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Die Erfindung betrifft ein Gasversorgungssystem für ein mit Gas betreibbaren Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines mit Gas betriebenen Verbrennungsmotors.
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Gasversorgungssysteme der in Rede stehenden Art weisen üblicherweise einen Tank auf. In diesem wird unter Druck stehendes Gas als Kraftstoff für den Verbrennungsmotor vorgehalten. Bei dem Gas kann es sich um Erdgas, Wasserstoff und/oder Mischungen aus Gasen handeln. Das Gas steht dabei unter einem vergleichsweise hohen Druck. Dieser Druck kann bei gefülltem Gastank Werte von bis zu 260 Bar erreichen. Bei hohen Temperaturen sind auch Werte von bis zu 300 Bar möglich.
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Das im Gastank gespeicherte Gas wird durch das Gasversorgungssystem für den Verbrennungsmotor auf einem wesentlich niedrigeren Druckniveau bereitgestellt. Das Gasversorgungssystem weist daher zur Verbindung mit dem Verbrennungsmotor eine Niederdruckleitung auf. In dieser herrscht ein wesentlich niedriger Druck als in dem Gastank. Der Druck kann beispielsweise wenigstens drei und/oder höchstens zwölf Bar, insbesondere wenigstens fünf Bar und/oder höchstens neun Bar betragen.
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Das in einem Gastank eines derartigen Gasversorgungssystems gespeicherte Gas wird typischerweise auch als CNG (compressed natural gas) bezeichnet. Um das Gas bei den gewünschten niedrigeren Drücken bereitstellen zu können, weisen Gasversorgungssysteme der in Rede stehenden Art üblicherweise eine Druckregeleinheit auf. Diese ist dazu ausgebildet, den Druck des Gases auf einen bestimmten Sollwert abzusenken. Bei der Druckregeleinheit kann es sich beispielsweise um einen einfachen Druckminderer handeln, bei dem durch eine Mechanik ein bestimmter Ausgangsdruck vorgegeben wird. In der Praxis kommen aber auch komplizierter gestaltete Druckregeleinheiten zum Einsatz, beispielsweise solche, die über eine elektronische Druckregelung verfügen. Auch ist es möglich, dass der von dem Gastank zur Niederdruckleitung geleitete Gasmassenstrom hintereinander zwei Druckregeleinheiten durchläuft. Der Druck des Gasmassenstroms wird dann durch eine erste Druckregeleinheit auf ein mittleres Druckniveau geregelt. Dieses kann beispielsweise zwischen 20 Bar und 25 Bar liegen.
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Problematisch ist, dass sich beim Absenken des Drucks des Gasmassenstroms das Gas aufgrund des Joule-Thomson-Effektes abkühlt. Dies kann dazu führen, dass Komponenten des Gasversorgungssystems vereisen und somit den Betrieb stören können.
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Es ist daher bekannt, die Druckregeleinheit mit einer Heizeinrichtung auszustatten. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektrische Heizeinrichtung handeln. Alternativ und/oder ergänzend ist eine Beheizung der Druckregeleinheit durch den Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors möglich. Aus der
DE 10 2018 113 240 A1 ist beispielsweise bekannt, über einen Bypass Abgas aus der Abgasleitung des Verbrennungsmotors abzuzweigen und zur Heizeinrichtung zu leiten. Diese ist dazu ausgebildet, Wärme von dem Abgas des Verbrennungsmotors auf das Gasversorgungssystem zu übertragen. Die Übertragung kann dabei indirekt über ein Wärmeübertragungsmedium stattfinden. Die Wärme wird insbesondere zur Beheizung der Druckregeleinheit genutzt. Auf diese Weise steht das Gas mit einer höheren Austrittstemperatur zur Verfügung.
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Weiterhin ist bekannt, dass sich abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors die Anforderungen an die Temperatur des über die Niederdruckleitung zum Verbrennungsmotor geleiteten Gases ändern. Hierbei gilt der Grundsatz, dass das Gas so warm wie nötig, jedoch so kühl wie möglich in den Verbrennungsmotor eingeleitet werden sollte. Die optimale Gastemperatur hängt dabei vom Lastzustand des Verbrennungsmotors ab. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass bei hohen Lasten generell niedrigere Temperaturen - im Bereich von ca. 0° - sinnvoll sind. Dies liegt insbesondere an der durch das kalte Gas ermittelten Kühlwirkung. Bei schwachen Lasten kann jedoch eine Erhöhung der Temperatur des zugeführten Gases, insbesondere im Hinblick auf eine Entdrosselung des Verbrennungsmotors, sinnvoll sein. Das Gas bei einer möglichst optimalen Temperatur bereitzustellen wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad aus und führt somit auch zu einer Reduktion des CO2-Ausstoßes.
