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Die Erfindung betrifft ein Brenngaszuführsystem zur Zuführung von Brenngas in wenigstens einen Brennraum einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Brenngaszuführsystem, und ein Fahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
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Ein Brenngaszuführsystem für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine weist einen ersten Gasleitungsabschnitt sowie einen zweiten Gasleitungsabschnitt auf, wobei der zweite Gasleitungsabschnitt wenigstens eine Gasdosierungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist zum Eindosieren von Brenngas in eine Brennkraftmaschine, insbesondere – mittelbar oder unmittelbar – in einen Brennraum der Brennkraftmaschine, vorzugsweise in ein Gaseinbringvolumen, das beispielsweise ein Ladepfad, ein Ansaugkrümmer oder auch der Brennraum selbst sein kann. Dabei ist der erste Gasleitungsabschnitt bevorzugt – in Strömungsrichtung des Brenngases gesehen – stromaufwärts des zweiten Gasleitungsabschnitts angeordnet und vorzugsweise mit einer Brenngasquelle, beispielsweise eine Brenngasleitung, einem Brenngastank, oder dergleichen, fluidverbunden, wobei in dem ersten Gasleitungsabschnitt bevorzugt ein erster, höherer Brenngasdruck herrscht, als in dem zweiten Gasleitungsabschnitt. Der erste Gasleitungsabschnitt ist mit dem zweiten Gasleitungsabschnitt über eine Druckeinstelleinrichtung fluidverbunden, wobei die Druckeinstelleinrichtung eingerichtet ist, um einen Brenngasdruck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt einzustellen. In dem zweiten Gasleitungsabschnitt herrscht dabei insbesondere ein zweiter, niedrigerer Brenngasdruck, der geringer ist als der erste, höhere Brenngasdruck in dem ersten Gasleitungsabschnitt. Die Brenngasdruckeinstellung in dem zweiten Gasleitungsabschnitt dient insbesondere dazu, günstige und vorzugsweise reproduzierbare Bedingungen für die Eindosierung des Brenngases mittels der Gasdosierungseinrichtung insbesondere in das Gaseinbringvolumen einzustellen. Hierfür ist typischerweise der im Bereich der Brenngasquelle herrschende Gasversorgungsdruck zu hoch, so dass es einer Druckreduzierung und insbesondere einer Druckeinstellung, bevorzugt einer Druckregelung in dem zweiten Gasleitungsabschnitt bedarf.
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Bei einem bekannten Brenngaszuführsystem ist eine solche Druckeinstelleinrichtung als Gasdruckregler ausgebildet, wobei bei einem solchen Gasdruckregler ein Strömungsquerschnitt für das Brenngas variiert wird, um den Durchfluss und/oder den Gasdruck stromabwärts des Gasdruckreglers einzustellen, vorzugsweise zu regeln. Solche Gasdruckregler werden typischerweise in großer Entfernung zu der gasbetriebenen Brennkraftmaschine angeordnet, insbesondere bei einer Verwendung der Brennkraftmaschine für einen Schiffsantrieb nicht in einem selben Raum mit der Brennkraftmaschine und außerhalb einer aus Sicherheitsgründen vorgesehenen Doppelwandigkeit der Gasleitung im Bereich der Brennkraftmaschine. Solche Gasdruckregler sind bereits für sich genommen träge in ihrem Regelungsverhalten, wobei die Dynamik der Gasdruckregelung jedoch zusätzlich durch die große Entfernung des Gasdruckreglers von der Brennkraftmaschine verschlechtert wird. Eine direkte Ansteuerung durch ein Steuergerät der Brennkraftmaschine ist kaum oder gar nicht darstellbar. Eine Brenngasdruckregelung für verschiedene Brennraumgruppen, beispielsweise für verschiedene Zylinderbänke, insbesondere zum Zwecke einer Zylinderabschaltung oder Zylinderbankabschaltung, ist nicht möglich. Die gasbetriebene Brennkraftmaschine wird