DE10247505A1

DE10247505A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff

Info

Publication number: DE10247505A1
Application number: DE10247505A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. Schnagl; Gerd MÜLLER-ALANDER; Norbert Dr. Brehm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kryo-Tank, mit einer mit diesem über zumindest zwei absperrbare Leitungen verbundenen Schleuse sowie mit einem mit dieser über zumindest zwei absperrbare Leitungen verbundenen Druckbehälter, in welchem der dahinein aus der Schleuse überführte Kraftstoff insbesondere durch Wärmezufuhr auf einen höheren Druck gebracht werden kann. Erfindungsgemäß ist das Volumen der Schleuse durch eine bewegliche Trennwand in zumindest zwei Teil-Volumina unterteilt, von denen jedes über jeweils eine der genannten Leitungen mit dem Kryo-Tank und dem Druckbehälter verbunden ist. Eine weitere Leitung verbindet dasjenige Teilvolumen, an das ein Austritt des als Druckbehälter fungierenden Wärmetauschers angeschlossen ist, mit einem Sammler, von dem aus die äußere Gemischbildung mit Niederdruck-Kraftstoff versorgt wird. Bevorzugt ist die bewegliche Trennwand mittels eines Antriebs positionierbar. Dabei kann die bewegliche Trennwand in Form eines Kolbens ausgebildet sein und/oder als ein Kolben innerhalb der dann einen Zylinder darstellenden und den Kolben führenden Schleuse fungieren. Bevorzugt ist der Kolben thermisch isoliert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von knogenem Kraftstoff, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kno-Tank, mit einer mit diesem über zumindest zwei absperrbare Leitungen verbundenen Schleuse, sowie mit einem mit dieser über zumindest zwei absperrbare Leitungen verbundenen Druckbehälter, in welchem der dahinein aus der Schleuse überführte Kraftstoff insbesondere durch Wärmezufuhr auf einen höheren Druck gebracht werden kann, wobei die Schleuse auch mit einem Niederdruck-Kraftstoff-Sammler zur Versorgung der Brennkraftmaschine verbindbar ist. Dabei geht die vorliegende Patentanmeldung insbesondere von der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102 32 521.9 aus, auf deren Inhalt mit der vorliegenden Anmeldung ausdrücklich Bezug genommen wird, wenngleich die vorliegende Anmeldung ausdrücklich nicht auf das in der deutschen Patentanmeldung 102 32 521.9 beschriebene Verfahren sowie die entsprechende Vorrichtung beschränkt ist.

In der genannten, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung ist ein Verfahren zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine beschrieben, wobei ein Teil des Kraftstoffs unter Niederdruck und insbesondere unterer äußerer Gemischbildung in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt und wobei ein weiterer Teil des Kraftstoffs durch Hochdruckeinblasung in den bereits verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum zur Verbrennung zugeführt wird. Dabei wird der für die Hochdruckeinblasung erforderliche Druck in einem Druckbehälter erzeugt, in den letztlich aus einem Kno-Tank kryogener Kraftstoff eingeleitet und insbesondere mittels eines Wärmetauschers erwärmt wird, wobei aus dem teilweise entleerten Druckbehälter vor einem Neubefüllen mit kryogenem Kraftstoff zumindest ein Teil des nach Entnahme für die Hochdruckeinblasung nurmehr unter verringertem Druck vorliegenden Kraftstoffes letztlich der Brennkraftmaschine unter Niederdruck zur Verbrennung zugeführt wird. Dies ist soweit aus der DE 37 28 638 A1 bekannter Stand der Technik. In der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung 102 32 521.9 ist zwischen dem Kryo-Tank und dem Druckbehälter eine sog. Schleuse vorgesehen, in die zunächst über ein erstes Absperrventil steuerbar eine gewisse Menge von kryogenem Gas aus dem Kryo-Tank eingeleitet und aus der anschließend über ein zweites Absperrventil steuerbar eine gewisse Menge von kryogenem Gas in den Druckbehälter überführt wird.

Der besondere Vorteil dieser Schleuse besteht 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.

