DE10232522A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Gerd MÜLLER-ALANDER
Christian Dr. Schwarz
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine, wobei zumindest ein Teil des Kraftstoffs durch Hochdruckeinblasung in den bereits verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum zur Verbrennung zugeführt wird und wobei der für die Hochdruckeinblasung erforderliche Druck in einem Druckbehälter erzeugt wird, in den letztlich aus einem Kryo-Tank kryogener Kraftstoff eingeleitet und dort mittels eines Wärmetauschers erwärmt wird, wobei der Druckbehälter mit Wärmetauscher in Form einer sog. Verdampfungsbirne ausgebildet ist, die im wesentlichen aus drei konzentrisch zueinander angeordneten Rohren bestehen kann. Innerhalb eines außenliegenden Hüll-Rohres befinden sich zwei den Druckbehälter bildende Rohrstutzen, von denen der äußere mit Ausnahme von Verbindungsleitungen endseitig geschlossen ist, wobei der aus dem Kryo-Tank zugeführte Kryo-Kraftstoff zunächst in den Innenraum des inneren Rohrstutzens gelangt und von diesem aus durch einen Ringspalt zwischen diesem und dem äußeren Rohrstutzen strömt. Letzterer wird vom innerhalb des Hüll-Rohres geführten warmen Medium umströmt. Bevorzugt wird als warmes Medium die stromauf des Wärmetauschers in einer Aufladevorrichtung verdichtete und nach Verlassen des Wärmetauschers der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine, wobei zumindest ein Teil des Kraftstoffs durch Hochdruckeinblasung in den bereits verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum zur Verbrennung zugeführt wird und wobei der für die Hochdruckeinblasung erforderliche Druck in einem Druckbehälter erzeugt wird, in den letztlich aus einem Kryo-Tank kryogener Kraftstoff eingeleitet wird, der darin erwärmt wird. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 37 28 683 A1 auf die DE 196 02 881 A1 verwiesen.
  • In einer Brennkraftmaschine können zur Erzeugung von mechanischer Energie bekanntlich nicht nur flüssige, insbesondere aus Erdöl gewonnene Kraftstoffe verbrannt werden, sondern bei geeigneter Auslegung auch gasförmige Kraftstoffe, wie Erdgas oder Wasserstoff o.ä.. Wegen des gegenüber flüssigen Kraftstoffen geringeren spezifischen Energieinhalts solcher gasförmiger Kraftstoffe werden diese in Kryotanks tiefkalt und dabei weitestgehend verflüssigt aufbewahrt bzw. gespeichert. Angestrebt wird dabei, der Brennkraftmaschine den Kraftstoff im gasförmigen Aggregatzustand zumindest teilweise durch Hochdruckeinblasung in den oder die bereits ein verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum bzw. Brennräume zur Verbrennung zuzuführen, da hierdurch die Gefahr von Rückzündungen minimiert und die Leistungsdichte sowie der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht werden können.
  • Zur Umsetzung einer derartigen Hochdruckeinblasung kann der Druck im kryogen gespeicherten Kraftstoff durch geeignete Erwärmung desselben erzeugt werden. Um hierfür nicht den vollständigen Kryo-Tank als Hochdruckbehälter auslegen zu müssen, wird im bekannten Stand der Technik eine geringe Teilmenge von kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank in einen kleinen Druckbehälter umgefüllt und dort geeignet erwärmt. Der daraus entstehende Hochdruck-Kraftstoff wird dann für die Direkteinblasung in die bereits verdichtetes Gas bzw. Luft-Kraftstoff-Gemisch enthaltenden Brennkraftmaschinen-Brennräume verwendet.
  • Die Erwärmung des kryogenen Kraftstoffs im Druckbehälter kann bspw. durch Nutzung der Abwärme- der Brennkraftmaschine oder durch Wärmeeinfall aus der Umgebung erfolgen, so wie dies in der eingangs erstgenannten Schrift vorgeschlagen ist, wobei dafür Sorge zu tragen ist, dass eine ausreichende Wärmemenge in ausreichend kurzer Zeit in den Druckbehälter bzw. an das darin enthaltene bzw. darin eingeführte (kryogene) Kraftstoff-Gas abgegeben werden kann. Schließlich soll der gesamte Druckaufbau-Prozess hinreichend schnell erfolgen, wobei der Druckbehälter selbst bzw. dessen Wände zur Druckaufnahme ausreichend massiv gestaltet werden müssen, wodurch jedoch ein einfacher Wärmeübergang von außen in den Innenraum des Behälters erschwert wird.
  • Eine besonders günstige Vorrichtung zur Erwärmung von kryogenem Kraftstoff in einem Druckbehälter bzw. eine besonders günstige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Druckbehälter mit einem Wärmetauscher versehen und in Form einer sog. Verdampfungsbirne ausgebildet ist, die im wesentlichen ein Hüll-Rohr aufweist, innerhalb dessen der durch zwei im wesentlichen konzentrisch angeordnete Rohrstutzen, von denen der äußere mit Ausnahme von Verbindungsleitungen endseitig geschlossen ist, gebildete Druckbehälter angeordnet ist, und wobei der aus dem Kryo-Tank zugeführte Kryo-Kraftstoff zunächst in den Innenraum des inneren Rohrstutzens gelangt und von diesem aus durch einen Ringspalt zwischen diesem und dem äußeren Rohrstutzen strömt, der seinerseits außenseitig vom innerhalb des Hüll-Rohres geführten warmen Medium umströmt wird. Bevorzugt kann dabei als warmes Medium die stromauf des Wärmetauschers in einer Aufladevorrichtung verdichtete und nach Verlassen des Wärmetauschers der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft verwendet werden. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der übrigen Unteransprüche.
  • Mit der vorgeschlagenen besonderen Bauweise des Wärmetauschers wird sowohl eine optimale Integration im Druckbehälter erzielt, als auch der Tatsache Rechnung getragen, dass besondere Maßnahmen zur Steigerung des Wärmeübergangs zwischen dem Strom eines warmen Mediums und dem kalten, im Druckbehälter befindlichen Kraftstoff-Gas wünschenswert sind, da dessen Volumen im Vergleich zum Volumen eines beliebigen verfügbaren warmen Mediums sehr gering ist und ein unrealistisch großer Wärmetauscher wünschenswerterweise vermieden werden soll. In diesem Sinne wird vorgeschlagen, den Druckbehälter inklusive des Wärmetauschers als ein zusammenhängendes, praktisch aus ineinander angeordneten, zum Teil endseitig geschlossenen Rohren bzw. Rohrstutzen stutzen bestehendes System auszuführen, das hier als Verdampfungsbirne bezeichnet wird. Der Druckbehälter wird dabei durch einen sog. äußeren Rohrstutzen gebildet, innerhalb dessen ein innerer Rohrstutzen angeordnet ist, worauf im weiteren noch näher eingegangen wird. Der äußere Rohrstutzen bzw. Druckbehälter ist weiterhin von einem sog. Hüll-Rohr umgeben, welches das warme Medium führt, von dem Wärme an den Druckbehälter bzw. an das in diesem befindliche Kraftstoff-Gas abgegeben wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der innere Rohrstutzen, dessen eine Stirnseite mit einer Wand versehen ist, die eine Eintrittsöffnung für eine Zufuhr-Leitung aufweist, über die frischer Kraftstoff in den Innenraum dieses innern Rohrstutzens eingeleitet werden kann, auf der anderen Seite offen und weist eine relativ geringe Wandstärke aufweisen, da dieser innere Rohrstutzen im Druckbehälter lediglich Führungsaufgaben übernimmt und keinen Druck aufnehmen muss. Der bereits genannte, den inneren Rohrstutzen umschließende äußere Rohrstutzen bildet nun den eigentlichen Druckbehälter und weist demzufolge eine vergleichsweise große Wandstärke auf, um den in diesem Druckbehälter entstehenden Hochdruck aufnehmen zu können. Die beiden Stirnseiten dieses äußeren Rohrstutzens sind geschlossen, mit Ausnahme von Übertrittsstellen für diverse, den Kraftstoff geeignet führende Leitungen, worauf an späterer Stelle noch ausführlich eingegangen wird. Dabei fungiert insbesondere ein bspw. ringförmiger Abschnitt des zwischen dem äußeren Rohrstutzen und dem inneren Rohrstutzen liegenden Raumes, der im Bereich der geschlossenen Stirnseite des inneren Rohrstutzens liegt, als Druckbehälter zur Aufnahme von Kraftstoff-Gas unter Hochdruck, wenngleich auch ein Teil des im folgenden erläuterten Wärmetauschers, der durch den Ringspalt zwischen dem inneren Rohrstutzen und dem äußeren Rohrstutzen gebildet wird, sowie der Innenraum des inneren Rohrstutzens, in den zunächst frischer Kraftstoff letztlich aus dem Kryo-Tank eingefüllt wird, ebenfalls Bestandteile des Druckbehälters sind.
