-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer gasbetriebenen Antriebseinrichtung. Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge bekannt, die mit gasförmigen Treibstoffen betrieben werden. Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch bei anderen Energiewandlern bzw. Antriebseinrichtungen eingesetzt werden kann, wie beispielsweise bei Brennstoffzellenantriebssystemen.
-
Die Kraftstoffzufuhr in Verbrennungsmotoren, die mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden, erfolgt durch Einblasung und insbesondere Druckeinblasung in das Saugrohr bzw. direkt in den Verbrennungsraum. Dabei ist es möglich, zur Erzielung hoher Wirkungsgrade bei gleichzeitiger Verringerung von Emissionen durch Direkteinblasung in den Brennraum den Verbrennungsprozess vorteilhaft zu beeinflussen. Je höher der Einblasedruck ist, umso besser kann der Zeitpunkt und die Dauer der Einblasung beeinflusst werden, so dass es sogar möglich ist, ein Brennverfahren zu erhalten, welches dem eines Dieselmotors ähnlich ist.
-
Dabei erfolgt üblicherweise die Bereitstellung des notwendigen Einblasedrucks über einen Druckregler, der jedoch nur arbeiten kann, so lange der Druck in der Tankanlage oberhalb des erforderlichen Einblasedrucks des Motors liegt. Damit wird der nutzbare Vorratsdruck und damit auch die Reichweite des Fahrzeugs im Falle höher werdender Mindesteinblasdrücke immer stärker reduziert.
-
Aus der
DE 11 2006 001 271 T5 ist ein direkteinspritzender, gasbetriebener Motor sowie ein Verfahren zum Steuern des Kraftstoffeinspritzdrucks bekannt. Dabei wird der gasförmige Kraftstoff dem Brennraum des Verbrennungsmotors während dessen Kompressionshubs über ein druckdefiniertes Feinspritzventil zugeführt. Der Einspritzdruck des gasförmigen Kraftstoffs kann dabei gemessen und in Abhängigkeit der Erfordernisse entsprechend korrigiert werden, um auf diese Weise die jeweils gewünschte Einspritzmenge an Kraftstoff zu erzielen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reichweite von mit gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen zu erhöhen. Weiterhin soll eine Möglichkeit geschaffen werden, um stets ausreichende Druckverhältnisse zum Betreiben der entsprechenden Energiewandler bzw. Motoren zu erreichen.
-
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand von Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 10 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer gasbetriebenen Antriebseinrichtung zum Bewegen des Fahrzeugs weist eine Tankeinrichtung auf, in der ein Treibstoff zur Versorgung der Antriebseinrichtung angeordnet ist, sowie wenigstens eine Verbindungsleitung, welche die Tankeinrichtung mit der Antriebseinrichtung verbindet, um der Antriebseinrichtung den gasförmigen Treibstoff zuzuführen.
-
Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug eine Zwischenspeichereinrichtung für den gasförmigen Treibstoff auf, sowie eine Verdichtereinrichtung zum Erhöhen des Drucks des gasförmigen Treibstoffs und diese Zwischenspeichereinrichtung steht wenigstens mittelbar mit der Verdichteinrichtung in Fluidverbindung. Bei der Antriebseinrichtung handelt es sich bevorzugt um einen Verbrennungsmotor, es wären jedoch auch andere Energiewandler und insbesondere solche Energiewandler, die ein erhöhtes Druckniveau benötigen, einsetzbar. Bei der Verbindungsleitung handelt es sich um eine solche Verbindungsleitung, durch welche der Treibstoff zuführbar ist. Dabei ist es möglich, dass sich der Treibstoff in gasförmigen Zustand in der Tankeinrichtung befindet, es wäre jedoch auch möglich, dass der Treibstoff in der Tankeinrichtung in flüssigen Aggregatszustand vorliegt.
-
Über die erfindungsgemäße Zwischenspeichereinrichtung wird erreicht, dass stets ein ausreichendes Druckniveau für den Betrieb der Antriebseinrichtung zur Verfügung steht. Dabei wird durch diese Zwischenspeichereinrichtung erreicht, dass der Drucktankinhalt auch noch vollständig genutzt werden kann, wenn der Füllstand des Tanks niedrig ist, wobei in diesem Falle über die Zwischenspeichereinrichtung und die Verdichtereinrichtung der notwendige Mindestversorgungsdruck unabhängig von dem Tankdruckniveau bis hin zur völligen Entleerung des Tanks bereit gestellt wird.
