DE19836765A1

DE19836765A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftmaschine

Info

Publication number: DE19836765A1
Application number: DE1998136765
Authority: DE
Inventors: Dieter Bruecknert
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2018-08-14
Also published as: DE19836765B4

Abstract

Zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftmaschine (1) wird das unter Hochdruck gespeicherte Gas in einer Entspannungsmaschine (4) auf niederen Überdruck entspannt, der zum Betrieb der Kraftmaschine (1) erforderlich ist. Die dabei gewonnene mechanische Leistung steigert den Wirkungsgrad der Kraftmaschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftma schine gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.

Als Energieträger für Kraftmaschinen, insbesondere für Kraft maschinen zum Antrieb von Fahrzeugen, kann neben den herkömm lichen Benzin/Diesel-Kraftstoffen auch normalerweise gasför miger Kraftstoff verwendet werden. Dies gilt für Brennstoff zellen und Brennkraftmaschinen, die beide im folgenden unter dem Begriff "Kraftmaschinen" zusammengefaßt werden, gleicher maßen. So ist es für Brennkraftmaschinen bekannt, ein Gemisch von Propan und Butan, sogenanntes Autogas als Kraftstoff zu verwenden. Auch natürlich vorkommendes Erdgas oder gasförmi ger Wasserstoff kann für den Betrieb einer Kraftmaschine ein gesetzt werden.

Um bei Normalbedingungen gasförmigen Kraftstoff bevorraten und z. B. in einem Fahrzeug mitführen zu können, wird er unter Druck gesetzt und in gasförmiger oder bei hohem Druck in ver flüssigter Form gespeichert. Das Gas kann der zu betreibenden Kraftmaschine jedoch nicht direkt mit dem Speicherdruck zuge führt werden, vielmehr ist es erforderlich, den Druck auf ei nen für den Betrieb der Kraftmaschine notwendigen niederen Überdruck zu mindern. Bei einem Erdgasdruckbehälter liegt der Abgabedruck in der Größenordnung von 200 bar, wogegen der Überdruck, mit dem das Gas der Kraftmaschine zugeführt werden muß, im Bereich 3 bis 5 bar liegt. Um diese Druckminderung um fast 200 bar bei freier Wahl des Durchflusses zu erreichen, sind Druckregeleinheiten mit bekannten Druckminderventilen üblich.

Aus DE 195 24 413 A1 ist eine solche Druckregeleinheit einer Kraftstoffaufbereitungsanlage für gasförmigen Kraftstoff be kannt. Diese Druckregeleinheit weist ein von einer elektroni schen Steuereinheit mit Taktimpulsen angesteuertes Magnetven til auf, über das auf der Niederdruckseite ein exaktes Druck niveau sowie ein genauer Durchfluß einstellbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kraftstoffversorgung für eine druckgas betriebene Kraftmaschine zu schaffen, mit denen ein höherer Wirkungsgrad der Kraftmaschine erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 ge kennzeichnete Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird die in dem unter Hochdruck bevorrateten Gas gespeicherte Expansionsenergie in mechanische Leistung umgewandet. Diese so zusätzlich gewonnene mechanische Lei stung erhöht den Wirkungsgrad der Kraftmaschine, was z. B. den Vorteil hat, daß die Reichweite eines mit der Kraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeuges bei gleichem Kraftstoffvorrat erhöht ist.

Die aus der Expansionsenergie gewonnene mechanische Leistung ist umso größer, je größer der Kraftstoffverbrauch der Kraft maschine ist. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, die ge wonnene mechanische Leistung zum Betrieb durchsatzabhängiger Nebenantriebe, z. B. einer Wasserpumpe zu nutzen. Die Propor tionalität zwischen abgegebener mechanischer Leistung und Gasverbrauch der Kraftmaschine ist auch dann von Vorteil, wenn mit der gewonnenen mechanischen Leistung ein Ansaugluft verdichter der Kraftmaschine betrieben wird. Natürlich kann die gewonnene mechanische Leistung auch in den Abtrieb der Kraftmaschine eingekoppelt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei die zusätzlich gewonnene mechanische Leistung in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine eingekoppelt wird,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei die zusätzlich gewonnene mechanische Leistung zum Betrieb eines Nebenaggregates der Brennkraftmaschine verwendet wird, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei die zusätzlich gewonnene mechanische Leistung zur Verdichtung der Ansaugluft der Brennkraftmaschine verwendet wird.

