DE102007021236A1 - Fahrzeug mit einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs - Google Patents

Fahrzeug mit einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Fahrzeug mit einer gasbetriebenen, insbesondere wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine, umfassend einen Tank zur tiefkalten Speicherung flüssigen Kraftstoffs, einen Gemischbildungsbereich, eine Kraftstoffleitung zur Zuführung von Kraftstoff zum Gemischbildungsbereich sowie eine Luftleitung zur Zuführung von Verbrennungsluft zum Gemischbildungsbereich, wobei ein der Kraftstoffleitung zugeordneter Verdichter und ein der Luftleitung zugeordneter Verdichter vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer gasbetriebenen, insbesondere wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine umfassend einen Tank zur tiefkalten Speicherung flüssigen Kraftstoffs, einen Gemischbildungsbereich, eine Kraftstoffleitung zur Zuführung von Kraftstoff zum Gemischbildungsbereich sowie eine Luftleitung zur Zuführung von Verbrennungsluft zum Gemischbildungsbereich. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugs.
  • Aus der DE 100 52 336 A1 ist eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit einer Gaseinblasdüse, durch die ein brennbarer, gasförmiger Kraftstoff eingebracht werden kann, bekannt. Gasförmige Kraftstoffe, die in einer derartigen Brennkraftmaschine verwendet werden können sind Erd-, Flüssig-, Holz-, Bio-, Deponie-, Grubengase oder Wasserstoff. Der DE 100 52 336 A1 zufolge wird der gasförmige Kraftstoff mit dem entsprechend dem Füllungszustand eines Gastanks herrschenden Druck über einen fahrzeugtauglichen Verdichter und eine Druckregeleinrichtung der Brennkraftmaschine zugeführt. Ist der Gastank mit einem Druck von 200 bar voll aufgeladen, so wird der Verdichter mittels eines Einblas- und Brennkraftmaschinensteuergeräts so angesteuert, dass nur ein geringfügig höherer Druck, der zur genauen Versorgungsleitungsdruckregelung erforderlich ist, aufgebaut wird. Mit zunehmender Entnahme des Gases und entsprechend geringer werdendem Druck wird die jeweils erforderliche Druckdifferenz zur Darstellung eines konstanten Gaseinblasedrucks von 200 bar durch den Verdichter aufgebracht. Das Einblase- und Brennkraftmaschinensteuergerät steuert ein Gaseinblaseventil und regelt auch den Verdichter.
  • Allgemein bekannt ist es, zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen die für den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine benötigte Luft zu verdichten, sodass pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse in den Zylinder gelangt. Die Aufladung der Verbrennungsluft erfolgt mittels eines angetriebenen Verdichters.
  • Der gemäß der DE 100 52 336 A1 vorgesehene Verdichter dient dazu, den Kraftstoffdruck am Einblaseventil unabhängig von dem im Kraftstoffspeicher vorherrschenden Druck konstant zu halten. Bei einer Brennkraftmaschine mit variablem Verbrennungsluftdruck ergibt sich bei einem konstanten Einblasedruck eine variable Druckdifferenz, wobei nicht ausgeschlossen werden kann, dass der Verbrennungsluftdruck den Einblasedruck übersteigt mit der Folge, dass eine einwandfreie Kraftstoffeinbringung und damit ein ungestörter Betrieb der Brennkraftmaschine nicht gewährleistet ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein eingangs genanntes Fahrzeug bereitzustellen, bei dem unabhängig vom gemischbildungsbereichsseitigen Verbrennungsluftdruck eine einwandfreie Kraftstoffeinbringung gewährleistet ist. Außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Fahrzeugs bereitgestellt werden.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei gemäß der zugrunde liegenden Idee ein der Kraftstoffleitung zugeordneter Verdichter und ein der Luftleitung zugeordneter Verdichter vorgesehen sind sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9, wobei der zugrunde liegenden Idee zufolge über zumindest annähernd den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine gemischbildungsbereichsseitig der Kraftstoffleitungsdruck den Luftleitungsdruck um wenigstens einen vorbestimmten Betrag übersteigt.
