DE19748078A1 - Turboverdichtetes Brennstoffversorgungssystem für einen Gasbrennstoffmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffsysteme für Gasbrennstoffmotoren und insbe­ sondere auf ein turboverdichtetes Brennstoffversor­ gungssystem für einen Gasbrennstoffmotor.

Gasbrennstoffmotoren sind in der Technik wohl bekannt. Sie verbrennen typischerweise leicht verfügbares na­ türliches Gas bzw. Erdgas, sind jedoch fähig irgendeinen gasartigen Brennstoff zu verbrennen, wie beispielsweise Buthan, Propan, Methan oder sogar Wasserstoff. Beispiele von typischen Gasbrennstoffmotoren weisen die Gasmotoren der Serie G 3600 auf, die von Caterpillar, Inc. herge­ stellt werden. Diese Motoren sind relativ groß und sind stationär und werden oft verwendet, um Generatoren oder Pumpen usw. anzutreiben. Diese Caterpillar-Gasmotoren sind fähig, Leistung von über 1200 Pferdestärken bis un­ gefähr 4700 Pferdestärken zu erzeugen, vorausgesetzt, daß der Motor von einer Gasströmungsmittelquelle mit adäqua­ tem Druck versorgt wird.

Um irgendeine wesentliche Last auf einen Gasmotor der Bauart auf zubringen, auf welche sich die vorliegende Er­ findung bezieht, muß der Gasbrennstoffversorgungsdruck mindestens in der Größenordnung von ungefähr 15 psig lie­ gen. Unter Vollastzuständen kann der Motor eine Gas­ brennstoffversorgung über ungefähr 45 psig erfordern. Oft ist aufgrund von Sicherheitsbestimmungen oder anderen einschränkenden Faktoren die verfügbare Gasbrennstoff­ versorgung oft geringer als ungefähr 2 psig. Wenn gasar­ tiger Brennstoff auf einem solchen relativ niedrigen Druck geliefert wird, müssen Mittel vorgesehen werden, um den Druck ausreichend zu steigern, um den Gasmotor mit einer wesentlichen oder großen Belastung zu betreiben. Gegenwärtig setzt der Fachmann typischerweise eines von zwei unterschiedlichen Verfahren zur Steuerung des Brenn­ stoffdruckes ein, wobei beide davon unter relativ schwer­ wiegenden Nachteilen leiden.

Beim ersten Verfahren des Standes der Technik zur Stei­ gerung des Brennstoffdruckes werden Luft und Brennstoff bei Umgebungsdruck vermischt und dann als eine Mischung von einem Turbolader verdichtet, der am Auspuff bzw. an der Ableitung des Motors angebracht ist. Da die verdich­ tete Mischung nicht nur brennbar sondern auch explosiv ist, müssen extreme Vorkehrungen getroffen werden, um ei­ ne Zündung und/oder ein Leck der komprimierten Luft/Brennstoff-Mischung zu verhindern. Wegen den poten­ tiellen katastrophalen Konsequenzen ist dieses Verfahren zur Steigerung des Brennstoffdruckes extrem unerwünscht. Bei dem weiter verbreiteten Verfahren des Standes der Technik zur Steigerung des Brennstoffdruckes wird eine getrennte Kompressoreinheit eingesetzt, um ein Reservoir von gasartigem Brennstoff zu erzeugen, welches auf unge­ fähr 45 psig gehalten wird. Während dieses Verfahren be­ trächtlich sicherer ist als das andere Drucksteigerungs­ verfahren des Standes der Technik, ist es nicht wün­ schenswert, und zwar wegen der zusätzlichen Kosten und der Komplexität beim Betrieb einer getrennten Kompres­ soreinheit. In vielen Fällen ist diese Option auch nicht wünschenswert, da der Kompressor entweder mechanisch vom Motor angetrieben wird oder durch Elektrizität, die von dem Motor erzeugt wird. Diese unerwünschte Last auf dem Motor senkt die verfügbare Leistung, um andere Arbeiten auszuführen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese und andere Probleme zu überwinden, die mit Luft- und Brenn­ stoffversorgungssystemen für Gasmotoren assoziiert sind.

