DE102017222212A1

DE102017222212A1 - Kraftstoffspeichersystem für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017222212A1
Application number: DE102017222212.3A
Authority: DE
Inventors: Udo Riegler; Martin Woerner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffspeichersystem (1) für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff (2), insbesondere mit Erdgas, betreibbare Brennkraftmaschine, umfassend eine mit dem gasförmigen Kraftstoff (2) gefüllte Blase (3) sowie ein Gehäuse (4), das ein Volumen (5) begrenzt, in dem die Blase (3) aufgenommen ist, wobei das Volumen (5) über ein Ventil (6) mit einem Fluid (7) beaufschlagbar ist, so dass aufgrund des Fluiddrucks im Volumen (5) eine Volumenverkleinerung der Blase (3) zur Entnahme des gasförmigen Kraftstoffs (2) bewirkt wird.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffspeichersystem für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, betreibbare Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Bei dem Verfahren gelangt das erfindungsgemäße Kraftstoffspeichersystem zum Einsatz.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen für Nutz- oder Kraftfahrzeuge bekannt, die mit einem gasförmigen Kraftstoff betrieben werden. Hierbei kann es sich insbesondere um Erdgas handeln. Das Erdgas muss an Bord des Nutz- oder Kraftfahrzeugs gespeichert werden, damit die Versorgung der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff sichergestellt ist.
Zum Speichern und Bereitstellen von Erdgas kann beispielsweise ein Kolbenspeicher eingesetzt werden. Dieser weist einen in einem Hohlzylinder hubbeweglich aufgenommenen Kolben zur Druckbeaufschlagung des Erdgases auf. Um Leckagen zu verhindern, müssen der Kolben und der Hohlzylinder hochgenau gefertigt sein. Aufgrund dessen ist der Kolbenspeicher vergleichsweise teuer in der Herstellung. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu einfachen Gasflaschen, die häufig als Druckgasflaschen oder Druckbehälter zum Speichern von Gasen unter Druck Verwendung finden. Als Kraftstoffspeicher an Bord eines Nutz- oder Kraftfahrzeugs sind Gasflaschen jedoch nicht geeignet, da nicht wirtschaftlich. Denn beim Entleeren des Behälters sinkt der Druck ab bis ein Differenzdruck zwischen dem Behälterdruck und dem zu betreibendem System erreicht wird, der für den Betrieb nicht mehr ausreichend ist. Im Behälter verbleibt somit eine Restgasmenge, die ungenutzt bleibt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoffspeichersystem für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine anzugeben, das einen möglichst hohen und konstanten Gasdruck gewährleistet, um die im Speicher verbleibende Restgasmenge auf ein Minimum zu reduzieren. Zugleich soll ein Kraftstoffspeichersystem angegeben werden, das einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Kraftstoffspeichersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffspeichersystems angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Kraftstoffspeichersystem für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, betreibbare Brennkraftmaschine umfasst eine mit dem gasförmigen Kraftstoff gefüllte Blase sowie ein Gehäuse, das ein Volumen begrenzt, in dem die Blase aufgenommen ist. Das Volumen ist dabei über ein Ventil mit einem Fluid beaufschlagbar, so dass aufgrund des Fluiddrucks im Volumen eine Volumenverkleinerung der Blase zur Entnahme des gasförmigen Kraftstoffs bewirkt wird.
Das heißt, dass der Fluiddruck im Volumen zumindest geringfügig größer als der Gasdruck in der Blase ist. Die Druckdifferenz ist zum Ausgleich der zwangsläufig bei der Gasentnahme entstehenden Druckverluste in den Armaturen erforderlich. Der Druckausgleich gewährleistet, dass der gasförmige Kraftstoff der Blase entnommen werden kann.
Bei der Entnahme des gasförmigen Kraftstoffs verkleinert sich die Blase, während sich das die Blase umgebende Volumen im Gehäuse vergrößert. Um den Fluiddruck und damit den Gasdruck im Wesentlichen konstant zu halten, muss demnach bei der Gasentnahme kontinuierlich Fluid nachgeführt werden. Die Zumessung der erforderlichen Fluidmenge ist dabei über das Ventil steuerbar. Das heißt, dass ein konstanter Fluiddruck und damit Gasdruck gewährleistet werden kann, der zu einer vollständigen Entleerung der Blase beiträgt. Das innerhalb des Gehäuses zur Verfügung stehende Volumen wird demnach effektiv als Speichervolumen genutzt.