-
Es wäre auch möglich, dass keine Zwischenspeichereinrichtung vorgesehen ist und die Verdichtereinrichtung, sobald das Druckniveau unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, ständig aktiv ist.
-
Des Weiteren steht erfindungsgemäß die Zwischenspeichereinrichtung über eine zweite Verbindungsleitung mit der Tankeinrichtung wenigstens zeitweise in Fluidverbindung. Da die Tankeinrichtung bzw. die Drucktankanlage und die Zwischenspeichereinrichtung hier direkt über eine Druckleitung verbunden sind, stellt sich bereits bei der Betankung ein Druckausgleich zwischen der Tankeinrichtung und der Zwischenspeichereinrichtung ein.
-
Des Weiteren stehen erfindungsgemäß die Tankeinrichtung und die Verdichtereinrichtung über eine erste Druckversorgungsleitung wenigstens zeitweise in Fluidverbindung.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform stehen die Zwischenspeichereinrichtung und die Verdichtereinrichtung über eine zweite Druckversorgungsleitung wenigstens zeitweise in Fluidverbindung. Auf diese Weise kann auch die Zwischenspeichereinrichtung mit Hilfe der Verdichtereinrichtung wenigstens zeitweise mit dem gasförmigen Treibstoff unter Druck versorgt werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verdichtereinrichtung von der Antriebseinrichtung antreibbar. Die Erzeugung von hohem Druck kann bei dieser Ausführungsform vorzugsweise über eine Verdichtereinrichtung in Form eines Kompressors erfolgen, der mechanisch von der Antriebseinrichtung, wie dem Verbrennungsmotor, antreibbar ist. Dabei kann zwischen der Antriebseinrichtung und der Verdichtereinrichtung eine Kupplungseinrichtung vorgesehen sein, damit der Antrieb der Verdichtereinrichtung durch die Antriebseinrichtung wahlweise zu- oder abgeschaltet werden kann.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verdichtereinrichtung über einen Elektromotor antreibbar. Besonders bevorzugt erfolgt der Antrieb der Verdichtereinrichtung wahlweise über den Elektromotor und wahlweise über die Antriebseinrichtung. Zusätzlich ist es möglich, dass elektrischer Strom in einem Speicher bevorratet wird, um den Betrieb des Elektromotors unabhängig von einem Generator wie der Lichtmaschine zu gestalten.
-
Auf diese Weise kann eine Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung von Druck zur Einblasung des gasförmigen Kraftstoffes auf permanent hohem Druckniveau im Fahrzeug erreicht werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in wenigstens einer Druckversorgungsleitung und vorzugsweise in der ersten Druckversorgungsleitung eine Ventileinrichtung vorgesehen, die derart gestaltet ist, dass der gasförmige Treibstoff nicht von der Zwischenspeichereinrichtung zu der Tankeinrichtung und bevorzugt auch nicht zu der Verdichtereinrichtung gelangt. Bei dieser Ventileinrichtung handelt es sich bevorzugt um eine mechanische Steuerkomponente und insbesondere um ein Rückschlagventil. Auf diese Weise wird erreicht, dass unabhängig von dem Zustand der Tankeinrichtung ein hohes Druckniveau innerhalb der Zwischenspeichereinrichtung aufrechterhalten werden kann.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in der zweiten Druckversorgungsleitung eine Ventileinrichtung angeordnet, die derart gestaltet ist, dass der gasförmige Treibstoff nicht von der Zwischenspeichereinrichtung zu der Verdichtereinrichtung gelangen kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem Betrieb der Verdichtereinrichtung die Zwischenspeichereinrichtung mit dem gasförmigen Treibstoff unter Druck versorgt werden kann, umgekehrt und insbesondere bei einem Stillstand der Verdichtereinrichtung kein gasförmiger Treibstoff in die Verdichtereinrichtung gelangen kann.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug eine Druckmesseinrichtung auf, welche einen Druck des gasförmigen Treibstoffs in der Tankeinrichtung erfasst. Auf diese Weise ist es möglich, dass abhängig von dem gemessenen Druck jeweils beispielsweise die Verdichtereinrichtung aktiviert wird oder aber eine Versorgung der Antriebseinrichtung mit dem gasförmigen Treibstoff aus der Zwischenspeichereinrichtung aktiviert wird. Vorzugsweise ist auch eine Druckmesseinrichtung vorgesehen, welche einen Druck des gasförmigen Treibstoffs in der Zwischenspeichereinrichtung misst. Auch die Ausgänge dieser Druckmesseinrichtung können zur Regelung des Systems verwendet werden.
