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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Motors in mobilen Flüssigerdgasanwendungen.
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Hintergrund
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Gegenwärtige Flüssigerdgas- bzw. LNG-Anwendungen (LNG = Liquid Natural Gas) verwenden Motorkühlmantelwasser als eine Verdampfer-/Wärmequelle, um Flüssigerdgas zu Druckerdgas bzw. CNG (CNG = Compressed Natural Gas) zu verdampfen. Ein Problem tritt bei diesem Ansatz dahingehend auf, dass bis der Motor aufgewärmt ist, keine Wärme existiert, um den Verdampfer mit Leistung zu versorgen. Infolgedessen müssen Betriebsvorgänge mit Druckerdgas warten, bis der Motor seine normale Betriebstemperatur erreicht. Während kalter Winter in Gegenden wie beispielswiese dem Nördlichen Polarkreis, können derartige Motoren ihre Betriebstemperaturen nicht erreichen, bis eine Last angelegt wird. Dies kann eine unnötige Verzögerung bewirken, bevor ein derartiges System unter derartigen Temperaturbedingungen genutzt werden kann. Was daher erwünscht ist, ist ein verbessertes System und Verfahren, welche die Zeit verringern, die bei bestimmten Wetterbedingungen erforderlich ist, bevor ein Motor imstande ist mit Druckerdgas zu laufen.
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U.S. Patent 7,096,730 (das '730 Patent) erteilt an Emmer et al. Offenbart ein System, das sowohl Flüssigerdgas als auch Druckerdgas verteilt. Ein Haupttank enthält eine Versorgungsmenge an Flüssigerdgas, die in einen kleineren Speichertank gepumpt wird. Nachdem der Speichertank gefüllt ist, wird Flüssigerdgas von dem Haupttank zu einem Verdampfer gepumpt, so dass Druckerdgas erzeugt wird. Obwohl das '730 Patent Flüssigerdgas- und Druckerdgas-Haltetanks offenbart, schlägt das '730 Patent fehl, ein System zu offenbaren, das es Motoren ermöglicht, schneller Zugang zu Druckerdgas trotz der Wetterbedingungen zu erhalten.
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Es ist daher wünschenswert, unter anderem ein verbessertes System und Verfahren zum Betreiben eines Motors in mobilen Flüssigerdgasanwendungen vorzusehen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenbarung auf ein System gerichtet, das einen Motor, einen Verdampfer, einen Tank und eine Wärmequelle aufweist. Der Verdampfer ist so konfiguriert, dass er Flüssigerdgas bzw. LNG in komprimiertes bzw. Druckerdgas (CNG) umwandelt. Der Tank ist so konfiguriert, dass er Druckerdgas lagert. Eine Wärmequelle befindet sich in Strömungsmittelverbindung mit dem Tank und wird mit Druckerdgas betankt. Die Wärmequelle ist so konfiguriert, dass sie Wärme auf den Verdampfer anwendet.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenbarung auf ein System zum Betreiben eines Motors gerichtet. Das System weist einen ersten Tank einen zweiten Tank, eine Pumpe, einen Verdampfer und eine Wärmequelle auf. Der erste Tank lagert Flüssigerdgas bzw. LNG. Die Pumpe befindet sich in Verbindung mit dem ersten Tank und ist konfiguriert, um das Flüssigerdgas aus dem ersten Tank zu pumpen. Der Verdampfer befindet sich in Verbindung mit der Pumpe. Der Verdampfer ist konfiguriert, um das Flüssigerdgas aus dem ersten Tank über die Pumpe aufzunehmen und das Flüssigerdgas in Druckerdgas bzw. CNG umzuwandeln. Der zweite Tank befindet sich in Verbindung mit dem Verdampfer. Der zweite Tank ist konfiguriert, um Druckerdgas zu speichern bzw. zu lagern. Eine Wärmequelle befindet sich in Verbindung mit dem zweiten Tank. Die Wärmequelle verwendet das gelagerte Druckerdgas, um Wärme auf den Verdampfer anzuwenden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Motors gerichtet. Das Verfahren weist das Empfangen von Flüssigerdgas bzw. LNG aus einem ersten Tank auf. Ein Verdampfer wird verwendet, um das Flüssigerdgas in Druckerdgas bzw. CNG umzuwandeln. Ein Teil des Druckerdgases wird in einem zweiten Tank vor dem Abschalten des Motors gespeichert. Das gespeicherte Druckerdgas wird in Wärme über eine Wärmequelle umgewandelt. Die Wärme wird auf den Verdampfer angewendet, um Flüssigerdgas in Druckerdgas umzuwandeln.
