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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung zum Versorgen einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere eines Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versorgen einer Verbrennungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Eine derartige Kraftstoffzufuhrvorrichtung ist beispielsweise der
US 2014/0007943 A1 als bekannt zu entnehmen. Die dortige Kraftstoffzufuhrvorrichtung dient zum Speichern von flüssigem Gas, welches beispielsweise als Kraftstoff zum Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftwagen herangezogen werden kann. Beim Betanken von Flüssiggas, beispielsweise LNG (liquefied natural gas) wird dieser Kraftstoff in einen druckresistenten Flüssiggastank eingefüllt. Beim Befüllen ist es dabei nicht unüblich, den Flüssiggastank einem Druck von beispielsweise 5,5 bis 7 bar auszusetzen. Hierfür muss die gekühlte Flüssigkeit so weit aufgewärmt werden, bis der gewünschte Druck erreicht wird. Wird nun das Fahrzeug für mehrere Tage abgestellt, so steigt die Temperatur und damit der Druck so weit an, dass Gas abgelassen werden muss, um zu vermeiden, dass der Tank durch zu hohen Druck beschädigt wird. Würde die Flüssigkeit nicht anfangs aufgewärmt, kann diese Zeitspanne bis zu doppelt so lange sein, was natürlich für den Kunden vorteilhaft ist. Daher wird bei nicht mobilen Anwendungen lediglich das Gas oberhalb der Flüssigkeit aufgewärmt und damit der Druck aufgebaut, die Flüssigkeit selbst verbleibt kalt. Wird der Flüssiggastank jedoch für mobile Anwendungen, also beispielsweise als Gastank in einem Kraftwagen, verwendet, so kann die Bewegung des Kraftwagens zu einem Schwappen des Flüssiggases innerhalb des Flüssiggastanks führen. Dadurch kommt es zum Vermischen des kalten (flüssigen) LNG mit wärmerem, in der Gasphase befindlichem NG-Dampf (natural gas) innerhalb des Flüssiggastanks. Durch diese Vermischung kann es zu einem Druckabfall beziehungsweise zu Druckschwankungen innerhalb des Flüssiggastanks kommen, insbesondere im Vergleich zu dem Sättigungsdampfdruck des Flüssiggases. Um diesem Problem zu begegnen, offenbart die
US 2014/0007943 A1 einen Flüssiggastank zum Speichern von LNG, welcher mehrere Schwallbleche innerhalb des Flüssiggastanks aufweist. Dadurch kann verhindert werden, dass die über der Flüssigphase des Kraftstoffes (LNG) befindliche Gasphase zu sehr durch das Schwappen abgekühlt wird. Die Gewährleistung der Funktion der Schwallbleche unter allen Betriebsbedingungen ist allerdings schwierig. Des Weiteren ist in der
US 2014/0007943 A1 ein den Flüssiggastank umgebender, weiterer Tank vorgesehen. Zur besseren Isolation kann zum Beispiel ein Zwischenraum zwischen diesem weiteren Tank und dem Flüssiggastank vakuumiert werden, um die Wärmeleitung von der Umgebung zum Flüssiggastank zu minimieren. Dementsprechend ist der Flüssiggastank unter vergleichsweise hohem Fertigungs- und Kostenaufwand herzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem auch bei kalter, druckloser Flüssigkeit der Versorgungsdruck für den Motor erzeugt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung sowie ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 beziehungsweise 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Versorgungsleitung eine Ausgleichseinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher eine kraftstofftankbedingte und/oder kraftstoffverbrauchsbedingte Druckänderung in der Versorgungsleitung ausgleichbar ist, bzw. ein Druck in der Kraftstoffversorgung aufgebaut werden kann. Als die Ausgleichseinrichtung, welche der Versorgungsleitung der Kraftstoffzufuhrvorrichtung zugeordnet ist, kann beispielsweise ein Pufferspeicher beziehungsweise ein Kraftstoffspeicher vorgesehen sein, welcher