DE102020214434A1

DE102020214434A1 - Kraftstoffversorgungssystem und Verfahren zum Betrieb des Kraftstoffversorgungssystems mit einem aufgeteilten Gasstrom zur Erhöhung des Betriebsbereiches eines Gasdruckreglers

Info

Publication number: DE102020214434A1
Application number: DE102020214434.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Bippes; Michael Weißner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2022-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem zur Kraftstoffversorgung für eine mit einem verdichtetem Gas betriebene Energieumwandlungsmaschine (300), insbesondere eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Kraftstoffeinblasvorrichtung, mittels der das in einem Kraftstoffvorratsbehälter (100) bevorrate verdichtete Gas (Kgasf) mindestens einem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine (300) zugeführt wird.Es ist vorgesehen, dass ein stromab des Kraftstoffvorratsbehälters (100) angeordneter Hauptstrang (AB) in einen ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) und einen zweiten Abzweig-Leitungsstrang (B) aufgeteilt ist, in denen jeweils zumindest ein steuer- oder regelbares Absperrventil (A.1, B.1) angeordnet ist, wobei in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) stromab des steuer- oder regelbaren Absperrventils (A.1) ein Gasdruckregler (A.2) zur variablen Druckregelung angeordnet ist, wobei der erste Abzweig-Leitungsstrang (A) zur Versorgung des Brennraums mit dem gasförmigen Kraftstoff (Kgasf) indirekt oder direkt mit dem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine (300) verbunden ist, während der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) mit einem Ladeluft-Strang (C) eines Ladeluftsystems verbunden ist, sodass dem Brennraum indirekt oder direkt über einen gemeinsamen Strang (BC), der sich an die Verbindung des Abzweig-Leitungsstranges (B) und des Ladeluft-Stranges (C) anschließt, entweder ausschließlich Ladeluft (L) oder ein Gemisch (L/Kgasf) aus Ladeluft (L) und gasförmigen Kraftstoff (Kgasf) zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem zur Kraftstoffversorgung für eine mit einem verdichtetem Gas betriebene Energieumwandlungsmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Kraftstoffeinblasvorrichtung, mittels der das in einem Kraftstoffvorratsbehälter bevorrate verdichtete Gas mindestens einem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine zugeführt wird.
Aus der Druckschrift DE 10 2014 219 800 A1 ist eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verflüssigtem oder verdichteten Gas betriebenes Fahrzeug bekannt. Eine Brennkraftmaschine des Fahrzeuges weist einen Ansaugtrakt auf, mittels dessen Verbrennungsluft aus der Umgebung des Fahrzeugs angesaugt wird. Ferner weist die Brennkraftmaschine eine Aufbereitungseinrichtung zur Aufbereitung des Gases vor einer Kraftstoffeinblasvorrichtung auf. Zudem ist eine Wärmetauscheinrichtung angeordnet, die zum Austausch von Wärmeenergie zwischen der Aufbereitungseinrichtung und der angesaugten Verbrennungsluft dient. Die Kraftstoffeinblasvorrichtung arbeitet typischerweise mit einem Kraftstoffdruck von etwa 5-20 bar. Dieser Druck herrscht auch in der Zuleitung. Demgegenüber wird das verdichtete Erdgas in als Druckbehälter ausgebildeten Kraftstoffvorratsbehältern unter einem Druck von etwa 200 (20 MPa) bis 250 bar (25 MPa) vorgehalten. Dieser Druck herrscht auch in der Zuleitung, die von dem Kraftstoffvorratsbehälter zu einer Druckminderungseinrichtung führt, die zu der Aufbereitungseinrichtung gehört. Die Druckminderungseinrichtung reduziert den Kraftstoffdruck des Erdgases im Kraftstoffvorratsbehälter auf den Kraftstoffdruck, welcher für die Kraftstoffeinblasvorrichtung vorgesehen ist beziehungsweise benötigt wird. Zur Reduzierung des Druckes wird der Kraftstoff somit in der Druckminderungseinrichtung expandiert. Dabei kühlt er sich erheblich ab. In der Druckminderungseinrichtung fällt somit im Betrieb Kälte an, die über Bauelemente der Druckminderungseinrichtung abgeführt wird. Dabei besteht die Gefahr, dass diese Bauelemente vereisen und ausfallen. Um dies zu verhindern, ist gemäß der Lösung in der Druckschrift DE 10 2014 219 800 A1 eine Wärmetauscheinrichtung vorgesehen, in der an der Druckminderungseinrichtung anfallende Kälteenergie an die Verbrennungsluft im Ansaugtrakt abgegeben wird.
Die Druckschrift DE 10 2018 118 755 A1 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer monovalenten Kraftstoffversorgung für ein mit verflüssigtem oder verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug, zu der eine zumindest teilweise in einem Motorraum angeordnete Kraftstoffversorgungseinrichtung und Kraftstoffeinblasvorrichtung gehört, mittels denen das Gas zum Zeitpunkt eines Betriebsbeginns mindestens einem Brennraum einer Brennkraftmaschine des Fahrzeuges zugeführt wird. Diese Druckschrift DE 10 2018 118 755 A1 beschreibt ebenfalls das Problem, dass sich das verdichtete Gas einer Reduzierung des Druckes im Betrieb der Kraftstoffzufuhreinrichtung im Gasdruckregler entspannt sehr stark abkühlt. Das heißt, im Gasdruckregler fällt somit im Betrieb soviel Kälte an, dass der Gasdruckregler oder andere Komponenten, wie beispielsweise die bei einer Direkteinspritzung nachfolgend angeordneten Injektoren in Abhängigkeit der herrschenden Außentemperatur vereisen können. In dieser Druckschrift wird auf das Problem reagiert, indem in einem Motorraum, in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist, mindestens eine Abgaszuführungseinrichtung einer Zuheizvorrichtung zugeordnet ist, oder im Motorraum die Zuheizvorrichtung und die Abgaszuführungseinrichtung angeordnet sind, wobei die Abgaszuführungseinrichtung im Betrieb mittels des in den Motorraum strömenden Abgasstromes der Zuheizvorrichtung für eine Erwärmung mindestens einer zu der Kraftstoffversorgungseinrichtung und/oder zu der Kraftstoffeinblasvorrichtung gehörenden Komponente (Gasdruckregler und/oder Injektor) sorgt.
