DE19836765A1

DE19836765A1 - Fuel supply system for engine driven by pressurised gas

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).To supply fuel to a compressed gas powered engine (1), the gas stored under high pressure is expanded in a relaxation machine (4) to the low overpressure required to operate the engine (1). The mechanical power gained thereby increases the efficiency of the engine (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.The invention relates to a method and an apparatus for fuel supply for a compressed gas powered Kraftma Machine according to the preambles of claims 1 and 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.As an energy source for engines, especially for power machines for driving vehicles, in addition to the conventional gasoline / diesel fuels are usually also gas-based less fuel can be used. This applies to fuel cells and internal combustion engines, both of which are below the term "engines" are summarized, the same measured. So it is known for internal combustion engines, a mixture of propane and butane, so-called LPG as fuel use. Also natural gas or gaseous ger hydrogen can be used to operate an engine be set.

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. To stock gaseous fuel under normal conditions and Z. B. to be able to carry in a vehicle, he is under Set pressure and in gaseous or at high pressure in ver stored in liquid form. The gas can be operated However, the engine is not directly supplied with the accumulator pressure leads, rather it is necessary to put pressure on egg low necessary for the operation of the engine Reduce overpressure. In the case of a natural gas pressure vessel, the Delivery pressure in the order of 200 bar, whereas the Overpressure with which the gas is supplied to the engine must be in the range 3 to 5 bar. To reduce this pressure to reach almost 200 bar with free choice of flow, are pressure control units with known pressure reducing valves common.

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.Such a pressure control unit is one from DE 195 24 413 A1 Fuel processing system for gaseous fuel be knows. This pressure control unit has one of an electronic control unit with magnetic pulses controlled by clock pulses til on, on the low pressure side an exact pressure level and a precise flow is adjustable.

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.The invention has for its object a device and a method for supplying fuel for a compressed gas powered engine to create a higher one Efficiency of the engine is achieved.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 ge kennzeichnete Erfindung gelöst.This object is achieved by the ge in claims 1 and 8 characterized invention solved.

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.According to the invention is stored in the high pressure Gas stored expansion energy in mechanical power transformed. This additionally gained mechanical lei stung increases the efficiency of the engine, which z. B. the The advantage is that the range one with the engine equipped vehicle increased with the same fuel supply is.

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. The mechanical power gained from the expansion energy the greater the fuel consumption of the power, the greater machine is. It is therefore particularly advantageous that the ge gained mechanical performance for the operation of throughput dependent PTOs, e.g. B. to use a water pump. The proportion tionality between mechanical output and Gas consumption by the engine is also an advantage if with the mechanical power gained an intake air compressor of the engine is operated. Of course you can the mechanical power gained also in the downforce of the Engine can be coupled.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Un marked claims.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:The invention is described below with reference to the Drawing explained in more detail. The drawing shows:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei die zusätzlich gewonnene mechanische Leistung in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine eingekoppelt wird, Fig. 1 is a block diagram of a fuel supply system for a compressed gas-operated internal combustion engine, wherein the additionally obtained mechanical power is coupled into the drive train of the internal combustion engine,

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. 2 is a block diagram of a fuel supply for a compressed gas powered internal combustion engine, the additional mechanical power gained is used to operate an auxiliary unit of the internal combustion engine, and

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei die zusätzlich gewonnene mechanische Leistung zur Verdichtung der Ansaugluft der Brennkraftmaschine verwendet wird. Fig. 3 is a block diagram of a fuel supply for a compressed gas powered internal combustion engine, the additional mechanical power gained is used to compress the intake air of the internal combustion engine.

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 Figs. 1 to 3, the fuel supply is a compressed gas-operated internal combustion engine 1 schematically Darge. The natural gas intended for operating the internal combustion engine 1 is stored under pressure in a gas container 2 . The maximum pressure is 200 bar. This pressure can also be lower or higher. In the case of gaseous hydrogen, for example, it is on the order of 300 bar. From the outlet 3 of the gas container 2 , the gas under this high pressure is fed to a turbine 4 , which relaxes the gas to a low excess pressure and feeds the inlet 6 to a metering unit 7 . The turbine has a suitable adjustment, for example a variable turbine geometry, such as that the pressure drop and flow can be adjusted. The metering unit 7 is connected to the turbine 4 via control lines, not shown, so that the metering unit 7 always has the required amount of gas with the required low overpressure available at its input 6 . The metering unit 7 measures the required amount of gas to the internal combustion engine 1 . The entire operation of the internal combustion engine 1 and the metering unit 7 and the turbine 4 is controlled by an operating control unit, not shown. The output 5 of the turbine 4 is coupled with a coupling element 8 in the output 10 of the internal combustion engine. The liberated during the expansion of the gas in the turbine 4 power is thus added to that of the internal combustion engine 1 output power, thereby increasing the overall efficiency of the internal combustion engine 1 increases.

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 another embodiment of the invention, which is shown in FIG. 2, the output 5 of the turbine 4 is used to drive a water pump 9 , so that this power does not have to be taken from the output 10 of the internal combustion engine 1 . Such a drive of an auxiliary unit, there are also other auxiliary units such. B. an alternator in question is particularly advantageous when the power requirement of this auxiliary unit is proportional to the fuel consumption of the internal combustion engine 1 . This is the case with a water pump, since the cooling requirement of the internal combustion engine 1 increases with its fuel consumption. With increasing fuel consumption, however, the amount removed from the gas container 2 also increases, thus the flow through the turbine 4 and the mechanical power provided at its output 5 .

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.In Fig. 3, a further, alternative embodiment of the invention is shown, in which the turbine 4 is coupled to a compressor 11 to an expander / compressor unit. The compressor 11 compresses the air in the intake tract 12 of the internal combustion engine 1 and thus replaces a known exhaust gas turbocharger. This also increases the efficiency of the drive chain or the operating time of the internal combustion engine 1 that can be achieved with the stored gas quantity. For a vehicle, this means greater range.

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.Instead of the internal combustion engine 1 , which can work according to the Otto or Diesel principle, a fuel cell can also be used. Such a fuel cell, as is known for example from the publication "NECAR 3", Daimler-Benz AG, 1997, converts oxygen and hydrogen. This water can also be stored in pressurized gas containers so that the pressure is reduced in the manner according to the invention.

Claims

1.Fuel supply device for a Druckgasbe-powered engine with a gas container that provides for operating the engine gas under high pressure, a metering unit that supplies the engine with the amount of gas required for operation, and a pressure reducing unit between the gas container and the Dosierein unit is switched to reduce the gas pressure to a low overpressure, characterized in that the pressure reducing unit is a relaxation machine ( 4 ) which expan the gas from the high pressure to the low overpressure and the energy released as mechanical lei supplies.

2. Device according to claim 1, characterized in that the expansion machine is a turbine ( 4 ).

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical power output by the expansion machine ( 4 ) is coupled via a coupling element ( 8 ) into the output ( 10 ) of the engine ( 1 ).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical power output by the expansion machine ( 4 ) is used to operate a secondary unit ( 9 ) of the engine ( 1 ).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical power output by the expansion machine ( 4 ) is used to operate a supercharger ( 11 ) which supplies the engine ( 1 ) with compressed intake air.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized ge indicates that the engine is a fuel cell.

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the engine is an internal combustion engine ( 1 ).

8. Method for supplying fuel to a compressed gas company NEN engine in which the pressure is fed by pressure gas, intended for operating the engine adorned and fed to the engine with low pressure becomes, characterized in that the energy released in pressure reduction in mechani performance and to increase the efficiency of the Engine is used.