  • Ein weiter Teil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird durch den Raum zwischen dem äußeren Rohrstutzen und dem genannten Hüll-Rohr gebildet, durch welches das genannte warme Medium, mit Hilfe dessen der kryogene Kraftstoff erwärmt werden soll, hindurchgeführt wird. Bevorzugt wird dieses warme Medium im Gegenstrom zum kalten Kraftstoff geführt, der – wie bereits erwähnt – durch den Ringspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrstutzen des Druckbehälters strömt. Nachdem der Kraftstoff aus dem Innenraum des inneren Rohrstutzens im Bereich von dessen offenem Ende in den genannten Ringspalt eintreten kann, empfiehlt es sich zur Darstellung eines wirkungsgradoptimierten Wärmetauschers folglich, das warme Medium dort, wo der innere Rohrstutzen endseitig geschlossen ist, in den Raum zwischen dem äußeren Rohrstutzen des Druckbehälters und dem das warme Medium führenden Hüll-Rohr einzuführen.
  • Durch den besagten, relativ schmalen Ringspalt strömt somit das zunächst kryogene Kraftstoff-Gas mit erhöhter Geschwindigkeit und dadurch verbessertem Wärmeübergang hindurch, während es gleichzeitig aufgewärmt wird. Dadurch wird nur eine vergleichsweise kleine Wärmeübertragungsfläche benötigt, und dennoch kann eine ausreichende Wärmemenge von außen, d.h. vom im Raum zwischen der Rohrhülle und dem äußeren Rohrstutzen geführten Strom von warmem Medium durch die Rohr-Wand des äußeren Rohrstutzens hindurch an das im Ringspalt geführte Kraftstoff-„Gas" übertragen werden.
  • Indem der Innenraum des inneren Rohrstutzens wie beschrieben quasi als Einlaufvolumen fungiert und sozusagen in das Zentrum des beschriebenen Wärmetauschers integriert ist, ist die Nachförderung von Kraftstoff in den genannten Ringspalt des Wärmetauschers sichergestellt. Dies dank der Tatsache, dass nach einer Aufheizung des Kraftstoffs im besagten Ringspalt der zentraler liegende, dünne und damit gut wärmeleitende innere Rohrstutzen ebenfalls aufgeheizt wird. Dieser im wesentlichen als Führungsrohr fungierende Rohrstutzen heizt nun seinerseits das in seinem Innenraum befindliche Kraftstoff-Gas auf, wodurch sich dessen Dichte verringert, so dass hiermit der Weitertransport in und durch den eigentlichen Wärmetauscher, nämlich den besagten Ringspalt veranlasst wird.
  • Die soweit vorgeschlagene Gestaltung des Wärmetauschers in Verbindung mit dem Druckbehälter zeichnet sich zum einen durch geringen Platzbedarf aus, da eine jeweils zu erhitzende Menge von kryogenem Kraftstoff zunächst im zentralen Innenraum dieser sog. Verdampfungsbirne bzw. des inneren Rohrstutzens gesammelt werden kann. Dabei lässt sich eine derartige Verdampfungsbirne mit relativ geringem Gewicht bauen, denn es wird lediglich der sog. äußere Rohrstutzen mit Hochdruck beaufschlagt. Ferner zeichnet sich dieses System durch hohe Sicherheit aus, da ein Ausströmen von Kraftstoff auch bei einer Verletzung des äußeren Rohrstutzens ausgeschlossen ist. Im übrigen wird jegliche Vereisung an der Außenfläche dieses Systems, die durch die Außenseite des sog. Hüll-Rohres gebildet wird, vermieden, nachdem sich das kalte Medium im Zentrum befindet und das warme Medium ringförmig um das kalte Medium herum geführt ist.
  • Bislang wurde nur von einem einzigen im besagten Hüll-Rohr angeordnetem-Druckbehälter (bestehend aus dem besagten äußeren und inneren Rohrstutzen) gesprochen. In einem solchen Fall ist der äußere Rohrstutzen bevorzugt konzentrisch innerhalb des Hüll-Rohres angeordnet. Abweichend hiervon ist es jedoch auch möglich, mehrere solche Druckbehälter nebeneinander im Hüll-Rohr anzuordnen, falls dies bspw. im Hinblick auf den zur Verfügung stehenden Bauraum oder aus anderen Gründen vorteilhaft ist. Durch eine derartige quasi parallele Anordnung von Druckbehältern kann nämlich die Länge der Rohrstutzen bei gleicher Wärmeübergangs-Kapazität verringert werden.
  • Zurückkommend auf den Aufbau des eigentlichen Druckbehälters in einer erfindungsgemäßen Verdampfungsbirne kann, damit der besagte, einen Teil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bildende Ringspalt, der ungünstigerweise eine Drosselstelle darstellt, nicht ein erwünschtes schnelles Einfüllen des Kraftstoff-Gases in den Druckbehälter behindert, eine Bypass-Leitung zu diesem genannten Ringspalt vorgesehen sein. Diese Bypassleitung bildet somit einen Parallelzweig zum Ringspalt und verbindet das freie Ende des inneren Rohrstutzens mit dem bereits genannten ringförmigen Abschnitt des Druckbehälters, so dass die durch den Wärmetauscher gebildete Drosselstelle, bevorzugt durch ein Sperrventil gesteuert, überbrückt werden kann. In anderen Worten ausgedrückt verbindet diese Bypassleitung, in der ein Ventil zur gewünschten Steuerung der einzelnen Kraftstoff-Ströme vorgesehen sein kann, die beiden Enden des Druckbehälters miteinander.
  • Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Erwärmung des Kraftstoffs im Druckbehälter mittels des geschilderten Wärmetauschers dadurch zu bewerkstelligen, dass als warmes Medium die für die Brennkraftmaschine bestimmte Verbrennungsluft im durch eine Aufladevorrichtung verdichteten Zustand durch diesen Wärmetauscher hindurchgeführt wird. Eine solche Wärmequelle zeichnet sich durch mehrere Vorteile aus. So wird der Verbrennungsluftstrom für die Brennkraftmaschine im genannten Wärmetauscher durch den kalten Kraftstoff abgekühlt und somit in seiner Dichte weiter gesteigert, woraus sich eine Füllungssteigerung und somit eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine ergibt. Dies ist zwar grundsätzlich bereits bekannt, vgl. die eingangs bereits genannte DE 196 02 881 A1 , jedoch wird in diesem bekannten Stand der Technik kein stromauf des Wärmetauschers in einer Aufladevorrichtung oder dgl. verdichteter bzw. komprimierter Verbrennungsluftstrom als Wärmequelle für den Wärmetauscher vorgeschlagen. Vielmehr wird dort der einfache, nicht verdichtete Ansaugluftstrom der Brennkraftmaschine verwendet.
  • Dieser hiermit vorliegende neue Vorschlag über eine Verdichtung der Verbrennungsluft vor Einleitung in den Wärmetauscher des Druckbehälters hat demgegenüber den Vorteil, dass es damit nicht mehr zu einem Ausfrieren der Luftfeuchtigkeit im Wärmetauscher kommen kann, weil der Verbrennungsluftstrom in der Aufladevorrichtung erheblich erwärmt wurde. Wird hingegen ein Luftstrom direkt aus der Umgebung durch den Wärmetauscher des besagten Druckbehälters geleitet, wobei diesem Luftstrom eine erhebliche Wärmemenge entzogen wird, so besteht eine hohe Vereisungsgefahr. Vorgeschlagen wird somit, die zur Drucksteigerung des Wasserstoffs im Druckbehälter erforderliche Wärme dem Verbrennungsluftstrom der Brennkraftmaschine zu entnehmen und dabei – um eine Vereisung zu vermeiden und eine erwünschte hohe Leistungsdichte der Brennkraftmaschine zu erzielen – eine Aufladevorrichtung für die Brennkraftmaschine vorzusehen, durch die deren Verbrennungsluft hindurchgeleitet wird. Bevorzugt kann es sich bei dieser Aufladevorrichtung um einen mechanisch angetriebenen Kompressor oder dgl. handeln. In diesem (bzw. allg. in der Aufladevorrichtung) wird die Temperatur der Verbrennungsluft soweit gesteigert, dass auch nach Wärmeentzug durch den kryogenen Kraftstoff kein Ausfrieren von Luftfeuchtigkeit auftreten kann.
  • Im übrigen ist die Verwendung eines verdichteten Ansaugluft-Stromes für die Brennkraftmaschine als Wärmequelle für den Wärmetauscher gegenüber anderen möglichen Wärmequellen auch insofern von Vorteil, als diese Wärmequelle sehr kurzfristig zur Verfügung steht und dabei ein relativ hohes Potential besitzt. Andere mögliche Wärmequellen, wie bspw. das Kühlmittel der Brennkraftmaschine, stünden hingegen im Anschluss an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine erst nach einer gewissen Zeit zur Verfügung.