Ergänzend wird noch auf die Druckschrift US 2015/0 165 971 A1 verwiesen, in der das bekannte Problem ebenfalls erläutert wird, nämlich dass komprimiertes Erdgas, insbesondere CNG bei einem Motorkaltstart problematisch ist, wenn es im Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere in den Erdgas zuführenden Komponenten der Brennkraftmaschine unterhalb der Gefriertemperatur kommt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum sicheren Betrieb, insbesondere einer Kaltabfahrt eines Fahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, die mit verdichteten Gas betrieben wird, wobei unter einer Verbrennungskraftmaschine eine Energieumwandlungsmaschine, insbesondere ein Hubkolbenmotor und/oder eine (Hochtemperatur)-Brennstoffzelle verstanden wird, der/die mit einem verdichteten gasförmigen Kraftstoff versorgt und betrieben wird/werden.
Im Fahrzeug wird ein Druckbehälter als Kraftstoffvorratsbehälter in dem Erdgas oder Wasserstoff in einem zuvor verdichteten gegebenenfalls zuvor verdichteten und verflüssigten Zustand vorgehalten.
Eine mit Gas betriebene Energieumwandlungsmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Kraftstoffeinblasvorrichtung, mittels der das in einem Kraftstoffvorratsbehälter bevorrate verdichtete Gas mindestens einem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine zugeführt wird, bildet den Ausgangspunkt der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein stromab des Kraftstoffvorratsbehälters angeordneter Hauptstrang in einen ersten Abzweig-Leitungsstrang und einen zweiten Abzweig-Leitungsstrang aufgeteilt ist, in denen jeweils zumindest ein steuer- oder regelbares Absperrventil angeordnet ist, wobei in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang stromab des steuer- oder regelbaren Absperrventils ein Gasdruckregler zur variablen Druckregelung angeordnet ist, wobei der erste Abzweig-Leitungsstrang zur Versorgung des Brennraums mit dem gasförmigen Kraftstoff indirekt oder direkt (je nach Art der Gemischbildung) mit dem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist der zweite Abzweig-Leitungsstrang indirekt oder direkt mit einem Ladeluft-Strang eines Ladeluftsystems verbunden, sodass dem Brennraum indirekt oder direkt (je nach Art der Gemischbildung) über einen gemeinsamen Strang, der sich an die Verbindung des zweiten Abzweig-Leitungsstranges und des Ladeluft-Stranges anschließt, entweder ausschließlich Ladeluft oder ein Gemisch aus Ladeluft und gasförmigen Kraftstoffs zuführbar ist.
Vorgesehen ist bevorzugt, dass in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang zur Ermittlung des durch den Gasdruckregler reduzierten Druckes stromab des Gasdruckreglers ein Drucksensor angeordnet ist, der den variablen Druck einer Druckmessstelle im ersten Abzweig-Leitungsstrang als Istwert erfasst und an ein Steuergerät weitergeleitet, sodass der Druck stromab des Gasdruckreglers in Abhängigkeit eines Sollwertes gesteuert oder geregelt wird.
Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang zur Ermittlung der Temperatur des Gasdruckreglers ein Temperatursensor nahe oder am Gasdruckregler angeordnet ist, der die Temperatur des Gasdruckregler erfasst, wobei die Temperatur an der Temperaturmessstelle an das Steuergerät übermittelt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiter vorgesehen, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang das steuer- oder regelbare Absperrventil und eine Blende aufweist, wobei die Blende stromab des steuer- oder regelbaren Absperrventils angeordnet ist, wobei die Funktion der Blende in der Beschreibung näher erläutert ist.
In dem zweiten Abzweig-Leitungsstrang ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung zur Ermittlung des durch das steuer- oder regelbare Absperrventil oder das steuer- oder regelbare Absperrventil und die Blende reduzierten Druckes in dem zweiten Abzweig-Leitungsstrang ein Drucksensor angeordnet, der den Druck einer Druckmessstelle im zweiten Abzweig-Leitungsstrang erfasst, wobei der Druck an das Steuergerät weitergeleitet wird.
Bevorzugt ist insbesondere ein Kraftstoffversorgungssystem welches im Bereich des Ladeluftsystems eine vor der Verbindung des Abzweig-Leitungsstranges und des Ladeluft-Stranges oder vor dem Pufferbehälter angeordnete Ladedruckerhöhungsanlage aufweist, mittels dem die Ladeluft, das heißt die aufgeladene Verbrennungsluft im Ladeluft-Strang hochaufgeladen wird.
Als struktureller Aufbau des Kraftstoffversorgungssystems ist vorgesehen, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang mit seinem offenen Ende direkt in den Ladeluft-Strang des Ladeluftsystems oder indirekt in einen Pufferbehälter einmündet, wobei der gemeinsame zum Brennraum führende Strang hinter der Verbindung des zweiten Abzweig-Leitungsstranges und des Ladeluft-Stranges oder vom Pufferbehälter abgeht, in den der Ladeluft-Strang des Ladeluftsystems und der zweite Abzweig-Leitungsstrang einmünden.