dazu ausgestaltet ist, zumindest einen Teil des Kraftstoffs aufzunehmen und damit zwischenzuspeichern. Hierfür kann die Ausgleichseinrichtung unter Vermittlung eines Kopplungselements, welches beispielsweise als T-Stück der Versorgungsleitung ausgebildet ist, mit durch die Versorgungsleitung strömendem Kraftstoff befüllt werden. Durch das Vorsehen einer Druckregeleinrichtung, also beispielsweise eines Druckreglers (Druckregelventils), welcher zwischen der Ausgleichseinrichtung und der Verbrennungseinrichtung in die Versorgungsleitung eingebunden ist, ist eine kraftstofftankbedingte und zusätzlich oder alternativ eine kraftstoffverbrauchsbedingte Druckänderung in der Versorgungsleitung sogar noch besser ausgleichbar. Der Druckregler kann dementsprechend auf einen bestimmten, auf den Bedarf der Verbrennungseinrichtung abgestimmten Versorgungsdruck von beispielsweise 10 bar eingeregelt sein, um eine besonders gleichmäßige und bei eben diesem konstanten Druck erfolgende Kraftstoffbereitstellung für die Verbrennungseinrichtung zu ermöglichen. Die kraftstofftankbedingte und zusätzlich oder alternativ die kraftstoffverbrauchsbedingte Druckänderung kann sogar auf noch weiter verbesserte Weise vermindert werden, indem stromab der Anschlussstelle der Ausgleichseinrichtung, also mit anderen Worten stromab des Kopplungselements, Mittel zur Vermeidung einer Kraftstoffrückströmung in Richtung des Kraftstofftanks vorgesehen sind. Derartige Mittel können beispielsweise als Rückschlagventil ausgebildet sein. Wird nun beispielsweise der Kraftwagen, welcher mit dem Kraftstofftank ausgestattet ist, bewegt, so vermischt sich das flüssige LNG im Kraftstofftank mit einer ebenfalls in dem Kraftstofftank vorherrschenden Gasphase des Kraftstoffes, also des Flüssiggases, wodurch es zu schlagartigen Temperaturänderungen kommt. Diese Temperaturänderungen führen wiederum zu Druckänderungen des Tankdrucks und dementsprechend zu Druckschwankungen beziehungsweise Druckänderungen in der Versorgungsleitung. Bei einer Fahrt des Kraftwagens unter einem konstanten Lastpunkt bleibt auch der Kraftstoffverbrauch des Kraftwagens in guter Näherung konstant, wodurch die Druckänderungen im Wesentlichen lediglich auf kraftstofftankbedingten Einflüssen beruhen. Zu diesen kraftstofftankbedingten Einflüssen gehört beispielsweise das Schwappen des Kraftstoffes aufgrund unzureichender Schwallbleche oder aufgrund zu weniger oder schlecht ausgelegter Mittel zum Dämpfen von Kraftstoffwellen im Kraftstofftank. Dadurch kommt es beispielsweise beim Überfahren von Bodenunebenheiten oder durch Windeinflüsse zu einem Schwappen im Kraftstofftank, welches nur unzureichend innerhalb des Kraftstofftanks ausgeglichen wird. Wird der Kraftwagen jedoch zusätzlich verzögert beziehungsweise beschleunigt, so wird nicht nur das Schwappen des Kraftstoffs im Kraftstofftank besonders verstärkt, sondern es ändert sich auch der Kraftstoffverbrauch des Kraftwagens mitunter schlagartig. Auch dies führt zu Druckänderungen in der Versorgungsleitung, wobei diese Druckänderungen dann kraftstoffverbrauchsbedingt sind. Durch das Einbinden der Ausgleichseinrichtung können sowohl die kraftstofftankbedingte als auch die kraftstoffverbrauchsbedingte Druckänderung besonders weitgehend kompensiert werden, indem die Ausgleichseinrichtung als Kraftstoffspeicher beziehungsweise Pufferspeicher und zusätzlich oder alternativ als Gasschwingungsdämpfer ausgebildet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Versorgungsleitung eine Ausgleicheinrichtung, mittels welcher eine kraftstofftankbedingte und/oder kraftstoffverbrauchsbedingte Druckänderung in der Versorgungsleitung ausgeglichen wird. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige und druckänderungsarme Kraftstoffversorgung sichergestellt.