typischerweise abgeschaltet, indem die Gasdruckregler geschlossen werden, wobei sich der Abschaltprozess aufgrund des großen Totvolumens zwischen den Gasdruckreglern und der Brennkraftmaschine langsam gestaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brenngaszuführsystem zur Zuführung von Brenngas in wenigstens einen Brennraum einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Brenngaszuführsystem, und ein Fahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die zuvor beschriebenen Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Brenngaszuführsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Druckeinstelleinrichtung ein Druckstellglied aufweist, das als Ventil ausgebildet ist, durch welches der erste Gasleitungsabschnitt in einer ersten Funktionsstellung des Druckstellglieds von dem zweiten Gasleitungsabschnitt trennbar, und in einer zweiten Funktionsstellung des Druckstellglieds mit dem zweiten Gasleitungsabschnitt in Fluidverbindung bringbar ist. Das Brenngaszuführsystem weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Insbesondere kann ein solches Ventil vergleichsweise nah, bevorzugt auch direkt, an einer Brennkraftmaschine angeordnet werden, wobei es auch einfach in eine Doppelwandung integriert werden kann. Bereits dies verbessert die Dynamik der Gasdruckregelung. Hinzu kommt, dass ein solches Ventil selbst eine deutlich höhere Dynamik aufweist als ein Gasdruckregler, wodurch sich insgesamt eine deutlich höhere Verstellgeschwindigkeit des angeforderten Brenngasdrucks ergibt als bei der bekannten Technologie unter Verwendung eines Gasdruckreglers. Ein solches Ventil kann auch in einfacher Weise für Spülvorgänge geöffnet werden, die insbesondere als Sicherheitskonzept bei marinen Anwendungen eines solchen Brenngaszuführsystems vorgesehen sein müssen. Dabei muss die Brenngaszuleitung zu der Brennkraftmaschine nach Abschalten derselben mit einem inerten Gas spülbar sein. Ein solches Ventil kann außerdem ohne weiteres durch ein Steuergerät der Brennkraftmaschine angesteuert werden. Wird das Ventil geschlossen, geht die Brennkraftmaschine sicher und schnell aus. Zum nachfolgenden Spülen, insbesondere mit Stickstoff, kann das Ventil wieder geöffnet werden, um den Spülvorgang zu ermöglichen. Derartige Ventile sind im Übrigen – analog zu der wenigstens einen Gasdosierungseinrichtung, insbesondere einem Gaseinblasventil – in eine Doppelwandigkeit integrierbar, um ein insoweit bestehendes Sicherheitskonzept einzuhalten.
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Die Gasdosierungseinrichtung ist bevorzugt als Gaseinblasventil ausgebildet. Sie kann dabei eingerichtet sein zur Direkteindüsung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, zur Mehrpunkteindüsung oder Einzelpunkteindüsung in ein Ansaugrohr der Brennkraftmaschine, oder aber auch als Gasmischer zur Einbringung des Brenngases in einen Ladepfad der Brennkraftmaschine, bevorzugt stromaufwärts eines Verdichters, der in dem Ladepfad angeordnet ist.
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Das Brenngaszuführsystem weist vorzugsweise eine Druck- oder Durchflussregelung für das Ventil auf. Insbesondere wird bevorzugt ein Durchfluss durch das Ventil, ganz besonders bevorzugt der Druck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt durch geeignete Ansteuerung des Ventils, geregelt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckstellglied als elektrisch oder elektronisch ansteuerbares Ventil ausgebildet ist. Ein solches Ventil kann ohne weiteres insbesondere durch ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine angesteuert werden. Weiterhin ist eine schnelle Ansteuerung des Ventils möglich.