Zur ladeluftseitigen Steuerung oder Regelung des Ladeluftparameters weist das Kraftstoffversorgungssystem in dem Ladeluft-Strang einen Ladeluftmengenmesser auf, der die Ladeluftmenge einer Ladeluftmessstelle im Ladeluft-Strang erfasst, wobei die Ladeluftmenge an das Steuergerät weitergeleitet wird.
Weiter ist zur ladeluftseitigen Steuerung oder Regelung des Ladeluftparameter des Kraftstoffversorgungssystems in dem Ladeluft-Strang ein Drucksensor angeordnet, der den Druck einer Druckmessstelle im Ladeluft-Strang erfasst, wobei der Druck an das Steuergerät weitergeleitet wird.
Zudem ist vorgesehen, dass zur ladeluftseitigen Steuerung oder Regelung des Ladeluftparameters des Kraftstoffversorgungssystems in dem Ladeluft-Strang ein Temperatursensor angeordnet ist, der die Temperatur einer Druckmessstelle im Ladeluft-Strang erfasst, wobei die Temperatur an das Steuergerät weitergeleitet wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Zwischenschaltung eines Pufferbehälters die im Ladeluft-Strang angeordneten Sensoren (Ladeluftmengenmesser und/oder Drucksensor und/oder Temperatursensor) auch im vom Pufferbehälter abgehenden Strang-Ladeluft beziehungsweise Strang-Ladeluft/Kraftstoff-Gemisch nochmals angeordnet werden können, sodass die Parameter der Ladeluft oder des Ladeluft/Kraftstoff-Gemischs nach Zuströmen von gasförmigen Kraftstoff in den Pufferbehälter vor Eintritt in den Brennraum der Brennkraftmaschine erneut erfasst und in die Steuerung oder Regelung einbezogen werden können.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass unter Berücksichtigung des strukturellen Aufbaus des Kraftstoffversorgungssystems entweder

a) der zum Betrieb der Energieumwandlungsmaschine vorgesehene gesamte Gasstrom des gasförmigen Kraftstoffs nach der Druckreduzierung durch den im ersten Abzweig-Leitungsstrang angeordneten Gasdruckregler indirekt oder direkt dem Brennraum zugeführt wird, während der zweite Abzweig-Leitungsstranges geschlossen und über den Ladeluft-Strang und den gemeinsamen Strang ausschließlich Ladeluft aus dem Ladeluftsystem indirekt oder direkt zum Brennraum geführt wird,

b) ein Teilgasstrom des zum Betrieb der Energieumwandlungsmaschine vorgesehenen gesamten Gasstroms des gasförmigen Kraftstoffs nach der Druckreduzierung durch den im ersten Abzweig-Leitungsstrang angeordneten Gasdruckregler indirekt oder direkt dem Brennraum zugeführt wird, während der zweite Abzweig-Leitungsstrang zumindest zeitweise geöffnet und dem Ladeluft-Strang des Ladeluftsystems gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, wodurch dem Brennraum indirekt oder direkt der andere Teilgasstrom des zum Betrieb der Energieumwandlungsmaschine vorgesehenen gesamten Gasstroms des gasförmigen Kraftstoffs als ein Gemisch aus Ladeluft und gasförmigen Kraftstoffs zugeführt wird.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang in Abhängigkeit vorgebbarer Eingangsgrößen aktiv geschaltet wird, wobei das Aktivschalten insbesondere dann erfolgt, wenn eine vorgebbare Grenztemperatur des Gasdruckreglers unterschritten wird.
Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang B in Abhängigkeit weiterer vorgebbarer Eingangsgrößen aktiv geschaltet wird, wobei das Aktivschalten erfolgt, wenn ein Kaltstart durchgeführt wird, und/oder wenn die Umgebungstemperatur kleiner 0°C beträgt, und/oder wenn die Temperatur im Motorraum nahe des Gasdruckreglers eine bestimmte Grenztemperatur, insbesondere kleiner 0°C unterschreitet, und/oder wenn die Temperatur der Ladeluft eine bestimmte Grenztemperatur übersteigt, und/oder wenn der Speicherdruck am Austritt aus dem Kraftstoffvorratsbehälter einen bestimmten Grenzdruck überschreitet und/oder wenn als Motorbetriebszustand ein Voll-Last-Betriebszustand festgestellt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:

1 ein Blockschaltbild mit den Komponenten eines Kraftstoffsystems zur Kraftstoffversorgung einer Energiewandlungsmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine.

Die erfindungsgemäße Lösung (vergleiche 1) basiert auf der Erkenntnis, dass insbesondere bei einer Kaltabfahrt eines Fahrzeuges, insbesondere einer Kaltabfahrt unter einer hohen Last der Brennkraftmaschine des Fahrzeuges (Hochlast-Kaltabfahrt), die Situation vorliegt, dass die bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen erzeugte und der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluft L ein zu hohes Temperaturniveau und die der Brennkraftmaschine den gasförmigen Kraftstoff K_gasf zuführenden Komponenten ein zu niedriges Temperaturniveau zum regelgerechten Betrieb der Energiewandlungsmaschine, insbesondere der Brennkraftmaschine, insbesondere einem Hubkolbenmotor und/oder einer (Hochtemperatur)-Brennstoffzelle, aufweisen können.
Diese Situation führt einerseits ladeluftseitig zu einer verminderten Füllung, die wiederum zu einer reduzierten Leistung, erhöhtem Verbrauch und negativem Einfluss auf Emissionen.
