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Stand der Technik
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Diese Patentoffenlegung betrifft allgemein Pumpen und insbesondere Kryo-Brennstoffpumpen für mobile Geräte bzw. Anlagen.
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Hintergrund
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Für viele große mobile Maschinen wie Muldenkipper, Lokomotiven, marine Geräte bzw. Anlagen und dergleichen wurde in letzter Zeit mit der Verwendung alternativer Brennstoffe, alleine oder in Verbindung mit herkömmlichen Kraft- bzw. Brennstoffen begonnen, um ihre Motoren mit Leistung zu versorgen. Zum Beispiel kann für den Betrieb von Motoren mit großem Hubraum ein gasförmiger Brennstoff bzw. ein Brenngas allein oder in Kombination mit einem herkömmlichen Brennstoff, beispielsweise Diesel, verwendet werden. Wegen ihrer relativ geringen Dichte werden gasförmige Brennstoffe, beispielsweise Erdgas oder Petroleumgas, auf Fahrzeugen in flüssiger Form transportiert. Diese Flüssigkeiten, von denen die am meisten verbreiteten verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas, LNG) oder verflüssigtes Petroleumgas bzw. Flüssiggas (Liquefied Petroleum Gas, LPG) umfassen, werden an den Fahrzeugen kryogen in isolierten Tanks gespeichert, aus denen eine gewünschte Menge an Brennstoff abgepumpt, verdampft und zur Brennstoffversorgung des Motors verwendet wird.
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Die Pumpen, die üblicherweise verwendet werden, um das LNG zum Motor der Maschine zu liefern, weisen Kolben auf, die das LNG zum Motor liefern. Solche Kolbenpumpen, die manchmal auch als Kryopumpen bezeichnet werden, weisen häufig einen einzigen Kolben auf, der hin und her bewegbar in eine Zylinderbohrung eingebaut ist. Der Kolben wird im Zylinder hin und her bewegt, um das LNG anzusaugen und dann zu verdichten. Leistung zur Bewegung des Kolbens kann auf unterschiedliche Weise bereitgestellt werden, am häufigsten handelt es sich dabei um elektrische, mechanische oder hydraulische Leistung.
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Ein Beispiel für eine Kryopumpe findet sich im
US-Patent 7,293,418 (dem '418-Patent), das eine Einzelelement-Kryopumpe zur Verwendung in einem Fahrzeug beschreibt. Die Pumpe gibt in einen Speicher ab, der in dem Tank angeordnet ist, und verwendet eine Einzelkolben-Pumpe, die über eine Kolbenstange mit einem Antriebsabschnitt verbunden ist. Der Antriebsabschnitt ist außerhalb des Tanks angeordnet.
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Pumpen wie die im
'418-Patent beschriebene Pumpe sind im Allgemeinen groß, schwer und komplex, was zum Teil den hohen Betriebsdrücken und großen Fluidvolumina geschuldet ist, die abgegeben werden müssen, um einen Motor mit großem Hubraum zu betreiben. Wegen der Art ihres Betriebs, wo bei jedem Hub eine Menge an Fluid abgegeben wird, benötigen typische Systeme auch verschiedene Druckspeicher und Regler, um den gasförmigen Brennstoff glatt zum Motor liefern zu können, was die Fahrzeuge weiter mit zusätzlichen Komponenten, Kosten und Komplexität beschwert.
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Kurzfassung
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Die vorliegende Offenbarung ist allgemein auf eine hydraulisch angetriebene Kryopumpe gerichtet, die mehrere stoßende Pumpelemente umfasst. Die Kryopumpe kann zumindest zum Teil innerhalb eines LNG-Tanks angeordnet sein. Die offenbarten Systeme und Verfahren sind im Allgemeinen kostengünstiger als davor vorgeschlagene Systeme, da sie ohne die Notwendigkeit einer Verwendung von Speichern, Reglern und Boost-Pumpen gestaltet werden können. Dieser und andere Aspekte ermöglichen eine allgemeine Verringerung der Größe, des Gewichtes und der Komplexität des Gasabgabesystems, und auch dessen Haltbarkeit.
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Die Offenbarung beschreibt daher in einem Aspekt eine Kryopumpe. Die Kryopumpe weist mehrere Pumpelemente auf, von denen jedes einen Stellantriebsabschnitt aufweist, der einem Ende einer Schubstange zugeordnet ist und dafür ausgelegt ist, dieses als Reaktion auf einen Befehl von einer elektronischen Steuereinrichtung selektiv zu aktivieren. Jedes Pumpelement weist ferner einen einem entgegengesetzten Ende der Schubstange zugeordneten Aktivierungsabschnitt und einen dem Aktivierungsabschnitt zugeordneten Pumpabschnitt auf. Für jedes von den mehreren Pumpelementen wird der Pumpabschnitt durch den Aktivierungsabschnitt aktiviert, um ein Fluid zu pumpen, wobei der Aktivierungsabschnitt vom Stellantriebsabschnitt aktiviert wird. Die elektronische Steuereinrichtung ist dafür ausgelegt, jedes von den mehreren Pumpelementen selektiv zu aktivieren, so dass aus aufeinanderfolgenden Aktivierungen der mehreren Pumpelemente zu ausgewählten Haltezeiten zwischen Aktivierungen ein Fluidstrom von der Kryofluidpumpe resultiert.
