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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Erdgaskompressionssystem
und insbesondere auf ein Erdgaskompressionssystem, welches einen Kompressor
aufweist, der durch einen Erdgasmotor angetrieben wird, welcher
mit Aufladung von sowohl einem Turbolader als auch einem Superlader
bzw. Kompressor beliefert wird.
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Hintergrund
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Bei
Verbrennungsmotoren, insbesondere bei turboaufgeladenen Erdgasmotoren,
steigen die Abgastemperaturen beträchtlich nahe dem oberen Ende
eines Betriebsbereichs des Motors und/oder in großen Höhen.
Die hohen Abgastemperaturen unter diesen Bedingungen werden durch
den hohen Abgassammelleitungsdruck bewirkt, der für solche
Betriebsvorgänge erforderlich ist, und zwar aufgrund der
gesteigerten Pumparbeit, die vom Turbolader gefordert wird. Der
erhöhte Abgassammelleitungsdruck bewirkt eine langsame
Verbrennung und verringert den Rahmen für eine Detonation,
was eine verzögerte Zeitsteuerung erfordert, was somit
die Leistung, den Wirkungsgrad und so weiter verringert. Turbomaschinen
können oft herunter geregelt werden, um den Motorbetrieb
in den Grenzen zu halten, die von dem erhöhten Rückdruck
und den erhöhten Abgastemperaturen auferlegt werden.
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Auch
wird die Motordrehzahl in Erdgasmotoren oft durch die Abgastemperatur
begrenzt. Daher kann es wünschenswert sein, Wege zu finden,
Erdgasmotoren in einer Art und Weise zu konfigurieren und zu betreiben,
um niedrigere Abgastemperaturen zu erzeugen, um verschiedene Aspekte
der Motorleistung zu verbessern. In turboaufgeladenen Systemen steigert
die Anwesenheit der Turbine im Abgasflusspfad den Rückdruck
im Auslass, was zu höheren Abgastemperaturen führt.
Abgastemperaturen können auch aufgrund hoher Verdichtungsverhältnisse erhöht
werden, die verwendet werden können, um die Leistung zu
verbessern.
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Obwohl
die Anwendung von Turboladern und hohen Kompressionsverhältnissen
die Leistung verbessern kann, tendieren somit Turbolader und hohe
Verdichtungsverhältnisse dazu, Abgastemperaturen in einem
Ausmaß zu steigern, welches irgendwelche möglichen
Leistungsverbesserungen begrenzt, die durch Turbolader und hohe
Verdichtungsverhältnisse vorgesehen werden.
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In
manchen Fällen kann ein Rückdruck, der von einem
Turbolader erzeugt wird, die Abgastemperaturen so beträchtlich
erhöhen, dass die Turbomaschine herunter geregelt werden
muss (d. h. dass sie nicht auf ihrem vollen Potential verwendet
wird). Um die Leistungs/Drehmomentausgabe bei niedrigen Umdrehungen
pro Minute zu verbessern, kann beispielsweise ein Turbolader, welcher
hohe Aufladungsniveaus erzeugt, verwendet werden. Bei höheren
Umdrehungen pro Minute kann jedoch der Turbolader einen so hohen
Rückdruck erzeugen, dass die Turbomaschine herunter geregelt
werden muss, indem ein Teil des Abgases um die Turbine herum geleitet
wird (beispielsweise mit einer Überlauf- bzw. Ablassklappe)
oder indem Einstellungen am Motormanagement vorgenommen werden (beispielsweise an
der Zeitsteuerung, der Brennstofflieferung, der Luft/Brennstoff-Mischung)
und so weiter. Während dies die Bedenken bezüglich
des Rückdrucks bei hohen Umdrehungen pro Minute verringern
kann, verringert dies die Menge des Abgases, welches die Turbine
antreibt, und verringert daher die Aufladung, die von dem Turbolader
erzeugt wird. Somit kann der Turbolader nicht mit seinem vollen
Potenzial verwendet werden.
