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Stand der Technik
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Erdgas ist bei Normaltemperaturen selbst unter hohem Druck in guter Näherung als gasförmig zu betrachten (CNG, d. h. „Compressed Natural Gas“). Um verdichtetes Erdgas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzublasen sind spezielle Einblas- bzw. Einspritzventile erforderlich, die sich von denen zur Direkteinspritzung von Benzin oder Dieselkraftstoff in vielerlei Hinsicht (z.B. im Spritzlochdurchmesser) unterscheiden. Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h. „Liquefied Natural Gas“) ein deutlich geringeres spezifisches Volumen als gasförmiges Erdgas besitzt, wird es für mobile Anwendungen in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa -160°C herunter gekühlt.
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Das in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebrachte Erdgas wird durch ein Hilfsmittel oder ein Hilfsmedium zum Zünden gebracht. Beispielsweise kann flüssiger Dieselkraftstoff als Hilfsmedium verwendet werden, da dieser im Unterschied zu Erdgas bei den üblicherweise gegebenen Bedingungen selbstzündend ist. In diesem Fall gilt es zwei unterschiedliche Kraftstoffarten in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzubringen.
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Zur Einbringung zweier unterschiedlicher Kraftstoffarten in den Brennraum einer Brennkraftmaschine kann ein sogenannter Zweistoffinjektor verwendet werden. In einem solchen Zweistoffinjektor werden die beiden Kraftstoffe getrennt geführt, um eine Vermischung außerhalb des Brennraums zu verhindern.
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Aus den noch nicht-veröffentlichen DE-Anmeldungen mit den Aktenzeichen 102017205916.8 und 102017205910.9 sind Kraftstofffördereinrichtungen bekannt, welche eine Anordnung von einem oder mehreren Speichern zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes nutzen, um den gasförmigen Kraftstoff in einen Gas-Hochdruckbereich zu fördern und auf das für die Einspritzung benötigte Druckniveau zu komprimieren. Dabei wird der jeweilige Druck des gasförmigen Kraftstoff in den mindestens einem Speicher durch eine Hydraulikflüssigkeit kontrolliert.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung und das Verfahren zur Förderung von Kraftstoff mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass durch den Aufladespeicher der gewünschte Druck im Gas-Hochdruckbereich schneller aufgebaut werden kann.
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Durch den Aufladespeicher lässt sich ein Lastsprung von niedriger Motorlast (z.B. Leerlauf) auf hohe Motorlast (z.B. Volllast) innerhalb der gewünschten Regelzeiten von maximal 500ms realisieren.
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Ohne Aufladespeicher wäre ein ähnlicher Lastsprung von niedriger auf hohe Motorlast nur in der gleichen Regelzeit möglich, wenn eine längere Einblaszeit der Düse des Injektors in den Motorbrennraum über eine längere Ansteuerung der Düsennadel realisiert wird. Diese längeren Düsenöffnungszeiten würden aber zu einer Erhöhung des Verbrauches und damit zu erhöhten und unerwünschten Emissionswerten führen.
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Durch die vorgeschlagene Lösung ist eine Erhöhung des Drucks im Gas-Hochdruckbereich von 200 bar auf 600 bar innerhalb der gewünschten Regelzeiten möglich.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn die mindestens zwei Niederdruckspeicher und/oder der mindestens eine Hochdruckspeicher und/oder der Aufladespeicher einen Gasraum zur Aufnahme des gasförmigen Kraftstoffes und einen Hydraulikraum zur Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper umfassen, da auf diese Weise der Druck des gasförmigen Kraftstoffes direkt über den Druck der Hydraulikflüssigkeit eingestellt werden kann.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn der Gasraum des mindestens einen Hochdruckspeichers über eine Hochdruckleitung mit dem Gas-Hochdruckbereich verbunden ist und eine Verbindungsleitung den Gasraum des Aufladespeichers mit der Hochdruckleitung verbindet, da auf diese Weise nur eine Leitung benötigt wird, welche sowohl eine Verbindung zwischen Aufladespeicher und Gas-Hochdruckbereich als auch zwischen Aufladespeicher und Hochdruckspeicher ermöglicht.
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Ein in der Verbindungsleitung angeordnetes Absperrventil ist vorteilhaft, da auf diese Weise die im vorherigen Absatz genannten Verbindungen nur bei Bedarf freigegeben werden.
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Es ist von Vorteil, wenn der Aufladespeicher ein Gasvolumen von 10 bis 20 Liter aufnehmen kann, da auf diese Weise mehrere Druckanforderungen aus dem Gas-Hochdruckbereich bedient werden können, bevor sich wieder ein günstiger Zeitpunkt, insbesondere ein Zeitpunkt mit niedriger Motorlast und damit Leistung der Pumpen, die die Hydraulikflüssigkeit fördern, zum Befüllen des Aufladespeichers mit gasförmigen Kraftstoff ergibt.
