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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine gasbetriebene Vorrichtung, insbesondere ein gasbetriebenes Fahrzeug, mit einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine.
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Beispielsweise werden im Kraftfahrzeugbereich in jüngster Zeit verstärkt neben flüssigen Kraftstoffen auch gasförmige Kraftstoffe, wie z.B. Erdgas oder Biogas oder dergleichen, verwendet. Die gasförmigen Kraftstoffe sind dabei üblicherweise unter hohem Druck in einem Gastank gespeichert. Insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen kann bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine temperaturbedingte erhöhte Belastung der mit dem gasförmigen Kraftstoff in Kontakt stehenden Komponenten auftreten. Dieser Effekt wird bei unter hohem Druck gespeichertem Gas im Gastank noch durch die beim Einströmen in das Kraftstoffsystem vorgenommene Druckreduzierung durch den Joule-Thomson-Effekt verstärkt, bei dem eine zusätzliche Temperaturabsenkung des gasförmigen Kraftstoffs auftritt. Hierdurch können insbesondere Komponenten des Kraftstoffsystems, wie z.B. ein Druckregler, einfrieren, bzw. elastomere Bauteile durch die tiefen Temperaturen beschädigt werden. Von daher werden üblicherweise verkürzte Zyklen für einen notwendigen Austausch von Komponenten, beispielsweise im Lkw-Bereich, vorgenommen. Dies hat jedoch negative Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit derartiger gasbetriebener Brennkraftmaschinen. Es wäre daher wünschenswert, bei gasbetriebenen Brennkraftmaschinen eine reduzierte thermische Belastung und ein Einfrieren von Komponenten zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße gasbetriebene Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Kältebelastung von Komponenten der Brennkraftmaschine und des Kraftstoffzufuhrsystems signifikant reduziert werden kann. Hierdurch ist es möglich, dass im Kraftstoffzufuhrsystem zur Brennkraftmaschine kostengünstige Lösungen für die Leitungstechnik und die Verbindungstechnik sowie hinsichtlich einer Materialauswahl der Komponenten getroffen werden können. Dabei können somit die Herstellungskosten einerseits verringert werden und andererseits die Lebensdauer des Kraftstoffzufuhrsystems auf einem bestimmten Niveau gehalten werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung neben einer Brennkraftmaschine und einem Gastank zur Speicherung des gasförmigen Kraftstoffs eine Zuleitung (Kraftstoffzufuhrsystem) vom Gastank zur Brennkraftmaschine umfasst. Ferner ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, welche das aus dem Gastank ausströmende Gas im Bereich der Zuleitung erwärmt. Die Heizeinrichtung umfasst einen Wärmeübertrager, über welchen Wärme zum Gas für die Brennkraftmaschine übertragen wird. Dadurch können die im Stand der Technik auftretenden Kälteprobleme auch bei einer größeren Druckabsenkung des unter Druck gespeicherten gasförmigen Kraftstoffs gelöst werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Brennkraftmaschine ist besonders bevorzugt eine direkteinblasende Brennkraftmaschine, bei der der gasförmige Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingeblasen wird.
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Weiter bevorzugt umfasst die Heizeinrichtung ein elektrisches Heizelement. Hierdurch kann ohne großen technischen Aufwand eine Temperatur des gasförmigen Kraftstoffs erhöht werden. Das elektrische Heizelement wird vorzugsweise mittels eines Generators und/oder einer Batterie und/oder eines Kondensators als Speicher mit Energie versorgt. Die oben aufgezählten Energieversorgungseinrichtungen sind vorzugsweise autark und ausschließlich zum Betreiben des elektrischen Heizelements vorgesehen. Wenn die gasbetriebene Vorrichtung beispielsweise ein Fahrzeug ist, wird vorzugsweise beim Start des Fahrzeugs das elektrische Heizelement mittels der Batterie gestartet und anschließend, nachdem das Fahrzeug fährt, mittels eines Generators weiterbetrieben.