Da die Blase eine Medientrennung innerhalb des Gehäuses bewirkt, können zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen entfallen. Insbesondere kann - im Vergleich zu dem eingangs erwähnten Kolbenspeicher - auf eine aufwendige und kostenintensive Innenbearbeitung des Gehäuses bzw. des Druckbehälters verzichtet werden. Auf diese Weise wird ein Kraftstoffspeichersystem geschaffen, dass vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung herrscht in der Blase Hochdruck, das heißt, dass der gasförmige Kraftstoff unter Hochdruck gespeichert wird. Unter Hochdruck wird dabei ein Druck von vorzugsweise mindestens 200 bar verstanden. Der hohe Druck ist zum Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Fluiddruck in dem die Blase umgebenden Volumen beträgt demnach ebenfalls mindestens 200 bar bzw. liegt geringfügig darüber, um die in den Armaturen auftretenden Druckverluste bei der Gasentnahme auszugleichen. Das heißt, dass die Druckverhältnisse im Kraftstoffspeichersystem annähernd druckausgeglichen sein können. Auf diese Weise kann die Belastung der Blase minimiert werden, so dass die Lebensdauer des Kraftstoffspeichersystems steigt. Alternativ oder ergänzend kann die Blase vergleichsweise dünn ausgebildet werden.
Des Weiteren bevorzugt weist die Blase ein Speichervolumen von mindestens 200 I auf. Auf diese Weise kann die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffspeichersystems erhöht werden, da die Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgt werden kann. Da ein entsprechend großes Speichervolumen einen hohen Bauraumbedarf besitzt, wird ferner vorgeschlagen, dass das Verhältnis des durch das Gehäuse begrenzten Volumens zum Speichervolumen nicht größer als 1,5 beträgt. Beispielsweise kann das durch das Gehäuse begrenzte Gesamtvolumen 250 I und das Speichervolumen der Blase 200 I betragen, so dass das Verhältnis 5:4 bzw. 1,25 beträgt.
Vorteilhaftweise ist das Gehäuse im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet und die Blase besitzt eine Außenkontur, die an die Innenkontur des Gehäuses angepasst ist. Die Blase legt sich somit an die Innenkontur des Gehäuses an. Das im Gehäuse zur Verfügung stehende Volumen wird auf diese Weise optimal genutzt. Die Fluidbeaufschlagung des Volumens kann in diesem Fall von einer Stirnseite des Gehäuses erfolgen, so dass die Blase in ihrer Längsrichtung gestaucht wird, wobei sich die Blase zusammenzieht und/oder in Falten legt.
Bevorzugt ist die Blase zumindest bereichsweise aus einem Elastomermaterial gefertigt, so dass sie elastisch verformbar ist. Das heißt, dass sie bei der Befüllung mit dem gasförmigen Kraftstoff gedehnt wird und sich bei der Entnahme des gasförmigen Kraftstoffs wieder zusammenzieht. Die elastische Verformbarkeit eines solchen Materials ist jedoch begrenzt, so dass allein hierüber keine vollständige Entleerung der Blase erreichbar ist. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Elastomermaterial zugleich faltbar ist. Die Volumenverkleinerung der Blase kann in diesem Fall vorrangig durch Einfalten bewirkt werden, so dass sichergestellt ist, dass die Blase vollständig entleert werden kann.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Blase einen Gasentnahmeanschluss aufweist, der das Gehäuse durchdringt. Der Gasentnahmeanschluss erleichtert die Anbindung an ein Versorgungssystem der Brennkraftmaschine, über das der Brennkraftmaschine der gasförmige Kraftstoff zuführbar ist.
Der Gasentnahmeanschluss und das Ventil zur Fluidbeaufschlagung sind dabei bevorzugt an sich gegenüberliegenden Enden des Gehäuses angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass die Blase vollständig entleert werden kann. Insbesondere wird eine Behinderung der Gasentnahme über den Gasentnahmeanschluss durch die sich einfaltende Blase verhindert.
Das Fluid, mit dem das freie Volumen im Gehäuse beaufschlagt wird, kann ein weiteres Gas oder eine Flüssigkeit sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Fluid um ein Hydrauliköl oder einen Kraftstoff handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid um ein Gas oder eine Flüssigkeit, die üblicherweise bereits an Bord eines Nutz- oder Kraftfahrzeugs mitgeführt wird, so dass das Fluid nicht gesondert vorgehalten werden muss. Denn dies würde einen erhöhten Bauraumbedarf des Kraftstoffspeichersystems erfordern.
