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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entleerung bis auf einen minimal zulässigen Behälterrestdruck von mindestens einem Gasdruckbehälter für eine mit Gas betreibbare Antriebseinheit, welche mindestens zwei Gasdruckbehälter aufweist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 5.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2008 020 803 A1 beschreibt ein Gastank-Entleerungssystem zur Entleerung von Gasdruckbehältern für ein gasbetriebenes Verbrennungsmotor-System, welches mehr als einen Gasdruckbehälter und eine Kraftstoffleitung aufweist.
Wenigstens einer der Gasdruckbehälter ist als ein antreibender Gasdruckbehälter zum Antreiben eines Unterdruckerzeugungsmittels ausgeführt, welches zum Rest-Entleeren des wenigstens einen anderen, zu entleerenden Gasdruckbehälters ausgeführt ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entleerung bis auf einen minimal zulässigen Behälterrestdruck von mindestens einem Gasdruckbehälter für eine mit Gas betreibbare Antriebseinheit bereitzustellen, welche eine Entleerung unabhängig von einer Leistungsanforderung der Antriebseinheit ermöglicht.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Entleerung bis auf einen minimal zulässigen Behälterrestdruck von mindestens einem Gasdruckbehälter für eine mit Gas betreibbare Antriebseinheit unabhängig von der Leistungsanforderung der Antriebseinheit ermöglicht.
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Die Vorrichtung umfasst hierfür eine Hochdruckerzeugungseinheit, mindestens einen ersten Pufferspeicher sowie mindestens einen zweiten Pufferspeicher.
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Ein erster Einlass für den Antrieb über eine Gasexpansion der Hochdruckerzeugungseinheit ist mit mindestens einem antreibenden Gasdruckbehälter zur Energieversorgung verbindbar, wobei hierfür das Druckniveau des antreibenden Gasdruckbehälters über dem Mindest-/Versorgungsdruck liegt.
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Ein zweiter Einlass für eine Gaskompression der Hochdruckerzeugungseinheit ist mit mindestens einem zu entleerenden Gasdruckbehälter verbindbar, wobei hierfür das Druckniveau des Gasdruckbehälters über dem Restdruck, d.h. den minimal zulässigen Behälterrestdruck, liegt.
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Ein erster Auslass der Hochdruckerzeugungseinheit ist mit dem ersten Pufferspeicher verbindbar, wobei das Gas aus dem Antrieb über eine Gasexpansion in diesen ersten Pufferspeicher geleitet wird.
Das in den ersten Pufferspeicher geleitete Gas hat hierbei ein Druckniveau über dem Mindest-/Versorgungsdruck.
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Ein zweiter Auslass der Hochdruckerzeugungseinheit ist mit dem zweiten Pufferspeicher verbindbar, wobei das Gas aus der Gaskompression in diesen zweiten Pufferspeicher geleitet wird.
Das in den zweiten Pufferspeicher geleitete Gas hat hierbei ein Druckniveau über dem Mindest-/Versorgungsdruck.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Entleerung bis auf einen minimal zulässigen Behälterrestdruck von mindestens einem Gasdruckbehälter eine
Hochdruckerzeugungseinheit verwendet.
Die Hochdruckerzeugungseinheit umfasst dabei sowohl einen Antrieb zur Gasexpansion (Antriebsstufe) als auch eine Gaskompression (Kompressionsstufe).
Der erste Einlass und der erste Auslass sind hierbei mit dem Antrieb zur Gasexpansion verbunden.
Der zweite Einlass und der zweite Auslass sind wiederum mit der Gaskompression verbunden.
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Der oder die zu entleerende(n) Gasdruckbehälter wird/werden mit dem zweiten Einlass der Hochdruckerzeugungseinheit verbunden, so dass Gas vom zu entleerenden Gasdruckbehälter zur Gaskompression (Kompressionsstufe) strömen kann.
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Der oder die antreibende(n) Gasdruckbehälter wird/werden mit dem ersten Einlass der Hochdruckerzeugungseinheit verbunden, so dass Gas vom antreibenden Gasdruckbehälter zum Antrieb über eine Gasexpansion (Antriebsstufe) strömen kann.
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Das expandierte Gas strömt über den ersten Auslass der Hochdruckerzeugungseinheit zu dem mindestens einen ersten Pufferspeicher.
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Das komprimierte Gas strömt über den zweiten Auslass der Hochdruckerzeugungseinheit zu dem mindestens einen zweiten Pufferspeicher.
