DE102019201178A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems sowie Kraftstoffsystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas dient, wobei das Erdgas in flüssiger Form in einem Tank (1) an Bord des Kraftfahrzeugs bevorratet und mit Hilfe einer Pumpe (2) gefördert wird. Erfindungsgemäß wird der Fördermenge der Pumpe (2) Erdgas zugemischt, das zuvor einer im Tank (1) vorhandenen Gasphase (3) entnommen und in einem offenen Kreisprozess (4) verdichtet, abgekühlt und entspannt worden ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas. Das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
  • Stand der Technik
  • Zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Erdgas (NG, Natural Gas) kann dieses in flüssiger Form (LNG, Liquefied Natural Gas) in einem sogenannten Kryotank an Bord eines Kraftfahrzeugs mitgeführt werden. Das Erdgas wird hierzu stark heruntergekühlt, so dass es flüssig vorliegt. Die Temperatur im Tank liegt üblicherweise bei -162 bis -105 °C. Der Tankdruck beträgt dabei 2 bis 20 bar absolut. Durch Wärmeeintrag in den Tank kann sich das Erdgas erwärmen und verdampfen, so dass sich im Tank eine Gasphase ausbildet. Mit der Temperatur steigt zugleich der Tankdruck an. Um ein Bersten des Tanks zu verhindern, wird bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks Erdgas über Sicherheitsventile abgeblasen. Dies erzeugt Methanemissionen, die umweltschädlich und zudem wirtschaftlich unvorteilhaft sind. Wird der Maximaldruck trotz Druckanstieg über einen Tankzyklus nicht erreicht, wird überschüssiges Erdgas an die Tankstelle zurückgegeben, was ebenfalls wirtschaftlich unvorteilhaft ist.
  • Bei LNG-Hochdrucksystemen wird zum Betreiben des Verbrennungsmotors flüssiges Erdgas aus einer im Tank vorhandenen Flüssigphase entnommen. Bei LNG-Niederdrucksystemen kann Erdgas wechselweise aus der Flüssigphase und aus der Gasphase entnommen werden. Die Entnahme aus der Gasphase besitzt den Vorteil, dass der Selbstkühleffekt größer ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Selbstkühlpotential eines LNG-Tanks zu nutzen, um den Betrieb eines Kraftstoffsystems umweltfreundlicher und wirtschaftlicher zu gestalten.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas dient. Bei dem Verfahren wird das Erdgas in flüssiger Form in einem Tank an Bord des Kraftfahrzeugs bevorratet und mit Hilfe einer Pumpe gefördert. Erfindungsgemäß wird der Fördermenge der Pumpe Erdgas zugemischt, das zuvor einer im Tank vorhandenen Gasphase entnommen und in einem offenen Kreisprozess verdichtet, abgekühlt und entspannt worden ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach Erdgas sowohl aus der Flüssigphase als auch aus der Gasphase des Tanks entnommen. Dadurch erhöht sich der Selbstkühleffekt bzw. das Selbstkühlpotential des Tanks wird besser genutzt. Im Ergebnis können somit die Temperatur und der Tankdruck während der Entleerung des Tanks konstant gehalten oder sogar reduziert werden. Das heißt, dass der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird, da kein Erdgas abgeblasen werden muss. Ferner werden umweltschädliche Methanemissionen vermieden. Bei einer Reduzierung des Tankdrucks unter Tankstellenspeicherdruck verringert sich zudem die Wiederbefüllzeit des Tanks.
  • Die Entnahme von Erdgas aus der Flüssigphase des Tanks erfolgt in üblicher Weise mit Hilfe der Pumpe. Diese fördert das Erdgas aus dem Tank in eine Kraftstoffleitung. Die Pumpe kann hierzu im Tank angeordnet sein. Die Entnahme von Erdgas aus der Gasphase erfolgt über einen zusätzlichen Pfad, der als offener Kreisprozess ausgelegt ist. Das heißt, dass das der Gasphase entnommene Erdgas verdichtet, abgekühlt und entspannt wird bevor es der Fördermenge der Pumpe zugemischt wird. Beim Entspannen wird das Erdgas bevorzugt auf ein Druckniveau über dem des Tankdrucks entspannt und dabei zumindest teilweise wieder verflüssigt.