  • Soweit wurde nun also erläutert, wie aus einem Kryo-Tank entnommener kryogenen Kraftstoff quasi portioniert in einem Druckbehälter auf besonders günstige Weise soweit erwärmt werden kann, dass dieser Kraftstoff durch Hochdruckeinblasung in den oder die bereits ein verdichtetes Gas enthaltende(n) Brennraum bzw. Brennräume einer Brennkraftmaschine eingeführt werden kann. Dies funktioniert zeitlich jedoch nur solange, als noch eine ausreichend große Menge von Kraftstoff im Druckbehälter vorhanden ist. Ist aus diesem jedoch eine gewisse Menge von Kraftstoff entnommen, so fällt zwangsläufig der Druck in diesem Druckbehälter soweit ab, dass eine Kraftstoff-Direkteinblasung unter Hochdruck nicht mehr möglich ist.
  • Um dann den Druckbehälter von neuem mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befüllen zu können und anschließend daran neuerlich Hochdruck in diesem Druckbehälter aufbauen zu können, sollte im Hinblick auf hohe Effizienz zunächst der Druckbehälter im wesentlichen entleert werden, d.h. es sollte der darin nach einer Entnahme für die Hochdruckeinblasung noch enthaltene und nurmehr unter verringertem Druck vorliegende Kraftstoff zumindest in einem gewissen Umfang, bevorzugt jedoch im wesentlichen vollständig, aus dem Druckbehälter entfernt werden.
  • In der eingangs genannten DE 37 28 683 A1 ist vorgeschlagen, diesen restlichen, nurmehr unter verringertem Druck vorliegenden Kraftstoff aus dem Druckbehälter, der in der genannten Schrift als Warmvergaser, bezeichnet ist, in einen Zwischenspeicher zu leiten und aus diesem heraus der Brennkraftmaschine unter Niederdruck zur Verbrennung zuzuführen, insbesondere unter äußerer Gemischbildung. Ebenso kann im übrigen mit einer geringen Menge von Kraftstoff verfahren werden, die tiefkalt aus dem Kryo-Tank entnommen wird um damit den Druckbehälter abzukühlen, ehe eine Neubefüllung desselben mit Kryokraftstoff erfolgt. Im übrigen ist in der genannten DE 37 28 683 A1 noch vorgeschlagen, mehrere solche Druckbehälter (bzw. Warmvergaser) parallel angeordnet sowie mehrere Zwischenspeicher vorzusehen, um den diskontinuierlichen Prozess der Hochdruck-Erzeugung in diesen Druckbehältern für die Brennkraftmaschine quasi kontinuierlich gestalten zu können.
  • Um jedoch im realen Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer derartigen Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff die Gefahr der Bildung von Rückzündungen an der Brennkraftmaschine bzw. in deren äußerem Gemischbildungssystem praktisch auszuschließen, sollte (bspw. im Fall von Wasserstoff als Kraftstoff) vor Beginn der Verbrennung durch diese äußere Gemischbildung nur ein sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet werden (bspw. eine Luftzahl λ in der Größenordnung λ = 2 aufweisend). Um dann in den einzelnen Brennkraftmaschinen-Brennräumen ein im wesentlichen stöchiometrisches Gemisch (in der Größenordnung λ = 1) zu erhalten, sollte der hierfür erforderliche Kraftstoff praktisch während der Verbrennung – also bei maximalem Brennraumdruck – per Hochdruck-Direkteinblasung in kurzer Zeit zur Verfügung gestellt werden können. Dabei kann also ebensoviel Kraftstoff für die Hochdruck-Direkteinblasung benötigt werden wie für die äußere Gemischbildung.
  • Da dies mit dem in der genannten DE 37 28 683 A1 beschriebenen System jedoch bei weitem nicht erreicht werden kann, da beim in der Praxis erforderlichen Abkühlen der Druckbehälter eine relativ große Kraftstoffmenge unter Niederdruck anfällt, die praktisch nur für die äußere Gemischbildung weiterverarbeitet werden kann, wird weiterhin vorgeschlagen, zwischen dem Kryo-Tank und dem Druckbehälter eine sog. Schleuse vorzusehen, in die zunächst über ein erstes Absperrventil steuerbar eine gewisse Menge von kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank eingeleitet wird. Dabei ist eine im wesentlichen vollständige Befüllung dieser Schleuse mit frischen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank anzustreben. Anschließend wird aus der Schleuse über ein zweites Absperrventil steuerbar eine gewisse Menge (bevorzugt die im wesentlichen vollständige Menge) von kryogenem Kraftstoff in den Druckbehälter überführt, indem oder nachdem ein Druckausgleich zwischen dem Druckbehälter und der Schleuse erfolgt ist. Dabei wird als zumindest ein Teil, bevorzugt jedoch die im wesentlichen vollständige Menge des im Druckbehälter nach Entnahme für die Hochdruckeinblasung nurmehr unter verringertem Druck vorliegenden Kraftstoff-Gases zurück in die Schleuse eingeleitet. Dieses kann dann nachfolgend aus dieser heraus zumindest teilweise der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt werden, und zwar bevorzugt unter äußerer Gemischbildung und nicht unter Hochdruckeinblasung, da der zur Verfügung stehende Kraftstoffdruck hierfür nicht ausreichend sein dürfte.
  • Um diesen geschilderten Prozessablauf für die Brennkraftmaschine bzw. bezüglich des Druckspeichers quasi kontinuierlich gestalten zu können, sollten zumindest zwei derartige Schleusen zeitlich versetzt nebeneinander betrieben werden. Solange aus der ersten Schleuse dann der Kraftstoff der Brennkraftmaschine insbesondere zur äußeren Gemischbildung zugeführt wird, kann die zweite Schleuse mit neuem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befüllt werden und es kann dann dieser Kraftstoff aus der zweiten Schleuse in den Druckspeicher bzw. in die erfindungsgemäße Verdampfungsbirne geleitet werden. Dadurch wird dann die zweite Schleuse mit dem restlichen Kraftstoff aus dem Druckspeicher befüllt, wonach aus dieser zweiten Schleuse die Brennkraftmaschine mit Kraftstoff für die äußere Gemischbildung versorgt wird. Während dieser Zeit kann dann die erste Schleuse mit neuem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befüllt werden, und so fort.
  • Vorgeschlagen wird also die Einführung zumindest einer sog. Schleuse zusätzlich zum Druckbehälter bzw. zwischen diesem und dem eigentlichen Kryo-Tank. Vorgeschlagen wird somit, zunächst die Schleuse bzw. ein die sog. Schleuse bildendes Volumen mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank zu befüllen. Dies kann bspw. durch Schwerkraft, durch eine Druckdifferenz oder durch eine Förderpumpe erfolgen. Dabei soll die Schleuse bzw. das Schleusen-Volumen möglichst vollständig mit flüssigem Kraftstoff befüllt werden, damit nach dem Schließen der Verbindung zwischen dem Kryo-Tank und der Schleuse sowie dem Öffnen der Verbindung zwischen der Schleuse und dem Druckbehälter der sich dann einstellende Ausgleichsdruck möglichst wenig unter den vor dem Öffnen der Verbindung zur Schleuse im Druckbehälter herrschenden Druck abfällt. Dies kann bspw. durch eine Entlüftungsleitung von der Schleuse in den Kryo-Tank oder in die äußere Gemischbildung bzw. in einen für diese vorgesehenen Zwischenlagerungs-Behälter gewährleistet werden, wenn diese Entlüftungsleitung während der Befüllung des Schleusen-Volumens geöffnet wird.
  • Vorteilhafterweise steigt in der Schleuse die Temperatur des eingeführten Kraftstoffs während des besagten Druckausgleichs (zwischen dem Druckbehälter und der Schleuse bei geöffneter Verbindung zwischen diesen beiden) nur leicht an. Der besondere Vorteil dieser Schleuse besteht jedoch darin, dass zum Abkühlen der Schleuse nach einer Entleerung und vor einer Neubefüllung derselben nur eine äußerst geringe Menge von kryogenem Kraftstoff benötigt wird. Tatsächlich wird nämlich die Temperatur der Schleuse aufgrund der Tatsache, dass in dieser – anders als im Druckbehälter, in dem wie erläutert zur Druckerhöhung des Kraftstoffs diesem eine erhebliche Wärmemenge zugeführt wird – keine nennenswerte Wärmezufuhr von außen erfolgt, bei jeder Kraftstoff-Durchleitung lediglich geringfügig erhöht. Auch entstehen beim Befüllen der Schleuse aus dem Kryo-Tank nur' geringe Abdampfverluste im kryogenen Kraftstoff, die sich demzufolge (bei geöffneter Verbindung zum Kryo-Tank) praktisch nicht negativ auf den Kryo-Tank (nämlich im Sinne einer Drucksteigerung in diesem) auswirken können. All diese Vorteile ergeben sich daraus, dass das strömungstechnisch an den Kryo-Tank angrenzende Schleusen-Volumen selbst nicht beheizt wird, sondern über dem gesamten Verfahrensprozess vergleichsweise kalt bleibt. Negative Auswirkungen der zur Druckerhöhung erfolgenden Wärmezufuhr im sich an die Schleuse anschließenden Druckbehälter auf den Kryo-Tank werden somit im wesentlichen vermieden.