Bevor auf die Aufgabe eingegangen wird, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, sei zunächst das in der bereits mehrfach genannten, deutschen Patentanmeldung 102 32 521.9 beschriebene Verfahren kurz erläutert:
Zunächst sei das Schleusenvolumen mit frischem kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befüllt, wonach dieser kalte Kraftstoff aus der Schleuse über eine sog. Entnahme-Leitung in den besagten Druckbehälter umgefüllt werden soll, um dort dann zur Druckerhöhung geeignet erwärmt zu werden. Dabei befindet sich jedoch zunächst im Druckbehälter noch eine Restmenge von erwärmten Kraftstoff, dessen Druck für eine Hochdruckblasung in die Brennräume der Brennkraftmaschine nicht mehr ausreicht. Diese Restmenge von Kraftstoff wird bspw. mittels eines Kompressors aus dem Druckbehälter über eine sog. Rückführ-Leitung in die Schleuse überführt, so dass parallel frischer Kraftstoff aus der Schleuse in den Druckbehälter verdrängt wird bzw. gelangen kann. Ist dieser dann mit zunächst kaltem Kraftstoff aus der Schleuse vollständig befüllt, wird durch geeignete Wärmezufuhr der Kraftstoff im Druckbehälter stark erwärmt, wodurch sich im Druckbehälter ein hoher Kraftstoffdruck aufbaut. Eben unter diesem Hochdruck kann anschließend der Kraftstoff der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt werden, und zwar bevorzugt zur Hochdruckeinblasung direkt in deren Brennräume, die bereits zumindest teilweise verdichtetetes Gas enthalten, d.h. unter innerer Gemischbildung. Diese genannte Entnahme von Kraftstoff unter Hochdruck aus dem Druckbehälter kann dabei solange erfolgen, bis aufgrund der Entnahme und der daraus resultierenden Druckverringerung im Druckbehälter in diesem kein für eine Hochdruckeinblasung ausreichender Druck mehr herrscht. Weiterer Kraftstoff zur Hochdruckeinblasung kann somit diesem Druckbehälter nicht mehr entnommen werden, wenngleich sich noch eine gewisse Menge von Kraftstoff im Druckbehälter befindet, allerdings unter niedrigerem Druck, wie dies zu Beginn dieses Absatzes bereits erwähnt wurde.

Um dann die Schleuse, in der sich gemäß der bisherigen Schilderung gegenüber dem kryogenen Kraftstoff relativ warmer gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckbehälter befindet, auf eine Neubefüllung mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank vorzubereiten, kann der in der Schleuse befindliche, relativ warme gasförmige und dabei unter einem Druck, der für eine Hochdruckeinblasung in die Brennkraftmaschinen-Brennräume nicht mehr ausreicht, stehende Kraftstoff letztlich der Brennkraftmaschine unter Niederdruck zur Verbrennung zugeführt werden, und zwar bevorzugt unter äußerer Gemischbildung. Um danach im Rahmen einer Neubefüllung der Schleuse mit frischem Kraftstoff aus dem Knotank eine gewünschte im wesentlichen vollständige Befüllung der Schleuse zu gewährleisten, kann neben einer für die Überleitung von frischem Kryo-Kraftstoff vorgesehenen Leitung eine weitere sog. Entlüftungs-Leitung, die von der Schleuse in den Kryo-Tank zurückführt, geöffnet werden.

In der genannten deutschen Patentanmeldung 102 32 521.9 ist noch erwähnt, dass zumindest zwei Schleusen zeitlich versetzt nebeneinander betrieben werden können, um diesen geschilderten Prozessablauf für die Brennkraftmaschine bzw. bezüglich des Druckspeichers quasi kontinuierlich gestalten zu können. 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 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.

Beim soweit geschilderten (internen) Stand der Technik ist innerhalb der Schleuse keine Trennung zwischen dem frisch eingeleiteten kryogenen Kraftstoff und dem aus dem Druckbehälter überführten relativ warmen Kraftstoff gegeben, so dass beim später erfolgenden Umfüllen von der Schleuse in den Druckbehälter ein gewünschtes vollständiges Umfüllen des kalten Wasserstoffs aus der Schleuse in den Druckbehälter praktisch nicht möglich ist. Damit kann der aus der Schleuse in den Druckbehälter umgefüllte Kraftstoff nachteiligerweise eine höheren Ausgangstemperatur aufweisen, was eine höhere Wärmemenge erforderlich macht, um dann im Druckbehälter den gewünschten Druck zu erreichen.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Schleuse durch eine bewegliche Trennwand in zumindest zwei Teil-Volumina unterteilt ist, von denen jedes über jeweils eine der genannten Leitungen mit dem Kryo-Tank und dem Druckbehälter verbunden ist.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Insbesondere ist dabei das eine Teil-Volumen der Schleuse einerseits über eine mit einem Absperrventil versehene Leitung mit einer Ausfluss-Öffnung des Kryo-Tanks und andererseits über eine mit einem Absperrventil versehene Entnahme-Leitung mit einer Eingangsöffnung des Druckbehälters verbunden ist, während das andere Teil-Volumen der Schleuse einerseits über eine mit einem Absperrventil versehene Leitung mit einer Entlüftungs-Öffnung des Kryo-Tanks und andererseits über eine mit einem Absperrventil versehene Rückführ-Leitung mit einem Austritt des Druckbehälters und über eine mit einem Absperrventil versehene Versorgungs-Leitung mit dem Niederdruck-Kraftstoff-Sammler verbunden ist.

