DE102014001625A1

DE102014001625A1 - Gaskraftstoffsystem

Info

Publication number: DE102014001625A1
Application number: DE102014001625.0A
Authority: DE
Inventors: Alan R. Stockner
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2014-08-07
Also published as: CN103982333A; US20140216403A1

Abstract

Ein Gaskraftstoffsystem für einen Motor (104) ist offenbart. Das Gaskraftstoffsystem weist einen Kraftstofftank (108) auf, der zum Speichern von kryogenem Kraftstoff ausgebildet ist. Eine Kryopumpe (136) ist zum Verdichten des kryogenen Kraftstoffs, der von dem Kraftstofftank (108) empfangen wird, ausgebildet. Ein Wärmetauscher (138) ist zum Empfangen des verdichteten kryogenen Kraftstoffs und eines Motorkühlmittels ausgebildet. Ferner fließt das Motorkühlmittel durch den Wärmetauscher zum Verdampfen des verdichteten kryogenen Kraftstoffs. Das Gaskraftstoffsystem weist ferner eine Steuerung (132) auf, die zum Empfangen eines Signals, das die Motorkühlmitteltemperatur angibt, ausgebildet ist. Ferner sendet die Steuerung (132) ein Signal zum Belasten des Motors (104) mit einer oder mehrerer parasitären Lasten (149) basierend auf der Motorkühlmitteltemperatur.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Gaskraftstoffsystem und insbesondere auf ein Motorkühlmittel in dem Gaskraftstoffsystem.
Hintergrund
Schwere Maschinen wie Lokomotiven und große Bergbau-LKWs können mit unterschiedlichen Motortypen betrieben werden, die mehr als einen Kraftstoff verwenden. Der Motor kann ein Gasdirekteinspritzmotor-(engl. direct injection gas engine, DIG engine) oder ein Dualkraftstoffmotorsystem sein, in dem ein Gaskraftstoff wie beispielsweise verdichtetes Erdgas in einen Zylinder mit hohem Druck eingespritzt wird, während in dem Zylinder bereits die Verbrennung resultierend aus einer Dieselpiloteinspritzung im Gange ist. In Gasdirekteinspritzmotoren wird der Gaskraftstoff in flüssigem Zustand bei einem niedrigen Druck wie beispielsweise atmosphärischem Druck und bei niedrigen kryogenen Temperaturen in einem Flüssigspeichertank gespeichert. Wenn der Gaskraftstoff den Flüssigspeichertank verlässt, muss der verflüssigte Gaskraftstoff erwärmt werden, um letztendlich zu verdampfen und einen Gaszustand zu erreichen, bevor der Gaskraftstoff den Motorzylindern zugeführt wird.
Die zum Verdampfen des verflüssigten Gaskraftstoffs benötigte Wärme kann einem Strom verflüssigten Gaskraftstoffs, der durch einen Wärmetauscher oder einen Erhitzer strömt, durch Verwenden eines warmen Kühlmittels aus dem Motor zugeführt werden. Wenn der Motor allerdings in kalten Umgebungen betrieben wird, kann das Motorkühlmittel eine nicht ausreichende Wärme besitzen, um den verflüssigten Gaskraftstoff mit einer Rate zu verdampfen, die zum Betreiben des Motors mit einer gewünschten Leistungsausgabe ausreicht. Ferner kann das Motorkühlmittel eine Erwärmung bei Motorkaltstartbedingungen benötigen, so dass Wärme von dem Kühlmittel dazu dienen kann, die volle Motorleistung durch Verdampfen des verflüssigten Gaskraftstoffs zu erhalten. Das Motorkühlmittel kann durch Verwenden von Hilfsmitteln wie beispielsweise, aber nicht nur, Heizgeräten oder durch Verwenden von Motorabwärme erwärmt werden. Allerdings kann die Verwendung der Hilfsmittel ein zusätzlicher Heizvorgang sein. Ferner kann die Aufnahme der Hilfsmittel die Verkomplizierung und Kosten des Motorsystems erhöhen.