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In der Praxis sind bestehende Gasversorgungssysteme im Hinblick auf die Temperatur des in der Niederdruckleitung bereitgestellten Gases jedoch schwer zu steuern. Dies liegt insbesondere an der vergleichsweise hohen Trägheit, mit der sich Änderungen der Beheizung der Komponenten des Gasversorgungssystems auf die resultierende Temperatur des Gases in der Niederdruckleitung auswirken. Insbesondere eine Regelung dieser Temperatur auf einen vom jeweiligen Betriebszustand, insbesondere Lastzustand, des Verbrennungsmotors abhängigen Wert als Sollwert lässt sich nur mit hohen Reaktionszeit realisieren. Dadurch lässt sich das theoretische Potenzial der Anpassung der Gastemperaturen an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors in der Praxis nicht ausnutzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Betrieb des Verbrennungsmotors mit schnellen und häufigen Lastwechseln verbunden ist, wie dies beispielsweise im Stadtverkehr der Fall ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gasversorgungssystem für einen mit Erdgas betreibbaren Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines mit Erdgas betriebenen Verbrennungsmotors aufzuzeigen, welche eine Steuerung der Temperatur des zum Verbrennungsmotor geleiteten Gases mit einer kürzeren Reaktionszeit ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gasversorgungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Gasversorgungssystem einen ersten Gaspfad vom Gastank zu der Niederdruckleitung und einen zweiten Gaspfad vom Gastank zu der Niederdruckleitung aufweist. Dabei weist der erste Gaspfad eine Heizeinrichtung zum Beheizen des Gases auf. Das Gasversorgungssystem ist dazu ausgebildet, die Temperatur des in die Niederdruckleitung eintretenden Gasmassenstroms durch die Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank zur Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstroms auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad zu steuern.
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Die Funktionsweise des Gasversorgungssystems beruht, im Grunde darauf, dass, insbesondere aufgrund der dem ersten Gaspfad zugeordneten Heizeinrichtung, der Anteil des Gasmassenstroms, der über den ersten Gaspfad geleitet wird, und der Anteil des Gasmassenstroms, der durch den zweiten Gaspfad geleitet wird, auf ihrem Weg vom Gastank zur Niederdruckleitung unterschiedlich stark beheizt werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Beheizung des Gasmassenstroms nicht dazu führen muss, dass sich die Temperatur des Gases vom Gastank bis zur Niederdruckleitung erhöht. In der Praxis wird die Beheizung regelmäßig vielmehr dazu führen, dass lediglich der das Gas abkühlende Joule-Thomson-Effekt bei dem Anteil des Gasmassenstroms, der durch den ersten Gaspfad geleitet wird, stärker kompensiert wird, als bei dem Anteil des Gasmassenstroms, der über den zweiten Gaspfad geleitet wird.
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Es hat sich gezeigt, dass die Aufteilung des Gasmassenstroms auf den ersten und den zweiten Gaspfad mit sehr kurzen Ansprechzeiten bewirkt werden kann. Die Ansprechzeit einer geeigneten Stellvorrichtung kann im Bereich von 0,1 s realisiert werden. Durch die unterschiedlich starke Beheizung des Gases auf den Gaspfaden lässt sich so die Temperatur des in die Niederdruckleitung eintretenden Gasmassenstroms, welcher aus der Wiedervereinigung der auf die Gaspfade aufgeteilten Anteile des ursprünglichen Gasmassenstroms hervorgeht, steuern.
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Das Verfahren zum Betreiben eines mit Erdgas betriebenen Verbrennungsmotors, bei welchem insbesondere ein Gasversorgungssystem der vorliegend beschriebenen Art zum Einsatz kommen kann, sieht entsprechend vor, dass der Verbrennungsmotor durch ein Gasversorgungssystem mit Gas versorgt wird.
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Dabei steuert das Gasversorgungssystem die Temperatur eines in eine mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Niederdruckleitung eintretenden Gasmassenstroms durch die Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank zur Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstroms auf einen ersten Gaspfad und einen zweiten Gaspfad. Hierbei wird das über den ersten Gaspfad geleitete Gas beheizt. Insbesondere durch die Beheizung des Gases auf dem ersten Gaspfad stellen sich unterschiedliche Gastemperaturen auf beiden Gaspfaden ein, so dass durch die Beeinflussung der Mengenverhältnisse bei der Aufteilung des Gasmassenstroms auf die Gaspfade eine Steuerung und/oder Regelung der Temperatur erfolgen kann.