Die Situation führt andererseits gasseitig zu einem Einfrieren des Gasdruckreglers A.2 oder angrenzender Komponenten, beispielsweise insbesondere zu einem Bruch, der Leitung eines Stranges A (vergleiche 1) in dem der Gasdruckregler A.2 angeordnet ist, die beispielsweise als Gasdruckschlauch ausgebildet ist, wie nachfolgend detailliert erläutert wird.
Die Erfindung führt zu einer Verbesserung beziehungsweise zu einer Behebung der genannten Nachteile, wobei der Grundgedanke darin besteht, dass der Kraftstoffpfad des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf - unter bestimmten Bedingungen - aufgeteilt wird.
1 zeigt einen Kraftstoffvorratsbehälter 100 in dem der verdichtete gasförmige Kraftstoff oder der verdichtete verflüssigte Kraftstoff bevorratet ist.
Der Speicherdruck des getankten komprimierten gasförmigen Kraftstoffs K_gasf im Kraftstoffvorratsbehälter 100 wird beispielsweise von 20 MPa von einem Hochdruckregler, der nachfolgend als Gasruckregler A.1 bezeichnet wird, auf beispielsweise 0,7 MPa verringert.
Der gasförmige Kraftstoff K_gasf strömt über einen Haupt-Leitungsstrang AB, in dem beispielsweise ein Drucksensor AB.1 mit einer Druckmessstelle PT (PT = Druckübertragung zum Steuergerät) zur Ermittlung des Speicherdruckes P am Austritt aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 angeordnet ist, in das sich anschließende Kraftstoffversorgungssystem.
Das Kraftstoffversorgungssystem weist einen ersten Kraftstoffpfad auf, der durch einen ersten Abzweig-Leitungsstrang A gebildet wird.
Das Kraftstoffversorgungssystem weist einen zweiten Kraftstoffpfad aus, der durch einen zweiten Abzweig-Leitungsstrang B gebildet wird.
Der zweite Abzweig-Leitungsstrang B zweigt nach einem Absperrventil AB.2 in den Haupt-Leitungsstrang AB vor einem Absperrventil A.1 des ersten Abzweig-Leitungsstranges A ab und führt in einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante zu einem als Mischkammer ausgebildeten Pufferbehälter 250.
Der zweite Abzweig-Leitungsstrang B dient den erfindungsgemäßen zwei Effekten. Ein erster Effekt besteht darin, dass die Ladeluft L einer Ladedruckerhöhungsanlage 200 abgekühlt wird, während ein zweiter Effekt darin besteht, dass ein Teil des Volumenstroms des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf abgezweigt wird, um den Gasdruckregler A.2 zu entlasten, der durch den durch ihn geringeren hindurchströmenden Volumenstrom vor dem Einfrieren geschützt ist, wie noch erläutert wird.
Es ist in einer Ausgestaltungsvariante vorgesehen, dass der erste Abzweig-Leitungsstrang A ein getaktetes Absperrventil A.1 und der zweite Abzweig-Leitungsstrang B ebenfalls ein getaktetes Absperrventil B.1 ausweist, sodass in jedem Takt ein bestimmter Volumenstrom unter Kenntnis des Druckes PT (PT = Druckübertragung zum Steuergerät) des Drucksensors AB.1 in den jeweiligen Strang A oder B einströmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es möglich, im Abzweig-Leitungsstrang B auf das getaktete Absperrventil B.1 zu verzichten und ausschließlich eine Blende B.2 anzuordnen, über die stets ein vorgebbarer Mindestvolumenstrom des abgezweigten gasförmigen Kraftstoffs K_gasf zum Pufferbehälter 250 strömt.
In einer anderen Ausgestaltung ist es ebenfalls möglich, nur das getaktete Absperrventil B.1 anzuordnen, sodass bei einer Offenstellung des getakteten Absperrventils B.1 eine Druckentspannung des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf in dem zweiten Abzweig-Leitungsstrang B aus das Druckniveau im Pufferbehälter 250 stattfindet.
In der gezeigten bevorzugten Ausgestaltung ist sowohl das getaktete Absperrventil B.1 als auch die Blende B.2 angeordnet, sodass pro Zeiteinheit des jeweiligen Taktes des Absperrventils B.1 ein bestimmter Volumenstrom des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf in den zweiten Abzweig-Leitungsstrang B strömt, der über die Blende B.2 entspannt wird, bevor der gasförmige Kraftstoff K_gasf in den Pufferbehälter 250 strömt.
Im zweiten Abzweig-Leitungsstrang B wird optional ein Drucksensor B.3 angeordnet, mittels dem der Druck PT (PT = Druckübertragung zum Steuergerät) im zweiten Abzweig-Leitungsstrang B überwacht werden kann.
Ferner ist optional vorgesehen, dass im zweiten Abzweig-Leitungsstrang B hinter der Blende B.2 beziehungsweise dem getakteten Absperrventil B.1 eine Rückschlagarmatur B.4 vor dem Pufferbehälter 250 angeordnet ist, um einen druckseitigen Rückschlag von Ladeluft L in Richtung des Kraftstoffvorratsbehälters 100 zu vermeiden.
Der Abzweig-Leitungsstrang B ist endseitig offen mit dem Pufferbehälter 250 verbunden, der durch die Zuführung von gasförmigen Kraftstoff K_gasf als Mischbehälter fungiert, da dem Pufferbehälter 250 neben dem gasförmigen Kraftstoff K_gasf - wie erläutert - auch Ladeluft L zugeführt wird.