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Die in Bezug auf die erfindungsgemäße Kraftstoffzufuhrvorrichtung vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen
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Diese zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Flüssiggaseinrichtung;
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2a eine schematische Darstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Kraftstoffzufuhrvorrichtung, welche vorliegend eine als Verdampfungseinrichtung ausgebildete Ausgleichseinrichtung und einen Druckregler aufweist; und in
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2b eine schematische Darstellung einer weiteren für die Erfindung beispielhaften Kraftstoffzufuhrvorrichtung, welche als Ausgleichseinrichtung einen Kraftstoffspeicher beziehungsweise Pufferspeicher aufweist.
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1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Flüssiggaseinrichtung 88, wie sie beispielsweise bei stationären Anwendungen eingesetzt wird. Die Flüssiggaseinrichtung 88 weist einen Flüssiggastank 90 auf, in welchem Kraftstoff in zweiphasiger Form, also vorliegend in Form von Flüssiggas 100 und Gas 102, vorliegt. Zur Druckeinstellung beziehungsweise zur Einstellung einer Durchflussmenge des aus dem Flüssiggastank 90 entnommenen Flüssiggases 100 weist die Flüssiggaseinrichtung 88 ein Regelventil 92 auf, welchem ein Dampferzeuger 94 nachgeschaltet ist. Mittels des Regelventils 92 wird der Dampferzeuger 94 bedarfsgerecht mit Flüssiggas 100 befüllt, wobei der Dampferzeuger 94 dazu verwendet wird, das Flüssiggas 100 von der flüssigen Phase in die Gasphase zu überführen. Der benötigte Druck, welcher erforderlich ist, um das Flüssiggas 100 aus dem Flüssiggastank 90 zu drücken, wird durch Rückführung zumindest eines Teils der durch den Dampferzeuger 94 generierten Gasphase über eine Rückführleitung 96 in den Flüssiggastank 90 erzeugt. Mit anderen Worten wird über das Regelventil 92 Flüssigkeit (Flüssiggas 100) aus dem Flüssiggastank 90 entnommen und verdampft, bis sich der gewünschte Entnahmedruck einstellt. Sodann schließt das Regelventil 92. Damit bis zum Erreichen des gewünschten Entnahmedruckes immer Flüssiggas 100, welches beispielsweise als LNG ausgebildet ist, aus dem Flüssiggastank 90 nachfließt, ist der Druck im Flüssiggastank 90 dem Entnahmedruck anzupassen. Der Entnahmedruck entspricht dabei dem erwünschten Druck, unter welchem das Flüssiggas 100 beim Austreten aus dem Flüssiggastank 90 steht. Durch das teilweise Rückführen der Gasphase in den Flüssiggastank 90 wird über dem Flüssiggas 100 ein Druckpolster ausgebildet. Dies ist insbesondere für stationäre Anwendungen besonders geeignet, da das (warme) mittels des Dampferzeugers 94 in die Gasphase überführte Flüssiggas 100 beim Kontakt mit dem (kalten) im Flüssiggastank 90 verbliebenen Flüssiggas 100 sich nur sehr langsam abkühlt. Beim Abkühlen des Gases sinkt wiederum der Druck, wobei das Druckpolster dann langsam zusammenbricht. Tritt dieser Fall ein, so können nur geringe Mengen weiteren Flüssiggases 100 dem Flüssiggastank 90 entnommen werden.