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Es ist bei der vorliegenden Erfindung nicht auszuschließen, dass auf dem zweiten Gaspfad ebenfalls eine Beheizung des Gases stattfindet bzw. dass das Gasversorgungssystem auf dem zweiten Gaspfad ebenfalls eine Heizeinrichtung und/oder ein Mehrzahl Heizeinrichtungen zum Aufheizen des Gases aufweist. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, um punktuell Elemente des Gasversorgungssystems auf dem zweiten Gaspfad zu beheizen, um ein einfrieren dieser Elemente zu verhindern. Dabei kann es sich insbesondere um Druckregeleinrichtungen, wie beispielsweise Druckminderer, Armaturen, Ventile und/oder andere Drosselgerät handeln. Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist lediglich, dass die Beheizung auf dem ersten Gaspfad dazu führt, dass die auf die beiden Gaspfade aufgeteilten Gasmassenströme unterschiedliche Temperaturen aufweisen, wenn sie wieder zusammengeführt werden, insbesondere wobei das Gas nachdem es durch den ersten Gaspfad geleitet wurde eine höhere Temperatur aufweist, als das Gas nachdem es durch den zweiten Gaspfad geleitet wurde.
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Ebenso kann insbesondere der erste Gaspfad weitere Heizeinrichtungen aufweisen. So können beispielsweise elektrische beheizte Einrichtungen an bestimmten Elementen des Gasversorgungssystems auf dem ersten Gaspfad vorgesehen sein. Bei diesen Elementen kann es sich um Druckregeleinrichtungen, beispielsweise Druckminderer, Armaturen, Ventile und/oder andere Drosselgeräte handeln. Durch derartige zusätzliche, insbesondere punktuell wirksame, Heizeinrichtungen kann insbesondere ein Einfrieren dieser Elemente verhindert werden. Bei den zusätzlichen Heizeinrichtungen kann es sich insbesondere um elektrische Heizeinrichtungen handeln. Diese können beispielsweise dann zum Einsatz kommen, wenn nach einem Kaltstart noch keine aufgeheizte Kühlflüssigkeit zur Verfügung steht, um das Gas auf dem ersten Gaspfad über die Kühlflüssigkeit zu beheizen.
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Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn es sich bei der Heizeinrichtung auf dem ersten Gaspfad um einen Wärmetauscher handelt. Dieser ist insbesondere dazu ausgebildet, Wärme aus einem Kühlsystem zum Kühlen des Verbrennungsmotors auf den durch den ersten Gaspfad geleiteten Gasmassenstrom zu übertragen. Das Kühlsystem eines Verbrennungsmotors ist in der Lage, vergleichsweise große Wärmemengen zur Verfügung zu stellen, ohne dass dadurch die elektrischen Systeme des Kraftfahrzeugs belastet werden. Dies kann sich positiv auf die CO2-Emissionen auswirken.
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Das Gasversorgungssystem kann zur Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank zur Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstroms auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad in wenigstens einem der Gaspfade eine Armatur zur Steuerung des Massenstroms durch den jeweiligen Gaspfad aufweisen. Bei dieser Armatur kann es sich beispielsweise um eine steuerbare Drossel, eine Klappe, ein Ventil und/oder eine andere zur Beeinflussung des Durchflusses geeignete Armatur handeln.
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Für das Verfahren bedeutet dies, dass auf wenigstens einem der Gaspfade der Durchfluss durch eine geeignete Armatur beeinflusst wird. Im Grunde ist es möglich, den Durchfluss auf beiden Gaspfaden zu beeinflussen. In der Praxis ist es jedoch auch möglich, lediglich auf einem Gaspfad den Durchfluss zu beeinflussen und dadurch das Verhältnis der Gasmassenströme aus den beiden Gaspfaden zueinander zu beeinflussen. In dem Fall, dass lediglich eine Armatur zur Beeinflussung des Durchflusses vorgesehen ist, ist diese insbesondere in dem zweiten Gaspfad angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass beim vollständigen Schließen dieser Armatur das Gas lediglich über den ersten Gaspfad und somit über den beheizten Gaspfad zum Verbrennungsmotor gelangt. Ein derartiges Gasversorgungssystem ist dann insbesondere derart ausgebildet, dass bei einem Ausfall von Hilfsenergien, insbesondere der elektrischen Hilfsenergie zur Betätigung der Aktoren des Gasversorgungssystems, sämtliches Gas über den ersten Gaspfad zur Niederdruckleitung geleitet wird. In diesem Fall ist insbesondere eine Armatur vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, beim Ausfall der Hilfsenergie selbsttätig einen Zustand einzunehmen, der einen sicheren Notbetrieb gewährleistet. Bei der Anordnung der Armatur in dem zweiten Gaspfad bedeutet dies insbesondere, dass die Armatur sich beim Ausfall der Hilfsenergie selbsttätig schließt. Bei der Anordnung der Armatur in dem ersten Gaspfad bedeutet dies insbesondere, dass die Armatur sich beim Ausfall der Hilfsenergie selbsttätig öffnet. Hierdurch wird insbesondere ein Notbetrieb mit ausreichender Gastemperatur gewährleistet.
