DE102017222937A1 - Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems - Google Patents

Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Flüssiggas, umfassend einen Tank (2) zur Bevorratung des Kraftstoffs, eine mit dem Tank (2) verbundene Kraftstoffpumpe (3) zum Fördern und Verdichten des Kraftstoffs sowie einen Speicher (4) zur Aufnahme des verdichteten Kraftstoffs, wobei an den Speicher (4) mindestens ein der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeordneter Injektor (5) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist der Kraftstoffpumpe (3) eine Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung nachgeschaltet, die einen ersten Strömungspfad für den verdichteten Kraftstoff und einen zweiten Strömungspfad für einen Rücklaufmassenstrom aufweist, so dass der Rücklaufmassenstrom in der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung gekühlt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit kryogenem Kraftstoff.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird.
  • Die Bevorratung kryogener Kraftstoffe an Bord eines Kraftfahrzeugs erfolgt in der Regel in sogenannten Kryotanks. Hierbei handelt es sich um tiefkalte Speicher, die ausreichend isoliert sind, um den kryogenen Kraftstoff in flüssiger Form zu speichern. Die ideale Speichertemperatur von Erdgas beträgt beispielsweise -160°C. Wasserstoff wird bei -253°C gelagert. Eine eigene Kühlung besitzen diese Tanks in der Regel nicht.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2016 014 928 A1 geht beispielhaft ein Kraftstoffsystem mit einem Tank zum Speichern von Flüssiggas sowie eine Pumpeinrichtung zum Fördern des Flüssiggases hervor, das darüber hinaus eine Kühleinrichtung umfasst, um die Temperatur des Flüssiggases in einem Bereich des Kraftstoffsystems zu verringern, welcher mit einer Saugseite der Pumpeinrichtung fluidisch gekoppelt ist. Die Kühleinrichtung stellt sicher, dass der Pumpeinrichtung flüssiges Erdgas zugeführt wird. Das heißt, dass das Flüssiggas in der Flüssigphase auf das höhere Druckniveau gebracht wird, was aus energetischer Sicht sinnvoll ist. Das Kraftstoffsystem wird somit im Hinblick auf die Energieeffizienz verbessert.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Energieeffizienz eines derartigen Kraftstoffsystems weiter zu erhöhen.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Flüssiggas, wird ein Kraftstoffsystem vorgeschlagen, das einen Tank zur Bevorratung des Kraftstoffs, eine mit dem Tank verbundene Kraftstoffpumpe zum Fördern und Verdichten des Kraftstoffs sowie einen Speicher zur Aufnahme des verdichteten Kraftstoffs umfasst. An den Speicher ist dabei mindestens ein der Verbrennungskraftmaschine zugeordneter Injektor angeschlossen. Erfindungsgemäß ist der Kraftstoffpumpe eine Einrichtung zur Wärmeübertragung nachgeschaltet, die einen ersten Strömungspfad für den verdichteten Kraftstoff und einen zweiten Strömungspfad für einen Rücklaufmassenstrom aufweist, so dass der Rücklaufmassenstrom durch den verdichteten Kraftstoff gekühlt wird.
  • Die Kühlung des Rücklaufmassenstroms ermöglicht dessen Rückführung in den Tank, in dem der kryogene Kraftstoff bevorratet wird. Dadurch, dass der Rücklaufmassenstrom vor der Rückführung gekühlt wird, verringert sich der Wärmeeintrag in den Tank. Das heißt, dass der im Tank bevorratete kryogene Kraftstoff durch den Rücklaufmassenstrom weniger stark erwärmt wird. Dies hat zur Folge, dass auch der Druck im Tank weniger stark ansteigt. Da der Tank nur für einen bestimmten Druck ausgelegt ist, so dass bei Überschreiten ein Ablassen („Boil-off“) von Gas aus dem Tank erforderlich ist, kann durch Kühlung des Rücklaufmassenstroms die abzulassende und damit dem System verlorengehende Menge verringert werden. In der Folge steigt die Effizienz des Kraftstoffsystems. Ferner wird ein Beitrag zum Umweltschutz geleistet, da das Ablassen von Gas aus dem Tank den Treibhauseffekt begünstigt.
  • Zur Rückführung des Rücklaufmassenstroms in den Tank ist vorzugsweise der zweite Strömungspfad der Einrichtung zur Wärmeübertragung über eine Rücklaufleitung an den Tank angeschlossen. Die Rücklaufleitung kann beispielsweise in einem Bereich in den Tank münden, in dem der kryogene Kraftstoff in der Gasphase vorliegt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der im Tank als Flüssigphase vorliegende Kraftstoff nicht durch den Rücklaufmassenstrom erwärmt wird.