Die GB 2,088,475 offenbart ein Flüssiggaszufuhrgerät für einen Verbrennungsmotor. Das Gerät weist ein Mittel zum Zuführen eines Flüssiggases aus einem Druckreservoir zu einer Verdampfer-/Regelvorrichtung auf, die mit einem Kühlmittelkreislauf eines Motors zum Bereitstellen eines Kühlmittelstroms durch die Vorrichtung verbunden ist. Ferner kann die Verdampfer-/Regelvorrichtung ein elektrisches Heizelement aufweisen, zum Beispiel eine Schnellheizglühkerze, die in dem Kühlmittelstrompfad angeordnet ist und in Abhängigkeit von Temperatur und/oder Zeit während und kurz nach einem Kaltstart des Motors betrieben wird. Allerdings verbleiben Bereiche zum Verbessern des Standes der Technik.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Gaskraftstoffsystem für einen Motor offenbart. Das Gaskraftstoffsystem weist einen Kraftstofftank auf, der zum Speichern von kryogenem Kraftstoff ausgebildet ist. Eine Kryopumpe ist zum Verdichten des kryogenen Kraftstoffs, der von dem Kraftstofftank empfangen wurde, ausgebildet. Ein Wärmetauscher ist zum Empfangen des verdichteten kryogenen Kraftstoffs und eines Motorkühlmittels ausgebildet. Ferner strömt das Motorkühlmittel durch den Wärmetauscher zum Verdampfen des verdichteten kryogenen Kraftstoffs. Das Gaskraftstoffsystem weist ferner eine Steuerung auf, die zum Empfangen eines Signals ausgebildet ist, das eine Motorkühlmitteltemperatur angibt. Ferner sendet die Steuerung ein Signal zum Belasten des Motors mit einer oder mehrerer parasitärer Lasten basierend auf der Motorkühlmitteltemperatur.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Erwärmen des Motorkühlmittels offenbart. Das Verfahren weist das Verdichten von kryogenem Fluid in einer Kryopumpe auf. Ferner weist das Verfahren das Zuführen des verdichteten kryogenen Fluids zu dem Wärmetauscher und das Zuführen des Motorkühlmittels zu dem Wärmetauscher zum Verdampfen des kryogenen Fluids auf. Das Verfahren weist auch das Messen der Kühlmitteltemperatur des und das Belasten des Motors mit einer oder mehreren parasitären Lasten basierend auf der Kühlmitteltemperatur auf.
Andere Merkmale und Ausführungsformen dieser Offenbarung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung,
2 ist ein Blockdiagramm eines Motorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und
3 zeigt eine Erwärmungsstrategie für ein Motorkühlmittel gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine Seitenansicht einer Maschine 100 wie beispielsweise eine Lokomotive, in der unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung implementiert werden können. Die Maschine 100 weist einen Rahmen 102 auf. Der Rahmen 102 kann einen Motor 104, einen ersten Kraftstofftank 106 und einen zweiten Kraftstofftank 108 tragen. Ferner kann der Rahmen 102 auf einer oder mehreren Achsen 110, die mit mehreren Rädern 112 verbunden sind, angeordnet sein. Inder dargestellten Ausführungsform trägt der Rahmen 102 ferner unterschiedliche Teile wie Antriebsstränge, Hydraulikpumpen, Motoren, Ventile, Hydraulikleitungen, Wärmetauscher und Steuersysteme. Der Motor 104 kann irgendeines Typs sein, zum Beispiel, aber nicht nur, ein Verbrennungsmotor, ein Gasturbinenmotor oder Kombinationen davon. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der Motor 104 ein Gasdirekteinspritzmotor 104 sein, der mehr als einen Kraftstoff verwendet. Der Motor 104 kann in Anwendungen wie, aber nicht nur, großen Bergbau-LKWs, Elektro-LKWs und dergleichen verwendet werden.
Der erste Kraftstofftank 106 und der zweite Kraftstofftank 108 können beispielsweise aus einem Stahlkörper eines Standardgrößen-ISO-Tanks aufgebaut sein. Der erste Kraftstofftank 106 und der zweite Kraftstofftank 108 können ferner mehrere Öffnungen und Zugangspunkte zum abnehmbaren Verbinden unterschiedlicher Schläuche, Steuerventile usw. aufweisen. Ferner können der erste Kraftstofftank 106 und der zweite Kraftstofftank 108 zum Aufnehmen (Speichern) von Kraftstoff, wie beispielsweise flüssiges Erdgas (engl. liquid natural gas, LNG), verdichtetes Erdgas (engl. compressed natural gas, CNG), Benzin, Diesel und deren Äquivalente, ausgebildet sein. Der erste Kraftstofftank 106 und der zweite Kraftstofftank 108 sind jeweils zum Zuführen des Kraftstoffs zu dem Motor 104 über mehrere Leitungen ausgebildet. Der erste Kraftstofftank 106 und der zweite Kraftstofftank 108 können einen oder mehrere Filter und Pumpen aufweisen. Die Filter können Verunreinigungen wie Dreck und Staubpartikel in dem Kraftstoff entfernen, während die Pumpen saugen, verdichten und den Kraftstoff zu den Injektoren des Motors 104 liefern können.
2 stellt ein Blockdiagramm eines Motorsystems 114 mit dem Motor 104 von 1 dar, der ein Gaskraftstoffsystem und ein Flüssigkraftstoffsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist. Der Motor 104 kann einen oder mehrere Zylinder 116 aufweisen. Ferner können ein oder mehrere Motorzylinder 116 mit Kraftstoffinjektoren 118 verbunden sein. Der Kraftstoffinjektor 118 kann ein Dualventilinjektor (Zweiventilinjektor) sein, der zum unabhängigen Einspritzen vorbestimmter Mengen zweier separater Kraftstoffe ausgebildet ist. Obwohl ein einzelner Kraftstoffinjektor 118 zum unabhängigen Einspritzen zweier separater Kraftstoffe ausgebildet ist, wird darauf hingewiesen, dass zwei Injektoren entsprechend je einem der zwei Kraftstoffe verwendet werden können. Der Kraftstoffinjektor 118 kann mit einem Gaskraftstoff-Rail 120 über eine Hochdruckgaskraftstoffzufuhrleitung 122 verbunden sein. Ferner kann der Kraftstoffinjektor 118 mit einem Hochdruckflüssigkraftstoff-Rail 124 über eine Flüssigkraftstoffzufuhrleitung 126 verbunden sein.