  • Nachdem das Schleusenvolumen mit frischem kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befällt ist, wird im nächsten Verfahrensschritt dieser kalte Kraftstoff aus der Schleuse – wie bereits erläutert – in den besagten Druckbehälter umgefüllt, um dort dann zur Druckerhöhung geeignet erwärmt zu werden. Wenn bzw. nachdem zwischen dem Schleusenvolumen und diesem Druckbehälter keine Druckdifferenz bzw. kein positives Druckgefälle herrscht, muss hierfür eine geeignete Treibkraft bereitgestellt werden, was grundsätzlich auf verschiedene Arten möglich ist.
  • Bspw. kann hierfür die Schwerkraft zu Hilfe genommen werden, insbesondere da sich die Dichte des in der Schleuse befindlichen Kraftstoffes wesentlich von der Dichte des sich aus einem vorhergehenden Prozess-Schritt noch in dem Druckbehälter befindlichen Kraftstoffs unterscheidet. Wenn nun nach erfolgten Drucklausgleich zwischen der Schleuse und dem Druckbehälter die Schwerkraft als sog. Treibkraft zum Überführen von Kraftstoff aus der Schleuse in den Druckbehälter verwendet wird, so ist es hierfür erforderlich, dass sich die Schleuse geodätisch oberhalb des Druckbehälters befindet. Insbesondere wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug untergebracht werden soll, das von dieser Brennkraftmaschine angetrieben wird, so kann es dann erforderlich sein, die Schleuse zumindest' teilweise oberhalb des Fahrzeug-Kryo-Tanks anzuordnen. Insbesondere in diesem Falle kann eine geeignete fremdkraftangetriebene Fördervorrichtung vorgesehen sein, die kroygenen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank in die Schleuse fördert.
  • Eine hiervon abweichende Ausgestaltung wird im weiteren unter Bezugnahme auf die beigefügte 1, in der eine Prinzip-Anordnung eines Kryo-Tanks mit einem Druckbehälter und einer zwischengeschalteten Schleuse dargestellt ist, erläutert.
  • In der Prinzipdarstellung nach 1 ist mit der Bezugsziffer 11 ein Kryo-Tank bezeichnet, in dem unter Umgebungsbedingungen gasförmig vorliegender Kraftstoff (bspw. Wasserstoff) zum Betrieb einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine tiefkalt (und somit im wesentlichen flüssig) gespeichert ist. Von diesem Kryo-Tank 11 führen eine erste Leitung 12, in der sich ein erstes Absperrventil 12a befindet, sowie eine zweite Leitung 13, in der ein zweites Absperrventil 13a vorgesehen ist, zu einer sog. Schleuse 14, die ein gegenüber dem Kryo-Tank 11 erheblich geringeres Volumen bildet und in dem bzw. der aus dem Kryo-Tank 11 entnommener Kraftstoff zwischengespeichert werden kann.
  • Aus der Schleuse 14 führt eine erste als Versorgungsleitung 15 bezeichnete Leitung zu einer (in 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine, genauer zu einer (in 1 ebenfalls nicht dargestellten) äußeren Gemischbildung derselben, in welcher unter Niederdruck aus der Schleuse 14 entnommener Kraftstoff mit Ansaugluft für die Brennkraftmaschine vermengt wird, ehe das so entstandene Luft-Kraftstoff-Gemisch den Brennräumen der Brennkraftmaschine zur Verdichtung und darauf folgenden Verbrennung zugeführt wird. Auf diese Kraftstoffentnahme und Gemischbildung unter Niederdruck wird an späterer Stelle noch näher eingegangen.
  • Aus der Schleuse 14 führt eine weitere, als Entnahmeleitung 16 bezeichnete Leitung, in der ein Absperrventil 16a vorgesehen ist, zu einem Druckbehälter 17, in dem ein Wärmetauscher 18 vorgesehen ist bzw. der entsprechend der Erläuterung an späterer Stelle mit einem Wärmetauscher 18 zusammenwirkt. Zwischen diesem Druckbehälter 17 und der Schleuse 14 ist noch eine Rückführleitung 19 vorgesehen, in der sich neben einem Absperrventil 19a ein Kompressor 19b befindet. Aus dem Druckbehälter 17 führt ferner eine zweite Versorgungsleitung 20 zur (in 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine, wobei über diese zweite Versorgungsleitung 20 die Brennkraftmaschine den Kraftstoff unter Hochdruck für eine Hochdruckeinblasung in ihren bzw. ihre bereits verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum bzw. Brennräume erhält.
  • Eingangs bereits erläutert wurde, dass der Hochdruck für die genannte Kraftstoff-Hochdruckeinblasung durch Erhitzung des Kraftstoffes erzeugt wird, und zwar im Druckbehälter 17 mittels des Wärmetauschers 18. Ebenfalls bereits erläutert wurde der Vorteil der Schleuse 14, nämlich dass in dieser nahezu keine Erwärmung des eingebrachten Kraftstoffs stattfindet, so dass sich auch keine negativen Auswirkungen durch die für die Druckerzeugung erforderliche Erhitzung des Kraftstoffs (im Druckbehälter 17) auf den Kryo-Tank 11 bzw. den darin befindlichen Kraftstoff einstellen.
  • Wie weiterhin bereits erläutert wurde, wird zunächst die (aufgrund eines vorangegangenen Prozess-Schrittes zumindest teilweise entleerte) Schleuse 14 über die Leitung 13 bei geöffnetem Absperrventil 13a mit Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 im wesentlichen vollständig befällt. Gleichzeitig wird das sich zunächst noch in der Schleuse 14 befindende warme und auf Tankdruck entspannte Kraftstoff-Gas über die erste Leitung 12 zumindest teilweise in den Kryo-Tank 11 überführt.
  • Nach vollständigem Neu-Befüllen der Schleuse 14 wird das Absperrventil 13a geschlossen und das Absperrventil 16a geöffnet, so dass sich zunächst ein Druckausgleich einstellt zwischen dem zunächst relativ geringen Druck in der Schleuse 14 und dem noch relativ hohen, jedoch für eine Hochdruckeinblasung in die Brennkraftmaschinen-Brennräume nicht mehr ausreichendem Druck im Druckbehälter 17. Dann gilt es, den Kraftstoff aus der Schleuse 14 durch die Entnahmeleitung 16 in den Druckbehälter 17, der im wesentlichen das gleiche Volumen wie die Schleuse aufweisen kann, im wesentlichen vollständig zu überführen, wozu jedoch eine treibende Kraft erforderlich ist, da zwischen dem Schleusenvolumen 14 und diesem Druckbehälter 17 keine Druckdifferenz vorliegt. Als genannte treibende Kraft kann nun der in der Rückführleitung 19 vorgesehene Kompressor 19b oder eine andere geeignete Fördervorrichtung fungieren, indem dieser (bzw. diese) bei geöffnetem Absperrventil 19a eine gewisse Menge von Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 in die Schleuse 14 fördert, was zur Folge hat, dass aus dieser frischer Kraftstoff über die Leitung 16 in den Druckbehälter 17 gelangt.
  • Alternativ (und somit abweichend von der Darstellung in 1) kann jedoch auch der Kompressor 19b kaltes Kraftstoff-Gas aus der Schleuse 14 in den Druckbehälter pumpen 17 und es wird dann als Folge warmes Kraftstoff-Gas aus dem Druckbehälter 17 in die Schleuse 14 gefüllt. Dieser eben genannte Vorschlag funktioniert etwas langsamer auch ohne Kompressor bzw. ohne eigenständige Fördervorrichtung analog einer Druckaufbauschleife. Im übrigen kann sich der Druckbehälter 17 geodätisch unterhalb der Schleuse 14 befinden, so dass beim Öffnen der entsprechenden Verbindungsleitungen auch ohne Kompressor bzw. Fördervorrichtung der kalte Kraftstoff aus der Schleuse 14 unter Schwerkrafteinfluss nach unten in den Druckbehälter 17 fließen und der warme Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 nach oben in das Schleusenvolumen 14 steigen wird.