  • Bevorzugt ist in der Rücklaufleitung eine Einrichtung zur Entspannung und/oder Verflüssigung des Rücklaufmassenstroms angeordnet. Die Einrichtung zur Entspannung und/oder Verflüssigung kann beispielsweise eine Blende sein. Der Rücklaufmassenstrom wird in diesem Fall nicht nur gekühlt, sondern ferner rückverflüssigt dem Tank zugeführt. Die Rücklaufleitung kann in diesem Fall auch in einem Bereich des Tanks münden, in dem der kryogene Kraftstoff in der Flüssigphase vorliegt. Der rückverflüssigte Kraftstoff erhöht den Anteil an flüssigem Kraftstoff im Tank, so dass eine größere Menge des flüssigen Kraftstoffs zum Verdichten zur Verfügung steht. Da aus energetischer Sicht das Verdichten von flüssigem Kraftstoff zu bevorzugen ist, kann auf diese Weise die Energieeffizienz des Systems weiter erhöht werden.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der zweite Strömungspfad der Einrichtung zur Wärmeübertragung über eine Rücklaufleitung an ein Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil des Speichers angeschlossen ist. Das Druckregel- bzw. Druckbegrenzungsventil kann zum aktiven Druckabbau im Speicher eingesetzt werden. Die dabei anfallenden Rücklaufmassenströme können gekühlt und ggf. verflüssigt zurück in den Tank geführt werden, so dass sie dem System erhalten bleiben.
  • Vorteilhafterweise ist zwischen der Einrichtung zur Wärmeübertragung und dem Speicher ein Pufferspeicher angeordnet. Der Pufferspeicher dient als Zwischenspeicher, der den erforderlichen Druck im (Haupt-) Speicher gewährleistet.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems der vorstehend genannten Art vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird kryogener Kraftstoff, der in einem Tank bevorratet wird, mittels einer Kraftstoffpumpe verdichtet und einem Speicher zugeführt, an den mindestens ein der Verbrennungskraftmaschine zugeordneter Injektor angeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird der verdichtete Kraftstoff unter Verwendung einer Einrichtung zur Wärmeübertragung, die der Kraftstoffpumpe nachgeschaltet ist, zur Kühlung eines Rücklaufmassenstroms eingesetzt.
  • In der Einrichtung zur Wärmeübertragung wird der Rücklaufmassenstrom an dem verdichteten Kraftstoff vorbeigeführt, wodurch der Rücklaufmassenstrom gekühlt wird. Denn in der Kraftstoffpumpe wird idealerweise der kryogene Kraftstoff isentrop verdichtet. Durch die isentrope Verdichtung erfährt der Kraftstoff nur eine geringe Temperaturerhöhung von wenigen Kelvin. Das heißt, dass der verdichtete Kraftstoff weiterhin tiefkalt und damit zur Kühlung des Rücklaufmassenstroms geeignet ist.
  • Nach der Kühlung kann der Rücklaufmassenstrom dem Tank zugeführt werden, in dem der kryogene Kraftstoff bevorratet wird. Dadurch, dass der Rücklaufmassenstrom vor der Rückführung gekühlt wird, wird der Wärmeeintrag in den Tank verringert. Das heißt, dass der Druck im Tank weniger stark ansteigt und kein Gas in die Atmosphäre abgelassen werden muss („Boil-off“). Die damit verbundenen Vorteile wurden bereits beschrieben.
  • Der verdichtete Kraftstoff wird über einen ersten Strömungspfad der Einrichtung zur Wärmeübertragung geführt. Der Rücklaufmassenstrom wird über einen zweiten Strömungspfad der Einrichtung zur Wärmeübertragung geführt. Das heißt, dass sich die beiden Ströme nicht vermischen. Um die gewünschte Kühlung des Rücklaufmassenstroms zu erzielen, werden die beiden Ströme in der Einrichtung zur Wärmeübertragung aneinander vorbeigeführt.
  • Nach der Kühlung wird vorzugsweise der gekühlte Rücklaufmassenstrom über eine Rücklaufleitung dem Tank zugeführt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Menge dem System nicht verloren geht.
  • Des Weiteren bevorzugt wird der gekühlte Rücklaufmassenstrom vor der Rückführung in den Tank über eine Einrichtung zur Entspannung und/oder Verflüssigung entspannt und/oder verflüssigt. Auf diese Weise kann der Anteil der im Tank vorhandenen Flüssigphase erhöht werden, so dass mehr flüssiger Kraftstoff zur Verfügung steht. Denn das Verdichten kryogenen Kraftstoffs in flüssiger Phase ist aus energetischer Sicht zu bevorzugen. Zur Entspannung und/oder Verflüssigung des gekühlten Rücklaufmassenstroms kann beispielsweise eine Blende verwendet werden, die hierzu in der Rücklaufleitung angeordnet ist.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Druck im Speicher mit Hilfe eines Druckregel- oder Druckbegrenzungsventils eingestellt wird, das über eine weitere Rücklaufleitung mit der Einrichtung zur Wärmeübertragung verbunden ist. Die dabei anfallenden Rücklaufmassenströme können somit gekühlt und ggf. rückverflüssigt zurück in den Tank geführt werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem in einer schematischen Darstellung.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • Das schematisch in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffsystem dient der Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit kryogenem Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Der kryogene Kraftstoff wird in flüssiger Form in einem Tank 2 des Kraftstoffsystems bevorratet. Der Tankdruck beträgt vorliegend 3-15 bar. An den Tank 2 ist eine Kraftstoffpumpe 3 angeschlossen, mittels welcher der Kraftstoff auf Hochdruck isentrop verdichtet wird. Das heißt, dass dabei der Kraftstoff nur um wenige Kelvin erwärmt wird. Der verdichtete Kraftstoff wird über einen Pufferspeicher 11 einem Speicher 4 zugeführt, an den Injektoren 5 angeschlossen sind, mittels welcher der verdichtete Kraftstoff in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einbringbar ist.