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Bei
manchen Anwendungen kann es zusätzlich wünschenswert
sein, die Motordrehzahl verringern zu können, während
die Drehmomentausgabe aufrecht erhalten wird. In der Erdgasindustrie
kann beispielsweise das Gas über eine Pipeline transportiert
werden. Um das Gas durch die Pipeline zu pumpen, können
Gaskompressoren verwendet werden. Diese Gaskompressoren können
durch eine gewisse Art von Motor angetrieben werden. Üblicherweise wird
ein Erdgas verbrennender Motor verwendet, weil er die Pipeline als
Brennstoffquelle verwenden kann.
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Es
kann zu gewissen Zeiten wünschenswert sein, den Fluss des
Gases durch die Pipeline zu verringern. Wenn beispielsweise eine
Instandhaltung an einem Teil der Pipeline ausgeführt werden
muss (beispielsweise wenn ein Ventil ersetzt werden muss) kann es
wünschenswert sein, das Pumpen des Gases zu verlangsamen,
wenn nicht sogar zu beenden. Wenn ein Ventil stromabwärts
des Gaskompressors ersetzt werden muss, kann beispielsweise ein
Ventil stromaufwärts des Ventils geschlossen werden, welches
ersetzt werden muss, und der Gaskompressor kann weiter mit langsamerer
Geschwindigkeit laufen, um allmählich einen Druck zwischen
dem Gaskompressor und dem geschlossenen Ventil aufzubauen. Wenn
die Instandhaltung abgeschlossen ist, kann das geschlossene Ventil
geöffnet werden, und der Gaskompressor kann zurück
auf die normale Betriebsgeschwindigkeit gebracht werden. Der einfachste
Weg, die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines Kompressors zu variieren,
ist es die Drehzahl des ihn antreibenden Motors zu variieren. Weiterhin ist
bestimmt worden, dass, weil diese Kompressoren mit relativ geringen
Reibungsverlusten und geringen Pumpverlusten arbeiten, in vielen
Fällen die gleiche Menge an Drehmoment erforderlich ist,
um diese Kompressoren anzutreiben, und zwar ungeachtet der Drehzahl,
mit der die Kompressoren laufen. Wenn es erwünscht ist,
die Drehzahl eines Motors zu verlangsamen, um die Drehzahl eines
Kompressors zu verringern, ist es daher erwünscht, dass
die Drehmomentausgabe des Motors konstant gehalten wird, wenn die
Drehzahl des Motors verringert wird. Diese Steuerstrategie wird üblicherweise
als ”Herunterdrehen” oder ”Drehzahlherunterregelung” bezeichnet.
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Es
ist auch wünschenswert, die Drehzahl des Kompressors (und
daher die Drehzahl des Motors) über einen weiten Betriebsbereich
zu variieren. Dies stellt eine Herausforderung dahingehend dar, dass
ein konstantes Drehmoment über einen breiten Bereich von
Motordrehzahlen erzeugt werden soll.
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Um
ein konstantes Drehmoment über einen breiten Bereich von
Motordrehzahlen zu erzeugen, sind Systeme entwickelt worden, die
irgendeine Anzahl von Motorbetriebsparametern variieren, wie beispielsweise
die Turboaufladung. Einige Systeme variieren die Turboaufladung
durch Verwendung eines Turbokompressorbypasses bzw. einer Turbokompressorüberleitung
oder einer Abgasauslassklappe.
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Wie
oben beschrieben, kann jedoch der Leistungsbereich des Turboladers
durch Rückdruck- und Abgastemperaturfaktoren begrenzt werden.
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Das
US-Patent 6 434 473 , welches
an Kanesaka erteilt wurde (das '473-Patent) offenbart einen Motor
mit einem Einleitungssystem, welches sowohl einen Superlader bzw.
Kompressor mit einem Bypass als auch einem Turbolader aufweist.
Der Motor in dem '473-Patent wird derart offenbart, dass er angeblich
die Fähigkeit hat, eine flache BMEP-Kurve bzw. Kurve des
mittleren Abgasdruckes über einen Teil seines Bereiches
von Betriebsdrehzahlen zu erzeugen.