In der dargestellten Ausführungsform kann der Gaskraftstoff beispielsweise ein kryogener Kraftstoff sein, oder kann ein Erdgas oder Petroleumgas sein, das in dem Gaskraftstoff-Rail 120 bei einem Druck von ungefähr 25–50 MPa gehalten wird. Ferner kann der Flüssigkraftstoff beispielsweise ein Dieselkraftstoff sein, der in dem Flüssigkraftstoff-Rail 124 bei ungefähr 25–50 MPa gehalten wird. Zusätzlich kann der Flüssigkraftstoff ein kohlenwasserstoffbasierter Kraftstoff wie beispielsweise DME (Dimethylether), Biokraftstoff, MDO (Marinedieselöl), oder HFO (Schwerkraftstofföl) sein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Gaskraftstoff ein verflüssigtes Erdgas (LNG) sein und der Flüssigkraftstoff kann ein Dieselkraftstoff sein. Ferner kann das LNG und der Dieselkraftstoff in irgendwelchen Druckbereichen, die nicht auf die oben genannten Bereiche beschränkt sind, basierend auf den Betriebsbedingungen des Motorsystems 114 gehalten werden. Obwohl der Bezug auf die in dem Gaskraftstoff-Rail 120 und dem Flüssigkraftstoff-Rail 124 vorliegenden Kraftstoffe, unter Verwendung der Wörter „gasförmig” oder „flüssig” geschieht, sind diese Bezeichnungen nicht dazu gedacht, die Phase (Aggregatzustand), in der Kraftstoff in den entsprechenden Rails vorliegt, zu beschränken, sondern werden nur zum Zwecke der Beschreibung verwendet. Zum Beispiel wird das LNG, das zu verdichtetem Erdgas umgewandelt wird, mit einem gesteuerten Druck in das Gaskraftstoff-Rail 120 zugeführt. Die physikalischen Eigenschaften eines solchen verdichteten Gases in dem Gas-Rail 120 können von dem Druck, bei welchem dasselbe gehalten wird, abhängen und kann in einer flüssigen, gasförmigen oder überkritischen Phase sein.
Wie in der 2 dargestellt ist, wird der Dieselkraftstoff in dem ersten Kraftstofftank 106 gelagert. Der Dieselkraftstoff kann in eine Hydraulikpumpe 128 über einen Filter 130 und mit einer variablen Geschwindigkeit (Rate) in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des Motorsystems 114 gezogen und verdichtet werden. Die Hydraulikpumpe 128 kann zum selektiven Erhöhen des Drucks des Dieselkraftstoffs zu einem Druck, der in Reaktion auf ein Druckbefehlssignal, das der Hydraulikpumpe 128 von einer Steuerung 132 zugeführt wird, variieren kann, ausgebildet sein. Der verdichtete Kraftstoff von der Hydraulikpumpe 128 wird zu dem Flüssigkraftstoff-Rail 124 zugeführt.
Ferner kann das LNG in einem flüssigen Zustand in dem zweiten Kraftstofftank 108 gelagert werden. Das LNG kann bei einem relativ niedrigen Druck, zum Beispiel atmosphärischem oder höherem Druck, gehalten werden. In der dargestellten Ausführungsform kann der zweite Kraftstofftank 108 zum Speichern des LNG bei einer Temperatur von ungefähr –160°C (–256°F) und einem Druck von ungefähr 100–1750 kPa isoliert sein. Andere Lagerbedingungen können verwendet werden. Der zweite Kraftstofftank 108 kann ferner ein Druckablassventil 134 aufweisen. Ferner kann das LNG durch eine Kryopumpe (kryogene Pumpe) 136 auf einen benötigten Druck, basierend auf den Betriebsbedingungen des Motorsystems 114, verdichtet werden. Ferner kann die Kryopumpe 136 durch eine Ölpumpe 137 angetrieben werden. Ein Reservoir 131 ist zum Zuführen von Öl zu der Ölpumpe 137 ausgebildet. Ein Druckregelventil 133 kann dazu ausgebildet sein, dem verdichteten Öl von der Ölpumpe 137 selektiv zu ermöglichen, die Kryopumpe 136 anzutreiben. Die Steuerung 132 kann die Ölpumpe 137 basierend auf den Betriebsbedingungen des Motorsystems 114 steuern. Ferner kann die Ölpumpe 137 zum selektiven Antreiben der Kryopumpe 136 basierend auf einem Signal von der Steuerung 132 ausgebildet sein. Die Steuerung 132 kann ferner das Druckregelventil 137 so steuern, dass dem verdichteten Öl von der Ölpumpe 137 selektiv ermöglicht wird, die Kryopumpe 136 anzutreiben. Die Kryopumpe 136 kann den Druck des LNG erhöhen, während das LNG in einer flüssigen Phase gehalten wird. Die Kryopumpe 136 kann zum selektiven Erhöhen des Drucks des LNG zu einem Druck, der in Reaktion auf ein Druckbefehlssignal, das der Kryopumpe 136 von der Steuerung 132 zugeführt wird, variieren kann, ausgebildet sein.