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Weiter bevorzugt umfasst die Heizeinrichtung eine Gasheizung. Die Gasheizung wird vorzugsweise mittels des vorhandenen gasförmigen Kraftstoffs, z.B. über einen Bypass nach einem Öffnen des Gastanks, betrieben. Der gasförmige Kraftstoff wird in der Gasheizung vorzugsweise exotherm umgesetzt, beispielsweise durch katalytische Umsetzung oder durch Verbrennung des Gases. Weiter bevorzugt werden die Abgase der Gasheizung in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine in Durchströmungsrichtung des Abgasstrangs vor einem Katalysator eingeleitet. Hierdurch kann der Katalysator vorgewärmt werden und schneller auf die notwendige Betriebstemperatur gebracht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner einen zweiten Tank zur Speicherung eines flüssigen Kraftstoffs. Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung wird dabei mittels des flüssigen Kraftstoffs betrieben. Der flüssige Kraftstoff kann beispielsweise Ethanol oder ein biologisch hergestellter Kraftstoff sein. Ethanol hat dabei insbesondere den Vorteil, dass Ethanol bzw. dessen Verbrennungsprodukte ohne Rückstände und ohne aufwändige Abgasnachbehandlung in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine eingeleitet werden kann.
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Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner eine Drosseleinrichtung, welche in der Zuleitung vom Gastank zur Brennkraftmaschine angeordnet ist. Da die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffs nach dem Drosselvorgang sinkt, ist die Heizeinrichtung vorzugsweise unmittelbar nach der Drosseleinrichtung angeordnet.
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Weiter bevorzugt ist die Heizeinrichtung derart eingerichtet, dass die Heizeinrichtung mit Wärme aus der Umgebung betreibbar ist. Hierbei kann beispielsweise der Temperaturunterschied des gedrosselten, gasförmigen Kraftstoffs zur Umgebungstemperatur genutzt werden, um den gedrosselten, gasförmigen Kraftstoff wieder zu erwärmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Gas in der Zuleitung im Bereich der Heizeinrichtung eine höhere Geschwindigkeit auf als nach der Heizeinrichtung. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Querschnittsverläufe der Zuleitung erreicht werden. Die höhere Geschwindigkeit im Bereich der Heizeinrichtung ist vorzugsweise eine Überschallgeschwindigkeit. Hierdurch erhöht sich ein Temperaturgradient zur Umgebung zusätzlich um den kinetischen Temperaturanteil.
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Weiter bevorzugt umfasst die Heizeinrichtung vorzugsweise zwei unterschiedliche Wärmequellen. Hierdurch kann eine schnellere Erwärmung des Gases für die Brennkraftmaschine erreicht werden. Hierbei können beliebige Wärmequellen kombiniert werden. Es ist auch möglich, mehr als zwei Wärmequellen vorzusehen.
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Der Wärmeübertrager der Heizeinrichtung ist vorzugsweise ein Kreuz-Wärmeübertrager oder ein Gleichstrom-Wärmeübertrager.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Heizeinrichtung einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine. Weiterhin ist eine externe Wärmequelle vorgesehen, welche den Kühlkreislauf erwärmt. Die Zuleitung vom Gastank zur Brennkraftmaschine ist somit derart geführt, dass eine Wärmeübertragung vom Kühlkreislauf auf die Zuleitung möglich ist. Die externe Wärmequelle stellt dabei sicher, dass bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Kühlkreislauf schnell erwärmt wird und das Gas in der Zuleitung über den Kühlkreislauf ebenfalls erwärmt werden kann. Nach einer kurzen Betriebsdauer der Brennkraftmaschine kann dann das Gas in der Zuleitung über die durch den Kühlkreislauf abgeführte Wärme von der Brennkraftmaschine erwärmt werden. Somit wird auch im Betrieb konstant das Gas für die Brennkraftmaschine vorgewärmt, so dass eine hohe Betriebssicherheit und eine lange Lebensdauer der verwendeten Komponenten möglich ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Fahrzeug vorgesehen, welches eine erfindungsgemäße, gasbetriebene Vorrichtung umfasst. Die Erfindung kann dabei die Kaltstartfähigkeit des Fahrzeugs signifikant verbessern.
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Weiter bevorzugt umfasst das Fahrzeug eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, nach einem Öffnen des Fahrzeugs, d.h., Öffnen eines Fahrzeugschlosses, oder einem Öffnen einer Türe des Fahrzeugs die Heizeinrichtung zur Erwärmung des Gases in der Zuleitung vom Gastank zur Brennkraftmaschine zu starten.
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Hierdurch wird die Erwärmung schon vor dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine in Gang gesetzt, so dass ein vollständiger Kaltstart der Brennkraftmaschine vermieden werden kann und eine Vereisung und/oder Beschädigung von Komponenten in der Kraftstoffzuführung und/oder der Brennkraftmaschine vermieden werden kann.