  • Bevorzugt wird das der Gasphase entnommene Erdgas nach dem Verdichten und Abkühlen mit Hilfe einer Drossel unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts entspannt. Der Joule-Thomson-Effekt bezeichnet die Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung. Über den Joule-Thomson-Effekt wird vorliegend eine weitere Optimierung des Selbstkühleffekts erreicht.
  • Vorteilhafterweise wird das der Gasphase entnommene Erdgas mit Hilfe eines Ventils, vorzugsweise mit Hilfe eines Schaltventils, der Fördermenge der Pumpe zugemischt. Durch Schalten des Ventils kann das Zumischen vom Verdichten des Erdgases entkoppelt werden. Ferner kann mit Hilfe des Ventils das Erdgas gezielt zudosiert werden. Das Ventil ist vorzugsweise der zum Entspannen vorgesehenen Drossel vorgeschaltet, so dass eine definierte Teilmenge des Erdgases entspannt und zugemischt wird.
  • Weiterhin bevorzugt wird das der Gasphase entnommene Erdgas nach dem Verdichten und Abkühlen in einem Druckspeicher zwischengespeichert. Auf diese Weise wird ebenfalls eine Entkopplung zwischen dem Zumischen und dem Verdichten des Erdgases erreicht, da bereits verdichtetes Erdgas im Druckspeicher zwischengespeichert werden kann bevor es zugemischt bzw. zudosiert wird. Der Druckspeicher ist vorzugsweise dem Ventil vorgeschaltet, so dass dem Ventil Erdgas aus dem Druckspeicher zugeführt wird.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das der Gasphase entnommene Erdgas stromaufwärts einer weiteren Pumpe des Kraftstoffsystems der Fördermenge der ersten Pumpe zugemischt bzw. zudosiert wird. Das heißt, das mindestens zwei Pumpen zum Fördern des Erdgases vorgesehen sind. Bei der ersten Pumpe kann es sich insbesondere um eine Vorförderpumpe handeln, die vorrangig der Entnahme von Erdgas aus dem Tank dient. Bei der weiteren Pumpe kann es sich insbesondere um eine Hochdruckpumpe handeln, die der Hochdruckbeaufschlagung des Erdgases dient. Zumindest die weitere Pumpe ist vorzugsweise außerhalb des Tanks angeordnet.
  • Bevorzugt wird das der Gasphase entnommene Erdgas beim Verdichten auf ein Temperaturniveau gebracht, das oberhalb des Temperaturniveaus der Fördermenge stromabwärts der weiteren Pumpe liegt. Die Fördermenge stromabwärts der weiteren Pumpe kann in diesem Fall als Wärmesenke zum Abkühlen des Erdgases in einem Wärmeübertrager genutzt werden. Der Wärmeübertrager ist daher bevorzugt stromabwärts der weiteren Pumpe angeordnet.
  • Zum Verdichten des der Gasphase entnommenen Erdgases wird vorzugsweise ein Kompressor verwendet, der mit der ersten Pumpe oder mit der weiteren Pumpe über einen gemeinsamen Antrieb angetrieben wird. Sofern der Antrieb der ersten Pumpe als gemeinsamer Antrieb genutzt wird, kann es sich hierbei insbesondere um einen Elektromotor, der die erste Pumpe und den Kompressor antreibt. Sofern der Antrieb der weiteren Pumpe als gemeinsamer Antrieb genutzt wird, kann dieser beispielsweise als Hydraulikkolben ausgeführt sein. Auf diese Weise kann die Effizienz des Kraftstoffsystems gesteigert werden.