Ferner kann das verdichtete LNG in einem Wärmetauscher 138 erwärmt werden. Der Wärmetauscher 138 kann irgendein bekannter Typ von Wärmetauscher oder Erhitzer sein, der zum Verwenden mit dem LNG ausgebildet ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist der Wärmetauscher 138 ein Wasserheizmantel, der Wärme aus einem Motorkühlmittel entzieht. Alternativ kann der Wärmetauscher 138 ein Aktiverhitzer sein, zum Beispiel eine kraftstoffangefeuerter Erhitzer oder ein elektrischer Erhitzer. Das Kühlmittel kann von dem Motor 104 über eine Einlassleitung 147 zugeführt werden. Das Kühlmittel kann auch zu dem Motor 104 oder der Kühlmittelpumpe (nicht gezeigt) über eine Auslassleitung 151 gesandt werden. Das Motorkühlmittel und der kryogene Kraftstoff können in Gleichstrom oder Gegenstrom in dem Wärmetauscher 138 strömen. Der Wärmetauscher 138 überträgt Wärme zudem verdichteten LNG zum Verringern der Dichte und Viskosität, während dessen Enthalpie und Temperatur zunehmen. Das verdichtete LNG kann in den Wärmetauscher 138 in einem kryogenen flüssigen Zustand eintreten und den Wärmetauscher 138 in einem überkritischen Gaszustand verlassen, der hier zum Beschreiben eines Zustands verwendet wird, in dem der Kraftstoff gasförmig ist, aber eine Dichte hat, die zwischen der der dampfförmigen und flüssigen Phase liegt. Gemäß einem Beispiel kann das verdichtete LNG in den Wärmetauscher 138 mit einer Temperatur von ungefähr 160°C, einer Dichte von ungefähr 430 kg/m³, einer Enthalpie von ungefähr 70 kJ/kg und einer Viskosität von ungefähr 169 μPas als eine Flüssigkeit eintreten, und den Wärmetauscher 138 mit einer Temperatur von ungefähr 50°C, einer Dichte von ungefähr 220 kg/m³, einer Enthalpie von ungefähr 760 kJ/kg und einer Viskosität von ungefähr 28 μPas verlassen. Es sollte verstanden werden, dass die Werte der angegebenen Zustandsparameter in Anhängigkeit der spezifischen Zusammensetzung des verwendeten Kraftstoffs unterschiedlich sein können.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das von dem Motor 104 zugeführte Motorkühlmittel in einem genügend warmen Zustand benötigt werden, um das kryogene LNG, das in den Wärmetauscher 138 eintritt, zu erwärmen. Während eines Kaltstarts des Motors 104 kann das Motorkühlmittel schnell aufgewärmt, werden müssen. Das Motorkühlmittel kann durch Verwenden von parasitären Lasten 149 wie, aber nicht nur, Pumpen, Widerstandsheizungen, Abgasbremsung, dynamisches Bremsen, Motorleerlauferwärmung, Drehmomentwandler erwärmt werden. Ferner kann die Steuerung 132 eine niedrige Motorkühlmitteltemperatur während eines Kaltstarts des Motors 104 messen und damit eine Erwärmungsstrategie durch Einschalten der parasitären Lasten 149, die durch die Steuerung 132 gesteuert werden, aktivieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerung 132 die Einlasskühlmitteltemperatur 139 bei dem Kaltstart des Motors 104 messen. Temperatursensoren 141, 143 können auf dem Wärmetauscher 138 zum Messen der Einlasskühlmitteltemperatur 139 beziehungsweise der Auslasskühlmitteltemperatur 145 angeordnet sein. Die Steuerung 132 bestimmt, ob die Motorkühlmitteltemperatur niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist. In dem Fall einer niedrigen Motorkühlmitteltemperatur kann die Steuerung 132 den Motor 104 mit den parasitären Lasten 149 belasten. Die parasitären Lasten 149 können beinhalten, dass der Motor 104 in einem Hochleerlauferwärmungsmodus betrieben wird. Der Hochleerlaufmotorerwärmungsmodus kann zum Erhöhen der Reibung und Last des Motors 104 dienen. Die Erhöhung der Reibung und Last des Motors 104 kann die Motorkühlmitteltemperatur erhöhen, die dann dem Wärmetauscher 138 zugeführt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Steuerung 132 den Motor 104 mit den parasitären Lasten 149 durch Steuern der Ölpumpe 137 in einen