-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung eines Überdrucks in einem Druckbehälter für einen kryogenen Kraftstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Druckbehälter für einen kryogenen Kraftstoff. Der Druckbehälter ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
-
Bei dem kryogenem Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“) handeln.
-
Stand der Technik
-
Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h. „Liquefied Natural Gas“) ein deutlich geringes Volumen als gasförmiges Erdgas besitzt, wird es für mobile Anwendungen vorteilhafterweise in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa -160°C heruntergekühlt und in einem speziellen Druckbehälter („Kryotank“) bevorratet. Der initiale Druck im Druckbehälter wird beim Betanken durch den an der Tankstelle vorhandenen Druck festgelegt. Aufgrund externer Wärmezufuhr kann im Druckbehälter vorhandenes flüssiges Erdgas verdampfen, so dass sich oberhalb der Flüssigphase eine Gasphase ausbildet. Zugleich steigt der Druck im Druckbehälter an. Um einen Überdruck im Druckbehälter zu verhindern, wird üblicherweise der Druckbehälter mit mindestens einem Überdruckventil abgesichert. Dieses öffnet, wenn der Druck im Druckbehälter einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Das überschüssige Gas, bei dem es sich überwiegend um Methan (CH4) handelt, wird dann an die Umwelt abgegeben („Boit-off“).
-
Die Abgabe der überschüssigen Gasmenge an die Umwelt ist zwar gesetzlich erlaubt (UN ECE R110), stellt jedoch eine Belastung für die Umwelt dar. Denn bei Methan handelt es sich um ein Gas, das den „Treibhauseffekt“ begünstigt. Ferner kann Methan in Verbindung mit Luft dazu führen, dass ein explosives Gasgemisch entsteht. Die Gefahr besteht grundsätzlich dann, wenn ein mit Erdgas betriebenes Kraftfahrzeug über einen längeren Zeitraum (etwa fünf Tage) in einem geschlossenen und/oder schlecht belüfteten Raum abgestellt wird. Darüber hinaus werden Ressourcen verschwendet, wenn überschüssiges Erdgas bzw. Methan einfach in die Umwelt abgelassen wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile bei der Bevorratung eines kryogenen Kraftstoffs in einem Druckbehälter an Bord eines Kraftfahrzeugs zu beseitigen oder zumindest zu verringern. Insbesondere sollen die Umweltbelastungen reduziert und die Sicherheitsstandards erhöht werden.
-
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Druckbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Vermeidung eines Überdrucks in einem Druckbehälter für einen kryogenen Kraftstoff, insbesondere für Erdgas, an Bord eines Kraftfahrzeugs, wird durch Ablassen von Kraftstoff aus dem Druckbehälter Druck abgebaut. Erfindungsgemäß wird der zum Druckabbau aus dem Druckbehälter abgelassene Kraftstoff jedoch nicht einfach in die Umwelt abgelassen, sondern einer separaten Brennkammer zugeführt, in welcher der Kraftstoff mit Luft vermischt, gezündet und verbrannt wird.
-
Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird zwar ebenfalls an die Umwelt abgeführt, dieses stellt jedoch eine geringere Belastung für die Umwelt als der unverbrannte kryogene Kraftstoff dar. Dies gilt insbesondere, wenn es sich bei dem kryogenen Kraftstoff um Erdgas handelt, das überwiegend aus Methan besteht.
-
Bei der Verbrennung von Erdgas wird das im Erdgas enthaltene Methan in CO2 und H2O umgewandelt. Der Treibhauseffekt wird durch CO2 deutlich weniger gefördert als durch Methan, so dass die Umweltbelastung verringert wird. Zudem ist sichergestellt, dass kein Gas in die Umwelt gelangt, das zusammen mit Luft zur Ausbildung eines explosiven Gasgemischs führt. Das heißt, dass sich der Sicherheitsstandard erhöht. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn das Kraftfahrzeug über einen längeren Zeitraum abgestellt wird. Das vorgeschlagene Verfahren wird daher insbesondere bei abgestelltem Kraftfahrzeug durchgeführt.
-
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Entnahme von Kraftstoff aus dem Druckbehälter zu einer Temperaturabsenkung führt. Der Druckbehälter wird somit zugleich heruntergekühlt. Denn durch die Entnahme von gasförmigem Kraftstoff siedet flüssiger Kraftstoff nach, was zu der Kühlwirkung führt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher nicht nur zur Vermeidung eines Überdrucks im Druckbehälter geeignet, sondern ferner zur Kühlung des Druckbehälters.