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Dementsprechend ist diese Flüssiggaseinrichtung 88 besonders ungeeignet zur Anwendung in Fahrzeugen. Beim Betrieb in Fahrzeugen befindet sich der Flüssiggastank 90 in Bewegung, und das Flüssiggas 100 schwappt im Flüssiggastank 90 in starkem Maße hin und her. Dabei durchmischt sich das Flüssiggas 100 mit dem darüber befindlichen Gaspolster, und der Druck kann besonders rasch zusammenbrechen. Somit ist ein stabiler Druckaufbau im Fahrzeug nicht möglich. Mit anderen Worten ist also ein gleichmäßiger Druckaufbau mit der Flüssiggaseinrichtung 88 nur dann möglich, wenn ein von der Flüssiggaseinrichtung 88 versorgter Verbraucher 98 stationär betrieben wird und dementsprechend weder bewegt wird noch erhebliche Lastpunktschwankungen (und damit einhergehende Kraftstoffverbrauchsänderungen) aufweist. Ist also der Verbraucher 98 als ein Verbrennungsmotor eines BHKWs ausgebildet und von Flüssiggas 100, bzw. Gas 102 (Blockheizkraftwerk) gespeist, so ist die in 1 gezeigte Flüssiggaseinrichtung 88 geeignet, nicht jedoch, wenn der Verbraucher 98 als instationär betriebener Verbrennungsmotor in einem bewegten Kraftfahrzeug ausgebildet ist und mit Kraftstoff versorgt werden soll.
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Aufgrund hoher Verfügbarkeit und insbesondere günstiger Preise wird Erdgas ein wichtiger Kraftstoff für den Kraftfahrzeugbereich, was sich heute schon in hohen Wachstumsraten insbesondere in Asien und Nordamerika zeigt. Das Erdgas kann verdichtet (CNG = compressed natural gas) oder tiefkaltverflüssigt (LNG = liquefied natural gas) gespeichert werden. Die gleiche Menge an Erdgas benötigt dabei bei Speicherung als LNG nur etwa ein Drittel des Volumens im Vergleich zu CNG bei 200 bar. Vor allem beim Einsatz in Nutzfahrzeugen wird eine große Menge an Kraftstoff benötigt, der in einem beschränkten Bauraum untergebracht werden muss. Daher werden in naher Zukunft vermehrt Nutzfahrzeuge mit LNG-Tanks am Markt sein.
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LNC hat dabei den Nachteil, dass es sich wegen der tiefkalten Speicherung nach und nach erwärmt und der Druck im Tank dabei immer weiter ansteigt. Bei Überschreitung eines Schwellwertes (typischerweise: circa 15 bis 20 bar) muss der Tank dann den Druck durch Ablassen von Gas an die Umgebung reduzieren. Dieser Effekt tritt typischerweise, je nach Umgebungsbedingungen, etwa nach fünf bis 10 Tagen Standzeit auf. Um das unerwünschte Ablassen so weit wie möglich zu reduzieren, werden LNG-Tanks bei möglichst niedriger Temperatur befüllt, wodurch sich das Ablassen von Gas möglichst weit hinauszögern lässt. Mit der „kalten” Speicherung geht ein geringer Druck des LNC im Tank einher, der typischerweise zwischen 1 bis 4 bar liegt. Zur Versorgung eines Motors mit Kraftstoff ist allerdings ein Druck von typischerweise 8 bis 10 bar notwendig. Dieser Versorgungsdruck wird heute mit Hilfe einer (Kryo-)Pumpe erzeugt, die das flüssige LNG auf den geforderten Druck von 8 bis 10 bar bringt. Die Pumpe muss also das tiefkalte LNG bei Temperaturen von bis zu etwa –160°C verdichten, wobei die kalte Temperatur aufwendige Konstruktionen der Pumpe notwendig macht, da beispielsweise übliche Dichtungsmaterialien nicht mehr eingesetzt werden können, da diese bei den tiefen Temperaturen verspröden. Darüber hinaus zeigen heutige Kryo-Pumpen einen hohen Wartungsbedarf und teilweise eine nicht zufriedenstellende Zuverlässigkeit über eine Fahrzeuglebensdauer.
