DE102018203125A1 - Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Tank (1) bevorratet wird. Erfindungsgemäß werden der Druck (p) und die Temperatur (T) im Tank (1) gemessen, anhand der Messwerte wird eine Siedekurve des Erdgases bestimmt und die Siedekurve des Erdgases wird mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe verglichen wird, aus denen das Erdgas im Wesentlichen zusammengesetzt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Tank bevorratet wird.
  • Stand der Technik
  • Entwicklungen in der Motorentechnik beschäftigen sich mit der Direkteinblasung von Erdgas in den Brennraum von Verbrennungsmotoren und einer Zündung des Gas-Luft-Gemischs mit Dieselkraftstoff. Diese Art der Verbrennung verspricht Vorteile in Bezug auf geringere Schadstoffemissionen, insbesondere CO2-Emissionen, und geringere Kosten aufgrund der Verwendung von Erdgas als Kraftstoff.
  • Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h. „Liquefied Natural Gas“) durch Abkühlen ein deutlich geringes Volumen als gasförmiges Erdgas in Druckspeichern besitzt, wird es für mobile Anwendungen in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa -160°C heruntergekühlt und in einem speziellen Tank an Bord eines Fahrzeugs bevorratet. Das Tankdruckniveau liegt üblicherweise bei 2-20 bar(a). Je nach Temperatur, Druck und/oder Füllstand des Tanks bildet sich eine Gasphase über der Flüssigphase aus. Im Ruhezustand befinden sich die Flüssigphase und die Gasphase im Tank im Gleichgewicht. Nachfolgend wird mit „Erdgas“ hauptsächlich verflüssigtes Erdgas bezeichnet.
  • Erdgas ist ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung - je nach Quelle - erheblich schwanken kann. Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. Darüber hinaus können höherkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethan, enthalten sein. Ferner kann Erdgas leichter siedende Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff, enthalten.
  • Die Gesetzgebung fordert, dass Verbrennungsmotoren, die mit Erdgas betrieben werden, unabhängig von der jeweiligen Kraftstoffzusammensetzung in ihrem Einsatzgebiet die bestehenden Emissionsgrenzwerte einhalten müssen. Um dies bei sich ändernder Kraftstoffqualität zu gewährleisten, muss die Qualität mittels eines speziellen Sensors ermittelt und dem Motorsteuergerät mitgeteilt werden, so dass der Betrieb des Verbrennungsmotors entsprechend angepasst werden kann. Alternativ oder ergänzend kann die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte durch eine Abgasnachbehandlungsanlage sichergestellt werden, die hierzu ausreichend groß dimensioniert werden muss.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas anzugeben, das vergleichsweise einfach durchzuführen ist sowie Verbrauchs- und Kostenvorteile mit sich bringt.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Tank bevorratet wird. Erfindungsgemäß werden bei diesem Verfahren der Druck und die Temperatur im Tank gemessen. Anhand der Messwerte wird eine Siedekurve des Erdgases bestimmt. Die Siedekurve wird dann mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe verglichen, aus denen das Erdgas im Wesentlichen zusammengesetzt ist.
  • Bei den chemischen Grundstoffen kann es sich insbesondere um die bereits eingangs genannten chemischen Grundstoffe Methan, Ethan und Stickstoff handeln, da deren Anteile im Wesentlichen die Qualität von Erdgas bestimmen. Darüber hinaus kann Erdgas weitere chemische Grundstoffe, wie beispielsweise Propan, Butan, Ethen und/oder Pentan enthalten, so dass es deren Anteile zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas zu bestimmen gilt.
  • Die Siedekurven der vorstehend genannten chemischen Grundstoffe sind allesamt bekannt und von den Parametern Druck und Temperatur abhängt. Werden der Druck und die Temperatur im Tank gemessen, kann auf Basis dieser Messwerte mit Hilfe bekannter Siedekurven auf die Zusammensetzung des im Tank vorhandenen Erdgases geschlossen werden. Denn die Zustandsgrößen eines chemischen Grundstoffs im Bereich einer Siedekurve lassen sich in Kenntnis einer einzelnen Zustandsgröße exakt ermitteln. Beispielsweise kann über den Druck auf die Temperatur eines Grundstoffs geschlossen werden.