-
Im Betrieb des Kraftfahrzeugs wird fortlaufend kryogener Kraftstoff aus dem Druckbehälter entnommen und einer Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zugeführt. Durch die fortlaufende Kraftstoffentnahme sinkt demnach die Gefahr, dass der Druck und/oder die Temperatur im Druckbehälter über einen zulässigen Grenzwert steigt bzw. steigen. Bei Bedarf kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens während des Betriebs des Kraftfahrzeugs eine zusätzliche Druck- und/oder Temperaturabsenkung erreicht werden. Das vorgeschlagene Verfahren kann demnach auch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden.
-
Zum Betreiben des Kraftfahrzeugs mit kryogenem Kraftstoff wird flüssiger Kraftstoff aus einer im Druckbehälter vorhandenen Flüssigphase entnommen. Zur Druck- und/oder Temperaturabsenkung im Druckbehälter wird vorzugsweise gasförmiger Kraftstoff aus einer im Druckbehälter vorhandenen Gasphase entnommen. Die Gasentnahme führt zu einer effizienteren Druck und/oder Temperaturabsenkung im Druckbehälter.
-
Bevorzugt wird bzw. werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Druck und/oder die Temperatur im Druckbehälter überwacht. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts wird dann Kraftstoff aus dem Druckbehälter abgelassen und der separaten Brennkammer zur Verbrennung zugeführt. Um das Verfahren auch bei abgestelltem Kraftfahrzeug durchführen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Überwachung mit passiven Überwachungsmitteln, beispielsweise mit einem Druckschalter und/oder einem Bimetall-Temperaturschalter, durchgeführt wird. Alternativ können Überwachungsmittel eingesetzt werden, die einen geringen Energiebedarf haben und/oder phasenweise in einen Schlaf fallen, so dass zumindest in den Schlafphasen der Energieverbrauch auf ein Minimum gesenkt wird.
-
Des Weiteren bevorzugt wird der Kraftstoff über ein am Druckbehälter angeordnetes Ventil abgelassen und über eine mit dem Ventil verbundene Kraftstoffleitung der separaten Brennkammer zugeführt. Vorzugsweise wird ein elektrisch ansteuerbares Ventil verwendet, das gezielt geöffnet und geschlossen werden kann, wenn beispielsweise die Überwachungsmittel eine Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts anzeigen.
-
In der Kraftstoffleitung, welche das Ventil mit der separaten Brennkammer verbindet, kann eine Druckregeleinrichtung angeordnet sein. Mit Hilfe der Druckregeleinrichtung kann der Druck in der Kraftstoffleitung eingestellt werden, so dass eine gleichmäßige Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer sichergestellt ist.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Verbrennung des aus dem Druckbehälter abgelassenen Kraftstoffs in der separaten Brennkammer überwacht wird. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass der Kraftstoff gezündet und vollständig verbrannt wurde, so dass kein unverbrannter Kraftsoff aus der Brennkammer entweicht. Zur Überwachung der Verbrennung kann insbesondere ein Flammen- oder Brandwächter verwendet werden, der an oder in der Brennkammer angeordnet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen einfach aufgebauten, mechanischen Flammen- oder Brandwächter handeln, wie er auch in vielen Haushaltsgeräten Anwendung findet.
-
Das vorgeschlagene Verfahren zur Vermeidung eines Überdrucks in einem Druckbehälter für einen kryogenen Kraftstoff läuft vorzugsweise vollautomatisch ab. Das heißt, dass kein Eingreifen von außen erforderlich ist, so dass das den Druckbehälter aufweisende Kraftfahrzeug auch unbewacht über einen längeren Zeitraum abgestellt werden kann.
-
Das Verfahren wird daher bevorzugt mit Hilfe einer Steuereinheit durchgeführt. Die Steuereinheit führt dabei mindestens einen der nachfolgenden Verfahrensschritte aus:
- - Auswertung der Signale der Überwachungsmittel,
- - Ansteuerung des am Druckbehälter angeordneten Ventils und/oder
- - Betätigung eines an oder in der separaten Brennkammer angeordneter Zünders.
-
Die Steuereinheit wird dabei bevorzugt über eine Batterie des Kraftfahrzeugs mit Strom versorgt. Um den Stromverbrauch bei abgestelltem Kraftfahrzeug zu senken, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit nur bei Bedarf durch die Überwachungsmittel oder einen Zwischenschalter aktiviert wird. Das heißt, dass vorzugsweise die Steuereinheit erst aktiviert wird, wenn die Überwachungsmittel eine Grenzwertüberschreitung erkennen. Auf diese Weise kann eine vollständige Entladung der Fahrzeugbatterie verhindert werden. Die Stromversorgung der Steuereinheit kann dabei über eine Selbsthalteschaltung sichergestellt werden.