  • Noch eine weitere Möglichkeit zum Fördern von kaltem Kraftstoff aus der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17 besteht darin, aus einer zusätzlichen (in 1 nicht dargestellten) Druckkammer eine geringe Menge von warmen Hochdruckkraftstoff in die Schleuse 14 einzuleiten. Dieser wird den kalten Kraftstoff in der Schleuse 14 erwärmen, wodurch sich dort ein leichter Überdruck aufbaut. Dadurch wird der kalte Kraftstoff aus der Schleuse 14 (über die Entnahmeleitung 16) in den Druckbehälter 17 gedrückt. Da sich beim Druckausgleich der Druck im Druckbehälter 17 absenkt, reicht es aus, die zusätzliche Druckkammer bspw. über ein Rückschlagventil mit Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 zu versorgen. Vorstellbar ist auch, eine solche zusätzliche Druckkammer zum Starten oder Beschleunigen einer im vorhergehenden Absatz genannten Druckaufbauschleife zu verwenden.
  • Nun sei also auf eine der beschriebenen Arten der Druckbehälter 17 mit zunächst kaltem Kraftstoff aus der Schleuse 14 vollständig befüllt, wonach sämtliche Leitungen 16, 19 und 20, die in den Druckbehälter 17 hinein bzw. aus diesem herausführen, durch Schließen der jeweiligen Absperrventile 16a, 19a usw. verschlossen bzw. gesperrt sind. Durch geeignete Wärmezu fuhr mittels des Wärmetauschers 18, worauf an späterer Stelle noch näher eingegangen wird, kann nun der Kraftstoff im Druckbehälter 17 stark erwärmt bzw. erhitzt werden, wodurch sich im Druckbehälter 17 ein für eine Hochdruckeinblasung in die Brennkraftmaschinen-Brennräume ausreichend hoher Kraftstoffdruck aufbaut. Eben unter diesem Hochdruck kann anschließend Kraftstoff über die zweite Versorgungsleitung 20 der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt werden, und zwar – wie gesagt – zur Hochdruckeinblasung direkt in deren Brennräume, die bereits zumindest teilweise verdichtetes Gas enthalten, d.h. unter innerer Gemischbildung.
  • Diese genannte Entnahme von Kraftstoff unter Hochdruck aus dem Druckbehälter 17 kann solange erfolgen, bis aufgrund der Entnahme und der daraus resultierenden Druckverringerung im Druckbehälter 17 in diesem kein für eine Hochdruckeinblasung ausreichender Druck mehr herrscht. Weiterer Kraftstoff zur Hochdruckeinblasung kann somit diesem Druckbehälter 17 nicht mehr entnommen werden, wenngleich sich noch eine gewisse Menge von Kraftstoff im Druckbehälter 17 befindet, allerdings unter niedrigerem Druck. Um dann die Hochdruckeinblasung von Kraftstoff in die Bennkraftmaschine weiter durchführen zu können, kann somit auf einen anderen, dem figürlich dargestellten Druckbehälter 17 parallel geschalteten Druckbehälter zugegriffen werden, so wie dies grundsätzlich bspw. aus der bereits mehrfach genannten DE 37 28 683 A1 bekannt ist.
  • Um den teilweise entleerten Druckbehälter 17 selbst wieder für die Hochdruckeinblasung verfügbar zu machen, muss in diesen frischer Kraftstoff letztlich aus dem Kryo-Tank 11 eingefüllt werden. Dies kann wie weiter oben bereits beschrieben erfolgen, nämlich indem bspw. bevorzugt mittels des Kompressors 19b zumindest ein Teil des noch im Druckbehälter 17 befindlichen, erwärmten Kraftstoff-Gases in die mit frischem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 befüllte Schleuse 14 gefördert wird, woraufhin aus dieser – wie bereits beschrieben wurde über die Entnahmeleitung 16 bei geöffnetem Absperrventil 16a – frisches, tiefkaltes Kraftstoff-Gas in den Druckbehälter 17 strömt.
  • Nachdem nun auf diese oder eine ähnliche weiter oben ebenfalls bereits beschriebene Weise der Druckbehälter 17 erneut mit frischem kalten Kraftstoff aus dem Kryotank befällt ist, setzt sich der geschilderte Prozess wie bereits beschrieben fort. Noch nicht beschrieben wurde jedoch, wie die Schleuse 14, in der sich gemäß der bisherigen Schilderung gegenüber dem kryogenen Kraftstoff relativ warmer gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 befindet, auf eine Neubefüllung mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank vorbereitet wird. Hierfür wird nun der zunächst in der Schleuse 14 befindliche, relativ warme gasförmige und dabei unter einem etwas niedrigeren, d.h. für eine Hochdruckeinblasung in die Brennkraftmaschinen-Brennräume nicht mehr ausreichendem Druck stehende Kraftstoff über die Versorgungsleitung 15 letztlich der Brennkraftmaschine quasi unter Niederdruck zur Verbrennung zugeführt, und zwar bevorzugt unter äußerer Gemischbildung. Dabei kann – wie bereits erwähnt wurde – durchaus zunächst eine Zwischenspeicherung in einem hierfür vorgesehenen Zwischenlagerungs-Behälter, der jedoch in der Figur nicht dargestellt ist, erfolgen.
  • Im übrigen kann auch ein Teil des aus dem Druckbehälter 17 nach Entnahme für die Hochdruckeinblasung nurmehr unter verringertem Druck vorliegenden und in die Schleuse 14 eingeleiteten Kraftstoff-Gases aus dieser heraus zumindest teilweise in den Kryo-Tank 11 zurückgeführt werden, und zwar bevorzugt in zeitlicher Übereinstimmung mit einem Umfüllen von frischem kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 in die Schleuse 14. Während für letzteres – wie bereits erläutert – die Leitung 13 mit dem Absperrventil 13a vorgesehen ist, erfolgt erstgenanntes über die Leitung 12 bei geöffnetem Absperrventil 12a. Im übrigen kann ein geringer Teil von frisch aus dem Kryo-Tank 11 entnommenem Kraftstoff zunächst zur Kühlung der Schleuse 14 verwendet und sodann aus dieser über die erste Versorgungsleitung 15 abgeführt werden, wobei zum Abkühlen der Schleuse 14 nur eine vergleichsweise geringe Menge von kryogenem Kraftstoff benötigt wird, da die Temperatur der Schleuse 14 bzw. deren Wandtemperatur aufgrund der Tatsache, dass diese keinen Wärmetauscher enthält, im geschilderten Prozessablauf lediglich geringfügig erhöht wird.
  • Auf dem Weg zur äußeren Gemischbildung kann der relativ, d.h. gegenüber kryogenem Kraftstoff zwar warme, absolut betrachtet jedoch immer noch kühle Kraftstoff im übrigen einen Wärmetauscher durchlaufen, über welchen die von der Brennkraftmaschine angesaugte Verbrennungsluft gekühlt und der Kraftstoff erwärmt wird, so wie dies bspw. in der DE 196 02 881 A1 beschrieben ist. Ein solcher Wärmetauscher kann somit in der ersten Versorgungsleitung 15 vorgesehen sein. Jedoch ist es auch möglich, dass das Kraftstoffgas kalt in das äußere Gemischbildungssystem eingeführt wird.
  • Insgesamt wird im soweit beschriebenen Prozess versucht, den kalten gasförmigen Kraftstoff aus der Schleuse 14 schnell in den Druckbehälter 17 zu füllen und dabei die Schleuse 14 mit warmem Kraftstoff-Gas aus dem Druckbehälter 17 zu befüllen. Zum Entleeren der Schleuse 14 kann dann einfach die Verbindungs-Leitung 12 zum Kryo-Tank 11 bzw. das in dieser vorgesehene Absperrventil 12a geöffnet werden. Da der hierdurch entstehende Druckanstieg im Kryo-Tank 11 mittels äußerer Gemischbildung der Brennkraftmaschine allerdings nur teilweise abgebaut werden kann, ist es günstiger, die Schleuse 14 direkt in die äußere Gemischbildung der Brennkraftmaschine oder in einen dieser äußeren Gemischbildung vorgelagerten Zwischenlagerungs-Behälter (der dann über die äußere Gemischbildung entleert wird) zu entleeren. Grundsätzlich sollen die geschilderten Vorgänge möglichst schnell erfolgen, damit die Wände der Schleuse 14 möglichst wenig Wärme aus dem aus dem Druckbehälter 17 eingeführten, relativ warmen Kraftstoff-Gas aufnehmen. Auf die beschriebene Weise kann der Wärmeeintrag in den Kryo-Tank 11 auch beim Spülen der Schleuse 14 gering gehalten werden, so dass die hierbei auftretende Druckerhöhung im Kryo-Tank 11 durch eine nachfolgende Flüssigentnahme von kryogenem Kraftstoff in die Schleuse 14 hinein kompensiert werden kann.