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In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben einer Kryopumpe, die mehrere Pumpelemente umfasst, wobei jedes von den mehreren Pumpelementen auf einen entsprechenden Pumpbefehl von einer elektronischen Steuereinrichtung anspricht. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer gewünschten Strömungsrate für ein von der Kryopumpe gepumptes Fluid in der elektronischen Steuereinrichtung und außerdem ein Bestimmen einer Frequenz und einer Haltezeit von Pumpelementaktivierungen in der elektronischen Steuereinrichtung auf Basis der gewünschten Strömungsrate. Das Verfahren umfasst ferner ein Ausgeben von Befehlen zur Durchführung eines entsprechenden Pumphubs an jedes von den mehreren Pumpelementen durch die elektronische Steuereinrichtung, so dass eine Summe des Fluids, das in jedem von den entsprechenden Pumphüben gepumpt wird, der gewünschten Strömungsrate nahekommt.
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In einem noch anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Pumpsystem zur Bereitstellung eines kryogenen Fluids zur Verwendung als Brennstoff für einen Motor. Das Pumpsystem umfasst eine elektronische Steuereinrichtung, eine Hydraulikpumpe, die betriebsmäßig der elektronischen Steuereinrichtung zugeordnet ist, wobei der Betrieb der Hydraulikpumpe auf Pumpbefehle von der elektronischen Steuereinrichtung anspricht, und eine Kryopumpe mit mehreren Pumpelementen. Jedes von den mehreren Pumpelementen weist einen Stellantriebsabschnitt auf, der einem Ende einer Schubstange zugeordnet ist und dafür ausgelegt ist, dieses als Reaktion auf einen Befehl von der elektronischen Steuereinrichtung selektiv zu aktivieren. Der Stellantriebsabschnitt wird durch Hydraulikfluid, das von der Hydraulikpumpe mit einem Druck bereitgestellt wird, mit Leistung versorgt. Jedes von den mehreren Pumpelementen weist ferner einen einem entgegengesetzten Ende der Schubstange zugeordneten Aktivierungsabschnitt und einen dem Aktivierungsabschnitt zugeordneten Pumpabschnitt auf. Für jedes von den mehreren Pumpelementen wird der Pumpabschnitt durch den Aktivierungsabschnitt aktiviert, um ein Fluid zu pumpen, wobei der Aktivierungsabschnitt vom Stellantriebsabschnitt aktiviert wird. Die elektronische Steuereinrichtung ist dafür ausgelegt, jedes von den mehreren Pumpelementen selektiv zu aktivieren, so dass aus kontinuierlichen Aktivierungen der mehreren Pumpelemente zu ausgewählten Haltezeiten zwischen Aktivierungen aufeinanderfolgender Pumpelemente ein Fluidstrom von der Kryofluidpumpe resultiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Prinzipskizze eines Motorsystems mit einem Druckgas-Brennstoffstoffsystem, das einen Vorratstank für gasförmigen Brennstoff und eine entsprechende Brennstoffpumpe gemäß der Offenbarung aufweist.
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2 ist eine Schnittansicht einer Kryopumpe gemäß der Offenbarung, die in einem Vorratstank für kryogenes Fluid installiert ist.
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3 ist eine Außenansicht und 4 ist eine Fragmentansicht einer Multielement-Pumpe gemäß der Offenbarung.
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5 ist eine Schnittansicht eines hydraulischen Stellantriebs gemäß der Offenbarung.
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6 und 7 sind Schnittansichten eines Schieberventils gemäß der Offenbarung in zwei Betriebsstellungen.
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8 ist eine hydraulische Baugruppe aus Stößel und Schubstange gemäß der Offenbarung.
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9 und 10 sind Graphen, die Pumpenbetriebsparameter gemäß der Offenbarung zeigen.
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11 ist ein Ablaufschema für ein Verfahren zum Betreiben einer Multielement-Pumpe gemäß der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung betrifft Motoren, für die eine Quelle für gasförmigen Brennstoff verwendet wird, beispielsweise Motoren mit direkter Gaseinspritzung (DIG) oder mit indirekter Gaseinspritzung, die eine Diesel- oder Benzinzündung verwenden. Genauer betrifft die Offenbarung eine Ausführungsform für ein Motorsystem, das einen Vorratstank für gasförmigen Brennstoff umfasst, der eine Pumpe aufweist, die kryogen gespeichertes Fluid liefert, um einen Motor mit Brennstoff zu versorgen. In 1 ist eine Prinzipskizze eines DIG-Motorsystems 100 gezeigt, das in der dargestellten Ausführungsform Diesel als Zündquelle verwendet, aber man beachte, dass auch Motoren mit indirekter Einspritzung und/oder Motoren, für die eine andere Zündmethode verwendet wird, in Frage kommen. Das Motorsystem 100 weist einen Motor 102 (in 1 allgemein dargestellt) auf, in dem jedem Motorzylinder 103 eine Brennstoffeinspritzdüse 104 zugeordnet ist. Die Brennstoffeinspritzdüse 104 kann eine Dual-Check-Einspritzdüse sein, die dafür ausgelegt ist, vorgegebene Mengen zweier separater Brennstoffe, in diesem Fall Diesel und Gas, in die Motorzylinder zu spritzen.