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In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Offenbarung auf ein Brennstoffsystem gerichtet. Das Brennstoffsystem weist eine erste Brennstoffquelle, eine zweite Brennstoffquelle, eine erstes Brennstoffverteilerrohr, eine erste Brennstoffpumpe, eine Stegleitung, zumindest eine erste Krafteinspritzvorrichtung, einen Verdampfer, einen Tank und eine Wärmequelle. Die erste Brennstoffpumpe ist so konfiguriert, dass sie den ersten Brennstoff, der mit der ersten Brennstoffquelle assoziiert ist, unter Druck setzt. Der Verdampfer steht über die erste Brennstoffpumpe mit der ersten Brennstoffquelle in Verbindung. Ein derartiger Verdampfer kann so konfiguriert sein, dass er den ersten Brennstoff von einer flüssigen Form in eine gasförmige Form umwandelt. Der Tank steht mit dem Verdampfer in Verbindung und kann so konfiguriert sein, dass er die gasförmige Form des ersten Brennstoffs speichert. Die Wärmequelle steht mit dem Tank in Verbindung. Eine derartige Wärmequelle kann so konfiguriert sein, dass sie die gasförmige Form des ersten Brennstoffs in Wärme umwandelt und die Wärme auf den Verdampfer anwendet. Die zweite Brennstoffpumpe ist so konfiguriert, dass sie einen zweiten Brennstoff, der mit der zweiten Brennstoffquelle assoziiert ist, unter Druck setzt und den zweiten Brennstoff an das zweite Brennstoffverteilerrohr liefert. Die Stegleitung befindet sich in Verbindung mit dem ersten Brennstoff von dem ersten Brennstoffverteilerrohr und dem zweiten Brennstoff von dem zweiten Brennstoffverteilerrohr. Zumindest eine Dual-Brennstoff-Einspritzvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie sowohl den ersten Brennstoff als auch den zweiten Brennstoff von der Stegleitung aufnimmt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt ein schematisches Schaubild der Komponenten eines Brennstoffsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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2 stellt in Flussdiagrammform ein Verfahren zum Betreiben eines Motors mit einem Dual-Brennstoff-System gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug wird nun im Detail auf beispielhafte Ausführungsbeispiele genommen, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Wenn möglich, werden die gleichen Bezugszeichen über die Zeichnungen hinweg verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
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1 stellt ein schematisches Schaubild der Komponenten eines Brennstoffsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das Dual-Brennstoff-Common-Rail-Brennstoffsystem 10 nutzt die Dual-Brennstoff-Common-Rail-Einspritzvorrichtungen 12. Das Dual-Brennstoff-System 10 weist eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 12 auf, die jeweils einen Einspritzvorrichtungskörper 70 mit einer Spitzenkomponente 71 aufweisen, die zur direkten Einspritzung des gasförmigen Brennstoffs und/oder des flüssigen Brennstoffs in entsprechende Verbrennungskammern der assoziierten Motorzylinder (nicht gezeigt) positioniert sind. Eine Dieselbrennstoffquelle 14 enthält Dieselbrennstoff. Eine Dieselpumpe 16 zieht bzw. saugt Dieselbrennstoff durch die Dieselversorgungsleitung 18, setzt den Dieselbrennstoff unter Druck, und liefert den unter Druck gesetzten Dieselbrennstoff an eine Dieselbrennstoffleitung 20. Ein Filter 22 kann in der Dieselversorgungsleitung 18 der Dieselpumpe 16 vorgelagert und der Dieselbrennstoffquelle 14 nachgelagert angeordnet sein. Der Filter 22 dient dem Absieben von Schmutz und Rostpartikeln aus dem Brennstoff. Dieselbrennstoff innerhalb des Dieselbrennstoffverteilerrohrs 20 kann auf einen Druck von ungefähr 40 MPa bei ungefähr 90°C unter Druck gesetzt werden. Der unter Druck gesetzte Dieselbrennstoff von dem Dieselbrennstoffverteilerrohr 20 kann dann über die Dieselbrennstoffleitung 25 an die Einspritzvorrichtungen 25 geliefert werden.