  • Das darüber hinaus vorgeschlagene Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas umfasst einen Tank zur Bevorratung des Erdgases in flüssiger Form und eine Pumpe zum Fördern des Erdgases aus dem Tank in eine Kraftstoffleitung. Erfindungsgemäß ist die Kraftstoffleitung über eine weitere Kraftstoffleitung an eine im Tank vorhandene Gasphase angebunden. Der Fördermenge der Pumpe kann somit Erdgas aus der Gasphase des Tanks zugemischt werden. Da in der weiteren Kraftstoffleitung ein Kompressor, ein Wärmeübertrager und eine Drossel zur Realisierung eines offenen Kreisprozesses angeordnet sind, wird das der Gasphase entnommene Erdgas verdichtet, abgekühlt und entspannt bevor es der Fördermenge der Pumpe zugemischt wird. Das Kraftstoffsystem ist somit insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. das Kraftstoffsystem kann insbesondere nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden. Es ergeben sich somit die gleichen Vorteile. Insbesondere kann das Selbstkühlpotential des Tanks besser genutzt werden, so dass kein Erdgas abgeblasen werden muss. Auf diese Weise wird die Umwelt geschont, zudem wird Kraftstoff eingespart.
  • In der weiteren Kraftstoffleitung ist bevorzugt ein Ventil, vorzugsweise ein Schaltventil, angeordnet. Das Ventil ermöglicht ein gezieltes Zudosieren des Erdgases. Zugleich entkoppelt es das Zumischen bzw. Zudosieren vom Vorgang des Verdichtens. Das Ventil ist vorzugsweise der Drossel vorgeschaltet, so dass eine bestimmte Teilmenge des Erdgases entspannt wird.
  • Des Weiteren bevorzugt ist in der weiteren Kraftstoffleitung ein Druckspeicher zum Zwischenspeichern von verdichtetem Erdgas angeordnet. Der Druckspeicher ist vorzugsweise dem zuvor erwähnten Ventil vorgeschaltet, so dass mit Öffnen des Ventils die Entnahme von Erdgas aus dem Druckspeicher erfolgt.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Pumpe über die erste Kraftstoffleitung mit einer weiteren Pumpe verbunden ist. Die erste Pumpe, vorzugsweise eine Vorförderpumpe, kann dann vorrangig zur Entnahme von Erdgas aus der Flüssigphase des Tanks eingesetzt werden. Mit Hilfe der weiteren Pumpe, vorzugsweise einer Hochdruckpumpe, kann das Erdgas mit Hochdruck beaufschlagt werden.
  • Die den offenen Kreisprozess darstellende weitere Kraftstoffleitung mündet vorzugsweise stromaufwärts der weiteren Pumpe bzw. Hochdruckpumpe in die erste Kraftstoffleitung. Die zugemischte Menge wird dann gemeinsam mit der Fördermenge der ersten Pumpe bzw. Vorförderpumpe auf Hochdruck gefördert.
  • Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager stromabwärts der weiteren Pumpe bzw. der Hochdruckpumpe in der ersten Kraftstoffleitung angeordnet ist. Sofern das der Gasphase entnommene Erdgas mittels des Verdichters auf ein Temperaturniveau verdichtet wird, das über dem des mit Hochdruck beaufschlagten Erdgases liegt, kann dieses als Wärmesenke zum Abkühlen des verdichteten Erdgases im Wärmeübertrager genutzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Erdgas und
    • 2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm zur schematischen Darstellung des offenen Kreisprozesses für Methan zur Kälteerzeugung.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Das in der 1 schematisch dargestellte Kraftstoffsystem dient der Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas. Es umfasst einen Tank 1, in dem das Erdgas in flüssiger Form bevorratet wird. Durch Wärmeeintrag in den Tank 1 erwärmt sich das flüssige Erdgas und verdampft, so dass sich über die Zeit im Tank 1 eine Gasphase 3 oberhalb einer Flüssigphase 13 ausbildet. Im Tank 1 ist eine Pumpe 2 angeordnet, mit deren Hilfe das Erdgas aus dem Tank 1 in eine Kraftstoffleitung 11 förderbar ist. Die Entnahme erfolgt dabei aus der Flüssigphase 13. Bei der Pumpe 2 handelt es sich vorliegend um eine elektromotorisch angetriebene Vorförderpumpe 2. Über die Kraftstoffleitung 11 ist die Vorförderpumpe 2 mit einer weiteren Pumpe 8 verbunden, wobei es sich vorliegend um eine Hochdruckpumpe 8 zur Hochdruckbeaufschlagung des Erdgases handelt. Zwischen den beiden Pumpen 2, 8 mündet eine weitre Kraftstoffleitung 12 in die Kraftstoffleitung 11, über die eine Verbindung der Kraftstoffleitung 11 mit der Gasphase 3 des Tanks 1 herstellbar ist. Über die weitere Kraftstoffleitung 12 kann somit der Fördermenge der Vorförderpumpe 2 Erdgas aus der Gasphase 3 des Tanks 1 zugemischt werden.