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Das Gasversorgungssystem kann zur Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank zur Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstroms auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad wenigstens ein Absperrorgan und/oder Wegeventil zum temporären Absperren wenigstens eines der Gaspfade aufweisen. Durch das zeitweise Absperren des ersten oder zweiten Gaspfades wird der Gasmassenstrom vom Gastank zur Niederdruckleitung vollständig über den jeweils anderen Gaspfad geleitet. Erfolgt das Absperren der einzelnen Gaspfade periodisch mit einer hinreichend hohen Frequenz, so wirkt sich dies ähnlich aus wie eine Begrenzung des Durchflusses in einem der beiden Gaspfade. Die Beeinflussung der Aufteilung des Gasmassenstroms kann dann dadurch erfolgen, dass die Zeitintervalle, in denen die jeweiligen Gaspfade abgesperrt sind, in ihrer Dauer angepasst werden. Im zeitlichen Mittel lassen sich so unterschiedliche Durchflüsse in den Gaspfaden realisieren. So kann beispielsweise ein Schaltventil verwendet werden, welches mit einer möglichst kurzen Schaltzeit zwischen dem ersten Gaspfad und dem zweiten Gaspfad hin und her schalten und so jeweils den ersten oder zweiten Gaspfad mit dem Gastank verbinden kann. Alternativ und oder ergänzend kann das Schaltventil derart angeordnet sein, dass es entweder den Ersten oder den zweiten Gaspfad mit der Niederdruckleitung verbindet. Mit anderen Worten kann das Schaltventil am Ort der Aufteilung des Gasmassenstroms auf die Gaspfade und/oder am Ort der Vereinigung der durch die unterschiedlichen Gaspfade geleiteten Gasmassenströme angeordnet sein.
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Bei einer derartigen Aufteilung des Gasmassenstromes ergibt sich gewünschte Verhältnis der Aufteilung erst im zeitlichen Mittel. Für die Funktion des Gasversorgungssystems und die Realisierung der Gewünschten Steuerfunktion im Hinblick auf die Temperatur ist dies jedoch völlig ausreichend. Bei hinreichend kurzen Zeiten für die zyklische Nutzung der unterschiedlichen Gaspfade ergibt sich, insbesondere aufgrund von Wärmeträgheiten und Rückvermischungen, im Ergebnis eine hinreichend geringe zeitliche Schwankung der Temperatur des in die Niederdruckleitung geleiteten Gases.
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Es versteht sich, dass auch Mischformen der vorliegend beschriebenen Realisierungsmöglichkeiten für die Aufteilung des Gasmassenstroms auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad denkbar sind. So kann beispielsweise ein 3/2-Wege Proportionalventil genutzt werden, um den Gasmassenstrom auf den ersten Gaspfad und in den zweiten Gaspfad aufzuteilen. Ein derartiges Ventil ermöglicht sowohl die vollständige Absperrung des ersten oder zweiten Gaspfades, es ist jedoch auch eine durch die Stellung des Ventils beeinflussbare Aufteilung des Gasmassenstroms auf den ersten und den zweiten Gaspfad in einem einstellbaren Verhältnis möglich. Von daher kann ein derartiges Ventil sowohl als Absperrorgan zum temporären Absperren wenigstens eines der Gaspfade wie auch als Armatur zur Steuerung des Durchflusses durch den jeweiligen Gaspfad genutzt werden.
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Das Gasversorgungssystem kann dazu ausgebildet sein, zur Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank zur Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstroms auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad den Sollwert des Ausgangsdrucks einer Druckregeleinheit zu steuern.
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Die Strömungsverhältnisse im Gasversorgungssystem, insbesondere die jeweiligen sich ergebenen Durchflüsse, hängen in dem Gasversorgungssystem mit den Drücken in den einzelnen Leitungen zusammen. Daher ist es möglich, durch die Vorgabe eines Ausgangsdrucks einer Druckregeleinheit eine Steuerung der Durchflüsse auf dem ersten und dem zweiten Gaspfad zu realisieren. Reale Druckregeleinheiten, wie beispielsweise Druckminderer, sind typischerweise dazu ausgebildet, ihren Ausgangsdruck auf einen bestimmten Sollwert zu regeln. Wird nun auf dem Ersten oder dem zweiten Gaspfad eine konstante Drosselung, beispielsweise in Gestalt einer festen Drosselung und/oder Drosselstelle, vorgesehen, während in dem anderen Gaspfad eine Druckregeleinheit angeordnet ist, so wird diese Druckregeleinheit den Druck an ihrem Ausgang auf einen Sollwert regeln. Dieser Sollwert entspricht dann aufgrund der miteinander kommunizierenden Leitungen der zusammengeführten Gaspfade dem Druck hinter der Drosselung des mit der konstanten Drosselung versehenen Gaspfades. Wird ein höherer Sollwert vorgegeben, so regelt die Druckregeleinheit den Druck an ihrem Ausgang auf einen entsprechend höheren Wert, wofür mehr Gas die Druckregeleinheit passiert. Dadurch erhöht sich gleichzeitig der Ausgangsdruck der konstanten Drosselung, was dazu führt, dass die konstanten Drosselung von einer geringeren Gasmenge pro Zeiteinheit durchströmt wird. So lässt sich mit einer einzigen steuerbaren Armatur, die vorzugsweise im ersten Gaspfad angeordnet ist, bereits die gewünschte Beeinflussung der Aufteilung des Gasstromes erreichen.