-
Vorzugsweise ist die Antriebseinrichtung ein Verbrennungsmotor.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug eine Steuerungseinheit und besonders bevorzugt eine Regelungseinheit auf, welche die Verdichtereinrichtung steuert. Dabei kann diese Regelung in Abhängigkeit von den oben genannten gemessenen Drücken erfolgen, aber auch in Abhängigkeit von einem Fahrzustand des Fahrzeugs. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Betrieb der Verdichtereinrichtung vorzugsweise in Schubphasen des Verbrennungsmotors erfolgt, in denen überschüssige Energie zur Verfügung steht oder aber auch in betriebsoptimalen Lastpunkten, d. h. optimalen Lastpunkten im Bezug auf Verbrauch und/oder Emissionen. Daneben kann, wie oben erwähnt, die Verdichtung auch über den Elektromotor erfolgen, der in Abhängigkeit von der Fahrsituation von einem Generator oder Energiespeicher versorgt wird.
-
Auch zwischen diesem Elektromotor und der Verdichtereinrichtung kann eine Kupplungseinrichtung vorgesehen sein, welche einen zeitweisen Betrieb der Verdichtereinrichtung durch den Elektromotor erreicht.
-
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Steuern eines Kraftfahrzeugs bzw. eines Motors gerichtet, wobei einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs ein gasförmiger Treibstoff von einer Tankeinrichtung über eine erste Druckversorgungsleitung zum Betrieb der Antriebseinrichtung zugeführt wird.
-
Erfindungsgemäß wird mittels einer Verdichtereinrichtung wenigstens zeitweise der Druck des gasförmigen Treibstoffs erhöht und wenigstens zeitweise der gasförmige Treibstoff von einer Verdichtereinrichtung über eine zweite Druckversorgungsleitung zu einer Zwischenspeichereinrichtung für den gasförmigen Treibstoff verbracht. Dabei ist die Zwischenspeichereinrichtung über eine zweite Verbindungsleitung mit der Tankeinrichtung wenigstens zeitweise fluidisch verbunden. Des Weiteren ist die Tankeinrichtung und die Verdichtereinrichtung über eine erste Druckversorgungsleitung wenigstens zeitweise fluidisch verbunden. Damit wird auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, sowohl eine Verdichtereinrichtung als auch eine Zwischenspeichereinrichtung vorzusehen, durch deren Hilfe ein ständig hohes Druckniveau beim Betrieb des Fahrzeugs erreicht wird.
-
Es wäre auch hier möglich, auf die Zwischenspeichereinrichtung zu verzichten und die Verdichtereinheit derart anzusteuern, dass, sobald der Druck des gasförmigen Mediums unter einen bestimmten Solldruck fällt, diese aktiviert wird. Damit handelt es sich bei der Verdichtereinrichtung auch hier insbesondere um eine aktive Einheit, wie einen Kompressor.
-
Vorzugsweise wird die Verdichtereinrichtung wenigstens zeitweise mechanisch von der Antriebseinrichtung direkt angetrieben.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Antrieb der Verdichtereinrichtung durch die Antriebseinrichtung in Abhängigkeit von Fahrphasen des Fahrzeugs gesteuert, also, wie oben erwähnt, beispielsweise in den Schubphasen des Verbrennungsmotors.