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Die Hochdruckerzeugungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt die vorhandene Energie des Druckgases, welche zur gewöhnlichen Befüllung des Gasdruckbehälters aufgewendet werden muss, einer Betankung/Befüllung des Gasdruckbehälters zum Antrieb der Hochdruckerzeugungseinheit. Somit ist für die Hochdruckerzeugungseinheit keine anderweitige Antriebseinheit mit einem einhergehenden zusätzlichen Energiebedarf erforderlich.
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Weiterhin können zusätzlich zu den Gasdruckbehältern der erste Pufferspeicher und der zweite Pufferspeicher mit Gas betankt werden, so dass die Reichweite eines mit der Antriebseinheit betriebenen Fahrzeugs erhöht wird.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Methode zur Druckmessung, beispielsweise mittels Drucksensoren, oder eine modellbasierte Druckberechnung, beispielsweise über den Gasverbrauch oder eine Messung des Durchflusses durch Hochdruckerzeugungseinheit, für die Drücke in jedem Gasdruckbehälter, jedem ersten Pufferspeicher und jedem zweiten Pufferspeicher erforderlich, um die erforderlichen Drucklevel zwecks Messung zuzuschalten und die Druckgrenzen einzuhalten.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, abwechselnd jeden Gasdruckbehälter, jeden ersten Pufferspeicher und jeden zweiten Pufferspeicher mit einem im Leitungsstrang befindlichen Drucksensor zu verbinden, um die erforderlichen Drucklevel zwecks Messung zuzuschalten und die Druckgrenzen einzuhalten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sequentiell mittels der Hochdruckerzeugungseinheit mindestens zwei Gasdruckbehälter auf unterschiedliche Druckstufen zwischen einem maximalen Speicherdruck und dem erforderlichen Mindest-/Versorgungsdruck entleert.
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Aus diesen teilentleerten Gasdruckbehältern wird der bestmögliche Antriebsdruck genutzt, um eine Anpassung auf das erforderliche Gaskompressionsverhältnis der Kompressionsstufe zu ermöglichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Druckregelstufe am ersten Einlass der Hochdruckerzeugungseinheit angeordnet, welche zur Einstellung des erforderlichen antriebsseitigen Druckverhältnisses den Druck am ersten Einlass der Hochdruckerzeugungseinheit auf einen für den jeweiligen Betriebspunkt optimalen Einlassdruck reduziert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Auslass der
Hochdruckerzeugungseinheit mit mindestens zwei ersten Pufferspeichern und/oder der zweite Auslass der Hochdruckerzeugungseinheit mit mindestens zwei zweiten Pufferspeichern verbindbar, die unterschiedliche Drücke aufweisen, um unterschiedliche Druckverhältnisse zwischen dem ersten Einlass und dem ersten Auslass und/oder zwischen dem zweiten Einlass und dem zweiten Auslass der Hochdruckerzeugungseinheit einzustellen.
Hiermit wird eine bessere Anpassung an das Druckverhältnis ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei erste Pufferspeicher.
Einer der ersten Pufferspeicher ist zusätzlich über eine weitere Leitung mit einem Ventil am ersten Einlass der Hochdruckerzeugungseinheit verbindbar.
Durch die zusätzliche Verbindung über die weitere Leitung kann das in diesem ersten Pufferspeicher gespeicherte Gas zum Antrieb der Hochdruckerzeugungseinheit genutzt werden.
Über entsprechende Ventile oder Ventilschaltungen über den ersten Einlass kann alternierend noch Gas von einem oder mehreren Gasdruckbehältern zugeführt werden, die einen Druck über dem Mindest-/Versorgungsdruck aufweisen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind alle Gasdruckbehälter mit einer zentralen Ventilschalteinheit an dem ersten Einlass und an dem zweiten Einlass verbindbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zur Kühlung des komprimierten Gases der Kompressionsstufe der Hochdruckerzeugungseinheit das expandierte und damit abgekühlte Gas aus der Antriebsstufe der Hochdruckerzeugungseinheit verwendet.
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Eine solche Kühlung kann insbesondere bei gegebenenfalls erforderlicher mehrstufiger Kompression über einen Wärmetauscher erfolgen, ohne dass eine weitere Kühlung über Kühlwasser oder direkte Kühlung gegen Außenluft mit dem damit verbundenen Komponentenaufwand und gegebenenfalls Energieaufwand bei Verwendung eines Gebläses erforderlich ist, oder der Kühlaufwand gegen die Umgebung kann zumindest minimiert werden.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- Fig.: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die Vorrichtung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier Gasdruckbehälter 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 zur Speicherung von einem Gas für eine nicht dargestellte Antriebseinheit.
Das Gas kann beispielsweise Erdgas (CNG) oder Wasserstoff (CGH2) sein.