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2a und 2b zeigen jeweils beispielhafte Ausführungsformen einer Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10, welche besonders für mobile Anwendungen, also beispielsweise zur Versorgung einer Verbrennungseinrichtung 70 in einem Kraftwagen 80, geeignet ist. Die Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Kraftwagen 80 eingebaut und fluidisch mit der Verbrennungseinrichtung 70 gekoppelt. Die Verbrennungseinrichtung 70 kann dabei einerseits als Verbrennungskraftmaschine wie zum Beispiel als Verbrennungsmotor oder Gasturbine ausgebildet sein, oder aber auch zum Beispiel als Brenner einer Standheizung.
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Die Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 weist eine Versorgungsleitung 12 auf, über welche die Verbrennungseinrichtung 70 mit einem Kraftstofftank 14 der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 verbunden ist. In dem Kraftstofftank 14 ist vorliegend LNG (liquefied natural gas) als Kraftstoff 18 gespeichert, welcher zweiphasig, also als Gasphase 16 und als Flüssigkeitsphase 17, in dem Kraftstofftank 14 vorliegt.
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Entsprechend einer durch einen Pfeil gekennzeichneten Fluidströmungsrichtung 60 weist die Versorgungsleitung 12 ein stromab des Kraftstofftanks 14 und stromauf der Verbrennungseinrichtung 70 angeordnetes Druckregelventil 22 und zusätzlich oder alternativ einen stromab des Druckregelventils 22 sowie stromauf der Verbrennungseinrichtung 70 angeordneten Verdampfer 26 auf. Der Versorgungsleitung 12 ist stromab des Verdampfers 26 und stromauf der Verbrennungseinrichtung 70 über ein Entnahmeelement 34, welches beispielsweise als T-Stück oder als anderer geeigneter Anschluss ausgebildet ist, der Kraftstoff 18 entnehmbar und dem Kraftstofftank 14 zuführbar. Durch das Druckregelventil 22 kann aus dem Kraftstofftank 14 ausströmender Kraftstoff 18 besonders bedarfsgerecht druckgeregelt werden, wohingegen durch den Verdampfer 26 ein besonders rascher Phasenwechsel des entnommenen Kraftstoffs 18 von der Flüssigkeitsphase 17 in die Gasphase 16 ermöglicht wird. Stromab des Verdampfers 26 (entsprechend der Fluidströmungsrichtung 60) ist in der Versorgungsleitung 12 ein Rückschlagventil 30 angeordnet, welches auf besonders preiswerte und zuverlässige Art und Weise ein etwaiges Rückströmen des Kraftstoffs 18 entgegen der Fluidströmungsrichtung 60 durch die Versorgungsleitung 12 unterbindet. Dadurch kann besonders wirksam ein unerwünschtes Erwärmen des in dem Kraftstofftank 14 gespeicherten Kraftstoffs 18, insbesondere der Flüssigkeitsphase 17, vermieden werden.