  • Durch die Entnahme von Erdgas aus dem Tank 1 werden das Druck- und das Temperaturniveau im Tank 1 gesenkt. Das heißt, dass eine Kühlung erreicht wird. Dieser Selbstkühleffekt ist deutlich höher, wenn das Erdgas aus der Gasphase 3 des Tanks 1 entnommen wird. Da bei dem in der 1 dargestellten Kraftstoffsystem das Erdgas sowohl aus der Flüssigphase 13 als auch aus der Gasphase 3 des Tanks 1 entnommen wird, wird eine Maximierung des Selbstkühleffekts erreicht. Zugleich kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass der Tankdruck nicht über einen vorgegebenen Maximalwert steigt, so dass Erdgas abgeblasen werden muss. Das heißt, dass zugleich die Umwelt geschont wird und Kraftstoff eingespart wird.
  • Das der Gasphase 3 entnommene Erdgas wird jedoch nicht unmittelbar der Fördermenge der Vorförderpumpe 2 zugemischt, sondern zuvor verdichtet, abgekühlt und entspannt. Das heißt, dass das Erdgas in einem offenen Kreisprozess 4 verschiedene Zustandsänderungen erfährt. Dabei wird das Erdgas - zumindest teilweise - erneut verflüssigt. In der Kraftstoffleitung 12 sind hierzu ein Kompressor 10, ein Wärmeübertrager 9 und eine Drossel 5 angeordnet. Die Zustandsänderungen von Erdgas bzw. von Methan sind beispielhaft dem Druck-Enthalpie-Diagramm der 2 zu entnehmen.
  • Zunächst wird das der Gasphase 3 entnommene Erdgas (siehe „A“) mit Hilfe des Kompressors 10 von einem Tankdruck p1 auf einen erhöhten Druck p2 gebracht (siehe „B“). Das Temperaturniveau nach dem Verdichten liegt idealerweise höher als das Temperaturniveau auf der Druckseite der Hochdruckpumpe 8. Die mittels der Hochdruckpumpe 8 auf Hochdruck geförderte Erdgasmenge kann somit im Wärmeübertrager 9 zum Abkühlen des mit Hilfe des Kompressor 10 verdichteten Erdgases genutzt werden. Das Druckniveau ändert sich dabei nicht (siehe „C“) bzw. nur um den Druckverlust durch Strömung des Gases durch den Apparat. Anschließend wird das Erdgas mit Hilfe der Drossel 5 entspannt und zumindest teilweise erneut verflüssigt, wobei sich ein Druck p3 oberhalb des Tankdrucks p1 einstellt (siehe „D“ bzw. „Δp“). Beim Entspannen bzw. zumindest teilweise Verflüssigen des Erdgases wird über den Joule-Thomson-Effekt zugleich eine Optimierung des Selbstkühleffekts erreicht.