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Es ist von Vorteil, wenn der Aufladespeicher zu einem Zeitpunkt, wenn sich eine Brennkraftmaschine im niedrigen Teillastbetrieb befindet auf den maximalen Gasdruck aufgeladen wird, da zu diesem Zeitpunkt die Pumpe, welche die Hydraulikflüssigkeit fördert, nicht stark belastet wird. Auf diese Weise muss die Pumpenleistung nicht extra erhöht werden, so dass zusätzliche Kosten vermieden werden können.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Aufladespeicher vor dem Anfahren oder beim Anfahren der Brennkraftmaschine auf den maximalen Gasdruck aufgeladen wird, da auf diese Weise der Aufladespeicher schon bei Fahrbeginn für kurzfristige Anforderungen zur Druckerhöhung im Gas-Hochdruckbereich zur Verfügung steht.
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Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung 1 aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung 1 weist einen Tank 5 zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit auf. Der Tank 5 ist über eine hydraulische Leitung 18 mit einer ersten Pumpe 7 verbunden. Die erste Pumpe 7 fördert die Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 über die hydraulische Leitungen 18 auf ein erstes Druckniveau, welches sich oberhalb vom Druckniveau des Tanks 5 befindet, in einen Hydraulikraum 22 von mindestens zwei Niederdruckspeichern 9, 10.
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Die mindestens zwei Niederdruckspeicher 9,10 weisen einen Gasraum 20 zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum 22 zur Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit, sowie einen beweglichen Trennkörper 26 auf. In einer speziellen Ausführungsform sind die Niederdruckspeicher 9,10 als Kolbenspeicher ausgeführt.
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Der jeweilige Druck des gasförmigen Kraftstoffes in den mindestens zwei Niederdruckspeichern 9, 10 wird durch die Hydraulikflüssigkeit kontrolliert.
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Der Gasraum 20 der mindestens zwei Niederdruckspeicher 9, 10 kann über eine Tankleitung 15 mit gasförmigen Kraftstoff befüllt werden.
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Indem durch die erste Pumpe 7 Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 in den Hydraulikraum 22 des ersten Niederdruckspeichers 9 gefördert wird, bewegt sich der bewegliche Trennkörper 26 in Richtung des in der 1 eingezeichneten Pfeiles. Durch die Bewegung des beweglichen Trennkörpers 26 wird der gasförmiger Kraftstoff komprimiert, so dass sich der Druck im Gasraum 20 erhöht. Der Druck im Gasraum 20 wird durch Veränderung des Druckes im Hydraulikraum 22 kontroll iert.
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Der oder die übrigen Niederdruckspeicher 9,10, beispielsweise der mindestens eine zweite Niederdruckspeicher 10, befindet sich in einem Bereitschaftszustand und/oder Ruhezustand, solange der ersten Niederdruckspeicher 9 mit Hydraulikflüssigkeit befüllt wird.
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Der Niederdruckspeicher 9, 10 befindet sich im Bereitschaftszustand, wenn er mit gasförmigen Kraftstoff gefüllt ist, aber nicht zur Förderung von gasförmigen Kraftstoff im Einsatz ist. Dies bedeutet, dass keine Förderung von Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikraum 22 stattfindet, so dass sich der bewegliche Trennkörper 26 nicht in Bewegung setzt um gasförmigen Kraftstoff zu komprimieren oder um gasförmigen Kraftstoff aus dem Speicher 9,10 zu fördern.
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Zwei Zuströmventile 41, 51 welche in der hydraulischen Leitung 18 jeweils vor dem ersten und zweiten Niederdruckspeicher 9,10 angeordnet sind, regeln die Zuströmung von Hydraulikflüssigkeit in die Niederdruckspeicher 9,10.
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Gasförmiger Kraftstoff aus den mindestens zwei Niederdruckspeichern 9,10 kann über eine Niederdruckleitung 19 in den Gasraum 20 mindestens eines Hochdruckspeicher 12 gelangen kann. Ein erstes Niederdruckventil 42 in der Niederdruckleitung 19 zwischen dem ersten Niederdruckspeicher 9 und dem Hochdruckspeicher 12 wird geöffnet, während ein zweites Niederdruckventil 52 in der Leitung zwischen dem zweiten Niederdruckspeicher 10 und dem Hochdruckspeicher 12 geschlossen werden kann.