Eine erfindungsgemäß vorgesehene Trennwand innerhalb der Schleuse ermöglicht es, den aus dem Kryo-Tank eingebrachten frischen kryogenen Kraftstoff vom aus dem Druckbehälter eingebrachten relativ wärmeren Kraftstoff im wesentlichen vollständig zu trennen und somit eine unerwünschte Vermischung dieser beiden Kraftstoff-Mengen zu vermeiden. Da sich die einzelnen Volumina während der Zufuhr bzw. Abfuhr dieser beiden Kraftstoff-Mengen ändern, wird weiterhin vorgeschlagen, diese Trennwand beweglich zu gestalten. Um dabei einen nachteiligen Wärmeübergang zwischen den beiden voneinander wünschenswerterweise zu trennenden Kraftstoff-Mengen weitestgehend zu verhindern, kann die besagte Trennwand geeignet thermisch isoliert sein.

Auf beiden Seiten der innerhalb des Schleusen-Volumens vorgesehenen beweglichen Trennwand befinden sich somit Teilvolumina, von denen jedes in der beschriebenen Weise über eine jeweils erste Leitung mit dem Kryo-Tank verbunden ist und über eine jeweils zweite Leitung mit dem Druckbehälter verbunden ist. Dann kann bspw. das erste Teil-Volumen der Schleuse über seine erste Leitung mit frischem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befällt werden, während praktisch gleichzeitig aus dem zweiten Teil-Volumen der Schleuse der zunächst darin befindliche relativ warme Kraftstoff im wesentlichen Umfang der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann (und zwar unter Niederdruck bevorzugt unter äußerer Gemischbildung), wonach noch eine restliche Entlüftung dieses zweiten Teil-Volumens in den Kryo-Tank hinein erfolgen kann, und zwar über dessen (ebenfalls) erste Leitung. In einem anschließenden Verfahrensschritt kann der frische Kryo-Kraftstoff aus dem ersten Teil-Volumen der Schleuse über dessen zweite Leitung in den Druckbehälter überführt werden, während praktisch gleichzeitig aus diesem relativ warmer Kraftstoff dem zweiten Teil-Volumen der Schleuse über dessen zweite Leitung zugeführt werden kann.

Bei diesen geschilderten Umschichtungsprozessen kann nun aufgrund der beweglichen Trennwand in der Schleuse keine Vermischung der jeweiligen Kraftstoff-Mengen erfolgen. Wie aus der bisherigen Schilderung hervorgeht, kann das in der bereits mehrfach genannten, deutschen Patentanmeldung 102 32 521.9 beschriebene Verfahren nunmehr vorteilhafterweise mittels einer einzigen Schleuse durchgeführt werden, indem diese intern in (zumindest) zwei mittels der beweglichen Trennwand veränderliche Teil-Volumina untereilt ist. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung des Bauaufwands. Insbesondere die Zahl der benötigten Sperr-Ventile in 'den einzelnen Leitungen, die aufgrund der Kryo-Technik sehr aufwändig sind, wird hierdurch so gering als möglich gehalten.