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Das Ventil weist bevorzugt eine Schaltzeit auf, die von wenigstens 0,5 ms bis höchstens 2,5 ms, vorzugsweise von wenigstens 1 ms bis höchstens 2 ms, besonders bevorzugt 1,5 ms beträgt. Zusätzlich oder alternativ ist das Ventil bevorzugt als elektromagnetisches Ventil ausgebildet. Ein solches, schnell schaltendes Ventil eignet sich in besonderer Weise für eine dynamische Druckregelung in dem zweiten Gasleitungsabschnitt, insbesondere mit hoher Verstellgeschwindigkeit des angeforderten Brenngasdrucks.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckstellglied genau zwei Funktionsstellungen aufweist, nämlich die zweite, geöffnete Funktionsstellung sowie die erste, geschlossene Funktionsstellung. Besonders bevorzugt weist das Druckstellglied nur diese zwei Funktionsstellungen auf. Es sind also keine Zwischenstellungen des Ventils vorgesehen. Ein solches Ventil ist zum einen besonders einfach aufgebaut und zum anderen besonders einfach ansteuerbar. Besonders bevorzugt ist eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Ventils vorgesehen. Der Brenngasdruck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt wird vorzugsweise durch eine Frequenz, mit welcher das Ventil angesteuert wird, und/oder durch eine Öffnungsdauer des Ventils eingestellt, vorzugsweise geregelt. Eine weitere wichtig Einflussgröße auf den Brenngasdruck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt stellt im Betrieb der Brennkraftmaschine selbstverständlich der Gasverbrauch derselben dar, also die Gasmenge, welche – insbesondere pro Zeiteinheit – über die wenigstens eine Gasdosierungseinrichtung dem wenigstens einen Brennraum zugeführt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckstellglied als Plattenventil oder als Sitzventil ausgebildet ist. Insbesondere diese Ventilarten eignen sich in besonderer Weise für eine Druckregelung durch geeignete Wahl der Öffnungsfrequenz und/oder der Öffnungsdauer des entsprechenden Ventils.
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Ein Plattenventil zeichnet sich dabei durch eine erste, verlagerbare Ventilplatte sowie durch eine zweite, feststehende Ventilplatte aus, wobei die erste Ventilplatte gegenüber der zweiten Ventilplatte verlagerbar ist, wobei zumindest eine der Ventilplatten Bohrungen aufweist, wobei die andere der Ventilplatten keine Bohrungen, oder zu den Bohrungen der einen Ventilplatte versetzte Bohrungen aufweist, derart, dass ein Strömungspfad durch die Ventilplatten gesperrt ist, wenn die Ventilplatten vorzugsweise in direkter Anordnung aufeinander angeordnet sind, wobei ein Strömungspfad durch die Bohrungen in wenigstens einer der Ventilplatten freigegeben ist, wenn die Ventilplatten voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Ein Sitzventil weist insbesondere einen Ventilsitz und einen in dem Ventilsitz dicht anordenbaren, relativ zu dem Ventilsitz verlagerbaren Ventilkörper auf, wobei ein Strömungspfad durch den Ventilsitz gesperrt ist, wenn der Ventilkörper an dem Ventilsitz anliegt, und wobei ein Fluidpfad entlang des Ventilsitzes freigegeben ist, wenn der Ventilkörper von dem Ventilsitz beabstandet ist. Ein solcher Ventilsitz ist vorzugsweise konisch oder kegelabschnittsförmig ausgebildet, wobei der Ventilkörper vorzugsweise ebenfalls konisch oder kegelabschnittsförmig, insbesondere mit zu dem Ventilsitz komplementärer Form, oder teilkugelförmig oder kugelförmig ausgebildet sein kann.
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Die erste Ventilplatte des Plattenventils oder der Ventilkörper des Sitzventils sind bevorzug elektromagnetisch betätigbar.