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Die Brennstoffeinspritzdüse 104 ist über eine Hochdruck-Brenngaszuführleitung 108 mit einem Hochdruck-Brenngasverteilerrohr 106 und über eine Flüssigbrennstoffzuführleitung 112 mit einem Hochdruck-Flüssigbrennstoffverteilerrohr 110 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist der gasförmige Brennstoff Erd- oder Petroleumgas, das durch die Hochdruck-Brenngaszuführleitung 108 mit einem Druck zwischen etwa 10–50 MPa bereitgestellt wird, und der flüssige Brennstoff ist Diesel, der innerhalb des Hochdruck-Flüssigbrennstoffverteilerrohrs 110 bei etwa 15–100 MPa gehalten wird, aber abhängig von den Betriebsbedingungen, unter denen der jeweilige Motor eingesetzt wird, können beliebige andere Drücke oder Arten von Brennstoffen verwendet werden. Man beachte, dass zwar auf die Brennstoffe, die in der Hochdruck-Brenngaszuführleitung 108 und im Hochdruck-Brenngasverteilerrohr 110 vorhanden sind, unter Verwendung der Begriffe ”gasförmig” oder ”flüssig” Bezug genommen wird, diese Bezeichnungen aber die Phase, in welcher der Brennstoff im jeweiligen Verteilerrohr vorliegt, nicht beschränken sollen und nur zur Erörterung der dargestellten Ausführungsform verwendet werden. Zum Beispiel kann der Brennstoff, der mit einem geregelten Druck innerhalb der Hochdruck-Brenngaszuführleitung 108 bereitgestellt wird, abhängig von dem Druck, bei dem er gehalten wird, eine Flüssig-, Gas- oder superkritische Phase aufweisen. Außerdem kann der Brennstoff ein beliebiger Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis sein; beispielsweise DME (Dimethylether), Biokraftstoff, MDO (Marinedieselöl) oder HFO (Schweröl).
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Unabhängig davon, ob das Motorsystem 100 in einem mobilen oder einem stationären Gerät oder einer entsprechenden Anlage installiert wird, von denen jede(s) in Frage kommt, kann der gasförmige Brennstoff in einem flüssigen Zustand in einem Tank 114 gespeichert werden, der ein kryogener Vorratstank sein kann, der unter einen Druck gesetzt wird, der ein relativ niedriger Druck ist, beispielsweise Atmosphärendruck oder höher. In der dargestellten Ausführungsform ist der Tank 114 isoliert, um verflüssigtes Erdgas (LNG) bei einer Temperatur von etwa –160°C (–256°F) und einem Druck, der zwischen etwa 100 und 1750 kPa liegt, zu speichern, aber es können auch andere Speicherungsbedingungen verwendet werden. Der Tank 114 weist ferner ein Druckentlastungsventil 116 auf. In der folgenden Beschreibung wird ein DIG-Motorsystem zur Veranschaulichung verwendet, aber es sei klargestellt, dass die hierin offenbarten Systeme und Verfahren auf jede Maschine, jedes Fahrzeug oder für jeden Zweck anwendbar sind, für die kryogen gespeichertes Gas verwendet wird, beispielsweise auf eine Lokomotive, wo der Tank 114 in einem Beiwagen transportiert werden kann.
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Was die konkrete dargestellte Ausführungsform betrifft, so wird im Betrieb LNG aus dem Tank unter Druck gesetzt, während es immer noch in der Flüssigphase ist, und zwar in einer Pumpe 118, die den Druck des LNG erhöht, während sie das LNG in einer Flüssigphase hält. Die Pumpe 118 ist dafür ausgelegt, als Reaktion auf ein Druckbefehlssignal, das von einer elektronischen Steuereinrichtung 120 an die Pumpe 118 ausgegeben wird, den Druck des LNG selektiv auf einen Druck zu erhöhen, der variieren kann. Die Pumpe 118 ist in 1 zur Erläuterung außerhalb des Tanks 114 dargestellt, aber es wird in Betracht gezogen, dass die Pumpe 118 zumindest zum Teil innerhalb des Tanks 114 angeordnet sein kann, wie in den folgenden Figuren dargestellt ist, beispielsweise in 2. Auch wenn das LNG im Tank im flüssigen Zustand vorliegt, wird die vorliegende Offenbarung der Einfachheit halber auf verdichtetes oder unter Druck stehendes LNG Bezug nehmen, wenn sie auf LNG Bezug nimmt, das bei einem Druck vorliegt, der den Atmosphärendruck überschreitet.
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Das unter Druck stehende LNG, das von der Pumpe 118 bereitgestellt wird, wird in einem Wärmetauscher 122 erwärmt. Der Wärmetauscher 122 sorgt für eine Erwärmung des unter Druck stehenden LNG, um Dichte und Viskosität zu reduzieren und gleichzeitig dessen Enthalpie und Temperatur zu erhöhen. In einem Anwendungsbeispiel kann das LNG mit einer Temperatur von etwa –160°C, einer Dichte von etwa 430 kg/m3, einer Enthalpie von etwa 70 kJ/kg und einer Viskosität von etwa 169 μPa s als Flüssigkeit in den Wärmetauscher 122 eintreten und den Wärmetauscher mit einer Temperatur von etwa 50°C, einer Dichte von etwa 220 kg/m3, einer Enthalpie von etwa 760 kJ/kg und einer Viskosität von etwa 28 μPa s verlassen. Man beachte, dass die Werte solcher typischen Zustandsparameter abhängig von der jeweiligen Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs anders sein können. Im Allgemeinen ist zu erwarten, dass der Brennstoff in kryogenem flüssigem Zustand in den Wärmetauscher eintritt und den Wärmetauscher in einem superkritischen Gaszustand verlässt, der hierin verwendet wird, um einen Zustand zu beschreiben, in dem der Brennstoff gasförmig ist, aber eine Dichte aufweist, die zwischen der seiner Dampf- und seiner Flüssigphase liegt.
