DE19836765B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftmaschine - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftmaschine mit einem Gasbehälter, der zum Betrieb der Kraftmaschine bestimmtes Gas unter hohem Druck bereitstellt, einer Dosiereinheit, die der Kraftmaschine die zum Betrieb erforderliche Gasmenge zuführt, und einer Druckreduziereinheit, die zwischen den Gasbehälter und die Dosiereinheit geschaltet ist, um den Gasdruck auf einen niederen Überdruck zu reduzieren, wobei die Druckreduziereinheit eine Entspannungsmaschine (4) ist, die das Gas vom hohen Druck auf den niederen Überdruck expandiert und die dabei freiwerdende Energie als mechanische Leistung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Entspannungsmaschine (4) abgegebene mechanische Leistung über ein Kopplungselement (8) in den Abtrieb (10) der Kraftmaschine (1) eingekoppelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Als Energieträger für Kraftmaschinen, insbesondere für Kraftmaschinen zum Antrieb von Fahrzeugen, kann neben den herkömmlichen Benzin/Diesel-Kraftstoffen auch normalerweise gasförmiger Kraftstoff verwendet werden. Dies gilt für Brennstoffzellen und Brennkraftmaschinen, die beide im folgenden unter dem Begriff „Kraftmaschinen" zusammengefaßt werden, gleichermaßen. So ist es für Brennkraftmaschinen bekannt, ein Gemisch von Propan und Butan, sogenanntes Autogas als Kraftstoff zu verwenden. Auch natürlich vorkommendes Erdgas oder gasförmiger Wasserstoff kann für den Betrieb einer Kraftmaschine eingesetzt 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 verflüssigter Form gespeichert. Das Gas kann der zu betreibenden Kraftmaschine jedoch nicht direkt mit dem Speicherdruck zugeführt werden, vielmehr ist es erforderlich, den Druck auf einen 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 bekannt. Diese Druckregeleinheit weist ein von einer elektronischen Steuereinheit mit Taktimpulsen angesteuertes Magnetventil auf, über das auf der Niederdruckseite ein exaktes Druckniveau sowie ein genauer Durchfluß einstellbar ist.
• Die DE 904 367 beschreibt die Verwendung einer Entspannungsmaschine zur Entspannung gasförmigen Kraftstoffes aus einem Druckgaserzeuger auf einen Druck, der für den Betrieb einer Brennkraftmaschine nötig ist. Die Entspannungsmaschine treibt dabei einen Verdichter an, der zum Betrieb des Druckgaserzeugers verwendet wird, um den gasförmigen Kraftstoff mit besserem Wirkungsgrad zu er zeugen.
• In der Zeitschrift BWK, Band 46 (1994) Nr. 9, S. 386-389 ist der Einsatz einer Entspannungsmaschine in der Gasversorgung einer Brennstoffzelle beschrieben. Eine solche Anlage wird dort jedoch aufgrund höherer Investitionskosten als nachteilig gegenüber einer einfachen Drosselung angesehen.
• DE 904 367 A offenbart einen druckgasbetriebenen Motor mit verschiedenen Nebenaggregaten. Bevor das Gas in den Motor eintritt, wird es auf den Motordruck entspannt. Die durch diesen Vorgang freigesetzte Energie wird beispielsweise zum Antrieb eines Verdichters genutzt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftmaschine zu schaffen, mit der ein höherer Wirkungsgrad der Kraftmaschine erreicht wird.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
• Erfindungsgemäß wird die in dem unter Hochdruck bevorrateten Gas gespeicherte Expansionsenergie in mechanische Leistung umgewandelt und in den Abtrieb der Kraftmaschine eingekoppelt. Diese so zusätzlich gewonnene mechanische Leistung 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 Kraftmaschine ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine, wobei die zusätzlich gewonnene mechanische Leistung in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine eingekoppelt wird.
• In dieser Figur ist die Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt. 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 geeignete Verstellmöglichkeit, beispielsweise eine variable Turbinengeometrie, so daß Druckabfall und Durchfluß einstellbar sind. Die Dosiereinheit 7 ist über nicht dargestellte Steuerleitungen mit der Turbine 4 verbunden, so daß die Dosiereinheit 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 Brennkraftmaschine 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 Betriebssteuergerät geregelt. Der Abtrieb 5 der Turbine 4 wird mit einem Kopplungselement 8 in den Abtrieb 10 der Brennkraftmaschine eingekoppelt. Die bei der Entspannung des Gases in der Turbine 4 freiwerdende Leistung wird somit der von der Brennkraftmaschine 1 abgegebenen Leistung zugeschlagen, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 erhöht.
• Somit läßt sich der Wirkungsgrad der Antriebskette bzw. die mit der bevorrateten Gasmenge erreichbare Betriebszeit der Brennkraftmaschine 1 erhöhen. Für ein Fahrzeug bedeutet das größere Reichweite.
• Mit steigendem Kraftstoffverbrauch steigt aber auch die aus dem Gasbehälter 2 entnommene Menge, somit die Durchströmung der Turbine 4 und die an ihrem Abtrieb 5 bereitgestellte mechanische Leistung.
• 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 Wasserstoff kann in Druckgasbehältern bevorratet werden, so daß dann die Druckminderung auf erfindungsgemäße Weise erfolgt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für eine druckgasbetriebene Kraftmaschine mit einem Gasbehälter, der zum Betrieb der Kraftmaschine bestimmtes Gas unter hohem Druck bereitstellt, einer Dosiereinheit, die der Kraftmaschine die zum Betrieb erforderliche Gasmenge zuführt, und einer Druckreduziereinheit, die zwischen den Gasbehälter und die Dosiereinheit geschaltet ist, um den Gasdruck auf einen niederen Überdruck zu reduzieren, wobei die Druckreduziereinheit eine Entspannungsmaschine (4) ist, die das Gas vom hohen Druck auf den niederen Überdruck expandiert und die dabei freiwerdende Energie als mechanische Leistung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Entspannungsmaschine (4) abgegebene mechanische Leistung über ein Kopplungselement (8) in den Abtrieb (10) der Kraftmaschine (1) eingekoppelt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine eine Turbine (4) ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine eine Brennstoffzelle ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine eine Brennkraftmaschine (1) ist.