  • Mit den beiden Verdichtern ist es möglich, einerseits den Kraftstoffdruck und andererseits den Verbrennungsluftdruck zu beeinflussen. Indem sichergestellt wird, dass der gemischbildungsbereichsseitige Kraftstoffdruck den Luftleitungsdruck um wenigstens einen vorbestimmten Betrag übersteigt, wird eine einwandfreie Kraftstoffeinbringung gewährleistet.
  • Besonders zu bevorzugende Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Fahrzeugs und Weiterbildungen des Verfahrens zum Betreiben desselben sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels der Erfindung sind der der Kraftstoffleitung zugeordnete Verdichter und der der Luftleitung zugeordnete Verdichter antriebsseitig synchronisiert. Durch die Synchronisierung der beiden Verdichter wird eine definierte Differenz zwischen gemischbildungsbereichsseitigem Kraftstoffleitungsdruck und Luftleitungsdruck erreicht. Bei einer Druckänderung in der Kraftstoffleitung und/oder der Luftleitung kann der Druck in der jeweils anderen Leitung nachgeführt werden.
  • Vorzugsweise weisen der der Kraftstoffleitung zugeordnete Verdichter und der Luftleitung zugeordnete Verdichter einen gemeinsamen Antrieb auf. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird eine erforderliche Synchronisierung mehrerer Antriebe vermieden, indem konstruktiv ein synchroner Antrieb der beiden Verdichter gewährleistet ist.
  • Sehr zweckmäßig ist es, wenn bei einem Fahrzeug, das eine Abgasleitung zur Abfuhr von Verbrennungsabgasen umfasst, zum gemeinsamen Antrieb des Verdichters in der Kraftstoffleitung und des Verdichters in der Luftleitung der Abgasleitung eine Turbine zugeordnet ist. Dadurch kann auf einen gesonderten aktiven Antrieb der Verdichter verzichtet werden, indem die Abgasenergie ausgenutzt wird. Ein Antrieb der Verdichter erfolgt abhängig von der Brennkraftmaschinenleistung, wobei zwischen Brennkraftmaschine und Verdichter bzw. Turbine keine mechanische Verbindung besteht.
  • Als sehr vorteilhaft hat sich erwiesen, einen stromauf des Verdichters in der Kraftstoffleitung und stromab des Verdichters in der Luftleitung angeordneten Wärmetauscher zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft vorzusehen. Der besondere Vorteil liegt darin, dass der im Luftverdichter erwärmten Verbrennungsluft Wärme entzogen wird und diese dabei wieder auf die erforderliche Temperatur abgekühlt wird. Zugleich wird der Kraftstoff bereits vorgewärmt, sodass bei dessen nachfolgender Verdichtung eine Temperaturerhöhung auf die gewünschte Einblastemperatur erfolgen kann. Dadurch ist keine Kühlung nach der Verdichtung nötig und der Verdichter kann kleiner ausgeführt werden, da so ein geringerer Volumenstrom verdichtet werden muss.
  • Einem anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsbeispiel zufolge ist ein Wärmetauscher stromab des Verdichters in der Kraftstoffleitung und stromab des Verdichters in der Luftleitung angeordnet zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft. Indem der vergleichsweise kalte Brennstoff zuerst verdichtet und nachfolgend über den Wärmetauscher erwärmt wird, ergibt sich als Vorteil, dass ein kleinerer Kraftstoffverdichter und damit eine geringere Verdichterleistung erforderlich ist.
  • Gemäß eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft stromauf des Verdichters in der Kraftstoffleitung und stromauf des Verdichters in der Luftleitung angeordnet. Vorteilhaft sind bei dieser Anordnung insbesondere ein kleinerer erforderlicher Verbrennungsluftverdichter aufgrund einer geringeren erforderlichen Verdichterleistung sowie ein möglicher Entfall eines Ladeluftkühlers. Durch die Abkühlung der zu verdichtenden Verbrennungsluft ist im Regelfall mit dem Abscheiden von Luftfeuchtigkeit zu rechnen, womit die Sauerstoffkonzentration im Brennraum erhöht wird. Das System ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass die Verdichtungsendtemperatur der Verbrennungsluft nach dem Verdichter in der Luftleistung der gewünschten Eintrittstemperatur in die Brennkraftmaschine entspricht.
  • Einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel zufolge ist stromab des Verdichters in der Kraftstoffleitung und stromauf des Verdichters in der Luftleitung ein Wärmetauscher zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft angeordnet.
  • Ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Fahrzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass über zumindest annähernd den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine gemischbildungsbereichsseitig der Kraftstoffleitungsdruck den Luftleitungsdruck um wenigstens einen vorbestimmten Betrag übersteigt. Dadurch wird unabhängig vom Luftleitungsdruck gewährleistet, dass zu jeder Zeit ein für eine einwandfreie Kraftstoffeinbringung ausreichender Kraftstoffleitungsdruck zur Verfügung steht.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zufolge wird im Leerlauf und unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine die gemischbildungsbereichsseitige Differenz zwischen Kraftstoffleitungsdruck und Luftleitungsdruck im wesentlichen ohne den der Kraftstoffleitung zugeordneten Verdichter erreicht. Auf diese Weise wird auch im sog. „Turboloch" eine einwandfreie Kraftstoffeinbringung gewährleistet.
  • Vorzugsweise wird im oberen Teillast- und Volllastbereich die gemischbildungsbereichsseitige Differenz zwischen Kraftstoffleitungsdruck und Luftleitungsdruck mittels des der Kraftstoffleitung zugeordneten Verdichters erreicht. Bei wirksamem Verdichter wird so eine einwandfreie Kraftstoffeinbringung auch bei erhöhtem Verbrennungsluftdruck gewährleistet, indem der Kraftstoff verdichtet und damit der Kraftstoffdruck erhöht wird.
  • Sehr zweckmäßig ist es, wenn zunächst eine Wärmemenge von der verdichteten Verbrennungsluft auf den Kraftstoff übertragen und nachfolgend der Kraftstoff verdichtet wird. Ebenfalls zweckmäßig ist es, wenn zuerst Kraftstoff und Verbrennungsluft verdichtet werden und nachfolgend eine Wärmemenge von der Verbrennungsluft auf den Kraftstoff übertragen wird. Ferner bietet es Vorteile, zuerst eine Wärmemenge von der Verbrennungsluft auf den Kraftstoff zu übertragen und nachfolgend Kraftstoff und Verbrennungsluft zu verdichten. Schließlich wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zuerst eine Wärmemenge von der Verbrennungsluft auf den verdichteten Kraftstoff übertragen und nachfolgend die Verbrennungsluft verdichtet wird.
  • Nachfolgend werden besonders zu bevorzugende Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
  • 1a ein Fahrzeug mit einer wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffverdichter und einem Verbrennungsluftverdichter, welche mittels einer abgasgetriebenen Turbine angetrieben sind, sowie einem Wärmetauscher zur Übertragung einer Wärmemenge von der Verbrennungsluft auf den Kraftstoff, wobei der Wärmetauscher dem Verbrennungsluftverdichter nach- und dem Kraftstoffverdichter vorgeordnet ist,
  • 1b ein ebensolches Fahrzeug, wobei jedoch der Wärmetauscher dem Verbrennungsluftverdichter und dem Kraftstoffverdichter vorgeordnet ist,
  • 1c ein ebensolches Fahrzeug, wobei jedoch der Wärmetauscher dem Verbrennungsluftverdichter und dem Kraftstoffverdichter nachgeordnet ist.
  • Bei dem Fahrzeug gemäß 1a ist in einem geeigneten Kryobehälter 102 Brenngas, vorliegend Wasserstoff, in flüssiger Form gespeichert. Tanknah ist in der Kraftstoffleitung 106 ein Absperrventil 120 angeordnet, es folgt ein Wärmetauscher 122 zur Erwärmung des Brenngases abhängig vom Lastpunkt der hier nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine. Stromab des Wärmetauschers 122 führt die Kraftstoffleitung 106 zu einem weiteren Wärmetauscher 118 zur weiteren Erwärmung des Kraftstoffs. Dem Wärmetauscher 118 nachgeordnet ist ein Kraftstoffverdichter 110 zur Verdichtung und Druckerhöhung des Kraftstoffs. Die Kraftstoffleitung 106 führt stromab des Verdichters 110 zu Einblas- bzw. Einspritzventilen 128, über welche der Kraftstoff der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
  • Durch die Entnahme von Brenngas aus dem Kryobehälter 102 fällt der Druck in diesem ab. Diesem Druckabfall kann dadurch entgegengewirkt werden, dass ein im Leitungsabschnitt 124 vorgesehenes Druckregelventil 126 geöffnet wird, sodass erwärmtes, verdichtetes Gas in den Behälter 102 zurückströmen kann und dadurch der gewünschte Druck im Kryobehälter 102 aufrechterhalten wird.