Druckablassmodus während des Kaltstarts oder der Erwärmung des Motors 104 belasten. Die Ölpumpe 137 kann auf einen Maximalsystemdruck gesetzt werden, während die Ölpumpe 137 in dem Druckablassmodus betrieben wird. Dieses Phänomen kann eine signifikante Last an dem Motor 104 bereitstellen. Die Erhöhung der Last an dem Motor 104 kann das Motorkühlmittel erwärmen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Motorsystem 114 unterschiedliche andere Hydraulikpumpen, die unterschiedlichen Funktionen der Maschine 100 zugeordnet sind und in einem ähnlichen Modus betrieben werden können, aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die Steuerung 132 ferner die Maschine 100 oder den Elektro-LKW mit den parasitären Lasten 149 belasten, wobei ein Motorgenerator mit einem dynamischen Bremsnetzwiderstand belastet wird. Die während des dynamischen Bremsens erzeugte Wärme kann zum Erwärmen des Motorkühlmittels zugeführt werden. Gemäß einer Ausführungsform können die Drücke des Gaskraftstoff-Rails 120 und des Flüssigkraftstoff-Rails 124 bis zu den Maximaldrücken erhöht werden. Die Erhöhung der Drücke des Gasstoff-Rails 120 und des Flüssigkraftstoff-Rails 124 kann die Fluide aufgrund deren Verdichtung leicht erwärmen, als auch die Motorleistung zu sowohl der Hydraulikpumpe 128 als auch der Kryopumpe 136 erhöhen. Die Kryopumpe 136, die das LNG pumpt, kann in einen vollständigen Druckablass gesteuert werden, wobei sich die Last auf den Motor 104 erhöht. Ferner können, wenn der Motor 104 mit einer Abgasbremse ausgestattet ist, einer oder mehrere der Motorzylinder 116 in einen „Abgasbremsmodus” zum Erhöhen der Last des Motors 104 versetzt werden.
Gemäß einem Beispiel kann, wenn ein Antrieb des Motors 104 mit einem Drehmomentwandler ausgestattet ist, der Drehmomentwandler mit ungefähr 50% Leistung belastet und über direktem mechanischen Antrieb von dem Motor 104 betrieben werden. Der Drehmomentwandler, der mit ungefähr 50% Leistung belastet ist, kann die Last des Motors 104 erhöhen, wodurch sich das Motorkühlmittel erwärmt. Gemäß einer Ausführungsform können die motorbetriebenen Lenkungspumpen oder Wechselstromgeneratoren (Lichtmaschinen) über einen Widerstandserhitzer geschaltet werden. Der Widerstandserhitzer kann an dem Motorkühlmitteleinlass zu dem Wärmetauscher 138 angeordnet sein. Dies kann zusätzliche Motorleistung zum direkten Erwärmen des Motorkühlmittels bereitstellen.
Wie in 2 dargestellt, kann das den Wärmetauscher 138 verlassende LNG in einem Gasfilter 140 überprüft werden. Ein Teil des gefilterten LNG kann in einem druckbeaufschlagten Akkumulator 142 gelagert werden, und das restliche Gas wird einem Drucksteuermodul 144 zugeführt. Das druckgeregelte Gas wird der Gaskraftstoffzufuhrleitung 122 zugeführt. Ferner ist das Drucksteuermodul 144 mit einem Steuersignal von der Steuerung 132 ansprechbar und/oder ist zum Regeln des Drucks des LNGs, das den Kraftstoffinjektoren 118 zugeführt wird, ausgebildet. Das Drucksteuermodul 144 kann eine mechanische Vorrichtung wie ein druckluftgesteuerter Regler sein oder kann alternativ eine elektromechanisch gesteuerte Vorrichtung sein, die in Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuerung 132 betrieben wird.
Das Motorsystem 114 kann unterschiedliche andere Sensoren aufweisen, die der Steuerung 132 Informationen bezüglich des Betriebszustands und des Gesamtstatus des Motorsystems 114 bereitstellen. Das Motorsystem 114 kann unterschiedliche Sensoren aufweisen, die auf den Zustand der Kraftstoffe an unterschiedlichen Orten in dem System hinweisen. Solche Sensoren können einen Gaszustandssensor 146, einen Flüssigkeitszustandssensor 148, einen Filterzustandssensor 150, einen Erhitzerzustandssensor 152 und einen Zusatzzustandssensor 153 aufweisen. Diese Sensoren können die entsprechenden Signale zu der Steuerung 132 senden.