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Um nun eine kraftstofftankbedingte und zusätzlich oder alternativ eine kraftstoffverbrauchsbedingte Druckänderung in der Versorgungsleitung 12 auszugleichen, ist der in 2a gezeigten Versorgungsleitung 12 eine vorliegend als Verdampfungseinrichtung ausgebildete Ausgleichseinrichtung 20 zugeordnet, mittels welcher derartige Druckänderungen ausgleichbar sind. In 2b hingegen ist die besagte Ausgleichseinrichtung 20 als zusätzlicher Kraftstoffspeicher beziehungsweise Pufferspeicher (Druckspeicher) ausgebildet, mittels welchem diese Druckänderung ausgleichbar ist. Die Ausgleichseinrichtung 20 ist sowohl in der in 2a als auch in der in 2b gezeigten beispielhaften Ausführungsform über ein Kopplungselement 36, welches als geeignetes Anschlussstück wie beispielsweise als T-Stück ausgebildet ist, stromab des Verdampfers 26 und stromauf des Entnahmeelements 34 mit der Versorgungsleitung 12 verbunden. Über das Entnahmeelement 34 kann zumindest ein Teil des Kraftstoffs 18 durch einen Economizer 42 geleitet und damit wiederum dem Kraftstofftank 14 gasförmig zugeführt werden. Dementsprechend könnte der Economizer 42 ein hier nicht weiter gezeigtes Expansionsventil aufweisen, über welches der Kraftstoff 18 expandiert und in den Kraftstofftank 14 zurückgeleitet wird. Die Verwendung des Economizers 42 stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, den Druck in dem Kraftstofftank 14 zu erhöhen. Um den Druck des der Verbrennungseinrichtung 70 zugeführten Kraftstoffs 18 besonders exakt einzustellen, weist die Versorgungsleitung 12 stromauf des Entnahmeelements 34 und stromab des Kopplungselements 36 einen Druckregler 38 auf. Das Rückschlagventil 30 ist stromauf des Kopplungselements 36 und stromab des Verdampfers 26 in die Versorgungsleitung 12 eingebunden. Die Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 weist eine stromauf des Druckregelventils 22 an die Versorgungsleitung 12 angeschlossene und von dieser abzweigende Zuführleitung 40 auf, über welche der Ausgleichseinrichtung 20 (siehe 2a) Kraftstoff 18 aus dem Kraftstofftank 14 zuführbar ist. Die Zuführleitung 40 weist ein weiteres Druckregelventil 24 sowie ein dem weiteren Druckregelventil 24 entsprechend der Fluidströmungsrichtung 60 des Kraftstoffs 18 nachgeschaltetes, weiteres Rückschlagventil 32 auf. Die Ausgleichseinrichtung 20 ist dabei entsprechend der Fluidströmungsrichtung 60 nach dem weiteren Druckregelventil 24 sowie vor dem weiteren Rückschlagventil 32 angeordnet. Da die Ausgleichseinrichtung 20 gemäß 2a als Verdampfungseinrichtung ausgebildet ist, zeigt die Versorgungsleitung 12 einen mit der Zuführleitung 40 zumindest vergleichbaren Aufbau. Während die einem ersten Pfad der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 entsprechende Versorgungsleitung 12 gemäß der Fluidströmungsrichtung 60 das Druckregelventil 22, den Verdampfer 26 sowie das Rückschlagventil 30 aufweist, sind auch die in die Zuführleitung 40, welche einem zweiten Pfad der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 vom Kraftstofftank 40 zur Verbrennungseinrichtung 70 entspricht, eingebundenen Komponenten, nämlich das weitere Druckregelventil 24, die Ausgleichseinrichtung 20 (hier als Verdampfungseinrichtung ausgebildet) und das weitere Rückschlagventil 32 in einer im Vergleich zu der Versorgungsleitung 12 vergleichbaren Reihenfolge angeordnet. Es ist jedoch klar, dass sich die jeweiligen aufgezählten Komponenten auch in ihrer Reihenfolge unterscheiden können, sodass dementsprechend die Versorgungsleitung 12 hinsichtlich ihres Aufbaus von der Zuführleitung 40 verschieden ist. Es wäre in diesem Sinne auch eine Ausführungsform denkbar, bei welcher beispielsweise das weitere Druckregelventil 32, die Ausgleichseinrichtung 20 und das weitere Rückschlagventil 32 in einem Bauteil zusammengefasst, bzw. integriert sind.