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Es ist auch möglich, dass das Druckstellglied als Rotationsventil ausgebildet ist, welches vorzugsweise bezüglich einer Drehzahl des Rotationsventils ansteuerbar ist. Ein solches Rotationsventil weist vorzugsweise einen zylinderförmigen Ventilmantel mit zwei entlang des Umfangs versetzt zueinander angeordneten Bohrungen auf, wobei in dem zylinderförmigen Ventilmantel ein innerer, zylinderförmiger Ventilkörper angeordnet ist, welcher eine den Ventilkörper durchsetzende Bohrung aufweist, die in einer Winkelposition des inneren Ventilkörpers die beiden Bohrungen des Ventilmantels miteinander verbindet, wobei die Bohrungen des Ventilmantels in allen anderen Winkelpositionen des inneren Ventilkörpers fluidisch voneinander getrennt sind. Die eine Winkelposition, in welcher der innere Ventilkörper die beiden Bohrungen des Ventilmantels miteinander verbindet, entspricht der zweiten, geöffneten Funktionsstellung, wobei alle anderen Winkelpositionen die erste Funktionsstellung darstellen. Über eine Drehzahl des inneren Ventilkörpers in dem äußeren Ventilmantel ist dann ein Durchfluss durch das Rotationsventil einstellbar, wodurch zugleich ein Druck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt regelbar ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest der zweite Gasleitungsabschnitt doppelwandig mit einer Doppelwandung ausgebildet ist, wobei das Druckstellglied in die Doppelwandung integriert ist. Insbesondere durch Integration des Druckstellglieds in die Doppelwandigkeit kann ein Sicherheitskonzept insbesondere für Marineanwendungen gewährleistet werden, und es ist möglich, das Druckstellglied nah an der Brennkraftmaschine, vorzugsweise im selben Raum mit dieser oder direkt an derselben anzuordnen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche ein Brenngaszuführsystem nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei ergeben sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Gaszuführsystem erläutert wurden. Die Brennkraftmaschine ist insbesondere als gasbetriebene Brennkraftmaschine, vorzugsweise als Gasmotor, ausgebildet.
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Unter einem Brenngas wird insbesondere ein unter Normalbedingungen, mithin bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmiger Brennstoff verstanden, vorzugsweise ein methanhaltiges Brenngas. Dabei kann es sich beispielsweise um Erdgas, Flüssiggas (LNG – Liquefied Natural Gas), komprimiertes Erdgas (CNG – Compressed Natural Gas), oder dergleichen handeln. Das Brenngas kann aber auch ein Biogas, Deponiegas, Schwachgas, Prozessgas aus der Montan-, Petrol- oder Chemie-Industrie, oder dergleichen sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Druckstellglied – vorzugsweise unmittelbar – an der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das wenigstens eine Druckstellglied in einem selben Raum mit der Brennkraftmaschine anordenbar ist. Dies wiederum ist – insbesondere aufgrund bestehender Sicherheitsforderungen – insbesondere dann möglich, wenn das Druckstellglied in eine Doppelwandung zumindest des zweiten Gasleitungsabschnitts integriert ist. Durch die Anordnung des Druckstellglieds an der Brennkraftmaschine oder zumindest in einem selben Raum mit der Brennkraftmaschine wird eine Dynamik der Druckregelung deutlich verbessert. Auch ein Abstellen der Brennkraftmaschine kann dann sehr schnell erfolgen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist, wobei jedem Brennraum oder wenigstens einer Brennraumgruppe von Brennräumen der Mehrzahl von Brennräumen jeweils ein Druckstellglied zugeordnet ist. Auf diese Weise ist eine brennraumindividuelle oder brennraumgruppenindividuelle Zylinderabschaltung durch Schließen der verschiedenen Druckstellglieder ohne weiteres darstellbar. Insbesondere weist die Brennkraftmaschine bevorzugt mindestens zwei Zylinderbänke auf, wobei jeder Zylinderbank ein separates Druckstellglied zugeordnet ist. Es kann auf diese Weise eine zylinderbankweise Zylinderabschaltung der Brennkraftmaschine verwirklicht werden.