Die Gasdruckbehälter 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 können unterschiedliche Fassungsvolumina aufweisen.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen ersten Pufferspeicher 2 und einen zweiten Pufferspeicher 3.
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Zudem umfasst die Vorrichtung eine Hochdruckerzeugungseinheit 4.
Eine Hochdruckerzeugungseinheit 4 können beispielsweise ein- oder mehrstufige Kolbenkompressoren, Radialkompressoren, Axialkompressoren oder Schraubenverdichter sein.
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Jeder Gasdruckbehälter 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 ist über ein nicht dargestelltes Schaltventil mit einer ersten Leitung 5 verbindbar.
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Weiterhin ist jeder Gasdruckbehälter 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 über ein nicht dargestelltes Schaltventil mit einer zweiten Leitung 6 verbindbar.
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Die zweite Leitung 6 ist über ein Schaltventil 7 mit einer dritten Leitung 8 verbindbar.
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Die dritte Leitung 8 ist über ein nicht dargestelltes Schaltventil mit einer vierten Leitung 9 verbindbar.
Die vierte Leitung 9 ist über ein Druckregelventil 10 mit einer fünften Leitung 11, die zur nicht dargestellten Antriebseinheit führt, verbindbar.
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Der erste Pufferspeicher 2 ist über ein nicht dargestelltes Schaltventil mit einer sechsten Leitung 12 verbindbar.
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Der zweite Pufferspeicher 3 ist über ein nicht dargestelltes Schaltventil mit einer siebten Leitung 13 verbindbar.
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Die sechste Leitung 12 ist über ein nicht dargestelltes Schaltventil mit der vierten Leitung 9 verbindbar.
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Die siebte Leitung 13 ist über ein nicht dargestelltes Schaltventil mit der vierten Leitung 9 verbindbar.
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Die erste Leitung 5 ist über ein nicht dargestelltes Ventil mit einem ersten Einlass 14 der Hochdruckerzeugungseinheit 4 verbindbar.
Der erste Einlass 14 führt zu einem Antrieb über eine Gasexpansion.
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Die zweite Leitung 6 ist über ein nicht dargestelltes Ventil mit einem zweiten Einlass 15 der Hochdruckerzeugungseinheit 4 verbindbar.
Der zweite Einlass 15 führt zu einer Gaskompression.
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Ein erster Auslass 16 der Hochdruckerzeugungseinheit 4 ist über ein nicht dargestelltes Ventil mit einer achten Leitung 17 verbindbar.
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Ein zweiter Auslass 18 der Hochdruckerzeugungseinheit 4 ist über ein nicht dargestelltes Ventil mit einer neunten Leitung 19 verbindbar.
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Die achte Leitung 17 ist über ein nicht dargestelltes Ventil mit dem ersten Pufferspeicher 2 verbindbar.
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Die neunte Leitung 19 ist über ein nicht dargestelltes Ventil mit dem zweiten Pufferspeicher 3 verbindbar.
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Jeder Gasdruckbehälter 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4, der erste Pufferspeicher 2 sowie der zweite Pufferspeicher 3 umfassen jeweils einen nicht dargestellten Drucksensor, um nach der jeweiligen Betriebsstrategie zu steuern.
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In dem ersten Betriebsmodus ist die Hochdruckerzeugungseinheit 4 nicht aktiv.
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Im ersten Betriebsmodus können in einer ersten Variante, bei welcher der erste Pufferspeicher 2 und der zweite Pufferspeicher 3 zu Beginn, beispielsweise nach einer Betankung, mit Gas oberhalb des Mindest-/Versorgungsdrucks befüllt sind, seriell oder parallel entleert werden.
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Bei einer Entleerung des ersten Pufferspeichers 2 strömt das Gas über das nicht dargestellte Ventil in die sechste Leitung 12, anschließend über das nicht dargestellte Schaltventil in die vierte Leitung 9, und daran anschließend über das Druckregelventil 10 in die fünfte Leitung 11.
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Bei einer Entleerung des zweiten Pufferspeichers 3 strömt das Gas über das nicht dargestellte Ventil in die siebte Leitung 13, anschließend über das nicht dargestellte Schaltventil in die vierte Leitung 9, und daran anschließend über das Druckregelventil 10 in die fünfte Leitung 11.
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In einer weiteren Variante, bei welcher der erste Pufferspeicher 2 und der zweite Pufferspeicher 3 zu Beginn mit Gas unterhalb des Mindest-/Versorgungsdrucks befüllt sind, kann zuerst der Gasdruckbehälter 1.1 bis auf Mindest-/Versorgungsdruck entleert werden.