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Eine Stegleitungsanordnung (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um den Dieselbrennstoff von dem Dieselbrennstoffverteilerrrohr 20 an die Einspritzvorrichtungen 12 zu liefern. Eine derartige Anordnung kann so konfiguriert sein, dass sie sowohl Dieselbrennstoff als auch einen gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, aufnimmt. Der gasförmige Brennstoff von dem Gasverteilerrohr 30 kann an die Einspritzvorrichtung 12 als komprimiertes Erdgas bzw. Druckerdgas über die Gasbrennstoffleitung 45 geliefert werden. Die Stegleitungsanordnung kann ferner eine koaxiale Bauart aufweisen, wobei der Dieselbrennstoff innerhalb des ersten Stegleitungsrohrs angeordnet ist, die innerhalb eines zweiten Stegleitungsrohrs angeordnet ist, das den gasförmigen Brennstoff trägt. Fachleute des Gebiets werden erkennen, dass der gasförmige Brennstoff irgendein gasförmiger Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, Propan, Methan, Flüssiggas bzw. LPG (LPG = Liquified Petroleum Gas), synthetisches Gas, Deponiegas, Kohlegas, Biogas aus landwirtschaftlichen, anaeroben Biogasanlagen oder irgendein anderer gasförmiger Brennstoff sein kann.
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Ein Gegendrucksteuerventil 24 kann zwischen den Einspritzvorrichtungen 12 und dem Dieselbrennstofftank 14 verbunden sein, um eine Menge an Brennstoff zurück zu dem Dieselbrennstofftank 14 zu führen, um den Druck in der Common-Rail 20 für flüssigen Brennstoff zu steuern.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Erdgas in einem flüssigen Zustand in einem Tiefkühl-Flüssigerdgastank 50 (z. B. Gasbrennstoffquelle 50) gehalten. Gasförmiger Brennstoff, wie beispielsweise Flüssigerdgas kann bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken (–160°C und 759 kPa) gelagert werden. Da gasförmiger Brennstoff unter derartigen Temperaturen und Drücken gelagert werden kann, kann es für den gasförmigen Brennstoff notwendig sein, in einem vakuumisolierten Tank, wie beispielsweise einem unter Druck gesetzten Tiefkühltank, gehalten zu werden. Die Gasbrennstoffquelle 50 kann mit einem Druckentlastungsventil 53 ausgestattet sein, das zur Druckentlastung der Brennstoffquelle 50 dient, wenn dieser ein vorbestimmtes Druckniveau übersteigt. In einigen Fällen kann das Druckentlastungsventil so konfiguriert sein, dass es sich öffnet, wenn der Druck in dem Brennstoffquellentank 50 1400 kPa übersteigt. Der gasförmige Brennstoff kann aus dem Gasbrennstoffquelle 50 durch eine Gasversorgungsleitung 51 durch eine Brennstoffpumpe 52 gesaugt werden.
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Eine Tiefkühlpumpe 52 mit variabler Verdrängung wird durch ein elektronisches Steuermodul bzw. ECM (ECM = Electronic Control Module) 15 gesteuert, um das Flüssigerdgas bzw. LNG durch einen Verdampfer 54 zur Expansion in ein Gas, das in einem Akkumulator 60 gehalten wird, und dann durch eine Hochdruckgasfilter 58 zu pumpen.