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Fahrzeug geschaffen wird, welches eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Die Brennkraftmaschine ist dabei bevorzugt zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Bordstromversorgung vorgesehen. Das Fahrzeug ist besonders bevorzugt als Schifffahrzeug ausgebildet, insbesondere als Kreuzfahrtschiff, Jacht, Militärschiff, Rettungskreuzer, Schlepper, Unterseeboot, oder dergleichen. In Zusammenhang mit dem Fahrzeug verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Brenngaszuführsystem und/oder der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Insbesondere bei einem Schifffahrzeug sind gemäß den geltenden Klassifikationsbedingungen und Sicherheitsanforderungen getrennte Räume für die Brennkraftmaschine einerseits sowie für die Brenngasversorgung andererseits vorgesehen. Dabei muss insbesondere in einem Raum, in welchem die Brennkraftmaschine vorgesehen ist, die Gasleitung doppelwandig ausgeführt sein. Daher ist hier bevorzugt zumindest der zweite Gasleitungsabschnitt doppelwandig ausgebildet. Das wenigstens eine Druckstellglied ist bevorzugt in die Doppelwandigkeit integriert und mit der Brennkraftmaschine im selben Raum angeordnet, besonders bevorzugt – insbesondere direkt – an der Brennkraftmaschine angeordnet. Auf diese Weise kann die Dynamik der Gasdruckeinstellung deutlich erhöht werden, und es ist ein schnelles Abschalten der Brennkraftmaschine möglich.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel eines Brenngaszuführsystems;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Druckstellglieds für das Brenngaszuführsystem;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druckstellglieds für das Brenngaszuführsystem, und
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Druckstellglieds für das Brenngaszuführsystem.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 1, welches vorzugsweise als Schifffahrzeug, insbesondere als Schiff ausgebildet ist. Das Fahrzeug 1 weist eine Brennkraftmaschine 3 auf, die vorzugsweise dem Antrieb des Fahrzeugs 1 und/oder einer Bordstromversorgung desselben dient. Die Brennkraftmaschine 3 ist bevorzugt als Gasmotor ausgebildet, jedenfalls aber eingerichtet, um mit einem Brenngas betrieben zu werden. Zur Zuführung von Brenngas in Brennräume 5 der Brennkraftmaschine, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur einer mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist, ist ein Brenngaszuführsystem 7 vorgesehen, welches einen ersten Gasleitungsabschnitt 9 und einen zweiten Gasleitungsabschnitt 11 aufweist. Der zweite Gasleitungsabschnitt 11 weist wenigstens eine Gasdosierungseinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist zum Eindosieren von Brenngas insbesondere in ein Gaseinbringvolumen der Brennkraftmaschine 3. Dabei ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 3 jedem Brennraum 5 jeweils eine Gasdosierungseinrichtung 13 zugeordnet, wobei hier spezifisch eine Mehrpunkteindüsung verwirklicht wird. Alternativ ist auch eine Direkteindüsung in die Brennräume 5, eine Einzelpunkteindüsung, oder die Einrichtung der Gasdosierungseinrichtung 13 als Gasmischer in einem Ladepfad, vorzugsweise stromaufwärts eines Verdichters in dem Ladepfad, vorgesehen.
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Der erste Gasleitungsabschnitt 9 ist – in Strömungsrichtung des Brenngases gesehen – stromaufwärts des zweiten Gasleitungsabschnitts 11 angeordnet und bevorzugt mit einer Brenngasquelle fluidverbunden. Das Brenngas steht vorzugsweise in dem ersten Gasleitungsabschnitt 9 unter einem ersten, höheren Druck. Der erste Gasleitungsabschnitt 9 ist mit dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 über eine Druckeinstelleinrichtung 15 fluidverbunden, die eingerichtet ist, um einen Brenngasdruck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 einzustellen. Dabei wird der Brenngasdruck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 vorzugsweise geringer eingestellt, als der erste, höhere Druck, so dass in dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 ein zweiter, geringerer Druck herrscht.
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Die Druckeinstelleinrichtung 15 weist ein Druckstellglied 17 auf, das als Ventil ausgebildet ist, durch welches der erste Gasleitungsabschnitt 9 in einer ersten Funktionsstellung des Ventils von dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 trennbar und in einer zweiten Funktionsstellung des Ventils mit dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 in Fluidverbindung bringbar ist. Für das Ventil ist vorzugsweise eine Druck- oder Durchflussregelung implementiert.