  • Das im Behälter 102 in tiefkalt flüssiger Form bei ca. 25°K und 2,5 bar gespeicherte Brenngas strömt bei geöffnetem Absperrventil 120 aufgrund des im Behälter 102 herrschenden Drucks durch die Leitung 106 zum Wärmetauscher 122, dessen Austrittstemperatur des Brenngases abhängig vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine ist und vorliegend ca. 75°K beträgt. Im Leerlauf liegt die Austrittstemperatur im Bereich der erforderlichen Einblastemperatur an der Brennkraftmaschine, da durch die nachgeschalteten Aggregate kein wesentlicher Wärmeeintrag mehr stattfindet. Das Brenngas strömt weiter zum Wärmetauscher 118 und wird dort weiter – vorliegend um ca. 140°K auf ca. 215°K – erwärmt, wobei der im Luftverdichter 112 erwärmten Verbrennungsluft Wärme entzogen und diese dabei abgekühlt wird. Das teilerwärmte Brenngas strömt unter Temperaturaufnahme von ca. 10°K in der Leitung 106 weiter zum Kraftstoffverdichter 110, in dem es um vorliegend ca. 4 bar auf den erforderlichen Druck von ca. 6 bar verdichtet wird. Das System ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass die Verdichtungsendtemperatur des Brenngases nach dem Kraftstoffverdichter 110 der erforderlichen Einblastemperatur, hier ca. 275°K, entspricht. Dadurch ist keine Kühlung nach der Verdichtung erforderlich und der Verdichter kann kleiner ausgeführt werden, da so ein geringerer Volumenstrom verdichtet werden muss.
  • Der Kraftstoffverdichter 110 und der Verbrennungsluftverdichter 112 sind auf einer gemeinsamen Welle 116 angeordnet, auf der auch eine Turbine 114 angeordnet ist. Die Turbine 114 wird vorliegend vom Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben. Anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen zufolge ist es jedoch ebenso möglich, den Verdichter 114 beispielsweise elektrisch, hydraulisch oder direkt von der Kurbelwelle oder Nockenwelle, bedarfsweise unter Verwendung eines Getriebes, anzutreiben.
  • Die Bauelemente der in den 1b, 1c dargestellten Ausführungsbeispiele entsprechen denen der 1a, weshalb – soweit keine Unterschiede bestehen – von einer wiederholten Beschreibung abgesehen wird. 1b zufolge ist der Wärmetauscher 118 nicht dem Verbrennungsluftverdichter 112 nach- und dem Kraftstoffverdichter 110 vorgeordnet, sondern sowohl dem Verbrennungsluftverdichter 112 als auch dem Kraftstoffverdichter 110 vorgeordnet. Das vergleichsweise kalte Brenngas wird zunächst verdichtet und erst nachfolgend im Wärmetauscher 118 erwärmt. Dabei ergibt sich als Vorteil, dass aufgrund der geringeren erforderlichen Verdichterleistung ein kleinerer Kraftstoffverdichter 112 benötigt wird.