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Insbesondere können der Erste und der zweite Gaspfad jeweils eine Druckregeleinheit aufweisen. Dabei ist das Gasversorgungssystem dazu ausgebildet, zur Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank zur Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstroms auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad die Sollwerte dieser beiden Druckregeleinheiten mit unterschiedlichen periodischen Signalen anzusteuern. Bei den periodischen Signalen kann es sich beispielsweise um sinus-, dreiecks- Sägezahn- oder Rechteckförmige Signale handeln. Auch können die Signale eine periodische Modulation, beispielsweise eine periodische Pulsweitenmodulation aufweisen. Die Ansteuerung dieser Druckregeleinheiten erfolgt dann insbesondere derart, dass den Druckregeleinheiten durch die Signale, mit denen die jeweilige Druckregeleinheit angesteuert wird, Sollwerte für den Ausgangsdruck der jeweiligen Druckregeleinheit vorgegeben werden. Stehen nun die Ausgangsseiten der Druckregeleinheiten miteinander durch das Leitungssystem des Gasversorgungssystems in Verbindung, so wird die Druckregeleinheit, der ein höherer Sollwert vorgegeben wird, bereits bei der Unterschreitung dieses Sollwertes einen Gasstrom auf dem ihr zugeordneten Gaspfad vom Gastank zur Niederdruckgebiet durchlassen. Die andere Druckregeleinheit würde erst öffnen, wenn deren Sollwert ebenfalls unterschritten wird. Stehen die Ausgangseiten beider Druckregeleinheiten jedoch in direkter Verbindung, so wird dies lediglich dann der Fall sein, wenn der Gasverbrauch durch den Verbrennungsmotor derart hoch wird, dass der durch die Druckregeleinheit mit dem höheren Sollwert strömende Gasmassenstrom nicht ausreicht, um den Druck in der Niederdruckleitung und damit an den Ausgängen der Druckregeleinheiten aufrechtzuerhalten. Periodische Ansteuerungen haben zudem den Vorteil, dass mechanische Hysteresen minimiert werden und dadurch insgesamt eine bessere Regelung erzielt werden kann.
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Um nun eine Regelung der Temperatur des mittels eines derartigen Gasversorgungssystem in die Niederdruckleitung geleiteten Gases zu ermöglichen, können die Druckregeleinheiten derart mit den Signalen angesteuert werden, dass abwechselnd eine der beiden Druckregeleinheiten einen höheren Sollwert aufweist als die andere. Auf diese Weise wird ein ähnlicher Effekt erzielt wie bei der abwechselnden Schaltung des Gasmassenstroms auf die einzelnen Gaspfade mittels eines Mehrwegeventils: Der Gasmassenstrom strömt, bevorzugt oder vollständig, durch die Regeleinheit, welche zu einem jeweiligen Zeitpunkt den höheren Sollwert aufweist. Auf diese Weise lässt sich in der Praxis insbesondere dann eine sinnvolle Steuerung der Temperatur ermöglichen, wenn die Druckregeleinheiten mit unterschiedlichen periodischen Signalen angesteuert werden. Dann kann beispielsweise ein zeitlicher Versatz der periodischen Signale, eine unterschiedliche Amplitude der periodischen Signalen, ein unterschiedlicher Offset der periodischen Signale und/oder eine unterschiedliche Modulation der periodischen Signale, insbesondere eine Pulsweitenmodulation, dazu genutzt werden, die Aufteilung des Gasmassenstroms auf den ersten und den zweiten Gaspfad und damit die Temperatur des gesamten in die Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstroms zu steuern. Schalt- und/oder Proportionalventile werden zum Beeinflussung der Aufteilung des Gasstromes in diesem Fall nicht benötigt, da diese bereits durch die Druckregler bewirkt wird.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zunächst der gesamte Gasmassenstrom vom Gastank kommend eine erste Druckregeleinheit passiert, durch die der Gasdruck insgesamt auf ein Niveau geregelt wird, welches zwischen dem Druckniveau im Gastank und dem Druckniveau in der Niederdruckleitung liegt. Das Druckniveau kann insbesondere unterhalb von 35 Bar liegen. Nach dem Passieren dieser ersten Druckregeleinheit wird der Massenstrom auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad aufgeteilt. Jeder dieser Gaspfade weist eine weitere Druckregeleinheit auf. Die weiteren Druckregeleinheiten der einzelnen Gaspfade sind insbesondere dazu ausgebildet und eingerichtet, den Ausgangsdruck des Gases auf das Druckniveau in der Niederdruckleitung zu regeln. Vorzugsweise passiert der Gasstrom auf dem ersten Gaspfad hierbei die Heizeinrichtung, bevor er die entsprechende weitere Druckregeleinheit des ersten Gaspfades passiert. Auf diese Weise kann mittels der ersten Druckregeleinheit ein konstantes und insbesondere vom Druck im Gastank unabhängiges Ausgangsdruckniveau für die Druckregeleinheiten, die für die Steuerung der Temperatur genutzt werden, bereitgestellt werden. Zudem setzt die Abkühlung des Gases bereits beim Passieren der ersten Druckregeleinheit ein. Hierdurch lässt sich die Beheizung des Gases effizient durchführen und gleichzeitig die Druckregeleinheit in dem ersten Gaspfad durch die vorgeschaltete Heizeinrichtung vor dem verreisen schützen. Zudem müssen sämtliche der ersten Druckregeleinheit nachgeschalteten Druckregeleinheiten nicht auf den hohen Druck des Gases im Gastank ausgelegt werden.