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Die Brennstoffpumpe 52 kann als eine Tiefkühlpumpe mit variabler Verdrängung konfiguriert sein. Die Brennstoffpumpe 52 setzt den gasförmigen Brennstoff unter Druck und liefert diesen an einen Verdampfer 54, der dazu dient, das Flüssigerdgas zu verdampfen. Der Verdampfer 54 dient dem Erwärmen und/oder Verdampfen von Tiefkühl- oder Niedertemperaturflüssigkeiten, wie beispielsweise dem Tiefkühl-Flüssigerdgas. Das verflüssigte Gas kann dann an einen Akkumulator 60 über die Gasversorgungsleitungen 57 und den Filter 58 geliefert werden. In alternativen Ausführungsbeispielen kann ein sekundärer Filter zwischen dem Filter 58 und dem Akkumulator 60 angeordnet werden, um weiter Fremdkörper bzw. Kontaminationsstoffe innerhalb der Gasversorgungsleitungen 57 herauszufiltern.
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Eine Gasdrucksteuervorrichtung 56 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist ein elektronisch gesteuertes Ventil auf, das eine gesteuerte Menge an gasförmigem Brennstoff von der Versorgungsseite (Akkumulator 60) zu der Common-Rail 30 für gasförmigen Brennstoff liefert. Die Druckregulierungsvorrichtung 56 kann als ein Steuerventil zum Speichern bzw. Lagern eines Teils des gasförmigen Brennstoffs in dem Tank 80 dienen. Der gasförmige Brennstoff kann als Druckerdgas gelagert werden, dass auf einer Temperatur von 60°C und einem Druck von 1 MPa gehalten werden kann. Wenn der Druck in dem Tank 1 MPa übersteigt, kann beispielsweise die Druckregulierungsvorrichtung etwas von dem Druckerdgas, das in dem Tank 80 enthalten ist, ausdiffundieren oder ablassen.
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Der Tank 80 dient als ein Haltetank für Druckerdgas, das von dem Verdampfer 54 geliefert wird. In dem Fall, dass es erforderlich ist, dass das Dual-Brennstoffsystem 10 bei sehr kalten Witterungstemperaturen läuft, kann das Druckerdgas, das in dem Tank 80 gelagert ist, als Brennstoff für eine Wärmequelle 90 dienen. Auf diese Weise kann Wärme erzeugt und an den Verdampfer 54 geliefert werden, um unter Druck gesetztes Flüssigerdgas in Druckerdgas umzuwandeln. Solches Druckerdgas kann dann an die Gasleitung 30 zur Verwendung durch den Motor 5 geliefert werden. Auf diese Weise kann bei kaltem Wetter einfach verfügbares Druckerdgas an die Gasleitung 30 geliefert werden.
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Während die Wärmequelle 90 irgendeine einer Vielzahl von unterschiedlichen Arten von Erwärmungsvorrichtungen sein kann, können derartige Wärmequellen dadurch gekennzeichnet und/oder so konfiguriert sein, dass sie gelagertes Druckerdgas als eine Brennstoffquelle zur Aktivierung nutzen.
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Ein Brennstoffkonditionierungsmodul 32 kann in betriebsmäßiger Verbindung mit dem Verdampfer 54, der Druckregulierungsvorrichtung 56 und der Gasbrennstoffleitung 30 stehen. Das Brennstoffkonditionierungsmodul 32 soll den Druck des Gasbrennstoffs aufrecht erhalten, der an ein Gasbrennstoffverteilerrohr 30 bei einem Druck geliefert werden, der mindestens 5 MPA unter dem Dieselbrennstoffdruck in dem Dieselbrennstoffverteilerrohr 20 liegt. Beispielsweise innerhalb des Dual-Brennstoff-Common-Rail-Brennstoffsystems 10 kann sich Dieselbrennstoff innerhalb dem Dieselbrennstoffverteilerrohr 20 bei einem Druck von 40 MPa befinden, während Gasbrennstoff innerhalb dem Gasbrennstoffverteilerrohr 30 auf einem Druck von 35 MPa befindet.