  • Diese Zusammenhänge macht sich das vorgeschlagene Verfahren zunutze, indem der Druck und die Temperatur im Tank gemessen und mit Hilfe bekannter Siedekurven die qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung des Erdgases ermittelt wird.
  • Das vorgeschlagene Verfahren besitzt den Vorteil, dass die erforderlichen Messungen mit vergleichsweise geringem Aufwand, insbesondere unter Verwendung einfacher Sensoren, durchgeführt werden können. Beispielsweise können herkömmliche Druck- und Temperatursensoren verwendet werden, die einen speziellen Qualitätssensor, der entsprechend teuer ist, verzichtbar machen.
  • Ferner kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens die qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung des Erdgases ausreichend genau bestimmt werden. Der Verbrennungsmotor kann somit in einem für die jeweilige Kraftstoffzusammensetzung optimalen Bereich betrieben werden, so dass der Verbrauch von Erdgas gesenkt wird. Entsprechend sinken die Emissionen des Verbrennungsmotors, so dass die Einhaltung der gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte gewährleistet ist.
  • Beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den bekannten Siedekurven der chemischen Grundstoffe wird vorzugsweise ein Vergleich der unterschiedlichen Siedetemperaturen bei gleichem Druck durchgeführt. Das heißt, dass über die jeweilige Temperaturdifferenz auf die qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung des im Tank vorhandenen Erdgases geschlossen wird.
  • Alternativ wird vorgeschlagen, dass beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den bekannten Siedekurven der chemischen Grundstoffe ein Vergleich der unterschiedlichen Siededrücke bei konstanter Temperatur durchgeführt wird. In diesem Fall erfolgt die Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung des Erdgases über die jeweilige Druckdifferenz.
  • Vorteilhafterweise werden der Druck und die Temperatur im Tank bei abgestelltem Verbrennungsmotor gemessen, das heißt im Ruhezustand, wenn sich die Flüssigphase und die Gasphase im Gleichgewicht befinden. Grundsätzlich ist es zwar auch möglich, die erforderlichen Messungen durchzuführen, wenn kein Gleichgewicht im Tank herrscht. In diesem Fall müssen jedoch zuvor Versuchsdaten als Referenzdaten ermittelt werden, so dass der Aufwand zur Durchführung des Verfahrens steigt.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Druck und die Temperatur im Bereich einer im Tank befindlichen Flüssigphase des Erdgases gemessen werden. Gegebenenfalls kann es zur Zustandsbestimmung im Tank erforderlich sein, Messungen sowohl in der Flüssigphase als auch in der Gasphase vorzunehmen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass der Zustand im Tank überwacht wird, wobei vorzugsweise die Temperatur sowohl in der Flüssigphase als auch in einer im Tank vorhandenen Gasphase des Erdgases gemessen wird.
  • Die bei der Druck- und Temperaturmessung erhaltenen Messwerte werden vorzugsweise in einem Steuergerät ausgewertet. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Motorsteuergerät handeln, das vorzugsweise zugleich den Betrieb des Verbrennungsmotors an die vorhandene Kraftstoffqualität anpasst.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Ergebnis der Auswertung gespeichert und beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt wird. Somit kann beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors gleich der optimale Betriebsbereich gefunden werden. Vorteilhafterweise wird zum Speichern ein nichtflüchtiger elektronischer Speicherbaustein (EEPROM, d. h. „Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory“) verwendet, so dass die Speicherfähigkeit nicht von einer vorhandenen Versorgungsspannung abhängig ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das vorgeschlagene Verfahren bei abgestelltem Verbrennungsmotor durchführbar ist und das Ergebnis der Auswertung bei erneutem Starten des Verbrennungsmotors verfügbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • Der in der Figur dargestellten Anordnung ist ein Tank 1 zur Bevorratung von flüssigem Erdgas zu entnehmen. Das Erdgas liegt im Tank 1 als Flüssigphase 2 und als Gasphase 3 vor. Im Bereich der Flüssigphase 2 sind Sensoren 6, 7 angeordnet, wobei es sich vorliegend um einen Drucksensor 6 und einen Temperatursensor 7 handelt. Mittels der Sensoren 6, 7 können demnach der Druck p und die Temperatur T in der Flüssigphase 2 gemessen werden.