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Die Steuerung der Temperatur des in die Niederdruckleitung eintretenden Gasmassenstroms kann dann in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfolgen. Insbesondere kann der Anteil des Gasmassenstroms, der durch den ersten Gaspfad geleitet wird, bei höherer Last des Verbrennungsmotors gesenkt und bei niedrigerer Last des Verbrennungsmotors erhöht werden. Auf diese Weise kann der Verbrennungsmotor bei höherer Last mit einem kälteren Gas versorgt werden als bei niedrigerer Last. Insbesondere kann die Steuerung in Abhängigkeit der Last, der Drehzahl und/oder einer Steuervorgabe für die Motorleistung, die Beispielsweise vom Fahrer durch Bestätigung des Gaspedals erfolgen kann, erfolgen.
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Die Steuerung der Temperatur kann derart erfolgen, dass die Temperatur auf einen Sollwert geregelt wird. Der Sollwert der Temperatur des in die Niederdruckleitung geförderten Gasstromes kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors vorgegeben werden. Insbesondere kann das Gasversorgungssystem einen Temperatursensor zur Erfassung des Istwertes der Temperatur des in die Niederdruckleitung geförderten Gasstromes aufweisen. Dieser Istwert kann einer Regelung der Temperatur auf den Sollwert zugrunde gelegt werden. Weiterhin ist es möglich weitere Temperaturen, insbesondere in den einzelnen Gaspfaden, mit weiteren Temperatursensoren zu erfassen. Hierdurch kann beispielsweise eine Vorsteuerung der Temperatur realisiert werden.
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Es versteht sich, dass ein derartiges Gasversorgungssystem auch mehr als zwei Gaspfade aufweisen kann. Wesentlich ist, dass wenigstens zwei Gaspfade vorhanden sind, über die das Gas mit unterschiedlichen Temperaturen zur Niederdruckleitung gefördert werden kann, und dass das Gasversorgungssystem für die entsprechende Ansteuerung dieser Gaspfade ausgebildet ist.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 Ein schematisches Fließbild eines beispielhaften Gasversorgungssystems nach einem ersten Ausführungsbeispiel
- 2 Ein schematisches Fließbild eines beispielhaften Gasversorgungssystems nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
- 3 Ein schematisches Fließbild eines beispielhaften Gasversorgungssystems nach einem dritten Ausführungsbeispiel
- 4 Ein schematisches Fließbild eines beispielhaften Gasversorgungssystems nach einem vierten Ausführungsbeispiel
- 5 Ein schematisches Fließbild eines beispielhaften Gasversorgungssystems nach einem fünften Ausführungsbeispiel
- 6 Eine schematische Darstellung des Verhaltens einer Druckregeleinheit bei der Ansteuerung mit einem periodischen Signal
- 7 Das Verhalten zweier mit unterschiedlichen periodischen Signalen angesteuerten Druckregeleinheiten in unterschiedlichen Gaspfaden nach einem ersten Ausführungsbeispiel
- 8 Das Verhalten zweier mit unterschiedlichen periodischen Signalen angesteuerten Druckregeleinheiten in unterschiedlichen Gaspfaden nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
- 9 Das Verhalten zweier mit unterschiedlichen periodischen Signalen angesteuerten Druckregeleinheiten in unterschiedlichen Gaspfaden nach einem dritten Ausführungsbeispiel
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In 1 ist ein Beispielhaftes Gasversorgungssystem 10 dargestellt. Das beispielhafte Gasversorgungssystem 10 weist einen Gastank zwölf auf. Von diesem Gastank 12 wird das Gas zu einer Gasniederdruckleitung 14 geleitet. Bei dieser kann es sich beispielsweise um das Gasrail eines Verbrennungsmotors, der mit Erdgas betreibbar ist, handeln.