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Der Wärmetauscher 122 kann jede bekannte Art von Wärmetauscher oder Heizung zur Verwendung mit LNG sein. In der dargestellten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 122 ein Wasserheizmantel, der Wärme aus Motorkühlmittel extrahiert. In alternativen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 122 als aktive Heizung, beispielsweise als brennstoffbetriebene oder elektrische Heizung ausgeführt sein oder kann alternativ dazu ein Wärmetauscher sein, der eine andere Wärmequelle nutzt, beispielsweise Wärme, die aus Abgasen des Motors 102, eines anderen, zum selben System gehörenden Motors, wie dies üblicherweise bei Lokomotiven der Fall ist, oder Abwärme aus Industrieprozessen nutzt, und es kann sich dabei auch um andere Arten von Heizungen oder Wärmetauschern handeln. In der in 1 gezeigten Ausführungsform, die Motorkühlmittel als Wärmequelle für den Wärmetauscher 122 verwendet, sind zwei Temperatursensoren 121A und 121B angeordnet, um die Temperatur eines Motorkühlmittels beim Eintritt und beim Austritt in den/aus dem Wärmetauscher 122 zu messen und entsprechende Temperatursignale 123 an der elektronischen Steuereinrichtung 120 bereitzustellen.
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Flüssiger Brennstoff, oder in der dargestellten Ausführungsform Dieselbrennstoff, wird in einem Brennstoffbehälter 136 gespeichert. Von dort aus wird Brennstoff durch ein Filter 140 in eine Brennstoffpumpe 138 gesaugt. Die Brennstoffpumpe 138 kann in der Lage sein, einen Durchsatz bzw. eine Strömungsrate zu variieren, um Brennstoff abhängig vom Betriebsmodus des Motors mit einer variablen Rate am Motor bereitzustellen. Die Rate des Brennstoffs, der von der Pumpe 138 bereitgestellt wird, kann als Reaktion auf ein Befehlssignal von der elektronischen Steuereinrichtung 120 gesteuert werden. Unter Druck stehender Brennstoff von der Brennstoffpumpe 138 wird am Hochdruck-Flüssigbrennstoffverteilerrohr 110 bereitgestellt. Ebenso ist die Pumpe 118 in der Lage, ihren Durchsatz ansprechend auf ein Signal von der elektronischen Steuereinrichtung 120 zu variieren.
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Verunreinigungen können von einem Filter 124 aus dem Gas, das den Wärmetauscher 122 verlässt, entfernt werden. Man beachte, dass das Gas, das durch das Filter 124 tritt, Gas umfassen kann, das in mehr als einer Phase, wie als Gas oder als Flüssigkeit, vorliegen kann. Ein optionaler Gassammler 126 kann gefiltertes Gas stromaufwärts von einem Druckregler 128 sammeln, der den Druck eines Gases, das an dem mit der Hochdruck-Brenngaszuführleitung 108 verbundenen Hochdruck-Flüssigbrennstoffverteilerrohr 106 bereitgestellt wird, selektiv steuern kann. Um die Pumpe 118 zu betreiben, wird eine Hydraulikpumpe 150 mit variabler Verdrängung verwendet, die über ein Ventilsystem 152 selektiv unter Druck stehendes Hydraulikfluid an der Pumpe 118 bereitstellt. Der Betrieb der Hydraulikpumpe 150 wird von einem Stellantrieb 154 gesteuert, der auf Befehle von der elektronischen Steuereinrichtung 120 anspricht. Das Ventilsystem 152 wird ebenfalls als Reaktion auf Befehle von der Steuereinrichtung 120 betrieben.
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Eine Schnittansicht des Tanks 114, in dem die Pumpe 118 zumindest zum Teil angeordnet ist, ist in 2 gezeigt. Der Tank 114 kann eine Innenwand 202, die eine Kammer 212 definiert, die das unter Druck stehende LNG enthält, und eine Außenwand 204 aufweisen. Eine Isolierschicht 206 kann optional verwendet werden, und/oder ein Vakuum kann entlang einer Lücke zwischen der Innenwand 202 und der Außenwand 204 erzeugt werden. Die Innenwand 202 und die Außenwand 204 weisen eine gemeinsame Öffnung 208 an einem Ende des Tanks auf, die ein zylindrisches Gehäuse 210 umgibt, das sich in einen Innenraum 212 des Tanks hinein erstreckt. Das zylindrische Gehäuse 210 ist hohl und definiert in seinem Inneren einen Pumpensockel 214, der sich von einem Befestigungsflansch 216 in die Tankkammer 212 hinein erstreckt und in dem die Pumpe 118 aufgenommen wird. Eine Dichtung 218 trennt den Innenraum eines Abschnitts des Pumpensockels 214 von der Tankkammer 212.
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Die Pumpe 118 in der dargestellten Ausführungsform weist eine allgemein zylindrische Form auf und weist einen Pumpenflansch 220 auf, der die Pumpe 118 am Befestigungsflansch 216 des Tanks 114 hält. Eine Außenansicht der Pumpe 118, die aus dem Tank 114 herausgenommen ist, ist auch in 3 gezeigt und ist in 4 zum Teil aufgeschnitten, um innere Komponenten sichtbar zu machen. Die Pumpe 118 weist im Allgemeinen einen Stellantriebsabschnitt 302 auf, der so betrieben wird, dass er eine oder mehrere Schubstangen 304 selektiv aktiviert. Die Schubstangen 304 umgeben ein Kompressionsrohr 306, das optional auch als Auslasskanal für die Pumpe 118 dienen kann. Die Schubstangen 304, die vom Stellantrieb 302 in Hin- und Her-Bewegung versetzt werden, erstrecken sich vom Stellantriebsabschnitt 302 zu einem Aktivierungsabschnitt 308, der einem Pumpabschnitt 310 zugeordnet ist. Während des Betriebs wird der Pumpabschnitt 310, der in kryogenes Fluid eingetaucht sein kann, so betrieben, dass er Fluid aus dem Tankinnenraum 212 aus dem Tank heraus und durch einen Auslass oder, in manchen Ausführungsformen, das Kompressionsrohr 306 pumpt, um den Motor mit Brennstoff zu beliefern, wie zuvor beschrieben. Der Pumpabschnitt 310 wird durch den Aktivierungsabschnitt 308 aktiviert, um Fluid zu pumpen, wodurch anderseits die Hin- und Her-Bewegung der Schubstangen 304 in eine Pumpaktion überträgt, die den Pumpabschnitt 310 betätigt. Die Übertragung der Hin- und Her-Bewegung der Schubstangen 304 kann durch beliebige geeignete Strukturen oder ein beliebiges geeignetes Verfahren vollzogen werden, unter anderem durch eine feste Struktur oder durch ein anderes Verfahren, beispielsweise ein geschlossenes oder pneumatisches Volumen, das eine Verlagerung bzw. Verdrängung übertragen kann.