In den Fig. 1 bis 3 ist die Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine 1 schematisch darge stellt. In einem Gasbehälter 2 wird das zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 gedachte Erdgas unter Druck bevorratet. Der maximale Druck beträgt 200 bar. Dieser Druck kann auch geringer oder höher sein. Im Fall von gasförmigem Wasserstoff liegt er beispielsweise in der Größenordnung von 300 bar. Vom Ausgang 3 des Gasbehälters 2 wird das unter diesem hohen Druck stehende Gas einer Turbine 4 zugeführt, die das Gas auf einen niederen Überdruck entspannt und dem Eingang 6 einer Dosiereinheit 7 zuführt. Die Turbine verfügt über eine geeig nete Verstellmöglichkeit, beispielsweise eine variable Turbi nengeometrie, sb daß Druckabfall und Durchfluß einstellbar sind. Die Dosiereinheit 7 ist über nicht dargestellte Steuer leitungen mit der Turbine 4 verbunden, so daß die Dosierein heit 7 an ihrem Eingang 6 immer die erforderliche Menge an Gas mit dem erforderlichen niederen Überdruck zur Verfügung gestellt bekommt. Die Dosiereinheit 7 mißt der Brennkraftma schine 1 die erforderliche Gasmenge zu. Der gesamte Betrieb der Brennkraftmaschine 1 sowie der Dosiereinheit 7 wie auch der Turbine 4 wird von einem nicht dargestellten Betriebs steuergerät geregelt. Der Abtrieb 5 der Turbine 4 wird mit einem Kopplungselement 8 in den Abtrieb 10 der Brennkraftma schine eingekoppelt. Die bei der Entspannung des Gases in der Turbine 4 freiwerdende Leistung wird somit der von der Brenn kraftmaschine 1 abgegebenen Leistung zugeschlagen, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 erhöht.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, wird der Abtrieb 5 der Turbine 4 zum Antrieb einer Wasserpumpe 9 verwendet, wodurch diese Leistung nicht vom Abtrieb 10 der Brennkraftmaschine 1 abgenommen werden muß. Ein solcher Antrieb eines Nebenaggregates, es kommen auch andere Nebenaggregate z. B. eine Lichtmaschine in Frage, ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Leistungsbedarf die ses Nebenaggregates proportional zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 1 ist. Bei einer Wasserpumpe ist das der Fall, da der Kühlungsbedarf der Brennkraftmaschine 1 mit ih rem Kraftstoffverbrauch zunimmt. Mit steigendem Kraftstoff verbrauch steigt aber auch die aus dem Gasbehälter 2 entnom mene Menge, somit die Durchströmung der Turbine 4 und die an ihrem Abtrieb 5 bereitgestellte mechanische Leistung.

In Fig. 3 ist eine weitere, alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Turbine 4 mit einem Ver dichter 11 zu einer Expander/Verdichter-Einheit gekoppelt ist. Der Verdichter 11 verdichtet die Luft im Ansaugtrakt 12 der Brennkraftmaschine 1 und ersetzt somit einen bekannten Abgasturbolader. Auch damit läßt sich der Wirkungsgrad der Antriebskette bzw. die mit der bevorrateten Gasmenge erreich bare Betriebszeit der Brennkraftmaschine 1 erhöhen. Für ein Fahrzeug bedeutet das größere Reichweite.

Anstelle der Brennkraftmaschine 1, die nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip arbeiten kann, kann auch eine Brennstoffzelle treten. Eine solche Brennstoffzelle, wie sie beispielsweise aus der Publikation "NECAR 3", Daimler-Benz AG, 1997 bekannt ist, setzt Sauerstoff und Wasserstoff um. Auch dieser Wasser stoff kann in Druckgasbehältern bevorratet werden, so daß dann die Druckminderung auf erfindungsgemäße Weise erfolgt.

Claims

1. Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbe triebene Kraftmaschine mit einem Gasbehälter, der zum Betrieb der Kraftmaschine bestimmtes Gas unter hohem Druck bereit stellt, einer Dosiereinheit, die der Kraftmaschine die zum Betrieb erforderliche Gasmenge zuführt, und einer Druckredu ziereinheit, die zwischen den Gasbehälter und die Dosierein heit geschaltet ist, um den Gasdruck auf einen niederen Über druck zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckreduziereinheit eine Entspannungsmaschine (4) ist, die das Gas vom hohen Druck auf den niederen Überdruck expan diert und die dabei freiwerdende Energie als mechanische Lei stung abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine eine Turbine (4) ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die von der Entspannungsmaschine (4) abgegebene mechanische Leistung über ein Kopplungselement (8) in den Abtrieb (10) der Kraftmaschine (1) eingekoppelt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die von der Entspannungsmaschine (4) abgegebene mechanische Leistung zum Betrieb eines Nebe naggregates (9) der Kraftmaschine (1) verwendet wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die von der Entspannungsmaschine (4) abgegebene mechanische Leistung zum Betrieb eines Laders (11) verwendet wird, der der Kraftmaschine (1) verdichtete Ansaugluft zuführt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kraftmaschine eine Brennstoffzelle ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kraftmaschine eine Brennkraftmaschine (1) ist.

8. Verfahren zur Kraftstoffversorgung einer druckgasbetriebe nen Kraftmaschine, bei dem der Druck von unter Druck gespei chertem, zum Betrieb der Kraftmaschine bestimmtem Gas redu ziert und der Kraftmaschine mit niederem Überdruck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Druckreduzierung freiwerdende Energie in mechani sche Leistung umgesetzt und zur Wirkungsgradsteigerung der Kraftmaschine verwendet wird.