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Das Gasversorgungsystem weist eine Druckregeleinheit 16 auf, die dazu ausgebildet ist, den Druck des aus dem Gastank 12 stammenden Gases auf ein Niveau zu senken, welches zwischen dem Druck im Gastank 12 und dem Druck in der Niederdruckleitung 14 liegt.
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Nachdem der Gasmassenstrom die Druckregeleinheit 16 passiert hat, wird der vom Gastank 12 zur Niederdruckleitung 14 geleitete Gasmassenstrom auf einen ersten Gaspfad 18 und einen zweiten Gaspfad 20 aufgeteilt.
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Der erste Gaspfad 18 weist eine Heizeinrichtung 22 zur Beheizung des über den ersten Gaspfad 18 auf. Bei der Heizeinrichtung 22 kann es sich um einen Wärmetauscher handeln.
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Wie in dem Beispiel in 1 gezeigt kann das Gasversorgungssystem zur Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank 12 zur Niederdruckleitung 14 geleiteten Gasmassenstromes auf den ersten Gaspfad 18 und den zweiten Gaspfad 20 in wenigstens einem der Gaspfade eine Armatur 24 zur Steuerung des Durchflusses durch den jeweiligen Gaspfad aufweisen. Bei der Armatur 24 kann es sich, wie in 1 beispielhaft gezeigt, um eine Drosselklappe handeln. Die Armatur 24 kann wie in dem in 1 gezeigten Beispiel in dem zweiten Gaspfad 20 angeordnet sein.
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Das Gasversorgungssystem kann, wie beispielhaft in 1 gezeigt, eine Druckmesseinrichtung P und eine Temperaturmesseinrichtung T aufweisen. Diese können Istwerte für die Regelung des Drucks und der Temperatur des Gasmassenstromes, der zur Niederdruckleitung 14 geleitet wird, bereitstellen.
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Das Gasversorgungssystem 10 kann, wie in 2 Beispielhaft gezeigt, zur Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank 12 zur Niederdruckleitung 14 geleiteten Gasmassenstromes auf den ersten Gaspfad 18 und den zweiten Gaspfad 20 ein Wegeventil 28 zum temporären Absperren der Gaspfade 18 und 20 aufweisen. Bei dem Wegeventil kann es sich, wie beispielhaft dargestellt, um ein 3/2-Wegeventil handeln. Das Wegeventil 28 kann wie im gezeigten Beispiel dazu ausgebildet sein, zwischen den Gaspfaden 18 und 20 umzuschalten.
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Eine Alternative Anordnung ist in 3 gezeigt. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten beispielhaften Gasversorgungssystem 10 ist bei dem in 3 gezeigten beispielhaften Gasversorgungssystem 10 das Wegeventil 28 hinter den beiden Gaspfaden 18 und 20 angeordnet, mit anderen Worten dort, wo sich die beiden Gaspfade 18 und 20 wieder vereinigen und nicht am Ort der Aufteilung des Gasmassenstromes auf die Gaspfade 18 und 20. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Gas vor dem Erreichen des Wegeventils 28, zumindest soweit es durch den ersten Gaspfad 18 geleitet worden ist, die Heizeinrichtung 22 passiert. Die Vereisungsgefahr des Wegeventils 28 wird so gesenkt.
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4 Zeigte ein weiteres beispielhaftes Gasversorgungssystem 10. Wie in dem beispielhaften Gasversorgungssystem in 4 gezeigt, können Wegeventile 28 auch sowohl dort, wo sich die beiden Gaspfade 18 und 20 wieder vereinigen als auch am Ort der Aufteilung des Gasmassenstromes auf die Gaspfade 18 und 20 angeordnet sein. Auch können wie in 4 Beispielhaft gezeigt in beiden Gaspfaden 18 und 20 Druckregeleinrichtungen 30 und 32 angeordnet sein. Diese können insbesondere für eine Vorsteuerung der Drücke an den Eingängen des Wegeventils 28 an der Vereinigung der Gaspfade genutzt werden. Zu diesem Zweck können insbesondere Drucksensoren, insbesondere zwischen der jeweiligen Druckregeleinheit 30 und/oder 32 und dem Wegeventil 28 an der Vereinigung der Gaspfade und/oder hinter dem Wegeventil 28 an der Vereinigung der Gaspfade, vorgesehen sein.