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Sowohl der Verdampfer 26 als auch die in 2a als Verdampfungseinrichtung ausgebildete Ausgleichseinrichtung 20 ermöglichen das Verdampfen des Kraftstoffs 18 und dadurch den Aufbau eines Gasdrucks. Dieser Gasdruck kann mittels jeweiliger Drucksensoren 44, 46 in der dem ersten Pfad der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 entsprechenden Versorgungsleitung 12 beziehungsweise in der dem zweiten Pfad der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 entsprechenden Zuführleitung 40 gemessen und überwacht werden. Bei dem Druckregelventil 22 sowie dem weiteren Druckregelventil 24 handelt es sich um automatisch steuerbare Ventile zum Öffnen und Schließen der Versorgung zu dem Verdampfer 26 beziehungsweise zu der Ausgleichseinrichtung 20. Das Rückschlagventil 30 sowie das weitere Rückschlagventil 32 unterbinden ein Rückfließen des Kraftstoffs 18 entgegen der Fluidströmungsrichtung 60. Zur Veranschaulichung der Funktionsweise der in 2a gezeigten Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 soll die nachfolgende Erläuterung unter der Annahme dienen, dass der Motor (Verbrennungseinrichtung 70) von der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 einen Versorgungsdruck von 10 bar benötigt, was einen typischen Wert für Erdgasmotoren darstellt. In der nachfolgenden Erläuterung ist der Tankdruck im Kraftstofftank 14 zunächst kleiner als 10 bar und liegt beispielsweise bei 2 bar.
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Erläuterung zu 2a:
Zunächst wird das Druckregelventil 22 geöffnet. Wäre der am Drucksensor 44 ermittelte Druck größer als der an einem Tankdrucksensor 48, also in dem Kraftstofftank 14 ermittelte Druck, so würde Gas in den Kraftstofftank 14 zurückströmen. Da der Druck im Kraftstofftank 14 im vorliegenden Fall größer ist, füllt sich der Verdampfer 26 mit einer festgelegten Menge LNG (Kraftstoff 18), wobei die Menge über die Öffnungsdauer oder einen zusätzlichen Sensor festgestellt werden kann. Das Druckregelventil 22 wird wieder geschlossen, sobald eine bestimmte Soll-Füllmenge erreicht ist. In dem Verdampfer 26 wird das LNG erwärmt und dadurch verdampft. Die Aufheizung kann beispielsweise durch Wärmeübertragung von Kühlmittel der Verbrennungseinrichtung 70, also zum Beispiel vom Verbrennungsmotor, erfolgen. Während der Verdampfung steigt der Druck im Verdampfer 26 an. Sobald der Druck 10 bar überschreitet, kann der Motor mit Gas aus dem ersten Pfad, also aus der Versorgungsleitung 12, betrieben werden. Der Druck steigt weiter, bis das gesamte LNG im Verdampfer 26 verdampft und aufgewärmt ist. Im Beispiel wird davon ausgegangen, dass dann zum Beispiel 100 bar Gasdruck in dem Verdampfer 26 erreicht werden. Das Rückschlagventil 30 ist offen, und das Gas (gasförmiger Kraftstoff 18) kann in Richtung der Verbrennungseinrichtung 70 durch die Versorgungsleitung 12 strömen, bis der am Drucksensor 44 ermittelte Druck 10 Bar unterschreitet. Ein für den Motorbetrieb benötigter Motorversorgungsdruck wird dabei über den Druckregler 38 auf konstant 10 bar eingeregelt. Der eben beschriebene Zyklus kann für die Zuführleitung 40 und in entsprechender Weise mit dem weiteren Druckregelventil 24 der als Verdampfungseinrichtung ausgebildeten Ausgleichseinrichtung 20 und dem weiteren Rückschlagventil 32 wiederholt werden, sodass beide Pfade, also die Versorgungsleitung 12 und die Zuführleitung 40, abwechselnd befüllt und entleert werden, womit ein kontinuierlicher Versorgungsdruck, welcher größer ist als 10 bar, für den Motor sichergestellt wird. Dieser Versorgungsdruck wird mittels des Druckreglers 38 auf konstant 10 bar gemindert, wodurch die Verbrennungseinrichtung 70 mit einem besonders gleichmäßig mit Kraftstoff 18 versorgt werden kann. Somit können die kraftstofftankbedingten und zusätzlich oder alternativ die kraftstoffverbrauchsbedingten Druckänderungen besonders weitgehend vermieden werden.