Nochmals auf die bereits mehrfach genannte deutsche Patentanmeldung 102 32 521.9 zurückkommend ist darin auch erwähnt, dass ein Umfüllvorgang aus dem Kryo-Tank in die Schleuse mit Schwerkraft betrieben werden kann. Dann lassen sich jedoch keine kurzen Zykluszeiten verwirklichen, so dass vergleichsweise große Schleusen-Behälter erforderlich sind, die infolge der hohen Druckbelastung sehr schwer werden. Das große Volumen der Schleuse führt weiterhin zu einem vergleichsweise hohen Systemdruckabfall beim Druckausgleich mit dem Druckbehälter, der nur durch einen zusätzlichen Pufferspeicher verringert werden kann. Vorgeschlagen wurde auch bereits eine Unterstützung des Umfüllvorgangs durch ein Fördergebläse, jedoch stellt dieses einen nicht unerheblichen Mehraufwand dar.

Auch diese Problematik kann erheblich entschärft werden, wenn die vorgeschlagene bewegliche Trennwand mittels eines Antriebs geeignet positionierbar ist, den jeweiligen Verhältnissen entsprechend verschoben werden kann. Dabei kann diese bewegliche Trennwand im Rahmen einer vorteilhaften Ausbildung in Form eines Kolbens ausgebildet sein und/oder als ein Kolben innerhalb der dann einen Zylinder darstellenden und den Kolben führenden Schleuse fungieren. Dabei muss jedoch die Schleuse mit dem beweglichen Kolben (bzw. allgemein mit der beweglichen Trennwand) nicht als Pumpe betrieben werden, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag, sondern es kann der Kolben (bzw. die Trennwand) nur im druckausgeglichenem Zustand mit sehr wenig Arbeitsleistung bewegt werden.

Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird auf die beigefügte einzige Figur verwiesen, die abstrahiert ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. Erfindungswesentlich können dabei sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein.
Mit der Bezugsziffer 11 ist 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 bzw. von einer an diesem oben liegenden sog. Entlüftungsöffnung 11b führt eine erste Leitung 12, in der sich ein erstes Absperrventil 12a befindet, zu einer sog. Schleuse 14 und es führt von einer sog. Ausfluss-Öffnung 11a des Kryo-Tanks 11 eine zweite Leitung 13, in der ein zweites Absperrventil 13a vorgesehen ist, ebenfalls in die Schleuse 14. Diese Schleuse 14, in der bzw. aus dem Kryo-Tank 11 entnommener Kraftstoff zwischengespeichert werden kann, bildet ein gegenüber dem Kryo-Tank 11 erheblich geringeres Volumen.
Aus der Schleuse 14 führt eine erste als Versorgungs-Leitung 15 bezeichnete Leitung zu einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, genauer zu einem sog. Niederdruck-Kraftstoff-Sammler 32 zur Versorgung einer äußeren Gemischbildung der Brennkraftmaschine, in der dann 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. In dieser Versorgungs-Leitung 15 ist ein Absperr-Ventil 15a vorgesehen.
Stromauf dieses Abperrventils 15a zweigt von der Leitung 15 eine Leitung 19 ab, so dass diese auch als Rückführ-Leitung 19 bezeichnete Leitung 19 praktisch in die Schleuse 14 hineinführt (oder aus dieser herausführt,) wobei in dieser Leitung 19 ebenfalls ein Absperrventil 19a vorgesehen ist. Die Rückführ-Leitung 19 ist mit einem Druckbehälter 17, genauer mit einem Austritt 17c desselben verbunden, in dem ein Wärmetauscher 18 vorgesehen ist bzw. der mit einem Wärmetauscher 18 zusammenwirkt. In einer konkreten (hier nicht dargestellten Ausführungsform kann ein geeignet gestalteter Wärmetauscher dabei den Druckbehälter 17 bilden. Zwischen dem Druckbehälter 17 bzw. einer Eingangsöffnung 17a desselben und der Schleuse 14 ist noch eine sog. Entnahme-Leitung 16 vorgesehen, in der sich ein Absperrventil 16a befindet. Aus einer Abgabeöffnung 17b des Druckbehälter 17 führt ferner eine zweite Versorgungsleitung 20 zur bereits genannten, 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.
Das Volumen, d.h. der Rauminhalt der Schleuse 14 ist wie ersichtlich durch eine bewegliche Trennwand 40 in Form eines Kolbens, für den im weiteren ebenfalls die Bezugsziffer 40 verwendet wird, in zwei Teil-Volumina 14a, 14b unterteilt, wobei dieser Kolben 40 innerhalb der dann einen Zylinder darstellenden und den Kolben 40 führenden Schleuse 14 in bzw. gegen Pfeilrichtung 43 längsverschiebbar ist. In das in der Figurendarstellung oberhalb der Trennwand 40 bzw. des Kolbens 40 liegende Teil-Volumen 14a, das durch eine Längsverschiebung des Kolbens 40 gemäß Pfeilrichtung 43 nach unten vergrößerbar ist, münden die Leitungen 12 und 15 bzw. 19. In das in der Figurendarstellung unterhalb der Trennwand 40 bzw. des Kolbens 40 liegende Teil-Volumen 14b, das durch eine Längsverschiebung des Kolbens 40 gemäß Pfeilrichtung 43 nach unten verkleinert werden kann, münden die Leitungen 13 und 16.
Die Funktionsweise dieser Vorrichtung bzw. der entsprechend gestalteten Schleuse ist dann wie folgt: Zunächst befinde sich – wie figürlich dargestellt – der Kolben 40 in seinem oberen Totpunkt, wobei das obere Teil-Volumen 14a der Schleuse 14 minimiert und somit praktisch geleert ist, während das untere Teilvolumen 14b seine maximale Größe besitzt und mit frischem kryogenen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 befüllt sei bzw. vollständig befüllt worden sei. Anschließend werden die zuvor noch offenen Absperrventile 12a und 13a geschlossen. Von den zunächst geschlossenen Absperrventilen 15a, 16a, 19a wird anschließend das Absperrventil 19a geöffnet, wonach sich der Kolben 40 geringfügig in Pfeilrichtung 43 bewegt und sich hierbei ein Druckausgleich einstellen wird. Wenn nun daraufhin auch die zweite Verbindung zwischen der Schleuse 14 und dem Druckbehälter 17, nämlich die Entnahme-Leitung 16 durch Öffnen des Absperrventils 16a freigeschaltet wird, dann kann der Kolben 40 mit geringer Kraft gemäß Pfeilrichtung 43 nach unten bewegt werden. Auf diesem Weg zu seinem unteren Totpunkt verdrängt der Kolben 40 den frischen kryogenen Kraftstoff aus dem Teil-Volumen 14b in den Druckbehälter 17, während im Gegenzug aus diesem relativ warmer Kraftstoff geringerer Dichte aus dem Druckbehälter 17 in das obere Teil-Volumen 14a der Schleuse 14 gelangt.
Anschließend werden die Absperrventile 16a und 19a geschlossen und das Absperrventil 15a geöffnet, so dass aus dem oberen Teil-Volumen 14a der Schleuse 14 Kraftstoff letztlich an die Brennkraftmaschine abgegeben, d.h. letztlich in die äußere Gemischbildung der Brennkraftmaschine befördert werden kann. Bevorzugt .ist dabei ein sog. Niederdruck-Kraftstoff-Sammler 32 zwischengeschaltet, d.h. in die Versorgungsleitung 15 stromab des Absperrventils 15a integriert. Wenn schließlich der in den beiden Teil-Volumina 14a, 14b herrschende Druck auf die Höhe des im Kryo-Tank 11 herrschenden Drucks abgesunken ist, können die beiden Leitungen 12 und 13 durch Öffnen der Absperrventile 12a und 13a geöffnet und somit Verbindungen sowohl zwischen dem Teilvolumen 14a und dem Kryo-Tank 11 als auch zwischen dem Teilvolumen 14b und dem Kryo-Tank 11 hergestellt werden, wobei der Kolben 40 langsam gegen Pfeilrichtung 43 nach oben bewegt wird. Dabei wird das untere Teil-Volumen 14b mit frischem knogenen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 befällt, wonach der Ausgangszustand wieder erreicht ist.