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Die Erfassung des Öffnens des Fahrzeugs oder des Öffnens einer Türe des Fahrzeugs kann beispielsweise mittels Sensoren erfolgen.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine schematische Schnittansicht durch einen Wärmeübertrager von 3,
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5 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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6 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine gasbetriebene Vorrichtung 1 im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorrichtung 1 eine Brennkraftmaschine 2, eine Zuleitung 3 und einen Gastank 4. Die Zuleitung 3 verbindet dabei den Gastank 4 mit der Brennkraftmaschine 2. Die Zuleitung 3 umfasst dabei alle Komponenten eines Kraftstoffzufuhrsystems von einer Austrittsöffnung am Gastank bis einschließlich zu einem Einblasinjektor.
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Am Austritt des Gastanks 4 ist ein Tankventil 8 vorgesehen, um den unter hohem Druck im Gastank 4 gespeicherten gasförmigen Kraftstoff zu drosseln.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Heizeinrichtung 5, welche in diesem Ausführungsbeispiel ein elektrisches Heizelement 6 umfasst. Das elektrische Heizelement 6 ist mit einer Energieversorgung 7 verbunden. Die Energieversorgung 7 ist beispielsweise eine Batterie oder ein Generator oder ein Kondensator, besonders bevorzugt ein sogenannter Superkondensator (elektrochemischer Kondensator). Hierbei können auch mehrere Energieversorgungseinrichtungen, beispielsweise eine Batterie und ein Generator, gemeinsam vorgesehen werden und das elektrische Heizelement 5 beispielsweise zuerst mit der Batterie betrieben werden und nach dem Start der Brennkraftmaschine mittels eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generators betrieben werden. Hierdurch können beispielsweise die Ausmaße für die Batterie klein gehalten werden.
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Das elektrische Heizelement 6 dieses Ausführungsbeispiels ist vorzugsweise in einem Wandbereich der Zuleitung 3 integriert. Somit erfolgt eine Wärmeübertragung vom elektrischen Heizelement 6 über den Wandbereich der Zuleitung 3 auf das Gas, welches zur Brennkraftmaschine 2 geführt wird. Der Wandbereich bildet somit den Wärmeübertrager 10.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ermöglicht somit einen reinen Monofuelbetrieb, bei dem die Brennkraftmaschine 2 ausschließlich mit dem Gas betrieben wird. Hierbei kann eine reduzierte thermische Belastung der Komponenten sowohl der Brennkraftmaschine 2 als auch Komponenten im Kraftstoffzuleitungstrakt, reduziert werden. Insbesondere können auch Einblasventile kostengünstiger ausgestaltet werden. Das Gas wird dabei vorzugsweise direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine 2 eingeblasen.
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Somit kann erfindungsgemäß ein Einfrieren von Komponenten im Kraftstoffzuleitungsbereich zur Brennkraftmaschine verhindert werden. Dadurch können die Komponenten erhöhte Lebensdauern aufweisen bzw. kostengünstige Lösungen mit entsprechenden Vorteilen bei der Materialauswahl der Komponenten ermöglicht werden.
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Es sei angemerkt, dass bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen noch ein zusätzlicher Druckregler in der Zuleitung 3 vorgesehen werden kann, wobei die Heizeinrichtung 5 dann vorzugsweise unmittelbar nach dem zusätzlichen Druckregler angeordnet ist.
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2 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Heizeinrichtung 5 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst zwei Wärmequellen. Eine erste Wärmequelle ist wieder ein elektrisches Heizelement 6, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Ferner ist eine zweite Wärmequelle in Form einer Gasheizung 16 vorgesehen. Die Gasheizung 16 ist über eine Zweigleitung 18 und eine Verzweigung 19 in der Zuleitung 3 mit dem Gastank 4 verbunden. Somit kann die Gasheizung 16 mit dem im Gastank 4 gespeicherten Gas betrieben werden. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Luftzufuhreinrichtung, beispielsweise eine Luftpumpe oder eine Saugstrahlpumpe. In der Gasheizung 16 erfolgt eine exotherme Umwandlung des Gases durch katalytische Umsetzung oder Verbrennung des Gases. Die Gasheizung 16 ist über eine Leitung 20 dann mit einem zweiten Wärmeübertrager 11 verbunden, welcher innerhalb des ersten Wärmeübertragers 10 angeordnet ist. Der zweite Wärmeübertrager 11 ist dabei ein Gleichstrom-Wärmeübertrager. Nach Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 11 wird das Abgas der Gasheizung 16 über eine Leitung 21 zum Abgasstrang 9 geführt. Wie aus 2 ersichtlich ist, mündet die Leitung 21 dabei in eine Abgasleitung 22 der Brennkraftmaschine vor einem Katalysator 12. Dadurch wird durch das noch Restwärme enthaltende Abgas der Gasheizung 16 der Katalysator 12 vorerwärmt, so dass dieser schneller auf Betriebstemperatur kommt. Durch das Vorsehen von zwei Wärmequellen kann somit in kürzerer Zeit eine Erwärmung des Gases für die Brennkraftmaschine 2 ermöglicht werden. Somit kann eine Gefahr für Kraftstoffkomponenten weiter reduziert werden. Es sei ferner angemerkt, dass auch die Vorrichtung 1 des zweiten Ausführungsbeispiels dabei ausschließlich mit dem gasförmigen Kraftstoff betrieben werden kann.