  • Was die Anordnung der Schleuse 14 insbesondere in Relation zum Kryo-Tank 11 betrifft, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schleuse 14 – so wie dies in der beigefügten 2 dargestellt ist – in Form eines geodätisch zumindest teilweise unterhalb des Kryo-Tanks 11 angeordneten und im wesentlichen von dessen Isolationsstruktur umhüllten Volumens ausgebildet ist. In dieser 2, die lediglich prinzipiell eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und dabei auch einen bevorzugten Druckbehälter 17 in erfindungsgemäßer Bauweise zeigt, auf dessen Aufbau an späterer Stelle noch näher eingegangen wird, sind für die bisher bereits in Verbindung mit 1 erläuterten Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
  • So erkennt man in 2 einen Eckbereich des Kryo-Tanks 11, der – wie üblich – nach außen hin von einer geeigneten Isolationsstruktur 21 umhüllt ist, um den eingefüllten kryogenen Kraftstoff zeitlich möglichst lange tiefgekühlt zu halten. Wie ersichtlich ist die vorhergehend in ihrer Funktion ausführlich erläuterte Schleuse 14 in die Isolationsstruktur 21 des Kryo-Tanks 11 eingebunden, d.h. ebenfalls von dieser umhüllt, soweit es sich um freie Außenseiten der Schleuse 14 handelt. Insgesamt kann somit die Schleuse 14 in die Isolationsstruktur 21 des Kryo-Tanks 11 integriert sein, wodurch sich ein besonders einfacher Aufbau ergibt. Jedoch sollte sich stets zwischen der Schleuse 14 und dem Kryo-Tank 11 eine Isolationsschicht befinden. Nicht figürlich dargestellt ist im übrigen eine weitere Schleuse, die – wie weiter oben erläutert wurde – neben der ersten Schleuse zeitlich versetzt betrieben wird.
  • Wie weiter ersichtlich ist, ist die Schleuse 14 zumindest teilweise bzw. im wesentlichen unterhalb des Kryo-Tanks 11 angeordnet, wodurch zum Befüllen der Schleuse 14 mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 einfach das Absperrventil 13a, das sich hier ebenso wie die Leitung 13 innerhalb des Kryo-Tanks 11 befindet, geöffnet werden muss. Unter Schwerkrafteinfluss kann dann Kraftstoff 11 aus dem Kryo-Tank 11 in das Schleusen-Volumen 14 gelangen, wobei das zunächst in der Schleuse 14 befindliche Kraftstoff-Gas über die erste Leitung 12 bei geöffnetem Absperrventil 12a in den Kryo-Tank 11 überführt wird. Im übrigen kann es notwendig sein, dass mehrere Schleusen parallel und phasenverschoben betrieben werden, um einen kontinuierlichen Betrieb der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, d.h. eine kontinuierliche Versorgung derselben mit Kraftstoff für eine Hochdruckeinblasung sicherzustellen. Wie bereits erwähnt wurde, können – was so figürlich nicht dargestellt ist – auch mehrere (zumindest zwei) zueinander phasenverschoben betriebene Druckbehälter erforderlich sein, ggf. auch mehrere der fakultativ genannten Druckkammern.
  • In 2 ist neben dem Druckbehälter 17, der sich durch eine besondere, eingangs bereits als erfindungswesentlich dargestellte und an späterer Stelle noch ausführlich erläuterte Bauart auszeichnet, und den bereits in Verbindung mit 1 erläuterten Leitungen 12, 13, 15, 16 und 20 eine Brennkraftmaschine 22 vereinfacht dargestellt. Von dieser Brennkraftmaschine 22 der Hubkolbenbauart ist ein vereinfachter Schnitt durch deren Gehäuse 22a gezeigt, innerhalb dessen in bekannter Weise ein Kolben 22b geführt ist, oberhalb dessen sich ein Brennraum 22c befindet. Über einen Einlasskanal 22d kann in diesen Brennraum 22c Verbrennungsluft oder ein brennbares Gemisch eingeleitet werden und über einen Auslasskanal 22e kann das nach der Verbrennung verbleibende Abgas aus dem Brennraum 22c abgeführt werden. Kraftstoff, der zusammen mit der Verbrennungsluft im Brennraum 22c verbrannt wird, kann entweder über eine Hochdruckeinblasung direkt in den bereits ein verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum 22c eingeleitet werden, und zwar über eine mit einem geeigneten Einblase-Ventil 20a versehene Versorgungsleitung 20, die bereits bei 1 erwähnt und dort als zweite Versorgungsleitung 20 bezeichnet wurde. Ebenfalls bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnt wurde eine erste Versorgungsleitung 15, über die eine äußere Gemischbildung für die Brennkraftmaschine 22 mit Kraftstoff versorgt wird, was hier in 2 vereinfacht durch ein Ventil 15a für äußere Gemischbildung dargestellt ist, das in eine der Brennkraftmaschine 22 zugeordnete Ansaugluftleitung 23 mündet, die ihrerseits in den bereits genannten Einlasskanal 22d der Brennkraftmaschine 22 mündet.
  • In Verbindung mit 1 bzw. den weiteren obigen Erläuterungen wurde bereits ein Wärmetauscher 18 genannt, der mit dem Druckbehälter 17 zusammenwirkt, um durch Wärmezufuhr an das im Druckbehälter 17 befindliche zunächst noch tiefkalte Kraftstoff-Gas dieses zu erwärmen und somit im Druckbehälter 17 den gewünschten Hochdruck aufzubauen, so dass für das Hochdruck-Einblase-Ventil 20a Kraftstoff unter ausreichendem Hochdruck zur Verfügung steht. Auch in 2 ist dieser Wärmetauscher 18 dargestellt, wobei auf den hier gezeigten Aufbau des Druckbehälters 17 in seinem Zusammenwirken mit dem Wärmetauscher 18 bereits eingangs eingegangen wurde und an späterer Stelle noch detailliert eingegangen wird.
  • Der Übersichtlichkeit halber ist in 2 eine ebenfalls bereits weiter oben erwähnte Aufladevorrichtung für den der Brennkraftmaschine 22 zugeführten Verbrennungsluftstrom nicht dargestellt, mit der dieser verdichtet und dabei erwärmt wird und somit gesteigert Wärme an den kryogenen Kraftstoff im Druckbehälter 17 abgeben kann, weshalb sich diese Aufladevorrichtung stromauf eines sog. Einlaufstutzens 18a des Wärmetauschers 18 befindet, durch den der Verbrennungsluftstrom für die Brennkraftmaschine 22 in den Wärmetauscher 18 eingeleitet wird. In diesem in 2 dargestellten Einlaufstutzen 18a ist die Strömungsrichtung des für die Brennkraftmaschine vorgesehenen Verbrennungsluftstromes durch Pfeile 24 dargestellt, wobei im weiteren für diesen Verbrennungsluftstrom selbst auch die Bezugsziffer 24 verwendet wird. Wie ersichtlich gelangt dieser Verbrennungsluftstrom 24 nach Austritt aus dem Wärmetauscher 18 in die bereits genannte Ansaugluftleitung 23, die zur Brennkraftmaschine 22 bzw. deren Einlasskanal 22d (bzw. im üblichen Fall einer mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine zu deren Einlasskanälen) führt.
  • Bereits erläutert wurde die besondere Bauweise des Wärmetauschers 18, die nun aus der Darstellung nach 2 – wenngleich abstrakt – noch besser hervorgeht, wobei sowohl auf eine optimale Integration im Druckbehälter 17 Wert gelegt wird, als auch der Tatsache Rechnung getragen wird, dass besondere Maßnahmen zur Steigerung des Wärmeübergangs zwischen dem Verbrennungsluftstrom 24 und dem kalten, im Druckbehälter 17 befindlichen Kraftstoff-Gas gewünscht sind. Wie ersichtlich ist daher der Druckbehälter 17 inklusive des Wärmetauschers 18 als ein zusammenhängendes, hier aus zwei konzentrischen, zum Teil endseitig geschlossenen Rohrstutzen 25a, 25b, sowie einem konzentrisch hierzu angeordneten äußeren Hüll-Rohr 25c bestehendes System ausgeführt, das auch als Verdampfungsbirne 25 bezeichnet wird, und das/die in 2 in einem Längsschnitt dargestellt ist. 3 zeigt perspektivisch einen Querschnitt durch diese Verdampfungsbirne 25.
  • Wie aus 3 hervorgeht, weist der innere Rohrstutzen 25a, dessen in 2 linke Stirnseite mit Ausnahme einer Eintrittsöffnung für die Entnahmeleitung 16, über die frischer Kraftstoff aus der Schleuse 14 in den Innenraum 26 des inneren Rohrstutzens 25a eingeleitet werden kann, geschlossen ist, eine relativ geringe Wandstärke auf, da dieser innere Rohrstutzen 25a lediglich Führungsaufgaben übernimmt und keinen Druck aufnehmen muss. Dabei ist das Volumen des Innenraumes 26 so dimensioniert, dass das aus der Schleuse 14 bei geöffnetem Absperrventil 16a austretende kryogene Kraftstoff-Gas vollständig aufgenommen werden kann.