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Das
'473-Patent offenbart jedoch, dass der Motor ein Dieselmotor ist
und nicht ein Erdgasmotor. Zusätzlich offenbart das '473-Patent
nur konstantes Drehmoment über weniger als die Hälfte
seiner Betriebsdrehzahlen.
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Weiterhin
ist das System des '473-Patentes ausgelegt, um vorgeblich Probleme
zu lösen, die bei Erdgasmotoren überhaupt nicht
auftreten, insbesondere bei Motoren, die für die Erdgaspipelinekompression
verwendet werden. Beispielsweise wurde der Superlader bzw. Kompressor,
der in dem '473-Patent offenbart wurde, angeblich hinzugefügt,
um die Turboverzögerung zu verringern oder zu eliminieren.
Für ein Gaskompressionssystem mit stetigem Zustand jedoch
ist eine Turboladerverzögerung bzw. ein Turboloch kein
Problem. Auch offenbart das '473-Patent die Verwendung des Turboladers,
um die Menge der Luft zu vergrößern, welche zum
Motor beim Start geliefert wird, während Erdgasmotoren
tendenziell eine Einlassdrosselung erfordern, um die Einlassladung zu
reduzieren, die zum Motor beim Start geliefert wird. Weiterhin werden
Gaskompressionssystems im stetigen Zustand rund um die Uhr betrieben,
und zwar 24 Stunden am Tag, so dass ein Start ziemlich selten auftritt.
Entsprechend sieht das '473-Patent keine Lösung dafür
vor, breite Bereiche von Drehzahlherunterregelungen in Erdgasmotoren
zu erreichen, insbesondere bei jenen, die für die Erdgaskompression
verwendet werden.
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf Verbesserungen bei der Fähigkeit
von Gaskompressionssystemen gerichtet, eine Drehzahlherunterregelung auszuführen,
d. h. Verbesserungen im Bereich der Herunterregelung.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Erdgaskompressionssystem
gerichtet. Das System kann einen Erdgaskompressor aufweisen, der
konfiguriert ist, um Erdgas zu komprimieren und dadurch durch eine
Pipeline zu pumpen. Das System kann auch einen Erdgas verbrennenden Motor
aufweisen, der betriebsmäßig mit dem Erdgaskompressor
gekoppelt ist, wobei der Motor mit Luft durch ein Einleitungssystem
beliefert wird. Das Einleitungssystem kann einen Superlader bzw.
Kompressor aufweisen, der vom Motor angetrieben wird und konfiguriert
ist, um die Einlassluft zu komprimieren. Das Einleitungssystem kann
weiter einen Turbolader stromabwärts des Kompressor aufweisen,
welcher durch Abgase angetrieben wird, die durch den Motor erzeugt
werden. Zusätzlich kann das Einleitungssystem einen Superladerkompressorbypass aufweisen,
der konfiguriert ist, um selektiv einen Teil der komprimierten Ausgabe
des Kompressors stromaufwärts des Kompressors rückzuzirkulieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Erdgas
verbrennenden Motor gerichtet. Der Motor kann ein Einleitungssystem
bzw. Einlasssystem aufweisen, welches konfiguriert ist, um Luft
zum Motor zu liefern. Das Einleitungssystem kann auch einen Superlader
bzw. Kompressor aufweisen, der vom Motor angetrieben wird und konfiguriert
ist, um die Einlassluft zu komprimieren. Das Einleitungssystem kann
auch einen Turbolader stromabwärts des Kompressors aufweisen,
der von Abgasen angetrieben wird, die vom Motor erzeugt werden.