Folglich ist der Gaszustandssensor 146 zum Messen und Bereitstellen eines Gas-Rail-Zustandssignals 154, das einen Fluidzustand in der Gaskraftstoffzufuhrleitung 122 angibt, angeordnet. Das Gas-Rail-Zustandssignal 154 kann auf Druck und/oder Temperatur des Gases hinweisen. Ferner ist der Flüssigkeitszustandssensor 148 zum Messen eines Flüssigkeits-Rail-Zustandssignals 156, das einen Fluidzustand in der Flüssigkraftstoffzufuhrleitung 126 angibt, angeordnet. Der Filterzustandssensor 150 ist zum Messen und Bereitstellen eines Filterzustandssignals 158, das den Gaszustand zwischen (nach) dem Gasfilter 140 und (vor) dem Drucksteuermodul 144 angibt. Das Filterzustandssignal 158 kann auf den Gasdruck hinweisen. Ferner kann der Erhitzerzustandssensor 152 zum Messen und Bereitstellen eines Erhitzerzustandssignals 160, das den Gaszustand zwischen dem Wärmetauscher 138 und dem Gasfilter 140 angibt, angeordnet sein. Das Erhitzerzustandssignal 160 kann auf eine Gastemperatur an diesem Ort hinweisen. Ein Zusatzzustandssensor 153 kann zum Messen und Bereitstellen eines Flüssigkeitsszustandssignals 162 an dem Auslass der Hydraulikpumpe 128 ungeordnet sein. Das Flüssigkeitszustandssignal 162 an dem Auslass der Hydraulikpumpe 128 kann auf einen Gasdruck hinweisen, und kann als Bezug zur Überprüfung der Hydraulikpumpenbetriebe dienen. Das Flüssigkeitszustandssignal 162 kann auch auf die Gastemperatur hinweisen, um mit dem Erhitzerzustandssignal 160 stromabwärts von dem Wärmetauscher 138 verglichen zu werden und den Betriebszustand des Wärmetauschers 138 zu überprüfen. Das Gas-Rail-Zustandssignal 154, das Flüssigkeits-Rail-Zustandssignal 156, das Filterzustandssignal 158, das Erhitzerzustandssignal 160, das Flüssigkeitszustandssignal 162 und/oder andere Zustandssignale, die auf den Fluidzustand des Flüssig-/Gaskraftstoffs hinweisen, können der Steuerung 132 während des Betriebs des Motorsystems 114 fortwährend zugeführt werden.
Die Steuerung 132 kann einen Speicher, eine zweite Speichervorrichtung, eine Uhr und einen oder mehrere Prozessoren aufweisen, die zum Erfüllen einer mit der vorliegenden Offenbarung konsistenten Aufgabe miteinander zusammenarbeiten. Eine Vielzahl von im Handel erhältlichen Mikroprozessoren kann zum Ausführen der Funktionen der Steuerung 132 ausgebildet sein. Es sollte verstanden werden, dass die Steuerung 132 ohne weiteres als eine allgemeine Maschinensteuerung ausgebildet sein könnte, die in der Lage ist, eine Vielzahl anderer Funktionen der Maschine 100 zu steuern. Unterschiedliche bekannte Schaltungen, wie Signalbehandlungsschaltungen, Kommunikationsschaltungen und andere geeignete Schaltungen, können der Steuerung 132 zugeordnet sein. Es sollte auch verstanden werden, dass die Steuerung 132 eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (ASIC), einen feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA), ein Computersystem und/oder eine Logikschaltung aufweisen kann, die dazu ausgebildet sind, der Steuerung 132 zu ermöglichen, gemäß der vorliegenden Offenbarung zu arbeiten. Ferner kann die Steuerung 132 ein Teil des elektronischen Steuermoduls sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die Steuerungsform 132 Funktionalitäten und Algorithmen auf, die zum Überwachen der unterschiedlichen Signale, die durch die Systemsensoren bereitgestellt werden, betrieben werden, und unterschiedliche Fehler und anormale Betriebsmodi des Motorsystems 114 feststellen. Dies ermöglicht der Steuerung 132 Signale zu erzeugen, so dass abschwächende Maßnahmen (Gegenmaßnahmen) zum Fördern der Erwärmung des Motor 104 vorgenommen werden können, nachdem der Motor kaltgestartet wurde und/oder bei gleichförmigem Motorbetrieb bei kalten Bedingungen wie beispielsweise, wo die Umgebungslufttemperatur –20°C oder niedriger ist. Anders ausgedrückt kann die Steuerung 132 ein Temperatursteuersystem für das Motorsystem 114 aufweisen, das temporäre und permanente wärmeenergiebezogene Schwierigkeiten (Probleme) in dem Kraftstoffsystem feststellt und ortet, insbesondere solche Schwierigkeiten, die während des Motorkaltstarts oder des Motorbetriebs bei niedrigen Umgebungstemperaturbedingungen auftreten können. Zusätzlich zu den Motorkaltstarts und Betrieben bei kalten Umgebungslufttemperaturbedingungen können andere Beispiele anormaler Betriebsbedingungen, die mit wärmeenergiebezogenen Schwierigkeiten verbunden sind, Schwierigkeiten bezüglich des Eindringens von Wasser und Einfrieren in unterschiedlichen Kraftstoffsystemkomponenten beinhalten, und Bedingungen, in denen überschüssige Wärmeenergie vorliegt, wie wenn das System bei hohen Umgebungslufttemperaturbedingungen betrieben wird. Andere Beispiele von anormalen Betriebsbedingungen beinhalten das Verstopfen irgendeines der Filter, Einfrieren und/oder Verstopfen des Wärmetauschers 138, Fehlfunktion des Drucksteuermoduls 144 und/oder andere Bedingungen, die sich spezifisch auf die Zufuhr des verdichteten Gases zu und von der Gaskraftstoffzufuhrleitung 122 beziehen.