  • Bei dem Fahrzeug gemäß 1c ist der Wärmetauscher 118 sowohl dem Verbrennungsluftverdichter 112 als auch dem Kraftstoffverdichter 110 nachgeordnet. Aufgrund der hier geringeren erforderlichen Verdichterleistung zur Verdichtung der Verbrennungsluft kann bei diesem Ausführungsbeispiel ein kleinerer Verbrennungsluftverdichter 112 verwendet werden. Außerdem wird durch die Abkühlung der zu verdichtenden Luft im Regelfall das Abscheiden von Luftfeuchtigkeit verbessert, womit die Sauerstoffkonzentration in der Brennkraftmaschine erhöht wird. Das System ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass die Verdichtungsendtemperatur der Verbrennungsluft nach dem Luftverdichter 112 der erforderlichen Eintrittstemperatur in die Brennkraftmaschine entspricht. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Verdichter 118 stromab des Verdichters 110 in der Kraftstoffleitung 106 und stromauf des Verdichters 112 in der Luftleitung 108 angeordnet ist, ist hier nicht gezeigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10052336 A1 [0002, 0002, 0004]

Claims (15)

  1. Fahrzeug mit einer gasbetriebenen, insbesondere wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine umfassend einen Tank (102) zur tiefkalten Speicherung flüssigen Kraftstoffs, einen Gemischbildungsbereich (104), eine Kraftstoffleitung (106) zur Zuführung von Kraftstoff zum Gemischbildungsbereich sowie eine Luftleitung zur Zuführung von Verbrennungsluft zum Gemischbildungsbereich, gekennzeichnet durch einen der Kraftstoffleitung (106) zugeordneten Verdichter (110) und einen der Luftleitung (108) zugeordneten Verdichter (112).
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der Kraftstoffleitung (106) zugeordnete Verdichter (110) und der der Luftleitung (108) zugeordnete Verdichter (112) antriebsseitig synchronisiert sind.
  3. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Kraftstoffleitung (106) zugeordnete Verdichter (110) und der der Luftleitung (108) zugeordnete Verdichter (112) einen gemeinsamen Antrieb (114, 116) aufweisen.
  4. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Abgasleitung zur Abfuhr von Verbrennungsabgasen, dadurch gekennzeichnet, dass zum gemeinsamen Antrieb des Verdichters (110) in der Kraftstoffleitung (106) und des Verdichters (112) in der Luftleitung (108) der Abgasleitung eine Turbine (114) zugeordnet ist.
  5. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromauf des Verdichters (110) in der Kraftstoffleitung (106) und stromab des Verdichters (112) in der Luftleitung (108) angeordneten Wärmetauscher (118) zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft.
  6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromab des Verdichters (110) in der Kraftstoffleitung (106) und stromab des Verdichters (112) in der Luftleitung (108) angeordneten Wärmetauscher (118) zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft.
  7. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromauf des Verdichters (110) in der Kraftstoffleitung (106) und stromauf des Verdichters (112) in der Luftleitung (108) angeordneten Wärmetauscher (118) zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft.
  8. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromab des Verdichters (110) in der Kraftstoffleitung (106) und stromauf des Verdichters (112) in der Luftleitung (108) angeordneten Wärmetauscher (118) zur Erwärmung des Kraftstoffs und zur Kühlung der Verbrennungsluft.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über zumindest annähernd den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine gemischbildungsbereichsseitig der Kraftstoffleitungsdruck den Luftleitungsdruck um wenigstens einen vorbestimmten Betrag übersteigt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf- und unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine die gemischbildungsbereichsseitige Differenz zwischen Kraftstoffleitungsdruck und Luftleitungsdruck im Wesentlichen ohne den der Kraftstoffleitung (106) zugeordneten Verdichter (110) erreicht wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Teillast- und Volllastbereich die gemischbildungsbereichsseitige Differenz zwischen Kraftstoffleitungsdruck und Luftleitungsdruck mittels des der Kraftstoffleitung (106) zugeordneten Verdichters (110) erreicht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Wärmemenge von der verdichteten Verbrennungsluft auf den Kraftstoff übertragen wird und nachfolgend der Kraftstoff verdichtet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst Kraftstoff und Verbrennungsluft verdichtet werden und nachfolgend eine Wärmemenge von der Verbrennungsluft auf den Kraftstoff übertragen wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Wärmemenge von der Verbrennungsluft auf den Kraftstoff übertragen und nachfolgend Kraftstoff und Verbrennungsluft verdichtet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Wärmemenge von der Verbrennungsluft auf den verdichteten Kraftstoff übertragen wird und nachfolgend die Verbrennungsluft verdichtet wird.
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