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Bei dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel der Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 wird auf das weitere Druckregelventil 24 sowie das weitere Rückschlagventil 32 verzichtet und die Ausgleichseinrichtung 20 als zusätzlicher Kraftstoffspeicher beziehungsweise Pufferspeicher oder Druckbehälter für den Kraftstoff 18 verwendet.
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Ebenso wie bereits anhand des in 2a gezeigten Ausführungsbeispiels ermöglicht auch die in 2b gezeigte Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 eine räumliche Trennung des in dem Kraftstofftank 14 gespeicherten Kraftstoffs 18 (LNG) von der Erzeugung von gasförmigem Erdgas (CNG).
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Im Gegensatz zu 2a ist die Ausgleichseinrichtung 20 gemäß 2b als Pufferspeicher beziehungsweise Kraftstoffspeicher ausgebildet. Zur Überwachung des Kraftstoffdrucks ist die Ausgleichseinrichtung 20 gemäß 2b mit einem Ausgleichsdrucksensor 50 gekoppelt. Zur Veranschaulichung der Funktionsweise der in 2b gezeigten Kraftstoffzufuhrvorrichtung 10 soll die nachfolgende Erläuterung dienen, wobei die bereits beispielhaft erwähnten Annahmen bzw. Randbedingungen gelten sollen.
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Zunächst wird das Druckregelventil 22 geöffnet. Ist der am Drucksensor 44 gemessene Druck größer als der am Tankdrucksensor 48 gemessene Druck, so strömt entgegen der Fluidströmungsrichtung 60 zurück in den Kraftstofftank 14. Ist der Druck im Kraftstofftank 14 größer als in der Druck im Verdampfer 26, so füllt sich dieser vollständig mit LNG (Kraftstoff 18). Das Druckregelventil 22 wird geschlossen, sobald der Verdampfer 26 vollständig gefüllt ist. Im Verdampfer 26 wird das LNG erwärmt und dadurch verdampft. Während der Verdampfung steigt der Druck im Verdampfer 26 an. Sobald der Druck 10 bar überschreitet, kann der Motor (Verbrennungseinrichtung 70) mit Gas aus der Versorgungsleitung 12 betrieben werden. Der Druck steigt weiter, bis das LNG im Verdampfer 26 vollständig verdampft und aufgewärmt ist. Sobald der am Drucksensor 44 gemessene Druck größer als der am Ausgleichsdrucksensor 50 gemessene Druck ist, öffnet das Rückschlagventil 30, und Gas strömt in die Ausgleichseinrichtung 20 (hier: Pufferspeicher beziehungsweise Kraftstoffspeicher). Die Ausgleichseinrichtung 20 ist so auszulegen, dass der Druck dort gerade einen bestimmten Maximalwert erreicht, wenn das gesamte LNG aus dem Verdampfer 26 verdampft ist.
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Zur Vermeidung eines zu hohen Druckanstiegs im Kraftstofftank 14 kann beim Betrieb der Verbrennungseinrichtung 70 der Kraftstoff auch direkt aus dem Kraftstofftank 14 (über den Economizer 42) entnommen werden, sobald der Gasdruck zum Beispiel über 11 bar angestiegen ist. Mit anderen Worten kann dabei vorübergehend, also bis der unzulässig hohe Druck im Kraftstofftank 14 abgebaut ist, die Kraftstoffversorgung über die Versorgungsleitung 12 umgangen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0007943 A1 [0002, 0002, 0002]
