoff verdichtet und über ein Rückschlagventil 31 der Mischkammer 18 zugeführt. Die Vorförderpumpe 2 in der Förderphase ist in der 8 dargestellt. In der Mischkammer 18 mischt sich der auf Vorförderdruck verdichtete gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum 15 mit dem flüssigen Kraftstoff, der zuvor mit Hilfe der Strömungsarbeitsmaschine 9 auf Vorförderdruck verdichtet worden ist. Über den in der Mischkammer 18 aufgenommenen Filter 19 wird dann der vorverdichtete Kraftstoff in die Zulaufleitung 43 eingeleitet, welche die Vorförderpumpe 2 mit der Hochdruckpumpe 3 verbindet.
Die mit der Vorförderpumpe 2 über die Zulaufleitung 43 verbundene Hochdruckpumpe 3 ist in der 9 dargestellt. Dabei entspricht der Aufbau der Hochdruckpumpe 3 dem der Hochdruckpumpe 3 der 1, so dass die Hochdruckpumpe 3 nachfolgend in Verbindung mit der 1 beschrieben wird.
Wie der 1 zu entnehmen ist, wird mit Hilfe der Vorförderpumpe 2, und zwar unabhängig davon, ob der Gasverdichter 8 einen oder mehrere Gasverdichterkolben 13, 14 aufweist, über eine Zulaufleitung 43 einem Zulaufbereich 44 der Hochdruckpumpe 3 zugeführt. Von dort gelangt der Kraftstoff über ein Einlassventil 45 in einen Kompressionsraum 42, der von einem hin- und herbeweglichen Pumpenkolben 41 der Hochdruckpumpe 3 begrenzt wird. Andernends begrenzt der Pumpenkolben einen Antriebsraum 37, der durch den Pumpenkolben 41 in eine erste Kammer 37.1 und eine zweite Kammer 37.2 unterteilt wird. Diese sind in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Ventils 36 abwechselnd mit einer Hochdruckleitung 34 oder einer Niederdruckleitung 35 eines Hydraulikkreises 33 verbindbar, so dass hierüber der Pumpenkolben 41 hin- und herbewegbar ist. Bewegt sich der Pumpenkolben 41 nach unten, wird der im Kompressionsraum 42 vorhandene Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt. Bewegt sich der Pumpenkolben 41 nach oben, wird der Kompressionsraum 42 über das Einlassventil 45 erneut mit Kraftstoff befüllt.
Im Betrieb der Hochdruckpumpe 3 fallen Leckagemengen an, die üblicherweise in den Tank 1 rückgeführt werden. Bei dem beispielhaft in der 1 (oder 9) dargestellten Kraftstoffsystem werden diese Leckagemengen jedoch nicht in den Tank 1 rückgeführt, sondern über eine Rücklaufleitung 22 der Vorförderpumpe 2 zugeführt. Die Rücklaufleitung 22 mündet in einen Zulaufpfad 20, der wiederum stromaufwärts des Schaltventils 11 in den Zulaufpfad 5 mündet. Somit kann auch die Leckagemenge der Hochdruckpumpe 3 verdichtet, dem flüssigen Kraftstoff beigemischt und anschließend der Hochdruckpumpe 3 zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt werden. Die Leckagemenge wird demzufolge einer Nutzung zugeführt.
Gleiches gilt in Bezug auf die Leckagemenge eines in die Hochdruckpumpe 3 integrieren Niederdruckspeichers 38. Dieser ist optional. Sofern er jedoch vorhanden ist, kann ein Federraum 40 des Niederdruckspeichers, der durch einen Kolben 39 begrenzt wird, ebenfalls an die Rücklaufleitung 22 angebunden werden.
Ebenfalls optional kann in die Vorförderpumpe 2 ein weiterer Zulaufpfad 21 integriert sein, über den die Vorförderpumpe 2 mit einer Rücklaufleitung 23 verbindbar ist, an die ein Pufferspeicher 24 angeschlossen ist. Im Pufferspeicher 24 können im Betrieb des Kraftstoffsystems anfallende Leckage- und/oder Rücklaufmengen zunächst gesammelt werden. Hierzu ist vorzugsweise im Zulaufpfad 21 ein Schaltventil 25 angeordnet, so dass nur bei geöffnetem Schaltventil 25 der Vorförderpumpe 2 Kraftstoff aus dem Pufferspeicher 24 zugeführt wird. Im Pufferspeicher 24 können insbesondere Rücklaufmengen eines Gasdruckreglers (nicht dargestellt) zur Druckregelung in einem Gas-Rail (nicht dargestellt) des Kraftstoffsystems gesammelt werden.