In der Figur lediglich symbolisch dargestellt ist ein Kurvenscheibengetriebe 42, welches über einen Antrieb 41 (hier in Form eines Schneckenantriebs) angetrieben wir und mit Hilfe dessen der Kolben 40 über seine Kolbenstange 40a in der gewünschten, beschriebenen Weise innerhalb der Schleuse 14 bzw. dem entsprechenden Zylinder verschoben werden kann. Alternativ kann der Kolben 40 anstelle des Kurvenscheibengetriebes 42 aber auch über einen Linearmotor oder einen Spindeltrieb (als Antrieb 41) angetrieben werden. In allen Fällen ist eine freie Wahl des Kolbenweg-Zeit-Gesetzes möglicht, wobei in den beiden letztgenannten zum Antrieb ein drehrichtungsinvertierbarer, drehzahlgeregelter Elektromotor verwendet werden kann.
Idealerweise ist der Kolben 40 selbst thermisch gut isoliert, so. dass ein Wärmeübergang zwischen den beiden Teil-Volumina 14a, 14b bestmöglich verhindert wird. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Höhe des Kolbens 40 zumindest so groß wie der maximal mögliche Kolbenhub ist, da hierdurch verhindert werden kann, dass die das (in der Figur untere) Teilvolumen 14b begrenzende Wand der Schleuse 14 mit relativ warmem Kraftstoff, der wie geschildert aus dem Druckbehälter 17 in das (in der Figur obere) Teilvolumen 14a der Schleuse 14 eingeleitet wird, in Berührung kommt. Dabei sei darauf hingewiesen, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obiger Beschreibung gestaltet sein können, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
Gegenüber dem eingangs geschilderten Stand der Technik nach der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102 32 521.9 zeichnet sich eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung durch mehrere Vorteile aus. So ist kein zusätzliches Aggregat zum Umfüllen des Kraftstoffs aus der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17 erforderlich, da der Kolben 40 bzw. die bewegliche Trennwand 40, der bzw. die mit der Schleuse 14 eine im weiteren sog. Schleusen-Pumpe bildet, diese Funktion übernimmt. Möglich ist dabei eine vollständige Überführung des kryogenen Kraftstoffs aus dem Teil-Volumen 14a der Schleuse 14 bzw. aus der sog. Schleusenpumpe in den Druckbehälter 17, da die Trennwand 40 eine Vermischung von relativ warmen Kraftstoff mit frischem, knogenem Kraftstoff verhindert. Dabei erfolgt kein nennenswerter Systemdruck-Abfall bei der Herstellung des Druckausgleichs zwischen dem Druckbehälter 17 und der Schleuse 14, da die Teil-Volumina 14a, 14b in der Schleusen-Pumpe wesentlich kleiner als Volumen des Druckbehälters 17 sind.
Einen besonderen Vorteil stellt auch das wesentlich verringerte Gewicht dar, denn zum einen kann das Volumen der Teil-Volumina 14a, 14b wegen der Möglichkeit einer verkürzten Zyklusdauer erheblich geringer gewählt werden als dasjenige einer Schleuse ohne bewegliche Trennwand. Zum anderen ist aufgrund des quasi doppelt wirkenden Kolbens 40 bzw. der entsprechenden beweglichen Trennwand 40 lediglich eine einzige Schleuse 14 bzw. sog.
Schleusenpumpe erforderlich. Dass dies auch einen erheblich verringerten Aufwand zur Folge hat, ist offensichtlich. Weiterhin zu nennen ist ein deutlich verringerter Wärmeeintrag in den Tank, denn es liegt ein günstigeres, weil kleineres Massen-Volumen-Verhältnis des sehr kleinen Schleusenpumpen-Zylinders vor und es kann die Trennwand 40 bzw. der Kolben 40 gut wärmeisoliert sein, wobei vorteilhafterweise derjenige Wandbereich der Schleuse 14, der mit frischem kryogenen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 beaufschlagt wird, nicht mit relativ warmen Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 in Berührung kommt. Vorteilhafterweise ist ein geringerer Wärmebedarf erforderlich, um im Druckbehälter 17 den gewünschten Druck zu erzeugen, denn es wird zum einen der frische kryogene Kraftstoff praktisch vollständig von der sog. Schleusen-Pumpe 14 in den Druckbehälter 17 überführt und es erfolgt zum anderen ein geringerer Druckabfall bei einem Druckausgleich zwischen dem Druckbehälter 17 und der Schleuse 14, und zwar wegen des relativ kleinen Gesamt-Volumens der Schleuse 14.
Vorteilhafterweise ist der Leistungsbedarf zur Verschiebung des Kolbens 40 gering, da praktisch nur die Reibung und der auf die Querschnittsfläche der Kolbenstange 40a wirkende Druck überwunden werden muss. Es liegen nämlich praktisch keine Druckunterschiede zwischen der Oberseite und der Unterseite des Kolbens 40 vor. Aus dem gleichen Grund ist auch keine besondere Abdichtung zwischen dem Kolben 40 und der diesen führenden Zylinderwand der Schleuse 14 erforderlich. Weiterhin ergibt sich ein dampfblasenfreier Einlauf von frischem kryogenen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 in das Teil-Volumen 14b der Schleusenpumpe 14, wenn der Kolbenweg-Zeit-Verlauf mit einem Kolben-Antrieb 41 über das Kurvenscheibengetriebe 43 oder über einen Linearmotor oder Spindelantrieb geeignet gewählt wird. Aus dem gleichen Grund ist vorteilhafterweise eine Ruhestellung des Kolbens 40 während des Druckausgleichs zwischen dem Druckbehälter 17 und der Schleuse 14 möglich.