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Anstelle eines in vergleichsweise großer Entfernung von der Brennkraftmaschine 3 angeordneten Gasdruckreglers kann also der Brenngasdruck in dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 in räumlicher Nähe zu der Brennkraftmaschine 3, vorzugsweise direkt an der Brennkraftmaschine 3 eingestellt werden, was bereits aufgrund des deutlich verringerten Totvolumens in dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 zu einer verbesserten Dynamik der Druckeinstellung führt.
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In 1 ist darüber hinaus dargestellt, dass die Brennkraftmaschine 3 bevorzugt in einem separaten Raum 19 angeordnet ist, der insbesondere von der Brenngasquelle getrennt ist. Während ein Gasdruckregler typischerweise außerhalb dieses Raums 19 angeordnet ist, kann das als Ventil ausgebildete Druckstellglied 17 innerhalb des Raums 19 angeordnet werden.
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Das Druckstellglied ist insbesondere als elektrisch oder elektronisch ansteuerbares Ventil ausgebildet, insbesondere als schnell schaltendes Ventil mit einer Schaltzeit von mindestens 1 ms bis höchstens 2 ms, vorzugsweise von 1,5 ms. Durch die schnelle Ansteuerbarkeit des Ventils kann die Dynamik der Druckeinstellung in dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 weiter verbessert werden.
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Bevorzugt weist das Druckstellglied 17 genau zwei Funktionsstellungen auf, nämlich die zweite, geöffnete Funktionsstellung und die erste, geschlossene Funktionsstellung. Es weist also insbesondere keine Zwischenstellungen auf. Vorzugsweise ist das Druckstellglied 17 pulsweitenmoduliert ansteuerbar.
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Anhand von 1 zeigt sich auch, dass zumindest der zweite Gasleitungsabschnitt 11 doppelwandig mit einer Doppelwandung 21 ausgebildet ist. Das Druckstellglied 17 kann dabei ohne weiteres in die Doppelwandung integriert sein. Insbesondere aufgrund dieser Ausgestaltung ist es möglich, das Druckstellglied 17 innerhalb desselben Raums 19 gemeinsam mit der Brennkraftmaschine 3 anzuordnen, wobei die Sicherheitsanforderung und/oder Klassifikationsbedingungen insbesondere für Schifffahrzeuge erfüllt werden.
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Die Brennkraftmaschine 3 weist hier im Übrigen eine Mehrzahl von Brennräumen 5 auf, wobei diese in eine Mehrzahl von Brennraumgruppen unterteilt sind, hier in genau zwei Brennraumgruppen, nämlich eine erste Brennraumgruppe 23 und eine zweite Brennraumgruppe 25, die jeweils als Zylinderbank ausgebildet sind. Die Brennkraftmaschine 3 ist hier bevorzugt als V-Motor ausgebildet und weist zwei Zylinderbänke auf. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschine 3 als W-Motor ausgebildet ist und entsprechend drei Zylinderbänke aufweist. Auch eine andere Anzahl von Zylinderbänken, gegebenenfalls auch nur eine Zylinderbank, ist möglich. Es zeigt sich, dass hier jeder der Brennraumgruppen 23, 25 jeweils ein Druckstellglied 17 zugeordnet ist. Entsprechend spaltet sich auch der erste Gasleitungsabschnitt 9 auf, wobei jeder Brennraumgruppe 23, 25 ein zweiter Gasleitungsabschnitt 11 mit einem Druckstellglied 17 zugeordnet ist. Über die den einzelnen Brennraumgruppen 23, 25 beziehungsweise Zylinderbänken zugeordneten Druckstellglieder 17 kann in einfacher Weise eine Zylinderbankabschaltung einer der Zylinderbänke beziehungsweise Brennraumgruppen 23, 25 durchgeführt werden.
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Die Brennkraftmaschine 3 weist bevorzugt ein Steuergerät 27 auf, welches eingerichtet ist, um die Brennkraftmaschine 3 zu steuern oder zu regeln, wobei das Steuergerät 27 bevorzugt auch direkt mit den Druckstellgliedern 17 wirkverbunden ist, so dass diese direkt von dem Steuergerät 27 zur Druckregelung in dem zweiten Gasleitungsabschnitt 11 beziehungsweise in den zweiten Gasleitungsabschnitten 11 angesteuert werden können. Insbesondere dies ist typischerweise für entfernt von der Brennkraftmaschine 3 angeordnete Gasdruckregler nicht möglich. Die Ansteuerung der verschiedenen Druckstellglieder 17 für die verschiedenen Brennraumgruppen 23, 25 ermöglicht außerdem eine zylinderbankweise Brenngasdruckregelung.