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In der dargestellten Ausführungsform werden die Schubstangen 304, die in 4 im Querschnitt gezeigt sind und die außerdem in 8 in einer vergrößerten Detailansicht gezeigt sind, in der Ausrichtung der in 4 gezeigten Pumpe von einem Stößel 314 in einer Bohrung 316, der durch Hydraulikfluid, das unter Druck hinter dem Stößel 314 durch einen Aktivierungskanal 318 bereitgestellt wird, abwärts. Eine Rückstellfeder 320 stellt die Schubstange 304 über einen oberen Schubstangenabschnitt 312, und somit den Stößel 314 zurück, wenn eine Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids hinter dem Stößel aufgehoben wird oder, anders ausgedrückt, wenn der Raum hinter dem Stößel 314 entlüftet bzw. von Druck entlastet wird.
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Das unter Druck stehende Hydraulikfluid zur Aktivierung des Stößels 314 wird in dem Raum hinter dem Stößel bereitgestellt und wird durch selektives Positionieren eines Schieberventils 322, das in 6 und 7 in zwei Betriebsstellungen gezeigt ist, ebenfalls von Druck entlastet. In 6 ist das Schieberventil 322 in einer Befüllungsstellung gezeigt, in welcher der Raum hinter dem Stößel 314 mit unter hohem Druck stehendem Öl gefüllt wird, um zu bewirken, dass der Stößel ausfährt, und in 7 ist das Schieberventil in einer Entleerungsstellung gezeigt, in welcher der Raum hinter dem Stößel 314 von Druck entlastet wird, um dem Stößel 314 zu ermöglichen, durch die Kraft der Rückstellfeder 320 (8) zurückzukehren und somit zurückzufahren.
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Das Schieberventil 322 in der dargestellten Ausführungsform weist ein Schieberventilelement auf, das hin und her bewegbar montiert ist und das in einer Bohrung 326 betrieben wird. Die Bohrung 326, in der das Schieberventilelement 324 aufgenommen ist, steht mit einem Fluidzuführkanal 328, der unter Druck stehendes Fluid zum Bewegen des Stößels 314 liefert, in Fluidverbindung. Wie in 1 gezeigt ist, kann das unter Druck stehende Fluid beispielhaft ein Hydraulikfluid sein, das von einer Hydraulikpumpe wie der Hydraulikpumpe 150 geliefert wird. Die Strömungsrate und der Druck des Hydraulikfluids können beispielsweise durch das Ventilsystem 152, das ebenfalls in 1 dargestellt ist, als Reaktion auf Steuerbefehle von der elektronischen Steuereinrichtung 120 (1) gesteuert werden.
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Die Bohrung 326 steht auch in Fluidverbindung mit einem Druckentlastungskanal 330 (der in 6 und 7 zum Teil dargestellt ist), der sich auf bekannte Weise zu einem Fluidbehälter öffnet, um unter Druck stehendes Fluid abzulassen. Ein Stößelzuführkanal 332 bringt die Bohrung 326 mit einem Bereich hinter dem Stößel 314 in Fluidverbindung, was in der in 8 gezeigten Ausführungsform bedeutet, dass der Stößelzuführkanal 332 für Fluid aus dem Aktivierungskanal 318 offen ist. Wenn das Schieberventilelement 324 während des Betriebs die in 6 gezeigte Befüllungsstellung einnimmt, wird der Fluidzuführkanal 328 des Schieberventilelements 324 mit dem Stößelzuführkanal 332 in Fluidverbindung gebracht, und der Druckentlastungskanal 330 und der Stößelzuführkanal 332 sind fluidtechnisch isoliert. In dieser Betriebsstellung wird Fluid aus dem Fluidzuführkanal 328 unter hohem Druck in den Stößelzuführkanal 332 geleitet, der seinerseits das Fluid am Aktivierungskanal 318 bereitstellt, von wo aus das Fluid durch Hydraulikdruck den Stößel 314 anschiebt, der die Schubstange 304 ausfährt, um ein Pumpelement am anderen Ende der Pumpe 118 zu aktivieren, wie bereits beschrieben. In der Druckentlastungsstellung bewegt sich das Schieberventilelement, wie in 7 gezeigt ist, so, dass es die Fluidverbindung des Fluidzuführkanals 328 blockiert und anderseits den Stößelzuführkanal 332 mit dem Druckentlastungskanal 330 in Fluidverbindung bringt. In dieser Betriebsstellung strömt Fluid von hinter dem Stößel 314 durch den Aktivierungskanal 318 und den Stößelzuführkanal 332 in den Druckentlastungskanal 330, von wo aus es abgelassen wird. Diese Bewegungen werden durch die Rückstellfeder 320 erleichtert, die den oberen Schubstangenabschnitt 312 und somit den Stößel 314 so anschiebt, dass diese zurückfahren.