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Gasförmiger Kraftstoff wird solange aus dem ersten Niederdruckspeicher 9 in Richtung Hochdruckspeicher 12 gefördert bis der erste Niederdruckspeicher 9 von gasförmigen Kraftstoff entleert ist. Der von gasförmigen Kraftstoff entleerte Niederdruckspeicher 9 wird danach in einen Ruhezustand versetzt, wobei der bewegliche Trennkörper 26 so bewegt wird, dass die Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikraum 22 zurück in den Tank 5 gefördert wird. Dies geschieht über eine in der 1 nicht dargestellte Rückströmleitung.
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Danach wird gasförmiger Kraftstoff aus einem Niederdruckspeicher, beispielsweise dem zweiten Niederdruckspeicher 10, der sich bisher im Bereitschaftszustand befand, in den Hochdruckspeicher 12 gefördert. Die Stellung (Öffnen/Schließen) der Zuströmventile 41, 51 und Niederdruckventile 42, 52 wird entsprechend angepasst.
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Der Hochdruckspeicher 12 weist einen Hydraulikraum 22, einen Gasraum 20, sowie einen beweglichen Trennkörper 26 auf. In einer besonderen Ausführungsform ist der Hochdruckspeicher 12 als Kolbenspeicher ausgeführt.
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Der Hydraulikraum 22 des Hochdruckspeichers 12 wird über eine zweite Pumpe 6 befüllt, wobei die zweite Pumpe 6 mit dem Tank 5 oder einem weiteren Tank verbunden ist und Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 5 oder dem weiteren Tank auf ein zweites Druckniveau in den Hydraulikraum 22 des Hochdruckspeichers 12 fördert. In der Leitung zwischen zweiter Pumpe 6 und Hydraulikraum kann sich ein Zuströmventil 61 befinden.
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Der Gasraum 20 des Hochdruckspeichers 12 ist über eine Hochdruckleitung 71 mit einem Gas-Hochdruckbereich 11 verbunden. Der Gas-Hochdruckbereich 11 ist mit mindestens einem Injektor 13 verbunden. Der Injektor 13 kann ein reiner Gas-Injektor 13 sein, welcher nur gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einspritzt oder auch ein Dual-Fluid-Injektor 13 sein, welcher sowohl flüssigen, als auch gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum einspritzen kann.
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Weitere Details zu den in den 1 und 2 beschriebenen Kraftstofffördereinrichtungen, besonders zu deren Funktionsweise können den DE-Anmeldungen mit den Aktenzeichen 102017205916.8 und 102017205910.9 entnommen werden.
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In der Hochdruckleitung 71 zwischen dem Hochdruckspeicher 12 und dem Gas-Hochdruckbereich 11 kann ein Hochdruckventil 21 angeordnet sein. Dieses Hochdruckventil 21 kann über eine Steuereinheit so angesteuert werden, dass es den gasförmigen Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 12 bei Bedarf in den Gas-Hochdruckbereich 11 strömen lässt. Mit Hilfe des Hochdruckventils 21, kann der Druck im Gas-Hochdruckbereich 11 auf einen gewünschten Druck angepasst werden, indem eine gewünschte Gasmenge aus dem Gasraum 20 des Hochdruckspeichers 12, welche sich auf einem höheren Druckniveau als das Gas im Gas-Hochdruckbereich 11 befindet, in Richtung des Gas-Hochdruckbereiches 11 strömt.
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Zusätzlich zu dem Hochdruckventil 21 befindet sich in der Hochdruckleitung 71 ein Druckregler 44, welcher sehr schnelle Reaktionszeiten aufweist und flexibler in der Mengenreglung der Durchflussmenge als das Hochdruckventil 21 ist.
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Die Hydraulikflüssigkeit kann gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel, sein.
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Ein Aufladespeicher 70 ist zwischen dem mindestens einem Hochdruckspeicher 12 und dem Gas-Hochdruckbereich 11 angeordnet. Der Aufladespeicher 70 weist einen Gasraum 20 zur Aufnahme des gasförmigen Kraftstoffes, einen Hydraulikraum 22 zur Aufnahme der Hydraulikflüssigkeit und einen beweglichen Trennkörper, welcher den Gasraum 20 vom Hydraulikraum 22 trennt, auf.
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In einer ersten Ausführungsform kann der Aufladespeicher 70 als Kolbenspeicher ausgeführt sein. In einer zweiten Ausführungsform kann der Aufladespeicher baugleich zum Hochruckspeicher 12 sein.
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Der Aufladespeicher 70 kann ein Gasvolumen von 10 bis 20 Liter aufnehmen kann.