Zusätzlich kann das Einleitungssystem einen Superladerkompressorbypass
aufweisen, der konfiguriert ist, um selektiv einen Teil der komprimierten
Ausgabe des Kompressorsystems stromaufwärts des Kompressors
zurückzuzirkulieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegenden Offenbarung auf ein Verfahren
zum Pumpen von Erdgas durch eine Pipeline gerichtet. Das Verfahren
kann aufweisen, Luft zu einem Erdgas verbrennenden Motor mit einem
Superlader bzw. Kompressor zu liefern, der vom Motor angetrieben
wird und konfiguriert ist, um die Einlassluft zu komprimieren, und
mit einem Turbolader stromabwärts des Kompressors, der
von Abgasen angetrieben wird, die vom Motor erzeugt werden. Das
Verfahren kann auch aufweisen, selektiv einen Teil der komprimierten
Ausgabe des Kompressors stromaufwärts des Kompressors mit
einem Superladerkompressorbypass zurückzuzirkulieren. Weiterhin
kann das Verfahren aufweisen, einen Gaskompressor mit dem Motor
anzutreiben und das Erdgas mit dem Gaskompressor zu komprimieren,
wodurch das Erdgas durch die Pipeline gepumpt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Erdgas
verbrennenden Motor gerichtet, der ein Einleitungs- bzw. Einlasssystem
aufweist, welches konfiguriert ist, um Luft zum Motor zu liefern.
Das Einleitungssystem kann weiter einen Turbolader aufweisen, der
von Abgasen angetrieben wird, welche vom Motor erzeugt werden, und einen
Superlader bzw. Kompressor stromabwärts des Turboladers,
der vom Motor angetrieben wird und konfiguriert ist, um die Einlassluft
zu komprimieren. Das Einlasssystem kann auch einen Superladerkompressorbypass
aufweisen, der konfiguriert ist, um selektiv einen Teil der komprimierten
Ausgabe des Kompressors stromaufwärts des Kompressors zurückzuzirkulieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Erdgaskompressionssystems gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Erdgaskompressionssystems gemäß einem
alternativen beispielhaften Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt
ein beispielhaftes Erdgaskompressionssystem 10. Das System 10 kann
einen Motor 12 aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen kann
der Motor 12 ein Motor sein, der Erdgas oder einen anderen
gasförmigen Brennstoff verbrennt. Jedoch können
die Konzepte der Lufteinleitung und des Motormanagements, die hier
besprochen werden, auf jeglichen Verbrennungsmotor angewandt werden,
beispielsweise auf einen Benzinmotor, einen Dieselmotor und so weiter.
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Für
die Zwecke dieser Offenbarung wird der Ausdruck ”Erdgas” verwendet,
um sich auf irgendeine Art von gasförmigem fossilen Brennstoff
zu beziehen. Erdgas besteht in erster Linie aus Methan, kann jedoch
verschiedene Mengen an anderen Gasen aufweisen, wie beispielsweise
Ethan, Propan, Butan, Kohlendioxid, Stickstoff, Helium und Wasserstoffsulfid.
Der Ausdruck Erdgas, so wie er hier verwendet wird, weist Erdgas
von Brennstoffgüte auf, welches typischerweise hauptsächlich
Methan ist, welches gereinigt worden ist, um die meisten der anderen oben
erwähnten Bestandteile zu entfernen.
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Der
Motor 12 kann betriebsmäßig mit einem Gaskompressor 14 gekoppelt
sein, der konfiguriert sein kann, um Erdgas zu komprimieren und
dadurch durch eine Pipeline 16 zu pumpen. In einigen Ausführungsbeispielen
kann der Motor 12 den Fluss von Erdgas in der Pipeline 16 als
eine Brennstoffquelle verwenden, wie von einer Brennstoffversorgungsleitung 18 gezeigt.
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Der
Motor 12 kann ein zweistufiges Einleitungssystem 20 einsetzen,
welches konfiguriert ist, um Luft in den Motor zu liefern. In dem
Einleitungssystem 20 kann Einlassluft zuerst durch einen
Superlader bzw. Kompressor 22 komprimiert werden, und dann
weiter durch einen Turbolader 24 komprimiert weren, der
von dem Abgas angetrieben wird, welches durch ein Abgas- bzw. Auslasssystem 25 des Motors 12 fließt.
Wie in 1 gezeigt, kann das Einleitungssystem 20 konfiguriert
sein, um Einlassluft (oder im Fall eines Erdgasmotors eine Mischung
von Luft und Brennstoff) zum Kompressor 22 zu liefern.