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In der dargestellten Ausführungsform ist das Schieberventilelement 324 unter Anregungsbedingungen in der Befüllungsstellung (6) angeordnet, und wenn es abgeregt ist, nimmt es die Entleerungsstellung ein (7). Die Aktivierung des Schieberventilelements 324 erfordert eine Verlagerung desselben entlang einer Achse, entlang derer sich das Schieberventilelement 324 hin und her bewegt. Für die Verlagerung sorgt ein Stellantrieb 334, der in 5 im Querschnitt dargestellt ist. Der Stellantrieb 334 ist ein elektromechanischer Pilot- bzw. Vorsteuerungsstellantrieb, aber es können auch andere Stellantriebe, die piezoelektrische Elemente verwenden, verwendet werden. Der Stellantrieb 334 weist eine Magnetspule 336 auf, die, wenn sie angeregt wird, einen Zapfen 338 zurückfahren lässt, der hin- und her bewegbar zumindest zum Teil in der Magnetspule 336 angeordnet ist, und weist eine Rückstellfeder 340 auf. In der dargestellten Ausführungsform ist der Zapfen 338 ein Befestigungsmittel. Der Schieber kann ein Eisenkern 342 sein. Der Zapfen 338 weist einen Anker 344 auf und bewegt sich innerhalb einer Zapfenführung 346, die eine Hohlbohrung 348 bildet, hin und her. Die Hohlbohrung 348 ist von einem Hydraulikölzuführkanal 350, einem Schieberventilzuführauslass 352 und einem Entleerungsauslass 354 fluidtechnisch isoliert. Der Hydraulikölzuführkanal 350 kann direkt oder über das Ventilsystem 152 mit einem Auslass der Hydraulikpumpe 150 verbunden sein (1). Die Zapfenführung 346 bildet zwei Tellerventilsitze, die abhängig vom Aktivierungszustand des Magnetventils 336 die verschiedenen Fluidkanäle in Fluidverbindung bringen oder isolieren.
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Genauer wird während des Betriebs und abhängig vom Aktivierungszustand der Magnetspule 336 die Position des Zapfens 338 innerhalb der Zapfenführung 346 zwischen einer Aktivierungsstellung und einer Entleerungsstellung verstellt. In der Aktivierungsstellung öffnet sich ein Ventil 347 an einem unteren Sitz, während sich der Anker 344 aufwärts bewegt, wodurch der Schieberventilzuführauslass 352 mit dem Entleerungsauslass 354 in Fluidverbindung gebracht wird, der, wie in 6 und 7 gezeigt ist, mit dem Innenraum der Bohrung 326 verbunden ist und den Bereich unterhalb des Schieberventilelements 324 unter Druck setzt, wodurch bewirkt wird, dass sich dieses durch hydraulische Kraft innerhalb der Bohrung aus der Entleerungsstellung (7) in die Befüllungsstellung (6) bewegt und somit durch Liefern von unter Druck stehendem Fluid durch den Stößelzuführkanal 332 zum Aktivierungskanal 318 den Stößel 314 (8) aktiviert, wie zuvor beschrieben. Wenn der Zapfen 338 die aktivierte Stellung einnimmt, nimmt daher das Schieberventilelement 324 die Befüllungsstellung ein. Ebenso wird der Schieberventilzuführauslass 352 mit dem Hydraulikölzuführkanal 350 in Fluidverbindung gebracht, wenn der Zapfen 338 deaktiviert wird, wodurch das Fluid unterhalb des Schieberventilelements 324 abläuft, was bewirkt, dass es sich in der Bohrung 326 verbreitet und somit den Aktivierungskanal 318 von Druck entlastet (8). Wenn der Zapfen 338 deaktiviert ist, nimmt daher das Schieberventilelement 324 die Entleerungsstellung ein (7). Der Fluidzuführkanal 328 kann direkt mit einem Auslass der Hydraulikpumpe 150 verbunden sein oder kann alternativ dazu über das Ventilsystem 152 mit dem Auslass der Hydraulikpumpe 150 verbunden sein. In der dargestellten Ausführungsform steht der Fluidzuführkanal 328 immer mit dem Hydraulikölzuführkanal 350 in Fluidverbindung, aber abhängig von der Betriebsbedingung der Pumpe 118 und/oder der Hydraulikpumpe 150 können die beiden Kanäle auch manchmal getrennt sein oder mit unterschiedlichen Drücken betrieben werden.