Der Pufferbehälter 250 ist nämlich eingangsseitig mit einem Ladeluft-Strang C verbunden, über den von der Ladedruckerhöhungsanlage 200 verdichtete Ladeluft L zugeführt wird.
Bei aufgeladenen Motoren wird die Ladeluft L durch den Verdichtungsvorgang in der Ladedruckerhöhungsanlage 200 (zum Beispiel Abgasturbolader, Kompressor, E-Lader) vor dem Eintritt in den Brennraum im Druck- und Temperaturniveau angehoben. Das Druckniveau und insbesondere das Temperaturniveau werden durch den eintretenden gasförmigen kühleren Kraftstoff K_gasf in vorteilhafter Weise abgesenkt.
Das heißt, die dem gasförmigen Kraftstoff K_gasf innenwohnende Wärme des über den zweiten Abzweig-Leitungsstrang B abgezweigten Volumenstroms des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf wird vor dem Eintritt der Ladeluft L in den Brennraum der Energieumwandlungsmaschine 300 auf die Ladeluft L übertragen.
Mit anderen Worten, die Ladeluft L wird in vorteilhafter Weise abgekühlt. Die Abkühlung der Ladeluft L führt, wie oben bereits erläutert, zu Vorteilen im motorischen Betrieb der Brennkraftmaschine. Analog zu einer Ladeluftkühlung durch einen Ladeluftkühler verbessert kalte Luft dadurch, dass kalte Ladeluft mehr Sauerstoffmoleküle enthält, den Verbrennungsprozess. Der höhere Sauerstoffanteil verbessert die Motorleistung und mindert den Kraftstoffverbrauch sowie die Schadstoffemissionen der Energieumwandlungsmaschine 300, insbesondere der Brennkraftmaschine.
Zwischen Ladedruckerhöhungsanlage 200 und Pufferbehälter 250 ist im Ladeluft-Strang C bevorzugt ein Ladeluftmengenmesser C.1 mit Übertragung T der Ladeluftmenge F (FT = Ladeluftmengenübertragung zum Steuergerät) angeordnet.
Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass im Ladeluft-Strang C zwischen Ladedruckerhöhungsanlage 200 und Pufferbehälter 250 ein weiterer Drucksensor C.2 zur Ermittlung des Druckes P im Ladeluft-Strang C (PT = Druckübertragung zum Steuergerät) angeordnet ist.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass im Ladeluft-Strang C zwischen Ladedruckerhöhungsanlage 200 und Pufferbehälter 250 ein Temperatursensor C.3 angeordnet ist, der die Temperatur T der Ladeluft L (vor ihrer Abkühlung) im Ladeluft-Strang C mit Übertagung T der Temperatur T (TT Temperaturübertragung zum Steuergerät) erfasst.
Die durch den Verdichtungsvorgang in der Ladedruckerhöhungsanlage 200 erzeugte Ladeluft L wird im Pufferbehälter 250 zur Versorgung der Energieumwandlungsmaschine 300, insbesondere der Brennkraftmaschine vorgehalten, wobei unter bestimmten Voraussetzungen, die noch erläutert werden, eine bestimmte Menge gasförmigen Kraftstoffs K_gasf in den Pufferbehälter 250 einströmt.
Über einen hinter dem Pufferbehälter 250 angeordneten Strang BC, wird somit entweder reine Ladeluft L oder ein Gemisch aus Ladeluft L und gasförmigen Kraftstoff K_gasf zur Energieumwandlungsmaschine 300 geleitet.
Zum Kraftstoffversorgungssystem gehört zudem der bereits erwähnte Abzweig-Leitungsstrang A in dem das getaktete Absperrventil A.1 und der Gasdruckregler A.2 mit einer Drucküberwachung PC (PC = Drucküberwachung zum Steuergerät) angeordnet sind, wobei das Kraftstoffversorgungssystem, insbesondere der Gasdruckreglers A.2 und der erste Abzweig-Leitungsstrang A vor dem Einfrieren geschützt werden sollen.
Im Abzweig-Leitungsstrang A ist zudem ein Drucksensor A.3 mit einer Druckmessstelle PT (PT = Druckübertragung zum Steuergerät) zur Ermittlung des durch den Gasdruckregler A.2 reduzierten Druckes in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang A angeordnet.
Anhand dieses Druckwertes PT kann über das nicht gezeigte Steuergerät eine Steuerstrecke oder eine Regelstrecke zur Veränderung des variabel einstellbaren reduzierten Druckes stromab des Gasdruckreglers A.2 realisiert werden. Der benötigte Druck hinter dem Gasdruckregler A.2 in dem Abzweig-Leitungsstrang A hängt dabei von der/den gewünschten vorgebbaren Druckanforderung/en zum Betrieb der Energieumwandlungsmaschine 300, insbesondere der Brennkraftmaschine ab.
Um die Unterschreitung einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz des Gasdruckreglers A.2 zu verhindern, wird dem Gasdruckregler A.2 ein Temperatursensor A2.1 mit einer Temperaturmessstelle TT (TT = Temperaturübertragung zum Steuergerät) zugeordnet.
Über den Temperatursensor A2.1 beziehungsweise durch die Erfassung der Temperatur T an der Temperaturmessstelle TT wird festgestellt, wann der Gasdruckregler A.2 hinsichtlich einer Vereisung in Gefahr ist, sodass darauf regiert werden kann, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Dabei wird davon ausgegangen, dass durch die Verhinderung der Vereisung des Gasdruckreglers A.2 auch der erste Abzweig-Leitungsstrang A stromab des Gasdruckreglers A.2 vor dem Einfrieren geschützt ist.