  • Der den inneren Rohrstutzen 25a umschließende sog. äußere Rohrstutzen 25b bildet den eigentlichen Druckbehälter 17 und weist demzufolge eine vergleichsweise große Wandstärke auf, um den in diesem Druckbehälter entstehenden Hochdruck aufnehmen zu können. Die beiden Stirnseiten dieses mittleren Rohrstutzens 25b sind geschlossen, mit Ausnahme einer Übertrittsstelle für eine noch zu erläuternde Bypassleitung 27 in der in 2 rechtsseitigen Stirnwand 25b', sowie mit Ausnahme von Übertrittstellen für die zweite Versorgungsleitung 20 und die Rückführleitung 19 in der in 2 linksseitigen Stirnwand 25b'' des Rohrstutzens 25b. Ferner ist in der linksseitigen Stirnwand 25b'' noch eine Durchtrittsöffnung für die bereits genannte, in den Innenraum 26 des innersten Rohrstutzens 25a mündende Entnahmeleitung 16 vorgesehen. Weiterhin mündet in den diese Entnahmeleitung 16 ringförmig umgebenden und durch den mittleren Rohrstutzen 25b begrenzten Abschnitt 17' des Druckbehälters 17 nahe der linksseitigen Stirnwand 25b'' dieses Druckbehälters 17 bzw. dieses Rohrstutzens 25b die soeben genannte (und später noch erläuterte) Bypassleitung 27 sowie eine später noch erläuterte Neben-Rückführleitung 30.
  • Dabei fungiert insbesondere der soeben genannte ringförmige Abschnitt 17' des Druckbehälters 17, der bei der Darstellung nach 2 linksseitig von der Stirnwand 25b", außenseitig vom äußeren Rohrstutzen 25b und rechtsseitig von der linken geschlossenen Stirnseite des inneren Rohrstutzens 25a begrenzt wird, als Druckbehälter zur Aufnahme von Kraftstoff-Gas unter Hochdruck, wenngleich der im folgenden erläuterte Wärmetauscher 18, der durch einen Ringspalt 28 zwischen dem inneren Rohrstutzen 25a und dem äußeren Rohrstutzen 25b gebildet wird, teilweise, sowie der genannte Innenraum 26 des inneren Rohrstutzens 25a ebenfalls Bestandteile des Druckbehälters 17 sind.
  • Wie aus 2 hervorgeht, mündet linksseitig in einen Ringraum 29 der Verdampfungsbirne 25, dessen Innenwand von der Außenseite des äußeren Rohrstutzens 25b und dessen Außenwand von der Innenseite des Hüll-Rohres 25c gebildet wird, der bereits genannte Einlaufstutzen 18a des Wärmetauschers 18, so dass in diesen Ringraum 29 der danach über die Ansaugluftleitung 23 der Brennkraftmaschine 22 zugeführte Verbrennungsluftstrom 24 eingeleitet wird. Rechtsseitig in 2 schließt sich demzufolge über einen geeignet gestalteten Auslaufbereich an diesen Ringraum 29 die genannte Ansaugluftleitung 23 an. Der zwischen dem Einlaufstutzen 18a und dem genannten Auslaufbereich bzw. dem Beginn der Ansaugluftleitung 23 liegende Bereich des Ringraumes 29 kann somit den ersten Teil des Wärmetauschers 18 bilden, über den das im Druckbehälter 17 befindliche Kraftstoff-Gas erwärmt wird. Der damit zusammenwirkende zweite Teil dieses Wärmetauscher 18 wird im wesentlichen durch den bereits genannten, relativ schmalen Ringspalt 28 gebildet, der sich zwischen dem inneren Rohrstutzen 25a und dem äußeren Rohrstutzen 25b befindet und in den nahe der rechtsseitigen Stirnwand 25b' kryogenes Kraftstoff-Gas aus dem Innenraum 26 des inneren Rohrstutzens 25a einströmen kann.
  • Durch den besagten, relativ schmalen Ringspalt 28 strömt das kryogene Kraftstoff-Gas mit erhöhter Geschwindigkeit und dadurch verbessertem Wärmeübergang hindurch, während es gleichzeitig aufgewärmt wird. Dadurch wird nur eine vergleichsweise kleine Wärmeübertragungsfläche benötigt, und dennoch kann eine ausreichende Wärmemenge von außen, d.h. vom im Ringraum 29 geführten Verbrennungsluftstrom 24 durch die Rohr-Wand des mittleren Rohrstutzens 25b hindurch an das im Ringspalt 28 geführte Kraftstoff-Gas übertragen werden.
  • Damit dieser Ringspalt 28, der ungünstigerweise eine Drosselstelle bildet, nicht ein erwünschtes schnelles Einfüllen des Kraftstoff-Gases in den Druckbehälter 17 behindert, ist die bereits kurz erwähnte Bypass-Leitung 27 vorgesehen, die einen Parallelzweig zum Ringspalt 28 bildet und die das rechtsseitige freie Ende des inneren Rohrstutzens 25a mit dem bereits erläuterten ringförmigen Abschnitt 17' des Druckbehälters 17 (nahe der Stirnwand 25b'' liegend) verbindet und so die durch den Wärmetauscher 18 gebildete Drosselstelle durch ein Sperrventil 27a gesteuert überbrücken kann. Aus diesem genannten ringförmigen Abschnitt 17' des Druckbehälters 17 wird im übrigen über die zweite Versorgungsleitung 20 der über das Einblase-Ventil 20a der Brennkraftmaschine in Form von Hochdruckeinblasung zuzuführende Kraftstoff entnommen.
  • Indem der Innenraum 26 des inneren Rohrstutzens 25a quasi als Einlaufvolumen fungiert und sozusagen in das Zentrum beschriebenen Wärmetauschers 18 integriert ist, ist die Nachförderung von Kraftstoff in den Ringspalt, 28 des Wärmetauschers 18 sichergestellt. Dies dank der Tatsache, dass nach einer Aufheizung des Kraftstoffs im Ringspalt 28 der zentraler liegende, dünne und damit gut wärmeleitende innere Rohrstutzen 25a ebenfalls aufgeheizt wird. Dieser im wesentlichen als Führungsrohr fungierende Rohrstutzen 25a heizt nun seinerseits das im Innenraum 26 befindliche Kraftstoff-Gas auf, wodurch sich dessen Dichte verringert und so der Weitertransport in und durch den eigentlichen Wärmetauscher 18, nämlich den Ringspalt 28 veranlasst wird. Dabei strömt vorteilhafterweise (wie aus 2 ersichtlich ist) das zu erwärmende Kraftstoff-Gas in entgegengesetzter Richtung zum abzukühlenden, durch den Ringraum 29 geführten Verbrennungsluftstrom 24, was einen guten Wärmetauscher-Wirkungsgrad zur Folge hat, wobei noch erwähnt sei, dass die Wandstärke des äußeren Hüll-Rohres 25c relativ gering sein kann, nachdem dort nur ein geringer Überdruck, nämlich der durch die vorgeschaltete Aufladevorrichtung erzeugte Druck im Verbrennungsluftstrom 24 vorliegt.
  • Die soweit vorgeschlagene Gestaltung des Wärmetauschers 18 in Verbindung mit dem Druckbehälter 17 zeichnet sich zum einen durch geringen Platzbedarf aus, u.a. indem der Inhalt des Schleusen-Volumens 14 im zentralen Innenraum 26 dieser sog. Verdampfungsbirne 25 gesammelt werden kann. Ferner lässt sich diese Verdampfungsbirne 25 mit relativ geringem Gewicht bauen, denn es wird nur der äußere Rohrstutzen 25b mit Hochdruck beaufschlagt. Dabei ermöglicht die Bypassleitung 27 eine schnelle, ungedrosselte Umfüllung des Inhalts der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17, wobei sich gleichzeitig ein guter Wärmeübergang auch zum Kraftstoff-Gas aufgrund des engen Ringspalts 28 einstellt. Das System zeichnet sich ferner durch hohe Sicherheit aus, da ein Ausströmen von Kraftstoff auch bei einer Verletzung des Hüll-Rohres 25c ausgeschlossen ist. Im übrigen wird jegliche Vereisung an der System-Außenfläche vermieden, nachdem das kalte Medium im Zentrum und das warme Medium ringförmig um das kalte Medium herum geführt ist, wobei vorteilhafterweise praktisch die gesamte Kryokälte zur Kühlung des Verbrennungsluftstromes 24 der Brennkraftmaschine 22 verwendet werden kann.