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Der Betrieb des Stellantriebs 334 hängt davon ab, ob elektrische Leistung im Schieber 336 vorhanden ist, die von der elektronischen Steuereinrichtung 120 (1) selektiv bereitgestellt wird, so dass die selektive Pumpaktion der Pumpe 118 selektiv ausgeführt werden kann. Die Pumpe 118 weist vorteilhafterweise sechs separat aktivierbare Pumpelemente 400 auf (von denen zwei im Querschnitt gezeigt sind), aber abhängig von der Anwendung der Pumpe auf ein bestimmtes System kann auch eine andere Zahl von Pumpelementen verwendet werden, beispielsweise eines, zwei, drei, vier, fünf oder mehr als sechs. Wie in 4 dargestellt ist, wo ein Querschnitt der Pumpe 118, der entlang einer Stelle genommen ist, die sich diametral über die allgemeine Zylinderform der Pumpe 118 erstreckt, sind die sechs Pumpelemente, von denen jedes ein eigener Satz von Komponenten ist, wie in 5–8 beschrieben und gezeigt ist, in diametral gegenüber angeordneten Paaren symmetrisch um die Pumpe herum angeordnet. Es kann auch eine ungerade Anzahl von Pumpelementen verwendet werden, die in regelmäßigen Winkelintervallen um die Pumpe herum angeordnet sind. Die Stößel sind in einem Stößelgehäuse 401 aufgenommen, das um die Pumpe herum symmetrische Bohrungen bildet, die verschiedene andere Komponenten der Pumpe 118 lagern oder auf andere Weise unterbringen. Die elektronische Steuereinrichtung 120 ist dafür ausgelegt und programmiert, die einzelnen Pumpelemente durch Senden eines geeigneten Befehls zu einer gewünschten Zeit und für eine gewünschte Dauer an jedes der Stellglieder 334 des jeweiligen Pumpelements 400 selektiv zu aktivieren.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist auf jede Art von Anwendung anwendbar, die einen Vorratstank für Flüssiggas beinhaltet. In der dargestellten Ausführungsform wurde zur Veranschaulichung eine Maschine verwendet, die eine CNG- oder LPG-Brennstoffquelle aufweist, die in einem bordeigenen Tank getragen wird, aber der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme allgemein auf jede Art von komprimiertem Gastank anwendbar sind, der eine Pumpe zum Pumpen von Flüssiggas aus dem Tank umfasst, um ein System wie beispielsweise einen Motor mit Gas zu versorgen.
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Zwei Grafiken, die eine Verdrängung bzw. Verlagerung und einen zugeführten Flüssigkeitsstrom in einer Multielement-Pumpe gemäß der Offenbarung zeigen, sind in 9 und 10 dargestellt. In 9 ein Graph, der eine Verlagerung von beispielsweise dem Stößel 314 (8) oder eine Verlagerung eines Plungers für ein Pumpelement, dessen Bewegung entlang der vertikalen Achse in Bezug auf die Zeit aufgetragen ist, wobei die Zeit entlang der horizontalen Achse aufgetragen ist. Es sind zwei Kurven 402 und 404 dargestellt, von denen jede die Bewegung eines entsprechenden von mehreren Pumpelementen wie der Pumpelemente 400 zeigt (4). Die erste Kurve 402, die als durchgezogene Linie gezeigt ist, weist einen allgemein linearen Anstieg 406 von einer Nullstellung auf den maximalen Hubweg 408 des Kolbens oder Tauchkolbens auf. Der ausgefahrene Stößel oder Plunger folgt dann der ersten Kurve entlang einer allgemein linearen Linie 410 der Verlagerung vom maximalen Plungerhubweg 408 zurück auf null. Abhängig von den Strömungsratenanforderungen der Pumpe kann der Stößel unmittelbar nach seiner Rückkehr auf null entlang einer allgemein linearen Steigung wieder ausfahren, wobei diese Steigung von der linearen Abwärtslinie verschieden sein kann, was angibt, dass das Ausfahren oder Einfahren des Plungers oder, anders ausgedrückt, die Füll- und Pumphübe der Pumpe selektiv mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgeführt werden können. Falls ein Pumpelement nicht sofort aktiviert oder angeregt wird, kann es für eine Haltezeit 412 bei null verweilen. Ebenso zeigt die zweite Kurve 404 einen linearen Anstieg 406', einen linearen Abfall 410' und eine zweite Haltezeit 412'.
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In der dargestellten Ausführungsform ist als Beispiel für einen Satz von Betriebsparametern, durch welche die Befüllungs- und Pumphübe mit unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten ausgeführt werden, die dargestellte Aufahrgeschwindigkeit etwa 1,25 m/s, während die Einfahrgeschwindigkeit etwa 0,25 m/s ist. Diese Geschwindigkeiten wirken sich zwar auf die Rate aus, mit der das Flüssiggas zum Motor geliefert wird, aber sie sind auch Faktoren, die zur Fähigkeit der Pumpelemente beitragen, die Pumpvolumina für einen effizienten Pumpbetrieb abzudichten, insbesondere, um die Gleit-Grenzfläche zwischen Pumpenplungern und ihren entsprechenden Bohrungen abzudichten. Darüber hinaus fördern die relativ langsameren Füllhübe eine effiziente Fluidrücksaugung in das Pumpvolumen, das den Pumpenkolben umschließt.
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Die Ströme von gepumptem Flüssiggas, die aus den Verlagerungen des Plungers oder Stößels resultieren, die in 9 gezeigt sind, sind in 10 aufgezeichnet, wo sich eine Strömungsrate entlang der vertikalen Achse erstreckt und sich die Zeit entlang der horizontalen Achse in Übereinstimmung mit der Zeitskala von 9 erstreckt. Wie aus dem Graphen ersichtlich ist, erscheint während des Anstiegs 406 des ersten Stößels oder Tauchkolbens eine allgemein viereckwellenförmige Kurve 414, die aus einer Bewegung des ersten Pumpelements von 9 resultiert. Eine zweite Kurve 414' erscheint während des Anstiegs 406' des zweiten Stößels oder Tauchkolbens. Eine Verzögerung 416 zwischen den beiden Strömungen 414 und 414' hängt von den Anforderungen des Systems und von der Anzahl der Elemente der Pumpe ab.