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Der Gasraum 20 des Aufladespeichers 70 ist mit einer Verbindungsleitung 73 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 73 von der Hochdruckleitung 71 abzweigt. Die Verbindungsleitung 73 zweigt von der Hochdruckleitung zwischen dem Hochdruckventil 21 und dem Druckregler 44 ab. Auf diese Weise steht der Gasraum 20 des Aufladespeichers 70 bei Bedarf sowohl mit dem mindestens einen Hochdruckspeicher 12 als auch mit dem Gas-Hochdruckbereich 11 in Verbindung.
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In der Verbindungsleitung 72 ist ein Absperrventil 73 angeordnet, welches vorzugsweise stromlos geschlossen ist. Auf diese Weise steht der Gasraum 20 des Aufladespeichers 70 bei geöffneten Absperrventil 73 je nach Bedarf entweder mit mindestens einen Hochdruckspeicher 12 oder dem Gas-Hochdruckbereich 11 in Verbindung, abhängig davon, ob das Hochdruckventil 21 geöffnet und der Druckregler 44 geschlossen oder das Hochdruckventil 21 geschlossen und der Druckregler 44 geöffnet ist.
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Der Hydraulikraum 22 des Aufladespeichers 70 steht über eine hydraulische Leitung mit dem Tank 5 oder mit einem weiteren in der 1 nicht gezeigten Tank, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, in Verbindung. In der hydraulischen Leitung ist eine Pumpe, insbesondere die zweite Pumpe 6, und ein Ventil 74 angeordnet. Der Druck im Gasraum 20 des Aufladespeichers 70 kann über die hydraulische Flüssigkeit im Hydraulikraum 22 des Aufladespeichers 70 kontrolliert werden.
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Der Aufladespeicher 70 wird zu einem Zeitpunkt, wenn sich eine Brennkraftmaschine im niedrigen Teillastbetrieb befindet, auf den maximalen Gasdruck aufgeladen. Der Gasraum 20 des Aufladespeichers kann über den mindestens einen Hochdruckspeicher 16 mit gasförmigen Kraftstoff befüllt werden. Dies schließt jedoch nicht aus, dass der Aufladespeicher auch mit den Niederdruckspeichern in Verbindung stehen kann oder durch einen weiteren Gastank mit gasförmigen Kraftstoff befüllt wird.
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Um möglichst zu jedem Zeitpunkt für benötigte Druckspitzen im Gas-Hochdruckbereich 11 zur Verfügung zu stehen, kann der Aufladespeicher 70 vor dem Anfahren oder beim Anfahren der Brennkraftmaschine mit Gas aufgefüllt werden. Dies erfolgt vorzugsweise solange bis der maximale Gasdruck erreicht ist.
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Der Druck des gasförmigen Kraftstoffes im Aufladespeicher 70 befindet sich oberhalb des Druckes des gasförmigen Kraftstoffes im Gas-Hochdruckbereich 11, dies ist insbesondere ein Druck der sich oberhalb von 500 bis 550 bar befindet.
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Das Absperrventil 73 ist normalerweise geschlossen und wird nur geöffnet, wenn der Aufladespeicher 70 mit gasförmigen Kraftstoff befüllt wird oder falls ein kurzfristiger Druckanstieg im Gas-Hochdruckbereich 11 benötigt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform kann des Weiteren ein Entladespeicher 80 in der Kraftstofffördereinrichtung 1 vorgesehen sein. Der Entladespeicher 80 ist über eine Entladeleitung 81, in der ein weiteres Ventil angeordnet ist, direkt mit dem Gas-Hochdruckbereich 11 verbunden, um gasförmigen Kraftstoff aus dem Gashochdruckbereich 11 bei Bedarf schnell abzuführen.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, welches in Bezug auf die meisten Elemente der Kraftstofffördereinrichtung identisch mit dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist.
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In der 2 sind im Gegensatz zur 1 drei Niederdruckspeicher 9, 10, sowie ein erster Hochdruckspeicher 12 und ein zweiter Hochdruckspeicher 16 gezeigt. Durch die zwei Hochdruckspeicher 12, 16 kann eine schnellere und flexiblere Befüllung des Gas-Hochdruckbereiches 11 erfolgen. Während der erste Hochdruckspeicher 12 gasförmigen Kraftstoff in Richtung Gas-Hochdruckbereich 11 fördert, wird der zweite Hochdruckspeicher mit gasförmigen Kraftstoff aus einem der mindestens drei Niederdruckspeicher 9, 10 mit Kraftstoff befüllt.
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Durch diese Anordnung können sich der erste und der zweite Hochdruckspeicher 12, 16 mit der Förderung von gasförmigen Kraftstoff in den Gas-Hochdruckbereich 11 und der erneuten Befüllung von gasförmigen Kraftstoff aus den mindestens zwei Niederdruckspeichern 9,10 abwechseln.