  • Am Speicher 4 ist ein Druckregelventil 10 angeschlossen, mittels dessen der Druck im Speicher 4 gezielt abbaubar ist. Die dabei anfallenden Rücklaufmassenströme werden vorzugsweise zurück in den Tank 2 geführt, damit sie dem System nicht verloren gehen. Um durch Rückführung der Rücklaufmassenströme den Wärmeeintrag in den Tank 2 so gering wie möglich zu halten, werden bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem die Rücklaufmassenströme vor ihrer Rückführung in den Tank 2 gekühlt.
  • Das Kraftstoffsystem weist zur Kühlung eine Einrichtung 6 zur Wärmeübertragung auf, die vorliegend zwischen der Kraftstoffpumpe 3 und dem Pufferspeicher 11 angeordnet ist. Über einen ersten Strömungspfad wird der verdichtete Kraftstoff durch die Einrichtung 6 geführt. Über einen weiteren Strömungspfad der Einrichtung 6 wird der Rücklaufmassenstrom rückgeführt. Die Einrichtung 6 zur Wärmeübertragung ist hierzu einerseits über eine Rücklaufleitung 7 mit dem Tank 2 und andererseits über eine Rücklaufleitung 9 mit dem Druckregelventil 10 verbunden. Der Rücklaufmassenstrom wird in der Einrichtung 6 zur Wärmeübertragung an dem verdichteten aber immer noch tiefkalten Kraftstoff vorbeigeführt, so dass er vor der Rückführung in den Tank 2 gekühlt wird. Der Wärmeeintrag in den Tank 2 wird auf diese Weise deutlich reduziert.
  • In der Rücklaufleitung 7 des dargestellten Kraftstoffsystems ist zudem eine Einrichtung 8 zur Entspannung und/oder Verflüssigung des Kraftstoffs in Form einer Blende angeordnet. Mit Hilfe der Einrichtung 8 wird der Rücklaufmassenstrom auf Tankdruck isenthalp entspannt, wobei der Kraftstoff rückverflüssigt wird. Der Rücklaufmassenstrom wird somit nicht nur gekühlt, sondern zudem in flüssiger Form in den Tank 2 zurückgeführt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016014928 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Flüssiggas, umfassend einen Tank (2) zur Bevorratung des Kraftstoffs, eine mit dem Tank (2) verbundene Kraftstoffpumpe (3) zum Fördern und Verdichten des Kraftstoffs sowie einen Speicher (4) zur Aufnahme des verdichteten Kraftstoffs, wobei an den Speicher (4) mindestens ein der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeordneter Injektor (5) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffpumpe (3) eine Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung nachgeschaltet ist, die einen ersten Strömungspfad für den verdichteten Kraftstoff und einen zweiten Strömungspfad für einen Rücklaufmassenstrom aufweist, so dass der Rücklaufmassenstrom in der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung gekühlt wird.
  2. Kraftstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungspfad der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung über eine Rücklaufleitung (7) an den Tank (2) angeschlossen ist.
  3. Kraftstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rücklaufleitung (7) eine Einrichtung (8) zur Entspannung und/oder Verflüssigung des Rücklaufmassenstroms angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Einrichtung (8) zur Entspannung und/oder Verflüssigung eine Blende ist.
  4. Kraftstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungspfad der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung über eine Rücklaufleitung (9) an ein Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil (10) des Speichers (4) angeschlossen ist.
  5. Kraftstoffsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung und dem Speicher (4) ein Pufferspeicher (11) angeordnet ist.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit kryogenem Kraftstoff, bei dem der Kraftstoff, der in einem Tank (2) bevorratet wird, mittels einer Kraftstoffpumpe (3) verdichtet und einem Speicher (4) zugeführt wird, an den mindestens ein der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeordneter Injektor (5) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der verdichtete Kraftstoff unter Verwendung einer Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung, die der Kraftstoffpumpe (3) nachgeschaltet ist, zur Kühlung eines Rücklaufmassenstroms eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verdichtete Kraftstoff über einen ersten Strömungspfad der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung und der Rücklaufmassenstrom über einen zweiten Strömungspfad der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung geführt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Rücklaufmassenstrom über eine Rücklaufleitung (7) dem Tank (2) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Rücklaufmassenstrom vor der Rückführung in den Tank (2) über eine Einrichtung (8) zur Entspannung und/oder Verflüssigung, vorzugsweise über eine Blende, entspannt und/oder verflüssigt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Speicher (4) mit Hilfe eines Druckregel- oder Druckbegrenzungsventils (10) eingestellt wird, das über eine weitere Rücklaufleitung (9) mit der Einrichtung (6) zur Wärmeübertragung verbunden ist.
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