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In
einigen Ausführungsbeispielen kann die Ausgabe des Kompressors 22 mit
einem Zwischenkühler 26 gekühlt werden,
bevor sie zu einem Turbokompressor 28 geliefert wird. Der
Zwischenkühler 26 kann mit einem Kühlmittel
(beispielsweise mit Wasser) beliefert werden, welches auf irgendeiner
geeigneten Temperatur zum Herunterkühlen des Einlassluftstroms
zum Turbolader 24 in einem erwünschten Temperaturbereich
ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise
Kühlmittel mit 54°C geliefert werden, wie in den 1 und 2 gezeigt.
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Die
Ausgabe des Turbokompressors 28 kann zu den Brennkammern
des Motors 12 geliefert werden. Entlang dieses Weges kann
die Einlassladung weiter durch einen oder mehrere Nachkühler 30 gekühlt
werden. Kühlmittel (beispielsweise Wasser), welches zu
den Nachkühlern 30 geliefert wird, kann auf irgendeiner
geeigneten Temperatur zur Kühlung der Einlassluft (oder
der Luft- und Brennstoffmischung) geliefert werden. Wie in den 1 und 2 gezeigt,
können beispielsweise die Nachkühler 30 mit
Kühlmittel auf unterschiedlichen Temperaturen beliefert
werden, wie beispielsweise mit 99°C und 54°C.
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In
alternativen Ausführungsbeispielen kann Einlassluft zuerst
zu einem Turbolader und als zweites zu einem Kompressor geleitet
werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Kompressor 22 beispielsweise
stromabwärts des Turboladers 24 gelegen sein (wie
in 2 gezeigt).
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Mit
weiterem Bezug auf 1 kann der Kompressor 22 weiter
irgendeine Bauart eines Kompressors sein (beispielsweise ein Roots-Kompressor, ein
Zentrifugalkompressor usw.). Der Kompressor 22 kann direkt
oder indirekt durch den Motor 12 angetrieben werden. Wie
schematisch in 1 gezeigt, kann beispielsweise
der Kompressor 22 einen Zentrifugalkompressor aufweisen,
der vom Motor 12 angetrieben wird, beispielsweise über
eine Kurbelwelle 32. Der Kompressor 22 kann mit
der Kurbelwelle 32 durch einen Riemen 33 und eine
oder mehrere Riemenscheiben 34 verbunden sein, wie in 1 gezeigt.
Alternativ kann der Kompressor 22 mit der Kurbelwelle 32 mit
einer Kette und mit Kettenrädern oder mit einem anderen
Leistungsübertragungsmechanismus verbunden sein.
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Der
Turbolader 24 kann aufweisen, dass der Turbokompressor 28 durch
einen Abgasfluss angetrieben wird, welcher vom Motor 12 erzeugt
wird, welcher eine Turbine 35 antreibt. Obwohl 1 einen einzelnen
Kompressor und einen einzelnen Turbolader veranschaulicht, kann
das System 10 mehrere Kompressoren und/oder mehrere Turbolader
aufweisen, die zusammen arbeiten. Beispielsweise können Motoren
mit mehreren Zylinderbänken (beispielsweise V-Konfigurationen
wie beispielsweise V6, V8, V10) mehrere Kompressor- und Turboladersätze
haben, beispielsweise einen für jede Zylinderbank. In einigen
Ausführungsbeispielen kann ein einziger Kompressor zwei
Turbolader bzw. einen Doppelturbolader speisen. In anderen Ausführungsbeispielen können
zwei Kompressoren bzw. ein Dualkompressor einen einzigen Turbolader
speisen. In alternativen Ausführungsbeispielen können
doppelte Turbolader einen einzigen Kompressor speisen, oder einziger
Turbolader kann doppelte Kompressoren speisen.
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Um
einen breiten Bereich einer Drehzahlherunterregelung zu erreichen
(d. h. eine konstante oder im wesentlichen konstante Drehmomentausgabe über
einen breiten Bereich von Motordrehzahlen zu halten) kann der Fluss
der Einlassladung (d. h. der komprimierten Einlassluft oder Einlassmischung) durch
einen oder mehrere Flussregulierungsmechanismen gesteuert werden.