Über den Abzweig-Leitungsstrang A wird verfahrensgemäß die Hauptmenge des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf zur Energieumwandlungsmaschine 300, insbesondere zur der/den Brennkammer/n der Brennkraftmaschine geleitet.
Erfindungsgemäß ist eine Betriebsstrategie, das heißt ein Verfahren zum Betrieb des Kraftstoffversorgungssystems vorgesehen, das auf Grundlage bestimmter Voraussetzungen, die nachfolgend als Eingangsgrößen bezeichnet und abgehandelt werden, gesteuert oder geregelt wird.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, stets eine bestimmte Kraftstoffmenge gasförmigen Kraftstoffs K_gasf über den zweiten Abzweig-Leitungsstrang B abzusteuern, wobei durch die Aufteilung des Gasstroms über die beiden Abzweig-Leitungsstränge A und B ein Vorteil dahingehend entsteht, dass am Gasdruckregler A.2, stets weniger thermische Last anliegt, sodass die Gefahr des Vereisens reduziert wird, wobei zugleich durch diejenige Kraftstoffmenge des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf, die über den zweiten Abzweig-Leitungsstrang B geleitet abgesteuert wird, die Ladeluft abgekühlt wird, die somit weniger Kühlung bedarf.
Das Risiko eines Liegenbleibens eines Kraftfahrzeuges, welches mit diesem Kraftstoffversorgungssystem ausgerüstet ist, durch Vereisen des Gasdruckreglers A.2, wird vermindert und der Betriebsbereich des Gasdruckreglers A.2 und der Ladedruckerhöhungsanlage 200 und damit des Kraftfahrzeuges an sich, wird erweitert.
Die regelrechten Betriebsbereiche der Komponenten A.2 Gasdruckregler A.2 und Ladedruckerhöhungsanlage 200 können in vorteilhafter Weise ausgedehnt und abgasseitig können negative Auswirkungen auf Schadstoffemissionen vermindert werden.
Vorgesehen ist beispielsweise in Abhängigkeit der Motorraumtemperatur T_M (vergleiche Motorraum-Temperatursensor F1 mit Übertragung T der Temperatur T an der zugehörigen Temperaturmessstelle (TT = Temperaturübertragung zum Steuergerät) und/oder der Temperatur des Gasdruckreglers A.2, ermittelt über den Temperatursensor A2.1 mit Übertragung T der Gasruckreglertemperatur T der zugehörigen Temperaturmessstelle (TT = Temperaturübertragung zum Steuergerät)), den Gasstrom des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf in einen Gasstrom K_gasf-A im ersten Abzweig-Leitungsstrang A und K_gasf-B im zweiten Abzweig-Leitungsstrang B aufzuteilen, sodass eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz gemessen am Temperatursensor A2.1 Gasdruckregler A.2 nicht unterschritten wird.
Vorgesehen ist ferner, dass beispielsweise eine Lastbeschränkung beim Betrieb der Brennkraftmaschine in einem bestimmten Motorbetriebszustand, insbesondere einem Kaltabfahrtsbetriebszustand durch die Einschränkung des Fahrerwunsches abgesichert wird, der dann von der Brennkraftmaschine nur eine bestimmte maximale Leistung abfordern kann. Es ist vorgesehen, dass dem Fahrer diese einschränkende Maßnahme, bevorzugt mit einem zeitlichen Vorlauf, in einer Instrumententafel kenntlich gemacht wird.
Es sei noch erwähnt, dass der erste Abzweig-Leitungsstrang A und/oder der zweite Abzweig-Leitungsstrang B mit einem Pulsationsdämpfer (nicht dargestellt) ausgerüstet werden können, um Druckpulsationen im Kraftstoffversorgungssystem beziehungsweise in den Strängen A und/oder B zu verringern beziehungsweise zu vermeiden.
Zudem wird noch darauf hingewiesen, dass anstelle der kostengünstigeren getakteten Absperrventile A.1 und B.1 in den Strängen A und/oder B auch Regelventile eingesetzt werden können, wodurch Regelstrecken zur Bemessung des aufgeteilten Gasstroms K_gasf-A; K_gasf-B in einem oder beiden Abzweig-Leitungssträngen A und B, bevorzugt in Abhängigkeit der oben genannten Eingangsgrößen realisiert werden können.
Es versteht sich, dass die jeweilige Menge des gasförmigen Kraftstoffs K_gasf in dem Abzweig-Leitungsstrang A und dem Strang-Ladeluft BC oder in dem Strang-Ladeluft/Kraftstoff-Gemisch BC ermittelt wird, sodass der jeweiligen Energieumwandlungsmaschine 300, insbesondere der Brennkraftmaschine, die mit einer zu dem Kraftstoffversorgungssystem gehörenden Kraftstoffeinblasvorrichtung (nicht dargestellt) ausgerüstet ist, lastabhängig die erforderliche Kraftstoffmenge zugeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung ist unabhängig von der Art der Gemischbildung (innere oder äußere Gemischbildung), die bei der jeweiligen Energieumwandlungsmaschine 300 zum Einsatz kommt, das heißt unabhängig von der Gemischbildung innerhalb oder außerhalb der Zylinder oder seiner gegebenenfalls angeordneten Vorkammern zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit gasförmigen Kraftstoff K_gasf beziehungsweise der Ladeluft L.
Aus diesem Grund wird auf diesen Aspekt nicht weiter eingegangen, weshalb die Energieumwandlungsmaschine 300 in der 1 nur als allgemeiner Block dargestellt ist, wobei dem Block beziehungsweise der Energieumwandlungsmaschine 300 mindestens ein Abgasstrang D für das Abgas R (Reaktionsprodukte nach der Verbrennung im Wesentlichen Wasser und Kohlenstoffdioxid) und mindestens ein Zuführungsstrang A (erster Abzweig-Leitungsstrang A für den gasförmigen Kraftstoff K_gasf) und mindestens ein Zuführungs-Strang BC (Strang-Ladeluft L für die Ladeluft oder Strang-Ladeluft/Kraftstoff-Gemisch für das Gemisch L/K_gasf)) zugeordnet sind.