-
Der darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Druckbehälter zur Bevorratung eines kryogenen Kraftstoffs, insbesondere von Erdgas, an Bord eines Kraftfahrzeugs umfasst mindestens ein Ventil zum Ablassen von Kraftstoff aus dem Druckbehälter. Erfindungsgemäß ist das Ventil über eine Kraftstoffleitung mit einer separaten Brennkammer zur Verbrennung des aus dem Druckbehälter abgelassenen Kraftstoffs verbunden. Der zum Druckabbau aus dem Druckbehälter abgelassene Kraftstoff kann demnach einer Verbrennung zugeführt werden, so dass nicht der Kraftstoff, sondern lediglich die Verbrennungsrückstände an die Umwelt abgegeben werden. Die Umweltbelastung kann dadurch gesenkt werden. Dies gilt insbesondere, wenn Erdgas als kryogener Kraftstoff verwendet wird, da Erdgas vorrangig aus Methan besteht, das den Treibhauseffekt fördert. Wird Methan verbrannt, entstehen CO2 und H2O, welche weniger belastend für die Umwelt sind. Zudem bilden diese Gase mit Luft kein explosives Gasgemisch aus, so dass zugleich eine erhöhte Sicherheit gewährleistet ist.
-
Der vorgeschlagene Druckbehälter ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass die bei Durchführung des Verfahrens erreichbaren Vorteile auch mit dem vorgeschlagenen Druckbehälter erreicht werden können.
-
In der Kraftstoffleitung, welche das am Druckbehälter angeordnete Ventil mit der separaten Brennkammer verbindet, ist vorzugsweise eine Flammenrückschlagsicherung angeordnet. Diese verhindert, dass sich die Flammen aus der Brennkammer bis zum Druckbehälter durchschlagen. Denn dies könnte zu einer Explosion führen. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass in der Kraftstoffleitung eine Druckregeleinrichtung angeordnet ist. Diese trägt zu einer gleichmäßigen Verbrennung des aus dem Druckbehälter abgelassenen Kraftstoffs in der Brennkammer bei.
-
Unter dem Begriff „Brennkammer“ wird vorliegend ein von den Brennräumen einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs abgetrennter separater Raum verstanden, welcher der Verbrennung einer Kraftstoffmenge dient, die zum Druckabbau aus dem Druckbehälter abgelassen wird. Das heißt, dass es sich hierbei nicht um einen Brennraum der Brennkraftmaschine handelt.
-
Vorteilhafterweise ist die Brennkammer integraler Bestandteil einer Gas-Standheizung des Kraftfahrzeugs. Somit kann die Brennkammer verschiedenen Nutzungen dienen bzw. eine bereits vorhandene Brennkammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden.
-
An oder in der Brennkammer ist vorzugsweise ein Flammen- oder Brandwächter angeordnet. Dieser überwacht die Verbrennung in der Brennkammer. Hierbei kann es sich sowohl um einen aktiven als auch um einen passiven Flammen- oder Brandwächter handeln. In der Ausführung als passiver Flammen- oder Brandwächter kann dieser die Gaszufuhr zur Brennkammer trennen, wenn eine bestimmte Temperatur unterschritten wird.
-
An oder in der Brennkammer ist weiterhin vorzugsweise ein Zünder angeordnet, mit dessen Hilfe der kryogene Kraftstoff gezündet werden kann. Der Zünder ist insbesondere bei nicht selbstzündenden kryogenen Kraftstoffen, wie beispielsweise Erdgas, erforderlich.
-
Die Brennkammer weist ferner bevorzugt mindestens einen Lufteinlass und einen Auslass für bei der Verbrennung entstehendes Abgas auf. Über den Lufteinlass gelangt Verbrennungsluft in die Brennkammer. Über den Auslass werden die Rückstände der Verbrennung an die Umwelt abgegeben.
-
Vorteilhafterweise sind die Überwachungsmittel, das Ventil, der Flammen- oder Brandwächter und/oder der Zünder über Steuerleitungen mit einer Steuereinheit verbunden. Die Steuereinheit kann somit zur Auswertung der Signale der Überwachungsmittel und/oder zur Ansteuerung des am Druckbehälter angeordneten Ventils eingesetzt werden. Zeigen die Überwachungsmittel an, dass ein Grenzwert überschritten wird, kann mit Hilfe der Steuereinheit das Ventil geöffnet werden, so dass Kraftstoff aus dem Druckbehälter in die Brennkammer strömt. Dort kann dann die Verbrennung durchgeführt werden, nachdem mit Hilfe der Steuereinheit der Zünder betätigt worden ist. Der Flammen- oder Brandwächter signalisiert der Steuereinheit, dass die Verbrennung störungsfrei abläuft, so dass das Verfahren fortgesetzt werden kann.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zur Realisierung einer Selbsthalteschaltung ein mit der Steuereinheit verbundener Leistungsschalter vorgesehen ist. Auf diese Weise kann der Stromverbrauch der Steuereinheit reduziert werden, da diese nur aktiviert wird, wenn die Überwachungsmittel eine Grenzwertüberschreitung erkennen. Die Steuereinheit betätigt dann den Leistungsschalter, so dass die Steuereinheit mit einer Stromversorgung verbunden ist. Ist keine Grenzwertüberschreitung mehr gegeben, wird die Verbindung zur Stromversorgung durch die Steuereinheit mit Hilfe des Leistungsschalters wieder getrennt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Druckbehälter.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
-
Der dargestellte erfindungsgemäße Druckbehälter 1 dient der Bevorratung eines kryogenen Kraftstoffs, wobei es sich vorliegend um Erdgas in flüssiger Form (LNG) handelt. Aufgrund Erwärmung bildet sich im Druckbehälter 1 oberhalb einer Flüssigphase 16 eine Gasphase 17 aus. Zugleich steigt der Druck im Druckbehälter 1 an.