Beispielsweise kann das Einleitungssystem 20 einen Superladerkompressorbypass
bzw. eine Kompressorüberleitung 36 aufweisen,
weiter einen Turbokompressorbypass 38, eine Auslassklappe 40,
eine Einlassdrossel 42 und/oder eine Brennstoffeinlassvorrichtung 44.
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Der
Superladerkompressorbypass 36 kann konfiguriert sein, um
selektiv zu gestatten, dass unter Druck gesetztes Gas, welches aus
dem Kompressor 22 ausgelassen wird, zurück zur
Einlassleitung stromaufwärts des Kompressor 22 geführt
wird. Entsprechend kann der Superladerkompressorbypass 36 mindestens
ein Superladerkompressorbypassventil 46 oder andere Flussregulierungsvorrichtungen
aufweisen. Durch Rückzirkulation bzw. Rückführung
von einem Teil der Kompressorausgabe kann weniger Einlassfluss und
daher eine Ladung mit niedrigerem Druck zum Turbolader 24 und
folglich zum Motor 12 geliefert werden.
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Der
Turbokompressorbypass 38 kann konfiguriert sein, um ziemlich
genauso zu arbeiten, wie der Superladerkompressorbypass 36,
und zwar dahingehend, dass der Turbokompressorbypass 38 selektiv
den Turbokompressorauslassstrom vom Turbokompressor 28 rückführen
kann. Genauso wie der Superladerkompressorbypass 36 kann
der Turbokompressorbypass 38 zumindest ein Turbokompressorbypassventil 48 oder
andere Flussregulierungsvorrichtungen aufweisen. Eine Rückführung
der Turbokompressorausgabe kann auch verwendet werden, um den Fluss
und daher den Druck der Einlassladung zu verringern, die schließlich
zum Motor 12 geliefert wird.
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Die
Auslassklappe 40 kann konfiguriert sein, um selektiv zu
gestatten, dass Motorabgas an der Turbine 35 vorbeiläuft
und weiter durch das Auslasssystem 25 läuft. Ein
gesteuerter Betrieb der Auslassklappe 40 kann eine gesteuerte
Variation der Aufladung zur Folge haben, welche für den
Motor 12 vorgesehen wird.
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Die
Einlassdrossel 42 kann zwischen dem Turbolader 24 und
dem Motor 12 gelegen sein (wie in 1 gezeigt)
oder zwischen dem Kompressor 22 und dem Motor 12 (wie
in 2 gezeigt). Bei jeder Art von Ausführungsbeispiel
kann die Einlassdrossel 42 entweder stromaufwärts
oder stromabwärts irgendeines Nachkühlers in dem
Einleitungssystem 20 positioniert sein (beispielsweise
stromaufwärts oder stromabwärts von einem der
Nachkühler 30 oder von beiden Nachkühlern 30).
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Die
Einlassdrossel 42 kann konfiguriert sein, um den Fluss
der Einlassladung zum Motor 12 zu regeln. In einigen Ausführungsbeispielen
des Erdgasmotors 12 kann die Drossel 42 konfiguriert
sein, um nicht nur die Menge des Luftflusses zum Motor zu steuern
sondern auch die Luft/Brennstoff-Mischung. In anderen Ausführungsbeispielen
kann die Luft/Brennstoff-Mischung durch Steuerung der Brennstoffeinlassvorrichtung 44 gesteuert
werden. In solchen Ausführungsbeispielen kann die Drossel 42 einfach
den Massenfluss zum Motor 12 steuern.
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In
einigen Ausführungsbeispielen kann die Brennstoffeinlassvorrichtung 44 beispielsweise
einen Vergaser oder eine andere Luft/Brennstoff-Verhältniszumessvorrichtung
aufweisen. Solche Luft/Brennstoff- Verhältniszumessvorrichtungen
können an irgendeiner Stelle stromaufwärts der
Einlassdrossel 42 gelegen sein, wie beispielsweise stromaufwärts des
Kompressors 22 (wie in 1 gezeigt)
oder näher an der Einlassdrossel 42 (wie in 2 gezeigt). In
anderen Ausführungsbeispielen kann die Brennstoffeinlassvorrichtung 44 eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung aufweisen, die an irgendeiner Stelle
entlang des Einlasspfades bzw. der Einlassleitung des Einleitungssystems 20 positioniert
sein kann. Einige Ausführungsbeispiele können
eine Anschluss- bzw. Kanaleinspritzung aufweisen. Solche Ausführungsbeispiele
können ebenfalls die Einlassdrossel 42 verwenden,
um das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu steuern.