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Die 3 und 4 zeigen eine Vorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Vorrichtung 1 des dritten Ausführungsbeispiels 2 weist dabei nur eine Heizeinrichtung 5 auf. Die Heizeinrichtung 5 des dritten Ausführungsbeispiels ist dabei wiederum eine Gasheizung 16. In 4 ist der Wärmeübertrager 11 im Schnitt dargestellt. Dabei sind eine Vielzahl von Rohren 13 in der Zuleitung 3 parallel zur Zuleitung geführt. Das von der Gasheizung 16 austretende Abgas wird über die Leitung 20 zum Wärmeübertrager 11 übertragen, so dass die Wärme auf das in der Zuleitung 3 befindliche Gas übertragen werden kann. Beim Austritt aus dem Wärmeübertrager 11 wird das Gas weiter über die Leitung 21 in die Abgasleitung 22 geführt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit auch ein Betrieb der Brennkraftmaschine in reinem Monofuelbetrieb möglich.
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5 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist ein Zusatztank 31 vorgesehen, welcher mit einem separaten Brenner 30 verbunden ist. Im Zusatztank 31 ist ein flüssiger Kraftstoff, z.B. Ethanol, gespeichert. Die im Brenner 30 erzeugten Abgase werden wie im vorhergehenden Beispiel über die Leitung 20 in den Wärmeübertrager 11 geleitet und dort Wärme an das Gas in der Zuleitung 3 übertragen. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem dritten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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6 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie im vierten Ausführungsbeispiel umfasst das fünfte Ausführungsbeispiel einen Brenner 30 sowie einen mit einem flüssigen Kraftstoff gefüllten Zusatztank 31. Die im Brenner 30 erzeugte Wärme wird jedoch über einen Wärmeübertrager 43 auf einen Kühlkreislauf 40 der Brennkraftmaschine 2 übertragen. Im Kühlkreislauf 40 ist ferner ein weiterer Wärmeübertrager 42 vorgesehen, welcher in diesem Ausführungsbeispiel die Heizeinrichtung 5 bildet. Der Wärmeübertrager 42 überträgt Wärme vom Kühlkreislauf 40 auf das Gas in der Zuleitung 3. Bei dieser Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung 5 somit in den Kühlkreislauf 40 der Brennkraftmaschine 2 integriert. Dabei kann sowohl unmittelbar nach einem Start der Brennkraftmaschine über den Brenner 30 Wärme in den Kühlkreislauf 40 eingebracht werden und somit auch das Gas in der Zuleitung 3 erwärmt werden. Nach einer kurzen Laufzeit der Brennkraftmaschine 2 kann das Gas 3 dann mittels der im normalen Kühlkreislauf 40 der Brennkraftmaschine 2 vorhandenen Wärme erwärmt werden. Der Brenner 30 kann dann abgeschaltet werden. Hierdurch ergibt sich eine sehr effiziente Heizeinrichtung zur Erwärmung des Gases in der Zuleitung 3.
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Zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen sei ferner angemerkt, dass es auch möglich ist, dass in der Zuleitung 3 beispielsweise noch eine weitere Drosseleinrichtung vorgesehen werden kann, so dass ein Druckniveau des Gases in der Zuleitung 3 weiter reduziert wird, wodurch sich das Gas in der Zuleitung weiter abkühlt. Hierdurch entsteht ein Wärmegefälle vom Gas in der Zuleitung 3 zur Umgebung, so dass es möglich ist, mittels beispielsweise der Umgebungsluft, das Gas in der Zuleitung 3 wieder zu erwärmen. Hierbei sind jedoch relativ lange Wärmeübertragungsstrecken vorzusehen. Es sei weiterhin angemerkt, dass die Erfindung vorzugsweise in gasbetriebenen Fahrzeugen verwendet wird. Dabei sind die Ausführungsbeispiele bevorzugt, welche einen reinen Monofuelbetrieb ermöglichen.