Bezugszeichenliste

100: Kraftstoffvorratsbehälter
200: Ladedruckerhöhungsanlage
250: Pufferbehälter
300: Energieumwandlungsmaschine
AB: Haupt-Strang
AB.1: Drucksensor PT
AB.2: Absperrventil getaktet oder als Absperr-Regelventil
A: erster Abzweig-Strang
A.1: Absperrventil getaktet oder Absperr-Regelventil
A.2: Gasdruckregler mit Drucküberwachung PC
A.21: Temperatursensor TT
TGrenz: Grenztemperatur von A.2
A.3: Drucksensor PT
B: zweiter Abzweig-Strang
B.1: Absperrventil (getaktet)
B.2: Blende/Drossel
B.3: Drucksensor PT
B4: Rückschlagarmatur
C: Strang-Ladeluft
C.1: Ladeluftmengenmesser FT
C.2: Drucksensor PT
C.3: Temperatursensor TT
BC: Strang-Ladeluft oder Strang-Ladeluft/Kraftstoff-Gemisch
D: Strang-Abgas
E.1: Umgebungs-Temperatursensor TT
TU: Umgebungs-Temperatur
F.1: Motorraum-Temperatursensor TT
TM: Motorraum-Temperatur
Kgasf: gasförmiger Kraftstoff
Kgasf-A: Gasstrom im Abzweig-Leitungsstrang A
Kgasf-B: Gasstrom im Abzweig-Leitungsstrang B
R: Abgas
L: Ladeluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219800 A1 [0002]
DE 102018118755 A1 [0003]
US 2015/0165971 A1 [0004]

Claims

Kraftstoffversorgungssystem zur Kraftstoffversorgung für eine mit einem verdichtetem Gas betriebene Energieumwandlungsmaschine (300), insbesondere eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Kraftstoffeinblasvorrichtung, mittels der das in einem Kraftstoffvorratsbehälter (100) bevorrate verdichtete Gas (K_gasf) mindestens einem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine (300) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass • ein stromab des Kraftstoffvorratsbehälters (100) angeordneter Hauptstrang (AB) in einen ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) und einen zweiten Abzweig-Leitungsstrang (B) aufgeteilt ist, in denen jeweils zumindest ein steuer- oder regelbares Absperrventil (A.1, B.1) angeordnet ist, wobei in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) stromab des steuer- oder regelbaren Absperrventils (A.1) ein Gasdruckregler (A.2) zur variablen Druckregelung angeordnet ist, • wobei der erste Abzweig-Leitungsstrang (A) zur Versorgung des Brennraums mit dem gasförmigen Kraftstoff (K_gasf) indirekt oder direkt mit dem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine (300) verbunden ist, • während der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) indirekt oder direkt mit einem Ladeluft-Strang (C) eines Ladeluftsystems verbunden ist, sodass dem Brennraum indirekt oder direkt über einen gemeinsamen Strang (BC), der sich an die Verbindung des zweiten Abzweig-Leitungsstranges (B) und des Ladeluft-Stranges (C) anschließt, entweder ausschließlich Ladeluft (L) oder ein Gemisch (L/K_gasf) aus Ladeluft (L) und gasförmigen Kraftstoffs (K_gasf) zuführbar ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) zur Ermittlung des durch den Gasdruckregler (A.2) reduzierten Druckes (P) stromab des Gasdruckreglers (A.2) ein Drucksensor (A.3) angeordnet ist, der den variablen Druck einer Druckmessstelle (PT) im ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) als Istwert erfasst und an ein Steuergerät weitergeleitet, sodass der Druck (PC) stromab des Gasdruckreglers (A.2) in Abhängigkeit eines Sollwertes gesteuert oder geregelt wird.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) zur Ermittlung der Temperatur des Gasdruckreglers (A.2) ein Temperatursensor (A.21) nahe oder am Gasdruckregler (A.2) angeordnet ist, der die Temperatur (T) des Gasdruckreglers (A.2) erfasst, wobei die Temperatur an der Temperaturmessstelle (TT) an das Steuergerät übermittelt wird.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) das steuer- oder regelbare Absperrventil (B.1) und eine Blende (B.2) aufweist, wobei die Blende (B.2) stromab des steuer- oder regelbaren Absperrventils (B.1) angeordnet ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Abzweig-Leitungsstrang (B) zur Ermittlung des durch das steuer- oder regelbare Absperrventil (B.1) oder das steuer- oder regelbare Absperrventil (B.1) und die Blende (B.2) reduzierten Druckes (P) in dem zweiten Abzweig-Leitungsstrang (B) ein Drucksensor (B.3) angeordnet ist, der den Druck (P) einer Druckmessstelle (PT) im zweiten Abzweig-Leitungsstrang (B) erfasst, wobei der Druck (P) an das Steuergerät weitergeleitet wird.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladeluftsystem eine vor der Verbindung des Abzweig-Leitungsstranges (B) und des Ladeluft-Stranges (C) oder vor dem Pufferbehälter (250) angeordnete Ladedruckerhöhungsanlage (200) aufweist, mittels dem die Ladeluft (L) im Ladeluft-Strang (C) hochaufgeladen wird.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) mit seinem offenen Ende direkt in den Ladeluft-Strang (C) des Ladeluftsystems oder indirekt in einen Pufferbehälter (250) einmündet, wobei der gemeinsame zum Brennraum führende Strang (BC) hinter der Verbindung des zweiten Abzweig-Leitungsstranges (B) und des Ladeluft-Stranges (C) oder vom Pufferbehälter (250) abgeht, in den der Ladeluft-Strang (C) des Ladeluftsystems und der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) einmünden.