Ansprechend auf die Probleme und Nachteile, die mit dem Stand der Technik assoziiert sind, zieht die vorliegende Erfindung ein Luft- und Brennstoffversorgungssystem in Erwägung, bei dem die Luft und der Brennstoff getrennt turboverdichtet werden. Ein Luft- und Brennstoffversor­ gungssystem für einen Gasbrennstoffmotor gemäß der vor­ liegenden Erfindung weist einen ersten Turbolader mit ei­ ner Turbine und einem zweiten Turbolader mit einer zwei­ ten Turbine auf; beide Turbinen sind mit einer Abgaslei­ tung vom Motor verbunden. Der erste Turbolader weist ei­ nen ersten Kompressor auf, wobei ein Einlaß zu einer Luftquelle hin offen ist. Ein Ende einer Versorgungslei­ tung für komprimierte Luft ist mit dem Auslaß des ersten Kompressors verbunden, und sein anderes Ende ist mit ei­ nem Motorlufteinlaß verbunden. Der zweite Turbolader be­ sitzt einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß, der mit einer Quelle von Niederdruck-Gasbrennstoff verbunden ist. Ein Ende einer Hochdruck-Gasbrennstoffversorgungsleitung ist mit dem Auslaß aus dem zweiten Kompressor verbunden, und ihr anderes Ende ist mit einem Motorbrennstoffeinlaß verbunden. Das System weist auch Mittel auf, wie bei­ spielsweise eine Turbinen-Bypass-Leitung bzw. Turbinen­ überbrückungsleitung, um eine Abgasmenge über eine zweite Turbine vorbeizuleiten.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine sichere Vorrichtung zur Steigerung der Luft- und Brennstoffver­ sorgungsdrücke für Gasbrennstoffmotoren vorzusehen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, zu gestatten, daß Gasbrennstoffmotoren eine Brennstoffver­ sorgung mit relativ niedrigem Druck verwenden, ohne die Motorleistung oder die verfügbare Leistung bzw. die Pfer­ destärken zu unterminieren.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Luft- und Brennstoffversorgungssystem für einen Gasbrennstoffmotor vorzusehen.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoff- und Luftversorgungssystems für einen Gasbrenn­ stoffmotor gemäß des Standes der Technik;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoff- und Luftversorgungssystems für einen Gasbrenn­ stoffmotor gemäß des bevorzugten Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Steuersystems für ein Luft- und Brennstoffversorgungssystem ge­ mäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist ein Graph bzw. eine Kurve eines erforderlichen Brennstoffdruckes gegenüber der Motorlast für ver­ schiedene beispielhafte Gasbrennstoffmotoren;

Fig. 5 ist ein Graph bzw. eine Kurve eines erforderlichen Brennstoffvolumens gegenüber einer Motorlast für verschiedene beispielhafte Gasbrennstoffmotoren.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Luft/Brennstoff-System des Standes der Technik mit einem einzelnen bzw. einzigen Zy­ linder 11 eines (nicht gezeigten) Gasbrennstoffmotors veranschaulicht. Eine Hochdruck-Gasbrennstoffversor­ gungsleitung 30 besitzt ein Ende, welches mit einer Quel­ le von Gasbrennstoff 15 mit relativ hohem Druck verbunden ist. Im Fall von Caterpillar-3600-Gasbrennstoffmotoren muß diese Gasbrennstoffversorgung 15 auf einem Druck von mindestens ungefähr 40 psig sein, damit der Motor eine beträchtliche bzw. wesentliche Last erträgt. Gemäß des Standes der Technik ist die Gasversorgung 15 typischer­ weise unter Verwendung einer getrennten Kompressoreinheit unter Druck gesetzt.

Das Hochdruckgas, welches durch die Leitung 30 hindurch­ geht, geht zuerst durch ein Gasabschlußventil 32 auf sei­ nem Weg zum Motor. Dieses Ventil gestattet es, daß der Motor schnell abgeschaltet werden kann, und zwar durch abruptes Stoppen der Brennstoffversorgung an den Motor. Eine andere Hochdruck-Gasbrennstoffversorgungsleitung 33 verbindet das Gasabschlußventil 32 mit einem Gassteuer­ ventil 35. Das Steuerventil 35 ist vorzugsweise ein elek­ tronisch gesteuertes variables Zumeßöffnungsventil, wel­ ches im wesentlichen als eine Drossel funktioniert, und zwar durch Steuern der Massenflußrate des Brennstoffs an den Motor. Wie in der Technik bekannt, wird das Steuer­ ventil 35 vorzugsweise elektronisch von einem Computer gesteuert, der die Motorbetriebs- und -lastzustände über­ wacht. Das Steuerventil 35 öffnet sich zu einer Hoch­ druck-Gasleitungssammelleitung 36, die als ein Motor­ brennstoffeinlaß angesehen werden kann. Das Gassteuer­ ventil steuert den Gasbrennstoffdruck in der Gaslei­ tungssammelleitung 36 durch elektronische Steuerung eines Zumeßöffnungsventils mit variabler Fläche von der in der Technik bekannten Bauart. Die Gasleitungssammelleitung 36 sieht typischerweise einzelne bzw. individuelle Versor­ gungsleitungen für jeden Zylinder des Motors vor. Um ein unnötiges Durcheinander zu vermeiden, ist nur ein einzi­ ger Zylinder 11 des Gasmotors veranschaulicht. Gasbrenn­ stoff wird an jedem Zylinder über eine Vorkammergaslei­ tung 38 und eine Hauptzylindergasleitung 37 geliefert. Ein Vorkammernadelventil 39 ist in der Vorkammergas­ leitung 38 positioniert und dient als Mittel zur Regelung des Brennstoffdruckes in der Vorkammergasleitung stromab­ wärts vom Nadelventil.