  • Um das Verdichten und Zumischen von Erdgas, das der Gasphase 3 des Tanks 1 entnommen worden ist, zu entkoppeln, weist das in der 1 dargestellte Kraftstoffsystem ein Ventil 6 auf, dem ein Druckspeicher 7 vorgeschaltet ist. Das heißt, dass mit Hilfe des Kompressor 10 verdichtetes Erdgas im Druckspeicher 7 zwischengespeichert und mit Hilfe des Ventils 6 gezielt zudosiert werden kann.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas dient, wobei das Erdgas in flüssiger Form in einem Tank (1) an Bord des Kraftfahrzeugs bevorratet und mit Hilfe einer Pumpe (2) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Fördermenge der Pumpe (2) Erdgas zugemischt wird, das zuvor einer im Tank (1) vorhandenen Gasphase (3) entnommen und in einem offenen Kreisprozess (4) verdichtet, abgekühlt und entspannt worden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gasphase (3) entnommene Erdgas nach dem Verdichten und Abkühlen mit Hilfe einer Drossel (5) unter Ausnutzung des Joule-Thomson- Effekts entspannt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gasphase (3) entnommene Erdgas mit Hilfe eines Ventils (6), vorzugsweise mit Hilfe eines Schaltventils, der Fördermenge der Pumpe (2) zugemischt, insbesondere zudosiert wird, wobei vorzugsweise das Ventil (6) der zum Entspannen vorgesehenen Drossel (5) vorgeschaltet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gasphase (3) entnommene Erdgas nach dem Verdichten und Abkühlen in einem Druckspeicher (7) zwischengespeichert wird, wobei vorzugsweise der Druckspeicher (7) dem Ventil (6) vorgeschaltet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gasphase (3) entnommene Erdgas stromaufwärts einer weiteren Pumpe (8) des Kraftstoffsystems der Fördermenge der ersten Pumpe (2) zugemischt bzw. zudosiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gasphase (3) entnommene Erdgas beim Verdichten auf ein Temperaturniveau gebracht wird, das oberhalb des Temperaturniveaus der Fördermenge stromabwärts der weiteren Pumpe (8) liegt und die Fördermenge stromabwärts der weiteren Pumpe (8) als Wärmesenke zum Abkühlen des Erdgases in einem Wärmeübertrager (9) genutzt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdichten des der Gasphase (3) entnommenen Erdgases ein Kompressor (10) verwendet wird, der mit der ersten Pumpe (2) oder mit der weiteren Pumpe (8) über einen gemeinsamen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Hydraulikkolben, angetrieben wird.
  8. Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas, umfassend einen Tank (1) zur Bevorratung des Erdgases in flüssiger Form und eine Pumpe (2) zum Fördern des Erdgases aus dem Tank (1) in eine Kraftstoffleitung (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffleitung (11) über eine weitere Kraftstoffleitung (12) an eine im Tank (1) vorhandene Gasphase (3) angebunden ist und in der weiteren Kraftstoffleitung (12) ein Kompressor (10), ein Wärmeübertrager (9) und eine Drossel (5) zur Realisierung eines offenen Kreisprozesses (4) angeordnet sind.
  9. Kraftstoffsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Kraftstoffleitung (12) ein Ventil (6), vorzugsweise ein Schaltventil, angeordnet ist, das vorzugsweise der Drossel (5) vorgeschaltet ist.
  10. Kraftstoffsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Kraftstoffleitung (12) ein Druckspeicher (7) angeordnet ist, der vorzugsweise dem Ventil (6) vorgeschaltet ist.
  11. Kraftstoffsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) über die erste Kraftstoffleitung (11) mit einer weiteren Pumpe (8) verbunden ist.
  12. Kraftstoffsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kraftstoffleitung (12) stromaufwärts der weiteren Pumpe (8) in die erste Kraftstoffleitung (11) mündet und/oder der Wärmeübertrager (9) stromabwärts der weiteren Pumpe (8) in der ersten Kraftstoffleitung (11) angeordnet ist.
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