-
Am Druckbehälter 1 sind Überwachungsmittel 3 zur Überwachung des Drucks und/oder der Temperatur im Druckbehälter 1 vorgesehen. Die Überwachungsmittel 3 können beispielsweise einen Druckschalter und/oder einen Bimetall-Temperaturschalter umfassen. Steigt der Druck im Druckbehälter 1 über einen vorgegebenen Grenzwert an, aktivieren die Überwachungsmittel 3 eine Steuereinheit 7, die über eine Steuerleitung 13 mit den Überwachungsmitteln 3 verbunden ist und über eine Fahrzeugbatterie 14 mit Energie versorgt wird. Die Steuereinheit 7 öffnet daraufhin ein am Druckbehälter 1 angeordnetes Ventil 4, das ebenfalls über eine Steuerleitung 13 mit der Steuereinheit 7 verbunden ist. Bei geöffnetem Ventil 4 strömt Kraftstoff aus dem Druckbehälter 1 in eine Kraftstoffleitung 5 ab, welche den Druckbehälter 1 bzw. das Ventil 4 mit einer Brennkammer 2 verbindet. Die Brennkammer 2 dient der Verbrennung des Kraftstoffs. Da Erdgas nicht selbstzündend ist, wird mit Hilfe der Steuereinheit 7 ein Zünder 10 betätigt, der an der Brennkammer 2 angeordnet und über eine weitere Steuerleitung 13 mit der Steuereinheit 7 verbunden ist. Über einen ebenfalls an der Brennkammer 2 angeordneten Flammen- oder Brandwächter 6 wird die Verbrennung überwacht. Auch der Flammen- oder Brandwächter 6 ist über eine Steuerleitung 13 mit der Steuereinheit 7 verbunden.
-
Die zur Verbrennung erforderliche Luft gelangt über Lufteinlässe 11 in die Brennkammer 2. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird über einen Auslass 12 aus der Brennkammer 2 abgeführt. Der Auslass 12 sollte möglichst an einer geodätisch hoch liegenden Stelle des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, um lokal hohe Abgaskonzentrationen in der Umgebungsluft zu vermeiden.
-
Um eine gleichmäßige Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer 2 sicherzustellen, ist in der Kraftstoffleitung 5 eine Druckregeleinrichtung 9 angeordnet, die einen einheitlichen Druck gewährleistet. In der Kraftstoffleitung 5 ist ferner eine Flammenrückschlagsicherung 8 angeordnet, die ein Übergreifen der Flammen auf die Kraftstoffleitung 5 und damit auf den Druckbehälter 1 verhindern soll.
-
Da bei abgestelltem Kraftfahrzeug und bei konstanter Stromversorgung der Steuereinheit 7 über die Fahrzeugbatterie 14 die Gefahr einer vollständigen Entladung der Batterie besteht, ist zusätzlich eine Selbsthalteschaltung mit einem Leistungsschalter 15 vorgesehen. Wird die Steuereinheit 7 durch die Überwachungsmittel 3 aktiviert, schaltet die Steuereinheit 7 den Leistungsschalter 15 ein und hält somit ihre eigen Stromversorgung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufrecht. Nach erfolgtem Druckabbau im Druckbehälter 1 schließt die Steuereinheit 7 das Ventil 4 und trennt sich anschließend wieder von der Stromversorgung.
-
Der in der Figur dargestellte Druckbehälter 1 weist neben dem Ventil 4 zwei weitere Ventile 4' und 4" auf, mittels welcher gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckbehälter 1 entnehmbar ist. Hierbei handelt es sich um gesetzlich vorgeschriebene Ventile (UN ECE R110), mittels welcher bei einem Überdruck im Druckbehälter 1 Druck abgebaut wird. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, auf das primäre Ventil 4' zu verzichten, da dessen Funktion durch das erfindungsgemäße Verfahren übernommen werden kann.