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Der Brenngasdruck in den zweiten Gasleitungsabschnitten 11 wird bevorzugt durch eine Ansteuer- oder Öffnungsfrequenz und/oder Öffnungsdauer der Druckstellglieder 17 eingestellt. Hierfür öffnen die als Ventile ausgebildeten Druckstellglieder 17 bevorzugt immer vollständig, das heißt sie geben stets ihren gesamten Durchströmungsquerschnitt frei, wenn sie angesteuert werden. Durch die Ansteuerfrequenz einerseits und den Verbrauch der Brennkraftmaschine 3 an Brenngas andererseits kann der Brenngasdruck im Betrieb der Brennkraftmaschine 3 eingestellt, vorzugsweise geregelt werden. Zum Abstellen der Brennkraftmaschinen 3 können die Druckstellglieder 17 einfach geschlossen werden, wodurch die Brennkraftmaschine 3 sehr rasch – aufgrund des geringen Totvolumens – ausgeht. Zum nachfolgenden Spülen mit einem inerten Gas, insbesondere mit Stickstoff, können die Druckstellglieder 17 geöffnet werden, um den Spülvorgang zu ermöglichen. Dies stellt typischerweise eine Forderung der Klassifizierungsgesellschaften für Schifffahrzeuge 1 dar.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Druckstellglieds 17 für das Brenngaszuführsystem 7, wobei das Druckstellglied 17 hier als Plattenventil 29 ausgebildet ist. Es weist dabei eine erste, verlagerbare Ventilplatte 31 und eine zweite, raumfest gehaltene Ventilplatte 33, die auch als Ventilsitz bezeichnet werden kann, auf. In der zweiten Ventilplatte 33 sind Durchströmbohrungen 35 ausgebildet, von denen der besseren Übersicht wegen hier nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Es ist möglich, dass auch die erste Ventilplatte 31 solche Durchströmbohrungen aufweist, wobei die erste Ventilplatte 31 und die zweite Ventilplatte 33 dann bevorzugt nicht überlappende Bohrungsbilder aufweisen, so dass das Ventil geschlossen ist, wenn die Ventilplatten 31, 33 – wie in 2 dargestellt – direkt aufeinander liegen. Alternativ ist es möglich, dass die erste Ventilplatte 31 keine Durchströmbohrungen aufweist, wobei sie dann bevorzugt einen geringeren Durchmesser aufweist als die zweite Ventilplatte 33, so dass Gas randseitig an der ersten Ventilplatte 31 vorbei zu den Durchströmbohrungen 35 strömen kann, wenn die erste Ventilplatte 31 von der zweiten Ventilplatte 33 beabstandet ist. Der Durchmesser der ersten Ventilplatte 31 ist aber groß genug, um alle Durchströmbohrungen 35 abdecken zu können, wenn die erste Ventilplatte 31 und die zweite Ventilplatte 33 unmittelbar aufeinander angeordnet sind. Wie durch einen Pfeil P dargestellt, tritt das Brenngas hier seitlich in das Plattenventil 29 in eine Ventilkammer 37 ein. Die erste, verlagerbare Ventilplatte 31 ist mit einem Anker 39 verbunden, der durch einen Elektromagnet 41 – in 2 in vertikaler Richtung – verlagert werden kann, und zwar hier gegen die Kraft einer Ventilfeder 43, welche die erste Ventilplatte 31 gegen die zweite Ventilplatte 33 in die geschlossene Funktionsstellung der Druckstellglieds 17 drängt. Ist der Elektromagnet 41 nicht bestromt, ist demnach das Plattenventil 29 geschlossen. Wird der Elektromagnet 41 bestromt, wird der Anker 39 angehoben, wodurch auch die erste Ventilplatte 31 von der zweiten Ventilplatte 33 abgehoben wird. Es werden dann die Durchströmbohrungen 35 freigegeben und in Fluidverbindung mit der Ventilkammer 37 gebracht, so dass das Brenngas über die Durchströmbohrungen 35 ausströmen kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Druckstellglieds 17. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das Druckstellglied 17 ist hier als Sitzventil 45 ausgebildet und weist einen kegelabschnittförmigen Ventilsitz 47 auf, gegen den in der geschlossenen Funktionsstellung ein komplementär ausgebildeter, teilkegelförmiger Ventilkörper 49 gedrängt wird. Der Ventilkörper 49 ist über einen Anker 39 und eine Ventilfeder 43 in die geschlossene Funktionsstellung vorgespannt und kann durch Aktivieren des Elektromagnets 41 – in 3 in vertikaler Richtung nach unten – verlagert werden, wodurch eine Öffnung im Bereich des Ventilsitzes 47 freigegeben wird. Auch hier strömt das Brenngas – wie durch einen Pfeil P dargestellt – seitlich in die Ventilkammer 37 ein und kann diese über den Ventilsitz 47 im geöffneten Funktionszustand des Sitzventils 45 verlassen.
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Das Plattenventil 29 und das Sitzventil 45 gemäß den 2 und 3 werden vorzugsweise mit veränderlicher Öffnungsfrequenz und/oder mit veränderlicher Öffnungsdauer angesteuert, wobei eine Druckregelung oder eine Durchflussregelung durch Variation der Öffnungsfrequenz und/oder Öffnungsdauer erreicht werden kann. Ein Regelkreis kann über eine Gasdruckmessung stromaufwärts sowie stromabwärts des jeweiligen Ventils dargestellt werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Druckstellglieds 17 für das Brenngaszuführsystem 7 gemäß 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das Druckstellglied 17 ist hier als Rotationsventil 51 ausgebildet. Es weist einen feststehenden, zylinderförmigen Ventilmantel 53 sowie einen in dem Ventilmantel 53 drehbar gelagerten, zylinderförmigen Ventilkörper 55 auf, der eine Durchgangsbohrung 57 aufweist. Der Ventilmantel 53 weist zwei – hier diametral gegenüberliegende – Bohrungen 59, 59‘ auf, wobei die Bohrungen 59, 59‘ und die Durchgangsbohrung 57 so relativ zueinander angeordnet sind, dass Brenngas – wie hier durch Pfeile P dargestellt – durch die Bohrung 59 einströmen, die Durchgangsbohrung 57 durchströmen und durch die zweite Bohrung 59‘ wieder ausströmen kann, wenn die Durchgangsbohrung 57 in Überdeckung mit den Bohrungen 59, 59‘ angeordnet ist. Die Durchgangsbohrung 57 ist also angeordnet und eingerichtet, um die die Bohrungen 59, 59‘ miteinander in Fluidverbindung zu bringen. Dies ist genau in der in 4 dargestellten Winkelposition des Ventilkörpers 55 relativ zu dem Ventilmantel 53 der Fall. In anderen Winkelpositionen besteht keine Fluidverbindung zwischen den Bohrungen 59, 59’, so dass das Rotationsventil 51 geschlossen ist. Es kann dann kein Brenngas von der ersten Bohrung 59 zu der zweiten Bohrung 59‘ strömen.
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Eine Durchfluss- und/oder Druckregelung erfolgt hier bevorzugt über eine Veränderung der Drehzahl des Ventilkörpers 55 in dem Ventilmantel 53. Auch hier kann dabei ein Regelkreis gebildet werden über eine Messung des Brenngasdrucks stromaufwärts sowie stromabwärts des Rotationsventils 51.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit dem hier vorgestellten Brenngaszuführsystem 7, der Brennkraftmaschine 3 und dem Fahrzeug 1 eine Möglichkeit bereitgestellt wird, den Brenngasdruck sehr schnell, dynamisch und genau einzustellen.