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Das
System 10 kann eine Steuervorrichtung 50 aufweisen,
die konfiguriert ist, um den Betrieb der verschiedenen oben beschriebenen
Komponenten zu steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 50 konfiguriert
sein, um den Betrieb des Superladerkompressorbypasses 36 zu
steuern (über die Steuerung des Superladerkompressorbypassventils 46),
weiter den Turboladerkompressorbypass 38 (über
eine Steuerung des Turboladerkompressorbypassventils 48),
die Auslassklappe 40, die Drossel 42 und/oder
die Brennstoffeinlassvorrichtung 44. Schließlich
können sowohl der Massenfluss als auch das Luft/Brennstoff-Verhältnis
durch eine Kombination der Einlasssystemkomponenten bestimmt werden,
die in Übereinstimmung miteinander arbeiten.
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In
einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuervorrichtung 50 andere
Betriebsvorgänge ausführen, die mit dem System 10 assoziiert
sind. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 50 in einigen Ausführungsbeispielen
ein Motorsteuermodul (ECM = engine control module) sein, und kann
somit konfiguriert sein, um andere Motormanagementfunktionen für
den Motor 12 auszuführen, wie beispielsweise eine
Zeitsteuerung, eine Steuerung der Luft/Brennstoff-Mischung, eine
Klopfsteuerung und verschiedene andere Funktionen, die mit Leistung, Emissionen
und so weiter in Beziehung stehen. Die Steuervorrichtung 50 kann
die Steuerung von diesen Komponenten und Parametern auf Informationen
begründen, die von verschiedenen Sensoren aufgenommen wurden,
wie beispielsweise von Drucksensoren, Temperatursensoren, usw.
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Für
Ausführungsbeispiele des Systems 10, bei denen
der Motor 12 ein Erdgasmotor ist, kann die Steuervorrichtung 50 konfiguriert
sein, um die Einlassdrossel 42 zu steuern, um die Einlassladung
zu verringern, die zum Motor 12 während des Motorstarts
geliefert wird. Während Benzin- oder Dieselmotoren oft
eine gezwungene Einleitung bzw. Zwangsbeatmung verwenden, um zusätzliche
Luft zum Motor während des Starts zu liefern, kann für Erdgasmotoren
ein viel niedrigerer Einlassladungsdruck erwünscht sein.
Für einige Erdgasmotoren kann beispielsweise ein Einlassladungsdruck
unter dem atmosphärischen Druck erwünscht sein.
Das System 10 kann konfiguriert sein, um den Motor 12 mit
einem solchen verringerten Druck zu beliefern, und zwar durch Steuerung
der Einlassdrossel 42 mit der Steuervorrichtung 50.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
offenbarte System kann auf irgendeine Bauart eines Verbrennungsmotors
anwendbar sein, die Erdgasmotoren, Benzinmotoren, Dieselmotoren und
so weiter aufweist. Das offenbarte System kann sowohl einen Turbolader
als auch einen Superlader bzw. Kompressor aufweisen, die in Reihe
verwendet werden. Einlassluft, welche vom Kompressor komprimiert
wird, kann zum Einlass des Turbokompressors geliefert werden. Dies
kann die Arbeit verringern, die erforderlich ist, um den Turbokompressor
anzutreiben, was somit den Rückdruck im Auslasssystem stromaufwärts
des Turbokompressors verringert. Die Verringerung des Rückdrucks
führt zu einer Verringerung der Abgastemperaturen. Durch
Verringerung des Rückdrucks und der Abgastemperaturen kann die
Leistung des Motors beträchtlich gesteigert werden, insbesondere
bei höheren Umdrehungen pro Minute und großer
Höhe, weil die Zeitsteuerung nicht im gleichen Ausmaß verzögert
werden muss und die Turbomaschine nicht im gleichen Ausmaß herunter geregelt
werden muss.