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Die Verzögerung 416 kann selektiv auf verschiedenen Parametern basieren. Zum Beispiel können die Haltezeit 412 und die zweite Haltezeit 412' zur Verzögerung beitragen und können dynamisch variiert werden, um die Verzögerung in Echtzeit anzupassen. Zum Beispiel kann bei einem Motorsystem, in dem die Ströme 414 und 414' eine Brennstoffzufuhr zum Motor darstellen, in einem Betrieb im Leerlauf oder bei Niedriglast, der eine geringe Brennstoffversorgungsrate erfordert, die Verzögerung angepasst werden, um sicherzustellen, dass kein extra Brennstoff zum Motor gepumpt wird. Auf die gleiche Weise kann eine Verringerung oder Eliminierung der Haltezeit 412 die Verzögerung 416 verringern. Um die maximale Strömungsratenleistung bereitzustellen, kann die Pumpe so gestaltet sein, dass sie eine beliebige Anzahl von Pumpelementen aufweist, und die Hublänge und Aktivierungsgeschwindigkeit können so ausgewählt werden, dass die Viereckwellen aneinandergrenzen, wodurch eine Nullverzögerung bereitgestellt wird, falls gewünscht. Man beachte, dass die Pumpelemente, da sie unabhängig aktiviert werden können, durch die Steuereinrichtung auf überlappende oder gleichzeitige Weise aktiviert werden können, wodurch die Strömungsrate, die bereitgestellt wird, weiter erhöht wird und Druckschwankungen am Motor minimiert werden (d. h. eine negative Verzögerung 416 erhalten wird).
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Ein Ablaufschema für ein Verfahren zum Betreiben einer Multielement-Pumpe gemäß der Offenbarung ist in 11 dargestellt. Gemäß dem Verfahren, in dem von mehreren Pumpelementen jedes auf ein entsprechendes Aktivierungssignal von einer Steuereinrichtung anspricht, empfängt die Steuereinrichtung bei 502 mehrere Motorbetriebsparameter. Auf Basis der Motorbetriebsparameter, die Informationen beinhalten können, die ausreichen, um eine gewünschte Rate der Brennstoffzufuhr zum Motor zu bestimmen, und die Informationen oder Signale umfassen können, die eine Motordrehzahl, eine Motorlast und dergleichen umfassen können, bestimmt die Steuereinrichtung bei 504 die gewünschte Brennstoffzufuhrrate zum Motor. Die gewünschte Brennstoffzufuhrrate kann als beliebige Zahl von Parametern in der Steuereinrichtung ausgeführt werden, einschließlich eines gewünschten Gasdrucks in einem Gasspeicher oder einem Gasverteilerrohr, das dem Motor zugeordnet ist. In jedem Fall bestimmt die gewünschte Brennstoffzufuhrrate die Frequenz der Aktivierung der Pumpelemente. Auf Basis der Anzahl der Pumpelemente in der Pumpe und der Strömungsratenkapazität jedes Pumpelements und auch auf Basis der gewünschten Brennstoffrate kann die Steuereinrichtung bei 506 eine Frequenz oder auf ähnliche Weise eine Haltezeit oder eine Verzögerung zwischen Aktivierungen der verschiedenen Pumpelemente bestimmen. Abhängig von ihrer Bestimmung kann die Steuereinrichtung bei 508 jedem von den mehreren Pumpelementen befehlen, einen Pumphub durchzuführen.
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In einer Ausführungsform kann jeder Pumphub das Ausgeben eines Aktivierungsbefehls an ein Stellglied einer hydraulischen Einheit bei 510 beinhalten. Die Aktivierung des Stellglieds der Einheit kann bewirken, dass sich ein Schieberventilelement bei 512 zwischen einer Befüllungsstellung und einer Entleerungsstellung bewegt, wodurch bewirkt wird, dass eine Schubstange bei 514 hin- und her bewegend verlagert wird und somit einen Tauchkolben oder ein anderes Pumpelement 516 aktiviert, was bewirkt, dass bei 518 ein zuvor eingerichteter Fluidstrom am Motor bereitgestellt wird. Der Prozess wird während des Motorbetriebs, gegebenenfalls mit Änderungen der Frequenz und der Haltezeit zwischen Aktivierungen wiederholt, so dass eine gewünschte Strömungsrate des Fluids zum Motor während des Betriebs des Motors aufrechterhalten wird. Abgesehen von der Regelung der Frequenz und der Dauer der Aktivierungen der Pumpelemente kann die Steuereinrichtung auch eine Dauer einer Aktivierung eines Pumpenelements regeln, so dass in dem Fall, wo kein voller Hub des gepumpten Fluids gewünscht wird, ein kürzerer Pumphub ausgeführt wird, was durch eine nur teilweise Verlagerung des Tauchkolbens erreicht wird.
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Man beachte, dass in der obigen Beschreibung Beispiele für das offenbarte System und die offenbarte Technik angegeben werden. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung in Details von den obigen Beispielen abweichen. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder ihre Beispiele sollen auf das jeweilige Beispiel, das an dieser Stelle erörtert wird, bezogen werden und sollen keinerlei allgemeinere Beschränkung des Bereichs der Offenbarung implizieren. Alle Ausdrücke zur Unterscheidung und Abwertung in Bezug auf bestimmte Merkmale sollen eine weniger starke Bevorzugung solcher Merkmale angegeben, sollen diese Formen des Bereichs der Offenbarung aber nicht vollständig ausschließen, solange nichts anderes angegeben ist.
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Eine Nennung von Wertebereichen hierin soll nur als Vereinfachungsmethode dienen, um nicht jeden einzelnen Wert, der in dem Bereich liegt, individuell nennen zu müssen, solange nichts Gegenteiliges hierin angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist in der Patentschrift eingeschlossen, als würde er hierin individuell genannt. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeder geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, solange hierin nichts anderes angegeben ist oder wenn der Kontext nicht klar etwas anderes nahelegt.