  • In 2 ist im übrigen eine andere Variante zur Bildung eines treibenden Gefälles zwischen der Schleuse 14 und dem Druckbehälter 17 dargestellt als in 1, wenngleich die in 2 dargestellte Variante im Zusammenhang mit der Beschreibung zu 1 bereits erwähnt wurde. Wie 2 zeigt ist nämlich in einer bzw. der weiter oben bereits genannten, vom Druckbehälter 17 abgehenden Neben-Rückführleitung 30 (stromab eines selbstverständlich erforderlichen Absperrventils 30a) eine Druckkammer 31 vorgesehen, die ihrerseits über ein weiteres Absperrventil 31a von der Rückführleitung 19 getrennt werden kann. In dieser Druckkammer 31 kann eine geringe Menge von warmen Hochdruck-Kraftstoff zunächst gespeichert und bei einem gewünschten Überführen von kryogenem Kraftstoff aus der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17 in die Schleuse 14 eingeleitet werden, und zwar bei geöffneten Absperrventil 31a. Dort in der Schleuse 14 wird dieser warme Hochdruck-Kraftstoff den in der Schleuse 14 vorhandenen kryogenen Kraftstoff geringfügig erwärmen, wodurch sich ein leichter Überdruck aufbaut. Dadurch wird der kalte Kraftstoff aus der Schleuse 14 über die Entnahmeleitung 16 in den Druckbehälter 17 gedrückt.
  • In diesem Zusammenhag nochmals auf die Schleuse 14 sowie deren Funktion zurückkommend ermöglicht diese, das Verhältnis der Kraftstoffmenge, die der Brennkraftmaschine durch Hochdruck-Einblasung zugeführt werden kann, zu derjenigen Kraftstoffmenge, die unter Niederdruck der äußeren Gemischbildung zugeführt werden muss, deutlich zu steigern, woraus auch eine Wirkungsgradsteigerung der Brennkraftmaschine resultiert. In gleicher Richtung wirkt der Einsatz des verdichteten Verbrennungsluftstromes 24 als Wärmequelle für den im Druckbehälter zu erwärmenden Kraftstoff, da durch die damit verbundene Abkühlung der Brennkraftmaschinen-Verbrennungsluft die Brennraumfüllung weiter erhöht wird. Vorteilhaft ist ferner, dass für Druckerzeugung im Druckbehälter 17 keine Nutzleistung benötigt wird. Als funktionale Vorteile sind zu nennen, dass eine Beheizung des Druckbehälters 17 beim Umfüllen des kryogenen Gases von der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17 nicht unterbrochen werden muss, was eine kontinuierliche Wärmezufuhr und somit auch eine kontinuierliche Kühlung des Verbrennungsluftstromes 24 der Brennkraftmaschine ermöglicht. Ferner ist lediglich ein einziger Wärmetauscher 18 zur Beheizung des kryogenen Kraftstoff-Gases erforderlich, da die Hochdruckerzeugung an nur einer Stelle erfolgen kann und der Hochdruck ohne wesentlichen Verlust auch auf ggf. mehrfach vorhandene Schleusen übertragen werden kann. Damit hält sich der apparative Aufwand in Grenzen, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details auch abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
  • 11
    Kryo-Tank
    12
    erste Leitung, mit Absperrventil 12a
    13
    zweite Leitung, mit Absperrventil 13a
    14
    Schleuse / Schleusen-Volumen
    15
    erste Versorgungsleitung
    15a
    Ventil für äußere Gemischbildung
    16
    Entnahmeleitung, mit Absperrventil 16a
    17
    Druckbehälter
    17'
    ringförmiger Abschnitt (von 17)
    18
    Wärmetauscher
    18a
    Einlaufstutzen (von 18)
    19
    Rückführleitung, mit Absperrventil 19a
    19b
    Kompressor
    20
    zweite Versorgungsleitung
    20a
    Einbase-Ventil / Hochdruck-Einblase-Ventil
    21
    Isolationsstruktur (des Kryo-Tanks 11)
    22
    Brennkraftmaschine
    22a
    Gehäuse (von 22)
    22b
    Kolben (von 22)
    22c
    Brennraum (von 22)
    22d
    Einlasskanal
    22e
    Auslasskanal
    23
    Ansaugluftleitung (für 22, in 22d mündend)
    24
    Verbrennungsluftstrom bzw. dessen Strömungsrichtung
    25
    Verdampfungsbirne
    25a
    innerer, linksseitig geschlossener, rechtsseitig offener Rohrstutzen
    25b
    äußerer, den Druckbehälter 17 bildender Rohrstutzen
    25b'
    rechtsseitige (in Fig. 2) Stirnwand des Rohrstutzens 25b
    25b''
    linksseitige (in Fig. 2) Stirnwand des Rohrstutzens 25b
    25c
    Hüll-Rohr (den Verbrennungsluftstrom 24 führend)
    26
    Innenraum des Rohrstutzens 25a
    27
    Bypassleitung mit Sperrventil 27a
    28
    Ringspalt zwischen 25a und 25b
    29
    Ringraum zwischen 25b und 25c
    30
    Neben-Rückführleitung, mit Absperrventil 30a
    31
    Druckkammer, mit Absperrventil 31a

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine (22), wobei zumindest ein Teil des Kraftstoffs durch Hochdruckeinblasung in den bereits verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum zur Verbrennung zugeführt wird und wobei der für, die Hochdruckeinblasung erforderliche Druck in einem Druckbehälter (17) erzeugt wird, in den letztlich aus einem Kryo-Tank (11) kryogener Kraftstoff eingeleitet und dort erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (17) mit einem Wärmetauscher (18) versehen und in Form einer sog. Verdampfungsbirne (25) ausgebildet ist, die im wesentlichen ein Hüll-Rohr (25c) aufweist, innerhalb dessen der durch zwei im wesentlichen konzentrisch angeordnete Rohrstutzen (25a, 25b), von denen der äußere (25b) mit Ausnahme von Verbindungsleitungen endseitig geschlossen ist, gebildete Druckbehälter (17) angeordnet ist, und wobei der aus dem Kryo-Tank (11) zugeführte Kryo-Kraftstoff zunächst in den Innenraum (26) des inneren Rohrstutzens (25a) gelangt und von diesem aus durch einen Ringspalt (28) zwischen diesem und dem äußeren Rohrstutzen (25b) strömt, der seinerseits außenseitig vom innerhalb des Hüll-Rohres (25c) geführten warmen Medium umströmt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüll-Rohr (25c) den äußeren Rohrstutzen (25b) im wesentlichen konzentrisch umgibt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckbehälter (17) in Form konzentrischer Rohrstutzen (25a, 25b) nebeneinander im Hüll-Rohr (25c) angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (27) zum Ringspalt (28) zwischen den beiden Rohrstutzen (25a, 25b) des Druckbehälters (17) vorgesehen ist, die im wesentlichen die beiden Enden dieses Druckbehälters (17) miteinander verbindet.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, dass als warmes Medium die stromauf des Wärmetauschers (18) in einer Aufladevorrichtung verdichtete und nach Verlassen des Wärmetauschers (18) der Brennkraftmaschine (22) zugeführte Verbrennungsluft (24) verwendet wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Teil des Kraftstoffs unter Niederdruck, insbesondere unterer äußerer Gemischbildung, in den Brennraum der Brennkraftmaschine (22) gelangt, indem aus dem teilweise entleerten Druckbehälter (17) vor einem Neubefüllen desselben mit kryogenem Kraftstoff zumindest ein Teil des nach Entnahme für die Hochdruckeinblasung in diesem nur unter verringertem Druck vorliegenden Kraftstoffes der Brennkraftmaschine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kryo-Tank (11) und dem Druckbehälter (17) eine Schleuse (14) vorgesehen ist, in die zunächst über ein erstes Absperrventil (13a) steuerbar eine gewisse Menge von kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank (11) eingeleitet und aus der anschließend über ein zweites Absperrventil (16a) steu erbar eine gewisse Menge von kryogenem Kraftstoff in den Druckbehälter (17) überführt werden kann, wobei zumindest ein Teil des im Druckbehälter (17) nach Entnahme für die Hochdruckeinblasung nurmehr unter verringertem Druck vorliegenden Kraftstoff-Gases zurück in die Schleuse (14) eingeleitet und aus dieser heraus zumindest teilweise der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung von kryogenem Kraftstoff aus der Schleuse (14) in den Druckbehälter (17) eine gleichzeitig aus letztgenanntem Kraftstoff in die Schleuse (14) überführende Fördervorrichtung, insbesondere in Form eines Kompressors (19b), vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuse (14) geodätisch oberhalb des Druckbehälters (17) angeordnet ist und/oder die Schleuse (14) geodätisch zumindest teilweise unterhalb des Kryo-Tanks (11) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördervorrichtung für kryogenen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank (11) in die Schleuse (14) vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuse (14) im wesentlichen von der Isolationsstruktur (21) des Kryo-Tanks (11) umhüllt ist.
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