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ladeluft-Strang (C) • ein Ladeluftmengenmesser (C.1) angeordnet ist, der die Ladeluftmenge (F) einer Ladeluftmessstelle (FT) im Ladeluft-Strang (C) erfasst, wobei die Ladeluftmenge (F) an das Steuergerät weitergeleitet wird, und/oder • in dem Ladeluft-Strang (C) ein Drucksensor (C.2) angeordnet ist, der den Druck (P) einer Druckmessstelle (PT) im Ladeluft-Strang (C) erfasst, wobei der Druck (P) an das Steuergerät weitergeleitet wird, und/oder • ein Temperatursensor (C.3) angeordnet ist, der die Temperatur (T) einer Druckmessstelle (TT) im Ladeluft-Strang (C) erfasst, wobei die Temperatur (T) an das Steuergerät weitergeleitet wird.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffversorgungssystems zur Kraftstoffversorgung für eine mit einem verdichtetem Gas betriebene Energieumwandlungsmaschine (300), insbesondere eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Kraftstoffeinblasvorrichtung, mittels der das in einem Kraftstoffvorratsbehälter (100) bevorrate verdichtete Gas (K_gasf) mindestens einem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine (300) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass • ein stromab des Kraftstoffvorratsbehälters (100) angeordneter Hauptstrang (AB) strukturell und fluidseitig in einen ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) und einen zweiten Abzweig-Leitungsstrang (B) aufgeteilt wird, in denen jeweils zumindest ein steuer- oder regelbares Absperrventil (A.1, B.1) angeordnet wird, wobei in dem ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) stromab des steuer- oder regelbaren Absperrventils (A.1) ein Gasdruckregler (A.2) zur variablen Druckregelung angeordnet wird, • wobei der erste Abzweig-Leitungsstrang (A) zur Versorgung des Brennraums mit dem gasförmigen Kraftstoff (K_gasf) indirekt oder direkt mit dem Brennraum der Energieumwandlungsmaschine (300) und der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) mit einem Ladeluft-Strang (C) eines Ladeluftsystems verbunden werden, • wobei sich an die Verbindung des Abzweig-Leitungsstranges (B) und des Ladeluft-Stranges (C) ein gemeinsamer Strang (BC) anschließt, der ebenfalls indirekt oder direkt mit dem Brennraum verbunden wird, • wobei a) der zum Betrieb der Energieumwandlungsmaschine (300) vorgesehene gesamte Gasstrom des gasförmigen Kraftstoffs (K_gasf) nach der Druckreduzierung durch den im ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) angeordneten Gasdruckregler (A.2) indirekt oder direkt dem Brennraum zugeführt wird, während der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) geschlossen und über den Ladeluft-Strang (C) und den gemeinsamen Strang (BC) ausschließlich Ladeluft (L) aus dem Ladeluftsystem indirekt oder direkt zum Brennraum geführt wird, oder • wobei b) ein Teilgasstrom des zum Betrieb der Energieumwandlungsmaschine (300) vorgesehenen gesamten Gasstroms des gasförmigen Kraftstoffs (K_gasf) nach der Druckreduzierung durch den im ersten Abzweig-Leitungsstrang (A) angeordneten Gasdruckregler (A.2) indirekt oder direkt dem Brennraum zugeführt wird, während der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) zumindest zeitweise geöffnet und dem Ladeluft-Strang (C) des Ladeluftsystems gasförmiger Kraftstoffs (K_gasf) zugeführt wird, wodurch dem Brennraum indirekt oder direkt der andere Teilgasstrom des zum Betrieb der Energieumwandlungsmaschine (300) vorgesehenen gesamten Gasstroms des gasförmigen Kraftstoffs (K_gasf) als ein Gemisch (L/K_gasf) aus Ladeluft (L) und gasförmigen Kraftstoff (K_gasf) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) in Abhängigkeit vorgebbarer Eingangsgrößen aktiv geschaltet wird, wobei das Aktivschalten erfolgt, • wenn eine vorgebbare Grenztemperatur unterschritten wird, wobei als Grenztemperatur (T_Grenz) des Gasdruckreglers (A.2) kleiner 0°C vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abzweig-Leitungsstrang (B) in Abhängigkeit vorgebbarer Eingangsgrößen aktiv geschaltet wird, wobei das Aktivschalten erfolgt, • wenn ein Kaltstart durchgeführt wird, und/oder • wenn die Umgebungstemperatur (T_U) gemessen am Temperatursensor (E.1) kleiner 0°C beträgt, und/oder • wenn die Motorraumtemperatur (T_M) gemessen am Temperatursensor (F.1) im Motorraum nahe des Gasdruckreglers (A.2) eine bestimmte Grenztemperatur (T_Grenz), insbesondere kleiner 0°C unterschreitet, und/oder • wenn die Temperatur (T) der Ladeluft (L) gemessen am Temperatursensor (C.3) eine bestimmte Grenztemperatur übersteigt, und/oder • wenn der Speicherdruck (P) am Austritt des Kraftstoffvorratsbehälters (100) gemessen am Drucksensor (AB.1) einen bestimmten Grenzdruck überschreitet und/oder • wenn als Motorbetriebszustand ein Voll-Last-Betriebszustand festgestellt wird.