In der 1 ist der Pufferspeicher 24 über das Schaltventil 25 und den Zulaufpfad 21 an den Zulaufpfad 5 angebunden. In der 9 ist der Pufferspeicher 24 über das Schaltventil 25 und den Zulaufpfad 21 direkt an den Druckraum 15 des Gasverdichters 8 angeschlossen. Die in der 9 dargestellte Anschlussart ist auch auf die Ausführungsform der 1 übertragbar. Zudem kann auch die Rücklaufleitung 22 analog dem in der 9 dargestellten Pufferspeicher 24 über ein separates Schaltventil (nicht dargestellt) direkt an den Druckraum 15 des Gasverdichters 8 angeschlossen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem der Kraftstoff in flüssiger Form in einem Tank (1) bevorratet und mittels einer Vorförderpumpe (2) aus dem Tank (1) entnommen und einer Hochdruckpumpe (3) zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorförderpumpe (2) über getrennte Zulaufpfade (4, 5) sowohl flüssiger Kraftstoff aus einer im Tank (1) vorhandenen Flüssigphase (6) als auch gasförmiger Kraftstoff aus einer im Tank (1) vorhandenen Gasphase (7) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der Vorförderpumpe (2) zugeführte gasförmige Kraftstoff mit Hilfe eines in die Vorförderpumpe (2) integrierten Gasverdichters (8) erst auf ein Vorförderniveau verdichtet und dann dem flüssigen Kraftstoff beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der Vorförderpumpe (2) zugeführte flüssige Kraftstoff mit Hilfe mindestens einer in die Vorförderpumpe (2) integrierten Strömungsarbeitsmaschine (9) gefördert wird, wobei vorzugsweise eine Welle (10) der Strömungsarbeitsmaschine (9) zum Antreiben des Gasverdichters (8) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase (7) mit Hilfe mindestens eines Schaltventils (11, 12) gesteuert wird, das vorzugsweise in die Vorförderpumpe (2), insbesondere in den Zulaufpfad (5) für den gasförmigen Kraftstoff, integriert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorförderpumpe (2) im Kraftstoffsystem anfallende Leckage- und/oder Rücklaufmengen zugeführt werden, die mit Hilfe der Vorförderpumpe (2) verdichtet und zusammen mit dem angesaugten flüssigen Kraftstoff der Hochdruckpumpe (3) zugeführt werden.
Vorförderpumpe (2) für ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, wobei die Vorförderpumpe (2) mindestens eine Strömungsarbeitsmaschine (9), beispielsweise eine Kreiselpumpe (9.1) und/oder eine Seitenkanalpumpe (9.2), umfasst, die über einen ersten Zulaufpfad (4) mit flüssigem kryogenen Kraftstoff versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorförderpumpe (2) ein Gasverdichter (8) integriert ist, der mindestens einen hin- und herbeweglichen Gasverdichterkolben (13, 14) zur Begrenzung eines Druckraums (15, 16) umfasst, der mit einem zweiten Zulaufpfad (5) für gasförmigen kryogenen Kraftstoff verbunden oder verbindbar ist.
Vorförderpumpe (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben (13, 14) mittels einer Welle (10) der Strömungsarbeitsmaschine (9) antreibbar ist, wobei vorzugsweise der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben (13, 14) an einer drehfest mit der Welle (10) verbundenen Kurvenscheibe (17), einem Nocken (46) oder einem Exzenter abgestützt oder über einen Kurbeltrieb mit der Welle (10) wirkverbunden ist.
Vorförderpumpe (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorförderpumpe (2) eine Mischkammer (18) integriert ist, die stromabwärts der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine (9) und stromabwärts des Gasverdichters (8) angeordnet ist.
Vorförderpumpe (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorförderpumpe (2) ein Perlator und/oder Filter (19) zur Kondensation von Gasblasen integriert ist, wobei vorzugsweise der Perlator und/oder Filter (19) stromabwärts der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine (9) und stromabwärts des Gasverdichters (8) angeordnet ist bzw. sind, weiterhin vorzugsweise der Mischkammer (18) nachgeschaltet ist bzw. sind.
Vorförderpumpe (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorförderpumpe (2) mindestens ein Schaltventil (11, 12) integriert ist, mittels dessen die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase (7) in mindestens einen Druckraum (15, 16) steuerbar ist.
Vorförderpumpe (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorförderpumpe (2) mindestens ein weiterer Zulaufpfad (20, 21) zur Aufnahme von Leckage- und/oder Rücklaufmengen des Kraftstoffsystems integriert ist.
Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfassend einen Tank (1) zur Bevorratung des kryogenen Kraftstoffs in flüssiger Form, eine Hochdruckpumpe (3) zur Hochdruckbeaufschlagung des Kraftstoffs sowie eine Vorförderpumpe (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mittels welcher der Hochdruckpumpe (3) Kraftstoff aus dem Tank (1) zuführbar ist.
Kraftstoffsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (2) über mindestens eine Rücklaufleitung (22, 23) mit der Hochdruckpumpe (3) und/oder einem Pufferspeicher (24) verbunden oder verbindbar ist.