Bei dem darüber hinaus vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, wird ein erfindungsgemäßes Kraftstoffspeichersystem zum Speichern und Bereitstellen des gasförmigen Kraftstoffs verwendet. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Kraftstoffspeichersystems besitzt den Vorteil, dass gasförmiger Kraftstoff unter konstant hohem Druck gespeichert und bereitgestellt werden kann. Bevorzugt wird der gasförmige Kraftstoff unter Hochdruck, vorzugsweise unter einem Druck von mindestens 200 bar, gespeichert. Zudem ermöglicht das Kraftstoffspeichersystem eine effektive Nutzung des zur Verfügung stehenden Speichervolumens, so dass die Brennkraftmaschine besonders wirtschaftlich betrieben werden kann. Darüber hinaus ist der Bauraumbedarf des Kraftstoffspeichersystems vergleichsweise gering.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffspeichersystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das in der Figur schematisch dargestellte Kraftstoffspeichersystem 1 umfasst ein starres Gehäuse 4, das ein festgelegtes Volumen 5 begrenzt. In dem Gehäuse 4 ist eine Blase 3 aus einem Elastomermaterial aufgenommen, die mit einem gasförmigen Kraftstoff 2 wie beispielsweise Erdgas gefüllt ist. Gegenüber dem Gehäuse 4 weist demnach die Blase 3 ein variables Volumen bzw. Speichervolumen 8 auf.
Das Gehäuse 4 besitzt vorliegend die Form eines Hohlzylinders, wobei die Außenkontur der Blase 3 an die Innenkontur des Gehäuses 4 angepasst ist, so dass sich die Blase 3 innen an das Gehäuse 4 anlegt. An den sich gegenüberliegenden Enden weist das Gehäuse 4 einerseits ein Ventil 6 auf, über welches das Volumen 5 mit einem Fluid 7 beaufschlagt ist, andererseits einen Gasentnahmeanschluss 9, der mit der Blase 3 verbunden und durch das Gehäuse 4 nach außen geführt ist.
Zur Gasentnahme werden das Ventil 6 und der Gasentnahmeanschluss 9 geöffnet, so dass Fluid 7 in das Volumen 5 strömt und den Fluiddruck im Volumen 5 erhöht. Dies führt dazu, dass gasförmiger Kraftstoff 2 über den Gasentnahmeanschluss 9 aus der Blase 3 abströmt, wobei sich die Blase 3 zusammenzieht und in Falten legt. Durch die Faltenbildung ist gewährleistet, dass die Blase 3 vollständig entleert werden kann.
Das maximale Speichervolumen 8 der Blase 3 beträgt vorliegend 200 I, während das durch das Gehäuse 4 begrenzte Volumen 5 insgesamt 250 I beträgt. Das heißt, dass das Verhältnis Gesamtvolumen zu Speichervolumen 5:4 beträgt. Dieses Verhältnis ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen Betrieb einer Brennkraftmaschine, die mit dem gasförmigen Kraftstoff betrieben wird.

Claims

Kraftstoffspeichersystem (1) für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff (2), insbesondere mit Erdgas, betreibbare Brennkraftmaschine, umfassend eine mit dem gasförmigen Kraftstoff (2) gefüllte Blase (3) sowie ein Gehäuse (4), das ein Volumen (5) begrenzt, in dem die Blase (3) aufgenommen ist, wobei das Volumen (5) über ein Ventil (6) mit einem Fluid (7) beaufschlagbar ist, so dass aufgrund des Fluiddrucks im Volumen (5) eine Volumenverkleinerung der Blase (3) zur Entnahme des gasförmigen Kraftstoffs (2) bewirkt wird.
Kraftstoffspeichersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Kraftstoff (2) in der Blase unter Hochdruck, vorzugsweise unter einem Druck von mindestens 200 bar, gespeichert ist.
Kraftstoffspeichersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase (3) ein Speichervolumen (8) von mindestens 200 I aufweist, wobei vorzugsweise das Verhältnis des durch das Gehäuse (4) begrenzten Volumens (5) zum Speichervolumen (8) < 1,5, weiterhin vorzugsweise ≤ 1,25, beträgt.
Kraftstoffspeichersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist und die Blase (3) eine Außenkontur besitzt, die an die Innenkontur des Gehäuses (4) angepasst ist.
Kraftstoffspeichersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase (3) zumindest bereichsweise aus einem Elastomermaterial gefertigt ist, wobei vorzugsweise die Volumenverkleinerung der Blase (3) vorrangig durch Einfalten bewirkt wird.
Kraftstoffspeichersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase (3) einen Gasentnahmeanschluss (9) aufweist, der das Gehäuse (4) durchdringt.
Kraftstoffspeichersystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasentnahmeanschluss (9) und das Ventil (6) an sich gegenüberliegenden Enden des Gehäuses (4) angeordnet sind.
Kraftstoffspeichersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (7) ein weiteres Gas oder eine Flüssigkeit, insbesondere ein Hydrauliköl oder ein Kraftstoff, ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem ein Kraftstoffspeichersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Speichern und Bereitstellen des gasförmigen Kraftstoffs (2) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Kraftstoff (2) unter Hochdruck, vorzugsweise unter einem Druck von mindestens 200 bar, gespeichert wird.