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Zusätzlich
kann die Verwendung des Kompressors in Verbindung mit dem Turbolader
in einigen Ausführungsbeispielen die Notwendigkeit einer
Auslassklappe bzw. Ablassklappe eliminieren. In anderen Ausführungsbeispielen
kann eine Ablassklappe eingesetzt werden, um weiter den Bereich
von Motordrehzahlen zu er weitern, über die eine Drehmomentausgabe
konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten werden kann (d.
h. einen breiten Bereich einer Drehzahlherunterregelung vorzusehen).
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Die
Komponenten und die Steuerstrategie des Systems 10 können
konfiguriert sein, um den Motor 12 mit einer konstanten
oder im Wesentlichen konstanten Drehmomentausgabe zu betreiben,
wenn die Motordrehzahl des Motors 12 und die entsprechende
Drehzahl des Kompressors 14 während des Herunterregelns
der Drehzahl verringert werden. Weil das Einleitungssystem 20 des
Motors 12 eine Anzahl von Flussregulierungsvorrichtungen
aufweisen kann, die in einigen Ausführungsbeispielen einzeln
gesteuert werden können, kann der Motor 12 eine
konstante oder im Wesentlichen konstante Drehmomentausgabe über
einen breiten Bereich von Motordrehzahlen erzeugen. In einigen Ausführungsbeispielen
kann eine konstante oder im Wesentlichen konstante Drehmomentausgabe über
im Wesentlichen den gesamten Bereich von Betriebsdrehzahlen des
Motors 12 erzeugt werden.
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Für
die Zwecke dieser Offenbarung soll sich der Ausdruck ”im
Wesentlichen konstantes Drehmoment” auf eine Drehmomentausgabe
beziehen, die nicht beträchtlich variiert. Beispielsweise
kann ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Erdgasversion
des Motors 12, die verwendet wird, um einen Kompressor
an einer Erdgaspipeline anzutreiben, eine im Wesentlichen konstante
Drehmomentausgabe von 3400 Nm +/– 170 Nm (2508 lb – ft
+/– 125 lb – ft) über den normalen Betriebsbereich
von Motorbetriebsdrehzahlen aufrecht erhalten.
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Das
offenbarte System kann zur Anwendung bei der industriellen Erdgaskompression
zum Zweck des Pumpens von Erdgas durch eine Pipeline eingesetzt
werden. Ein beispielhaftes Verfahren zum Pumpen von Erdgas durch
eine Pipeline kann das Liefern von Luft zu einem Erdgas verbrennenden
Motor mit einem Superlader bzw. Turbolader aufweisen, der vom Motor
angetrieben wird und konfiguriert ist, um die Einlassluft zu komprimieren,
und mit einem Turbolader stromabwärts des Kompressors,
der von Abgasen angetrieben wird, die vom Motor erzeugt werden.
Das Verfahren kann auch aufweisen, selektiv einen Teil der komprimierten
Aus gabe des Kompressors zu einer Stelle stromaufwärts des
Kompressors mit einem Superladerkompressorbypass zurückzuführen.
Weiterhin kann das Verfahren aufweisen, einen Gaskompressor mit
dem Motor anzutreiben und das Erdgas mit dem Gaskompressor zu komprimieren,
wodurch das Erdgas durch die Pipeline gepumpt wird.
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Das
Verfahren kann auch aufweisen, eine Drehzahlherunterregelung auszuführen,
wobei die Motordrehmomentausgabe im Wesentliche konstant gehalten
wird, während die Motordrehzahl verringert wird. Die Drehzahlherunterregelung
kann durch Steuerung von Komponenten des Einlasssystems mit einer
Steuervorrichtung geregelt werden.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten Erdgaskompressionssystem vorgenommen
werden können, ohne vom Umfang der offenbarten Ausführungsbeispiele
abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele des offenbarten
Systems werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der Beschreibung
und einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Systeme
und Verfahren offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die
Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden,
wobei ein wahrer Umfang des offenbarten Konzeptes durch die folgenden
Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen
gezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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