Die Steuerung 132 kann ferner Signale bereitstellen, die die Verstellung der Hydraulikpumpe 128 und der Kryopumpe 136 steuern oder einstellen. Insbesondere werden ein Hydraulikpumpensteuersignal 164 und ein Kryopumpensteuersignal 166 in der Steuerung 132 bestimmt und können zu den entsprechenden Pumpen zum Steuern der Verstellung und demzufolge Kraftstoffmenge, die jede Pumpe 128 und 136 während des Betriebs bereitstellt, zugeführt werden. Ferner kann die Steuerung 132 einen gewünschten Rail-Druck (Soll-Rail-Druck) des LNG durch das Drucksteuermodul 144 über einen Signalbefehl 168 einstellen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerung 132 Signale 169 und 170 zu den Kraftstoffinjektoren 118 zum selektiven Einspritzen der vorbestimmten Mengen des Dieselkraftstoffs bzw. des LNG senden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung ist auf Motoren mit einem Gaskraftstoffsystem, das mit einem Flüssigkraftstoffsystem betrieben wird, wobei der Flüssigkraftstoff als ein Pilotkraftstoff zum Zünden des Gaskraftstoffs dient, anwendbar. Obwohl die Maschine 100 als Lokomotive gemäß der vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist, kann die Maschine auch, aber nicht nur, ein großer Bergbau-LKW oder ein elektrischer LKW sein. Unter extremen Bedingungen, zum Beispiel bei einem Motorkaltstart oder bei einem Motorbetrieb in kalten Umgebungen, kann temporär nicht genügend Wärmeenergie zum Erwärmen des Gaskraftstoffs vorhanden sein, weil die Motorkühlmitteltemperatur niedrig ist und weit genug unter dem Gefrierpunkt sein kann, was zum Einfrieren des Motorkühlmittels in einem Wärmetauscher führt. Die Steuerung kann eine Erwärmungsstrategie für das Motorkühlmittel ausführen. Diese Funktionalität wird sowohl durch Softwarealgorithmen, die in der Steuerung ausgeführt werden, als auch durch unterschiedliche Gerätemöglichkeiten der Motorkomponenten und -systeme erreicht werden.
3 stellt eine Erwärmungsstrategie 300 für das Motorkühlmittel des Motorsystems 114 der 2 in einer Fließdiagrammform dar. Die Erwärmungsstrategie wird mit einem Motorkaltstart in Vorgang 302 initiiert. In Vorgang 304 bestimmt die Steuerung 132, dass die Motorkühlmitteltemperatur zu gering zum Verdampfen des Gaskraftstoffs in dem Wärmetauscher 138 ist. In Vorgang 306 bestimmt die Steuerung 132, mit welcher Form von parasitäten Lasten 149 der Motor 104 belastet wird. Im Vorgang 308 wird mindestens eine parasitäre Last 149 (wie in 2 beschrieben) ausgewählt. Beispielhaft kann ein Hochleerlaufmotorerwärmungsmodus zum Bereitstellen von Wärme zum Erwärmen des Motorkühlmittels ausgewählt werden. Die Steuerung 132 kann auch wählen, den Motor 104 durch Bewegen unterschiedlicher Hydraulikpumpen der Maschine 100 zu Maximaldrücken oder durch Erhöhen der Gaskraftstoff-Rail-Drücke 120 und der Flüssigkraftstoff-Rail-Drücke 124 des Motorsystems 114 mit parasitären Lasten zu belasten. Die Steuerung 132 kann den Motor 104 auch mit parasitären Lasten 149 durch Vorsehen von Abgasbremsen an einem oder mehreren der Motorzylinder 116, und/oder durch Verbinden des Motorantriebs mit einem Drehmomentwandler, der bis zu 50% Leistung belastet werden kann, belasten. Diese parasitären Lasten 149 an dem Motor 104 können das Motorkühlmittel, wie in Vorgang 310 gezeigt, schnell erwärmen, ohne dass ein Hilfserhitzermittel benötigt wird. Die Verwendung der parasitären Lasten 149 zum Erwärmen des Motorkühlmittels kann die Verkomplizierung des Motorsystems 114 verringern. Ferner können die parasitären Lasten 149 die Kosten des Gesamtsystems mit Schnellaufwärmung des Motorkühlmittels verringern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Steuerung 132 Signale empfangen, die auf den Betriebszustand des Motorsystems 114 für unterschiedliche Sensoren wie den Temperatursensoren 141, 143, dem Gaszustandssensor 146, dem Flüssigkeitszustandssensor 148, dem Filterzustandssensor 150, den Erhitzerzustandssensor 152 und den Zusatzzustandssensor 153 hinweisen. Diese Sensoren können die entsprechenden Signale zu der Steuerung 132 senden. Die Steuerung 132 kann den Betriebsstatus von diesen System bewerten und jegliche Wärmeenergieschwierigkeiten, die auftreten können, basierend auf den Signalen von den unterschiedlichen Sensoren, zuordnen (orten). Insbesondere und unter paralleler Bezugnahme auf 2 kann die Steuerung 132 die 139 und die Auslasskühlmitteltemperaturmittel 145 empfangen. Ferner kann, nach dem Messen der niedrigen Kühlmitteltemperatur, die Steuerung 132 den Motor 104 mit den parasitären Lasten 149 belasten.