-
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung:
-
Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
-
Bei der in 1 gezeigten Darstellung bezieht sich das Bezugszeichen 2 auf eine Antriebseinrichtung wie insbesondere einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor. Eine Abtriebswelle dieser Antriebseinrichtung wirkt über ein Getriebe 33 auf Räder 35 eines Kraftfahrzeugs. Diese Antriebseinrichtung 2 wird ausgehend von einer Tankeinrichtung 4 mit einem gasförmigen Brennstoff versorgt. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 18 auf eine Druckregeleinheit, welche den Druck des in die Antriebseinrichtung 2 gelangenden Gases reguliert. Dabei wird der gasförmige Brennstoff über eine Verbindungsleitung 12 von der Tankeinrichtung 4 zu der Antriebseinrichtung 2 gefördert.
-
Zur Erreichung höherer Druckniveaus des gasförmigen Mediums weist die Vorrichtung eine Verdichtereinrichtung 16 auf, welche den Gasdruck des gasförmigen Brennstoffs erhöht. Diese Verdichtereinrichtung 16 kann wahlweise von der Antriebseinrichtung 2 über eine Kupplung 48 oder von einem Elektromotor 30 über eine Kupplung 46 angetrieben werden.
-
Das Bezugszeichen 42 bezieht sich auf eine Energiespeichereinrichtung wie beispielsweise die Batterie eines Kraftfahrzeuges. Daneben könnten jedoch auch andere Energiespeichereinrichtungen vorgesehen sein. Diese Energiespeichereinrichtung wird über eine Regelungseinrichtung 44 geregelt.
-
Das Bezugszeichen 28 zeigt einen Generator, der von der Antriebseinrichtung 2 angetrieben wird und seinerseits elektrische Energie erzeugt, die über elektrische Leitungskabel 54 und einen Verteiler 50 zu dem Energiespeicher 42 gelangt.
-
Das Bezugszeichen 8 bezieht sich auf eine Zwischenspeichereinrichtung, in der der gasförmige Brennstoff bevorzugt unter höherem Druck gespeichert ist. Das Bezugszeichen 22 bezieht sich auf eine erste Druckversorgungsleitung, über welche die Verdichtereinrichtung 16 der Tankeinrichtung 4 in Fluidverbindung steht. Das Bezugszeichen P1 bezieht sich auf eine Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs in der Druckversorgungsleitung 22. Damit gelangt der gasförmige Brennstoff ausgehend von der Tankeinrichtung zu der Verdichtereinrichtung 16, welche ihn anschließend unter erhöhtem Druck weiterfördern kann in Richtung der Zwischenspeichereinrichtung 8. Das Bezugszeichen 38 bezieht sich auf ein Rückschlagventil, welches verhindert, dass umgekehrt von der Zwischenspeichereinrichtung 8 der gasförmige Brennstoff in Richtung der Verdichtungseinrichtung 16 gelangen kann.
-
Dabei wäre es auch möglich, auf die Zwischenspeichereinrichtung 8 zu verzichten und die Antriebseinrichtung 2 ausgehend von der Tankeinrichtung 4 direkt über die Verdichtereinrichtung 16 zu versorgen. In diesem Falle müsste jedoch ab einem gewissen Stand des Treibstoffes in der Tankeinrichtung diese Verdichtereinrichtung 16 permanent betrieben werden. Der Zwischenspeicher schafft bevorzugt eine Möglichkeit um den Betrieb der Verdichtereinrichtung freier gestalten zu können. Die Zwischenspeichereinrichtung 8 könnte auch direkt neben der Tankeinrichtung 4 angeordnet sein.
-
Das Bezugszeichen 32 bezieht sich auf eine Druckmesseinrichtung, welche den Druck innerhalb der Tankeinrichtung 4 misst und das Bezugszeichen 34 auf eine weitere Druckmesseinrichtung, welche den Druck des gasförmigen Brennstoffs innerhalb der Zwischenspeichereinrichtung 8 misst. Über eine Verbindungsleitung 14 gelangt der gasförmige Brennstoff auch von der Zwischenspeichereinrichtung 8 über die Druckregeleinrichtung 18 in die Antriebseinrichtung 2.
-
Das Bezugszeichen 20 bezieht sich auf eine Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung zur Regelung der Verdichtereinheit. Dabei gehen die von den Druckmessgeräten 32 und 34 ausgegebenen Druckmesswerte als Eingänge in diese Regeleinrichtung über elektrische Verbindungsleitungen 62, 64 ein. Über elektrische Verbindungsleitungen 66 und 70 steuert bzw. regelt die Regeleinrichtung 20 die beiden Kupplungen 46 und 48.