11: Kryo-Tank
11a: Ausfluss-Öffnung (von 11)
11b: Entlüftungs-Öffnung (von 11)
12: Leitung, mit Absperrventil 12a
13: Leitung, mit Absperrventil 13a
14: Schleuse / Schleusen-Pumpe
14a,b: Teil-Volumen (von 14)
15: erste Versorgungs-Leitung
15a: Absperrventil (bzw. Ventil für äußere Gemischbildung)
16: Entnahme-Leitung, mit Absperrventil 16a
17: Druckbehälter
17a: Eingangsöffnung (von 17)
17b: Abgabeöffnung (von 17)
17c: Austritt (von 17)
18: Wärmetauscher
19: Rückführ-Leitung, mit Absperrventil 19a
20: zweite Versorgungsleitung
32: Niederdruck-Kraftstoff-Sammler
40: bewegliche Trennwand bzw. Kolben
40a: Kolbenstange
41: Antrieb (für 40)
42: Kurvenscheibengetriebe
43: Pfeilrichtung: Bewegungsrichtung des Kolbens 40

Claims

Vorrichtung zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff, insbesondere für eine Brennkraftmaschine (22), mit einem Kryo-Tank (11), mit einer mit diesem über zumindest zwei absperrbare Leitungen (12, 13) verbundenen Schleuse (14), sowie mit einem mit dieser über zumindest zwei absperrbare Leitungen (16, 19) verbundenen Druckbehälter (17), in welchem der dahinein aus der Schleuse (14) überführte Kraftstoff insbesondere durch Wärmezufuhr auf einen höheren Druck gebracht werden kann, wobei die Schleuse (14) auch mit einem Niederdruck-Kraftstoff-Sammler (32) zur Versorgung der Brennkraftmaschine verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Schleuse (14) durch eine bewegliche Trennwand (40) in zumindest zwei Teil-Volumina (14a, 14b) unterteilt ist, von denen jedes über jeweils eine der genannten Leitungen (12, 13, 16, 19) mit dem Kryo-Tank (11) und dem Druckbehälter (17) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Teil-Volumen (14b) der Schleuse (14) einerseits über eine mit einem Absperrventil (13a) versehene Leitung (13) mit einer Ausfluss-Öffnung (11a) des Kryo-Tanks und andererseits über eine mit einem Absperrventil (16a) versehene Entnahme-Leitung (16) mit einer Eingangsöffnung (17a) des Druckbehälters (17) verbunden ist, während das andere Teil-Volumen (14a) der Schleuse (14) einerseits über eine mit einem Absperrventil (12a) versehene Leitung (12) mit einer Entlüftungs-Öffnung (11b) des Kryo- Tanks (11) und andererseits über eine mit einem Absperrventil (19a) versehene Rückführ-Leitung (19) mit einem Austritt (17c) des Druckbehälters (17) und über eine mit einem Absperrventil (15a) versehene Versorgungs-Leitung (15) mit dem Niederdruck-Kraftstoff-Sammler (32) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Trennwand (40) mittels eines Antriebs (41) positionierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Trennwand (40) in Form eines Kolbens (40) ausgebildet ist und/oder als ein Kolben innerhalb der dann einen Zylinder darstellenden und den Kolben (40) führenden Schleuse (14) fungiert und thermisch isoliert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Trennwand (40) in Form eines Kolbens (40) ausgebildet ist und/oder als ein Kolben innerhalb der dann einen Zylinder darstellenden und den Kolben (40) führenden Schleuse (14) fungiert und dass die Höhe Kolbens (40) zumindest so groß wie der maximal mögliche Kolben-Hub ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (41) der beweglichen Trennwand (40) ein Kurvenscheibengetriebe (42) enthält oder in Form eines Linearmotors oder Spindelantriebs ausgeführt ist.