Es wird verstanden werden, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass andere Implementationen der Offenbarung sich im Detail von den vorangegangenen Beispielen unterscheiden können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele davon sind dazu gedacht, auf das spezifische beschriebene Beispiel an dieser Stelle Bezug zu nehmen und sind nicht dazu gedacht, irgendeine Beschränkung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen zu implizieren. Jeglicher Ausdruck von Vorzug und Ablehnung bezüglich bestimmter Merkmale ist dazu gedacht, auf ein Fehlen von Bevorzugung für diese Merkmalen hinzuweisen, aber nicht zum vollständigen Ausschließen solcher vom Umfang der Offenbarung, wenn nicht anderweitig darauf hingewiesen wird.
Die Angabe von Wertebereichen hierin ist, wenn nicht anderweitig hierin darauf hingewiesen wird, nur dazu gedacht, als ein Kurzschriftverfahren zu dienen, das auf jeden einzelnen Wert, der in dem Bereich liegt, zu verweisen und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung mit aufgenommen, als wäre er einzeln hierin angegeben. Sämtliche hier beschriebenen Verfahren können in irgendeiner geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, wenn nicht anderweitig hierin darauf hingewiesen wird oder es anderweitig klar gegen den Kontext spricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

GB 2088475 [0004]

Claims

Gaskraftstoffsystem für einen Motor (104) mit: einem Kraftstofftank (108), der zum Speichern von kryogenem Kraftstoff ausgebildet ist, einer Kryopumpe (136), die zum Verdichten des kryogenen Kraftstoffs, der von dem Kraftstofftank (108) empfangen wird, ausgebildet ist, einem Wärmetauscher (138), der zum Empfangen des verdichteten kryogenen Kraftstoffs von der Kryopumpe (136) und eines Motorkühlmittels ausgebildet ist, so dass das Motorkühlmittel durch den Wärmetauscher (138) zum Verdampfen des verdichteten kryogenen Kraftstoffs fließt, und einer Steuerung (132), die ausgebildet ist zum Empfangen eines Signals, das die Motorkühlmitteltemperatur angibt, und Senden eines Signals zum Belasten des Motors (104) mit einer oder mehreren parasitären Lasten (149) basierend auf der Motorkühlmitteltemperatur.
Gaskraftstoffsystem nach Anspruch 1, wobei der kryogene Kraftstoff ein Flüssigerdgas ist.
Gaskraftstoffsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kryopumpe (136) durch eine Ölpumpe (137) angetrieben wird.
Gaskraftstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Motorkühlmittel und der kryogene Kraftstoff im Gleichstrom oder Gegenstrom in dem Wärmetauscher (138) strömen.
Gaskraftstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der verdampfte kryogene Kraftstoff zu einem Drucksteuermodul (144) zugeführt wird.
Gaskraftstoffsystem nach Anspruch 5, wobei das Drucksteuermodul (144) selektiv den Druck des verdampften kryogenen Kraftstoffs in Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuerung (132) regelt.
Gaskraftstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Temperatursensor (141) an dem Wärmetauscher (138) zum Messen der Motorkühlmitteltemperatur angeordnet ist.
Gaskraftstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die parasitäre Lasten (149) aus einer Gruppe bestehend aus einer oder mehreren Pumpen, Widerstandserhitzern, Abgasbremsung, Motorleerlauferwärmung, Kraftstoffdruck und Drehmomentwandler ausgewählt werden.
Maschine (100) mit: einem Motor (104) mit einem oder mehreren Motorzylindern (116), einem Flüssigkraftstoffsystem, das zum Zuführen von verdichtetem Flüssigkraftstoff in die Motorzylinder (116) ausgebildet ist, und einem Gaskraftstoffsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Maschine (100) nach Anspruch 9, wobei der Flüssigkraftstoff durch eine Hydraulikpumpe (136) verdichtet wird.
Verfahren zum Erwärmen eines Motorkühlmittels während eines Motorkaltstarts, wobei das Verfahren aufweist: Verdichten von kryogenem Fluid in einer Kryopumpe (136), Zuführen des verdichteten kryogenen Fluids zu einem Wärmetauscher (138), Zuführen von Motorkühlmittel zu dem Wärmetauscher (138) zum Verdampfen des kryogenen Fluids, Messen einer Motorkühlmitteltemperatur durch eine Steuerung (132), und Belasten des Motors (104) durch die Steuerung (132) mit einer oder mehreren parasitäre Lasten (149) basierend auf der Motorkühlmitteltemperatur.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit Regeln des Drucks des verdampften kryogenen Fluids durch ein Drucksteuermodul (144) in Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuerung (132).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Schritt des Belastens mit parasitären Lasten (149) aus einer Gruppe bestehend aus einer oder mehrerer Pumpen, Widerstandserhitzern, Abgasbremsung, Zylinderabgasbremse, Motorleerlauferwärmung und Drehmomentwandler ausgewählt wird.