-
Über eine elektrische Leitung 68 ist auch die Energiespeichereinrichtung 42 an die Regelungseinrichtung 20 angebunden. Über eine elektrische Verbindungsleitung 52 erfolgt ausgehend von der Regeleinrichtung 44 auch eine Regelung des Generators 28.
-
Durch die in 1 veranschaulichte Anbindung an die Fahrzeugelektronik wird eine bedarfsgerechte Vordruckregelung des gasförmigen Kraftstoffs möglich, so dass insbesondere die geleistete Verdichtungsarbeit primär in Phasen, in denen der Motor keinen Kraftstoff verbraucht (z. B. Schub- oder Bremsphasen) geleistet wird. Auch ist es, wie in 1 gezeigt, möglich, mit Hilfe gespeicherter elektrischer Energie die Verdichterarbeit unter Einsatz des Elektromotors 30 zu verrichten. Falls der Druck PT in der Tankeinrichtung 4 größer ist als der geforderte Einblasdruck reicht dieses Druckniveau für die Einblasung von Kraftstoff in die Antriebseinrichtung 2 aus. Da hier die Tankeinrichtung 4 und die Zwischenspeichereinrichtung 8 direkt über eine Druckleitung 12, 14 verbunden sind, stellt sich bereits bei der Betankung der Tankeinrichtung 4 ein Druckausgleich zwischen der Tankeinrichtung 4 und der Zwischenspeichereinrichtung 8 ein.
-
Falls der Druck PT in der Tankeinrichtung 4 geringer ist als der geforderte Einblasdruck PE wird mittels der Verdichtereinrichtung 16 der zu geringe Kraftstoffdruck in der Tankeinrichtung über den erforderlichen Versorgungsdruck hinaus erhöht und zusätzlich in der Zwischenspeichereinrichtung 8 bevorratet. Ein Rückschlagventil 36 verhindert, dass der gasförmige Kraftstoff von der Zwischenspeichereinrichtung 8 zurück in die Tankeinrichtung 4 gelangen kann.
-
Das Bezugszeichen 56 bezieht sich auf ein Absperrventil, mit dem die Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs sowohl an die Antriebseinrichtung 2 als auch an die Verdichtereinrichtung 16 gesperrt werden kann.
-
Durch die vorliegende Erfindung wird die Bereitstellung von Kraftstoff auf hohem Druckniveau unabhängig von einem Entleerungsgrad der Tankeinrichtung 4 erreicht. Auf diese Weise können die Vorteile einer Direkthochdruckeinblasung, z. B. in einem Verbrennungsmotor, ohne Reichweitenverlust genutzt werden.
-
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung ergibt sich durch die zeitliche Entkopplung der Druckerhöhung bis zum maximal zulässigen Druck unabhängig von der momentanen Drucksituation. Auf diese Weise kann das erforderliche Druckgefälle in der Zwischenspeichereinrichtung 8 zu einem Zeitpunkt erzeugt werden, in der kein zusätzlicher Kraftstoffbedarf notwendig ist.
-
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Antriebseinrichtung
- 4
- Tankeinrichtung
- 8
- Zwischenspeichereinrichtung
- 12, 14
- Verbindungsleitung
- 16
- Verdichtereinrichtung
- 18
- Druckregeleinheit
- 20
- Steuerungs-Regelungseinrichtung
- 22
- erste Druckversorgungsleitung
- 24
- zweite Druckversorgungsleitung
- 28
- Generator
- 30
- Elektromotor
- 32, 34
- Druckmesseinrichtung
- 33
- Getriebe
- 35
- Räder
- 38
- Rückschlagventil
- 42
- Energiespeichereinrichtung
- 44
- Regelungseinrichtung
- 46, 48
- Kupplungen
- 50
- Verteiler
- 52
- elektrische Verbindungsleitung
- 54
- Leitungskabel
- 56
- Absperrventil
- 62, 64, 66, 68
- elektrische Verbindungsleitungen
- P1
- Strömungsrichtung
- PT
- Druck in der Tankeinrichtung 4
- PE
- Einblasdruck