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5 zeigt ein Gasversorgungssystem 10, dass dazu ausgebildet ist, zur Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank 12 zur Niederdruckleitung 14 geleiteten Gasmassenstromes auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad den Sollwert des Ausgangsdruck einer Druckregeleinheit 30, 32 zu steuern. Insbesondere bei einem derartigen Gasversorgungssystem 10 kann das Gasversorgungsystem eine Druckregeleinheit 16 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den Druck des aus dem Gastank 12 stammenden Gases auf ein Niveau zu senken, welches zwischen dem Druck im Gastank 12 und dem Druck in der Niederdruckleitung 14 liegt, wobei der erste Gaspfad 18 und der zweite Gaspfad 20 jeweils eine Druckregeleinheit 30, 32 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den Druck des Gases auf das Druckniveau in der Niederdruckleitung 12 zu senken. Wie im gezeigten Beispiel erfolgt die Beeinflussung der Aufteilung des vom Gastank zur Niederdruckleitung geleiteten Gasmassenstromes auf den ersten Gaspfad und den zweiten Gaspfad insbesondere dadurch, dass die Sollwerte der Ausgangsdrücke beiden Druckregeleinheiten 30 und 32 mit unterschiedlichen periodischen Signalen angesteuert werden.
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Die Wirkung der Ansteuerung der beispielhaft dargestellten Druckregeleinheit 30 ist schematisch in 6 mittels eines Signals 40 dargestellt. Das Signal 40 kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal sein, so dass sich für den Sollwert 34 des Ausgangsdrucks der mit diesem Signal 40 angesteuerten Druckregeleinheit 30 beispielhaft dargestellte Verlauf 34 ergibt. Ebenfalls dargestellt ist ein beispielhafter resultierender Verlauf des Istwerts 36. Dieser folgt nicht exakt dem Sollwert, da in Abhängigkeit von dem Gasbedarf des Verbrennungsmotors der Druck in der Niederdruckleitung 14 und damit auf der Ausgangsseite der Druckregeleinheit 30 nur mit entsprechender Geschwindigkeit sinken kann. Ebenfalls dargestellt ist er sich ergebende durchschnittliche Ausgangsdruck 38.
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Werden die Druckregeleinheiten 30 und 32 nun, wie in 7 dargestellt, mit zeitversetzten Signalen 40 und 44 angesteuert, so ergibt sich der in 7 dargestellte Druckverlauf 36 aufgrund der Überlagerung Verläufe der Sollwerte 34 und 42 der Druckregeleinheiten 30 und 32. Wie am Verlauf der Kurven zu erkennen ist, führt das voreilende Signal 40 zu einem größeren Durchfluss durch die Druckregeleinheit 30 als das nacheilende Signal 44 durch die Druckregeleinheit 32. Dies liegt daran, dass der Druck durch den Gasverbrauch des Verbrennungsmotors vor dem Öffnen der Druckregeleinheit 30 in jeder Periode stärker absinkt als vor dem Öffnen der Druckregeleinheit 32, die Druckregeleinheit 30 somit zum Aufbau des gleichen Maximaldrucks mehr Gas durchlassen muss als die Druckregeleinheit 32.
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Wie in 8 rein schematisch dargestellt, kann auch ein Verschiebung der Werte der Signale 40 und 44 in Gestalt eines Offsets genutzt werden, um Druckregeleinheiten 30 und 32 entsprechend anzusteuern, oder, wie in 9 rein schematisch dargestellt, eine unterschiedliche Amplitude, in 9 beispielhaft realisiert über eine Pulsweitenmodulation. In den gezeigten Beispielen werden der Druckregeleinheit 30 periodisch höhere Sollwerte 34 vorgegeben als der Druckregeleinheit 32 (Verlauf des Sollwerts 42). In Folge muss die Druckregeleinheit 30 größere Durchflüsse in jeder Periode ermöglichen, um höhere Drücke zu erreichen, als die Druckregeleinheit 32. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Phasenversatz der periodischen Signale 180° beträgt.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasversorgungssystem
- 12
- Gastank
- 14
- Niederdruckleitung
- 16
- Druckregeleinheit
- 18
- Erster Gaspfad
- 20
- Zweiter Gaspfad
- 22
- Heizeinrichtung
- 24
- Armatur
- 26
- Druckregeleinheit
- 28
- Mehrwegeventil
- 30
- Druckregeleinheit (erster Gaspfad)
- 32
- Druckregeleinheit (zweiter Gaspfad)
- 34
- Sollwert - Ausgangsdruck (erster Gaspfad)
- 36
- Istwert - Ausgangsdruck
- 38
- Mittlerer Ausgangsdruck
- 40
- Signal (erster Gaspfad)
- 42
- Sollwert - Ausgangsdruck (zweiter Gaspfad)
- 44
- Signal (zweiter Gaspfad)
- P
- Druckmesseinrichtung
- T
- Temperaturmesseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018113240 A1 [0006]