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Bei einer Entleerung des Gasdruckbehälters 1.1 strömt das Gas über das nicht dargestellte Schaltventil in die zweite Leitung 6, anschließend über das Schaltventil 7 in dritte Leitung 8, anschließend über das nicht dargestellte Schaltventil in die vierte Leitung 9, und daran anschließend über das Druckregelventil 10 in die fünfte Leitung 11.
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Ist der Gasdruckbehälter 1.1 bis auf den Mindest-/Versorgungsdruck entleert, so kann der Gasdruckbehälter 1.2 bis auf den Mindest-/Versorgungsdruck entleert werden.
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Bei einer Entleerung des Gasdruckbehälters 1.2 strömt das Gas über das nicht dargestellte Schaltventil in die zweite Leitung 6, anschließend über das Schaltventil 7 in dritte Leitung 8, anschließend über das nicht dargestellte Schaltventil in die vierte Leitung 9, und daran anschließend über das Druckregelventil 10 in die fünfte Leitung 11.
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Ist neben dem Gasdruckbehälter 1.1 auch der Gasdruckbehälter 1.2 bis auf den Mindest-/Versorgungsdruck entleert, so kann der Gasdruckbehälter 1.3 bis auf den Mindest-/Versorgungsdruck entleert werden.
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Bei einer Entleerung des Gasdruckbehälters 1.3 strömt das Gas über das nicht dargestellte Schaltventil in die zweite Leitung 6, anschließend über das Schaltventil 7 in dritte Leitung 8, anschließend über das nicht dargestellte Schaltventil in die vierte Leitung 9, und daran anschließend über das Druckregelventil 10 in die fünfte Leitung 11.
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In einer weiteren Variante werden die Gasdruckbehälter 1.1, 1.2 und 1.3 parallel bis auf den Mindest-/Versorgungsdruck entleert.
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In einem zweiten Betriebsmodus ist die Hochdruckerzeugungseinheit 4 aktiv.
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Ist der Mindest-/Versorgungsdruck in einem Gasdruckbehälter, beispielsweise im Gasdruckbehälter 1.1, erreicht, so kann beispielsweise der Gasdruckbehälter 1.2, bei welchem der Druck oberhalb des Mindest-/Versorgungsdrucks ist, zur weiteren Entleerung des Gasdruckbehälters 1.1 bis auf einen minimal zulässigen Behälterrestdruck herangezogen werden.
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Hierzu strömt Gas von dem Gasdruckbehälter 1.2 über das nicht dargestellte Schaltventil in die erste Leitung 5, anschließend über das nicht dargestellte Ventil in den ersten Einlass 14 der Hochdruckerzeugungseinheit 4.
Der erste Einlass 14 führt zu dem Antrieb über eine Gasexpansion.
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Weiterhin strömt Gas von dem Gasdruckbehälter 1.1 über das nicht dargestellte Schaltventil in die zweite Leitung 6, anschließend über das nicht dargestellte Ventil in den zweiten Einlass 15 der Hochdruckerzeugungseinheit 4.
Der zweite Einlass 15 führt zur Gaskompression.
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Über den ersten Auslass 16 strömt das expandierte Gas über das nicht dargestellte Ventil in die achte Leitung 17 und anschließend über ein nicht dargestelltes Ventil in den ersten Pufferspeicher 2.
Das in den ersten Pufferspeicher 2 geleitete Gas hat hierbei ein Druckniveau über dem Mindest-/Versorgungsdruck.
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Über den zweiten Auslass 18 strömt das komprimierte Gas über das nicht dargestellte Ventil in die neunte Leitung 19 und anschließend über ein nicht dargestelltes Ventil in den zweiten Pufferspeicher 3.
Das in den zweiten Pufferspeicher 3 geleitete Gas hat hierbei ein Druckniveau über dem Mindest-/Versorgungsdruck.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- Gasdruckbehälter
- 1.2
- Gasdruckbehälter
- 1.3
- Gasdruckbehälter
- 1.4
- Gasdruckbehälter
- 2
- erster Pufferspeicher
- 3
- zweiter Pufferspeicher
- 4
- Hochdruckerzeugungseinheit
- 5
- erste Leitung
- 6
- zweite Leitung
- 7
- Schaltventil
- 8
- dritte Leitung
- 9
- vierte Leitung
- 10
- Druckregelventil
- 11
- fünfte Leitung
- 12
- sechste Leitung
- 13
- siebte Leitung
- 14
- erster Einlass
- 15
- zweiter Einlass
- 16
- erster Auslass
- 17
- achte Leitung
- 18
- zweiter Auslass
- 19
- neunte Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008020803 A1 [0002]