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Ein elektronisches Steuermodul bzw. ECM 15 kann verschiedene Komponenten des Dual-Brennstoff-Common-Rail-Brennstoffsystems 10 steuern. Beispielsweise kann das ECM 15 die Dieselbrennstoffpumpe 16, die LNG-Brennstoff-Pumpe 52, die Druckregulierungsvorrichtung 56 und die Einspritzvorrichtungen 70 steuern. Fachleute des Gebiets werden erkennen, dass das Brennstoffsystem 10 ferner andere Komponenten enthalten kann, die ebenfalls durch das ECM 15 gesteuert werden. Ferner kann sich das ECM 15 in Verbindung mit einem Sensor befinden, der mit dem Tank 80 gekoppelt ist und konfiguriert ist, um einen Druckpegel des Druckerdgases bzw. CNG in dem Tank 80 zu überwachen. Das ECM 15 kann so konfiguriert sein, dass es den Betrieb der Druckregulierungsvorrichtung 56 steuert, um den Tank mit Druckerdgas wieder aufzuladen, wenn der Druckpegel des Druckerdgases in dem Tank 80 unter einen vorbestimmten Pegel fällt.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das offenbarte System 10 kann auf irgendeine Dual-Brennstoff-Maschine oder -Motor anwendbar sein, die bzw. der ein effizientes Verfahren und System für den Betrieb bei kalten Witterungsbedingungen erfordert. Der Betrieb des Systems 10 wird nun in Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 erläutert.
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2 stellt in Flussdiagrammform ein Verfahren zum Betreiben eines Motors 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das Verfahren startet beim Betriebsvorgang 202. Im Betriebsvorgang 204 kann ein Verdampfer 54 Flüssigerdgas bzw. LNG von einem ersten Tank 50 empfangen. Der Verdampfer 54 dient dazu, das Flüssigerdgas in Druckerdgas bzw. CNG im Betriebsvorgang 206 umzuwandeln. Vor dem Herunterfahren bzw. Abschalten des Motors 5 wird ein Teil des Druckerdgases in einem zweiten Tank 80 im Betriebsvorgang 208 gespeichert. Im Betriebsvorgang 210 wird das in dem zweiten Tank 80 gespeicherte Druckerdgas an eine Wärmequelle 90 geliefert, um das Druckerdgas in Wärme umzuwandeln. Im Betriebsvorgang 212 wird die Wärme von der Wärmequelle 90 auf den Verdampfer 54 angewendet, um das Flüssigerdgas in Druckerdgas während eines Nachfolgenden Anfahrens des Motors 5 umzuwandeln. Das Verfahren endet im Betriebsvorgang 214.
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Das hierin beschriebene Dual-Brennstoff-System 10 kann in mobilen Anwendungen verwendet werden, die Dual-Brennstoff-Motoren verwenden, wobei es im Allgemeinen eine Zeiterfordernis gibt, wo der Motor 5 ausschließlich mit Dieselbrennstoff läuft, während das Erdgassystem auf Betriebsdrücke und -temperaturen kommt. Als solches verringert das System 10 die Aufwärmverzögerung durch Vorsehen eines CNG-Tanks 80, der vor einem Systemherunterfahren wiederbeladen wird. Das System 10 sieht eine gasbetriebene Wärmequelle 90 (z. B. einen Brenner, eine Blockheizvorrichtung etc.) vor, um die Umwandlung des Erdgases von einer flüssigen in eine gasförmige Form zu unterstützen. Diese ermöglicht ebenfalls eine unmittelbare Lieferung des Druckerdgases bzw. CNG an den Motor 5. Auf diese Weise ist das Druckerdgas einfach für den Motor 5 kurz nach dem Anfahren verfügbar. Der Verdampfer 54 kann als ein Zwangsverdampfer dienen, dahingehend dass er eine extern angewendete Wärmequelle 90 verwendet, um Flüssigerdgas bzw. LNG zu verdampfen. Alternative Ausführungsbeispiele, die den Druckerdgas- bzw. CNG-Tank 80, die Wärmequelle 90 und den Verdampfer 54 als eine einzelne Komponente beinhalten, werden ebenfalls erwogen.
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Während diese Offenbarung bestimmte Beispiele aufweist, sei bemerkt, dass die Offenbarung nicht dadurch beschränkt ist. Zahlreiche Modifikationen, Veränderungen, Variationen, Substitutionen und Entsprechungen werden Fachleuten des Gebiets bei der Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich sein, ohne den Rahmen und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