  • Die Messungen werden im Ruhezustand durchgeführt, das heißt bei abgestelltem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt), der über den Tank 1 mit Erdgas als Kraftstoff versorgt wird. Bei abgestelltem Verbrennungsmotor befinden sich die Flüssigphase 2 und die Gasphase 3 in einem Gleichgewicht. Die Messdaten werden in einem Steuergerät 4 ausgewertet und das Ergebnis der Auswertung wird in einem Speicherbauteil 5 abgelegt, wobei das Ergebnis der Auswertung die quantitative und/oder qualitative Zusammensetzung des im Tank 1 befindlichen Erdgases betrifft. Hierbei kann es sich insbesondere - wie beispielhaft dargestellt - um die chemischen Grundstoffe Methan (CH4), Ethan (C2H6) und/oder Stickstoff (N2) handeln. Da - je nach Quelle - die Qualität des Erdgases erheblich schwanken kann, kann in Kenntnis der genauen Zusammensetzung der Betrieb des Verbrennungsmotors dahingehend optimiert werden, dass der Kraftstoffverbrauch sowie die Emissionen gesenkt werden.
  • Die Bestimmung der Zusammensetzung des Erdgases wird vorliegend auf der Grundlage der Messdaten (Druck p und Temperatur T) und mit Hilfe der Siedekurven der im Erdgas enthaltenen chemischen Grundstoffe durchgeführt. Denn im Bereich einer Siedekurve lassen sich alle Zustandsgrößen eines chemischen Grundstoffs aus einer einzelnen Zustandsgröße ermitteln. Beispielsweise kann über den Druck auf die Temperatur eines Grundstoffs geschlossen werden und umgekehrt.
  • Bei Erdgas liegen diese Grundstoffe in einer homogenen Mischung vor, so dass die für Erdgas charakteristische Siedekurve von denen der Grundstoffe abweicht.
  • Mittels der Parameter Druck (p) und Temperatur (T), die gemessen werden, kann im Vergleich mit den bekannten Siedekurven der jeweiligen Reinstoffe die Zusammensetzung des im Tank 1 vorhandenen Erdgases bestimmt werden. Dabei gilt, dass bei Mischungen, die Methan und höherkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethan enthalten, die gemessene Siedetemperatur bei gleichem Druck höher als bei reinem Methan ist. Bei Mischungen, die Methan und leicht siedende Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff enthalten, ist demgegenüber die gemessene Siedetemperatur bei gleichem Druck niedriger als bei reinem Methan.
  • Mit der gleichen Methodik lassen sich auch unterschiedliche Siededrücke bei konstanter Temperatur vergleichen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Tank (1) bevorratet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) und die Temperatur (T) im Tank (1) gemessen werden, anhand der Messwerte eine Siedekurve des Erdgases bestimmt wird und die Siedekurve des Erdgases mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe verglichen wird, aus denen das Erdgas im Wesentlichen zusammengesetzt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe ein Vergleich der unterschiedlichen Siedetemperaturen bei gleichem Druck durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe ein Vergleich der unterschiedlichen Siededrücke bei konstanter Temperatur durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) und die Temperatur (T) im Tank (1) bei abgestelltem Verbrennungsmotor gemessen werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) und die Temperatur (T) im Bereich einer im Tank (1) befindlichen Flüssigphase (2) des Erdgases gemessen werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand im Tank (1) überwacht wird, wobei vorzugsweise die Temperatur (T) sowohl in der Flüssigphase (2) als auch in einer im Tank (1) vorhandenen Gasphase (3) des Erdgases gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Druck- und Temperaturmessung erhaltenen Messwerte in einem Steuergerät ausgewertet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Auswertung gespeichert und beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Speichern ein nichtflüchtiger elektronischer Speicherbaustein verwendet wird.
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