Während die Vorkammergasleitung 38 reinen Gasbrennstoff bei einem niedrigeren Druck an die Verbrennungsvorkammer bei dieser Bauart von Gasbrennstoffmotoren liefert, wird jeder Hauptzylinder mit einer Mischung von Gasbrennstoff und komprimierter Luft über eine Mischversorgungsleitung 41 beliefert. Der komprimierte Gasbrennstoffin der Hauptzylindergasleitung 37 wird mit Druckluft in der Lufteinlaßleitungssammelleitung 26 beim Gaseinlaßventil 40 gemischt. Das Gaseinlaßventil 40 ist vorzugsweise von einer in der Technik bekannten Bauart, bei der eine Druckdifferenz zwischen der Lufteinlaßleitungssammel­ leitung 26 und der Hauptzylindergasleitung 37 aufrecht­ erhalten wird, um eine ordnungsgemäße Mischung in der Versorgungsleitung 41 aufrechtzuerhalten. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist die diese Druckdifferenz vor­ zugsweise mindestens ungefähr 1,5 psig, was dem relativ niedrigen Druck der typisch verfügbaren Gasbrennstoff­ versorgungen entspricht. Das Gaseinlaßventil steuert den Massenfluß der brennbaren Gas-Luft-Mischung an jedem Zy­ linder 11 des Motors.

Ein Turbolader 17 wird verwendet, um komprimierte Luft an die Lufteinlaßleitungssammelleitung 26 zu liefern. Insbe­ sondere wird Umgebungsluft 16 in den Einlaß des Kompres­ sors 18 des Turboladers gezogen. Eine Versorgungsleitung 22 für komprimierte Luft besitzt ein Ende, welches mit dem Auslaß aus dem Kompressor 18 verbunden ist, und ihr anderes Ende ist mit einem Choke bzw. einer Luftklappe 23 verbunden, die als ein Motorlufteinlaß angesehen werden kann. Der Choke bzw. die Luftklappe 23 ist vorzugsweise elektrisch gesteuert, wird jedoch normalerweise voll ge­ öffnet gehalten, außer wenn es nötig ist, ein Vakuum in der Lufteinlaßleitungssammelleitung 26 zu erzeugen. Dies tritt typischerweise bei niedrigen Leerlaufzuständen und Zuständen ohne Last auf. Somit macht die Luftklappe 23 unter gewissen Umständen die Luft in der Einlaßleitungs­ sammelleitung 26 niedriger bzw. tiefer oder dünner als die Umgebungsluft. Luft, die die Luftklappe 23 verläßt, geht entlang einer Luftversorgungsleitung 24 und durch einen Nachkühler 25 einer in der Technik bekannten Bau­ art, bevor sie in die Lufteinlaßleitungssammelleitung 26 eintritt.

Der Turbolader 17 weist eine Turbine 19 auf, und zwar mit einer Turbinenversorgungsleitung 47, die mit der Auslaß­ leitungssammelleitung 45 aus dem Motor verbunden ist. Um die Menge des Abgases zu steuern, die an die Turbinenver­ sorgungsleitung 47 geliefert wird, steuert ein Auslaß­ ventil 48 den Abgasmassenfluß durch die Turbinen-By­ pass-Leitung 46. Der Turbinenauslaß 49 läuft wieder mit der Turbinen-Bypass-Leitung 46 im Auslaß- bzw. Abgasstapel 50 zusammen, der sich zur Atmosphäre öffnet. Der Auslaß 48 sind die Mittel, durch die der Luftdruck innerhalb der Lufteinlaßleitungssammelleitung 26 gesteuert wird, wenn komprimierte Druckluft benötigt wird. Wenn es erwünscht ist, den Luftdruck zum Motor zu steigern, wird der Auslaß 48 in die geschlossene Position bewegt, so daß im wesent­ lichen mehr Abgas durch die Turbine 19 hindurchläuft statt durch den Auslaß. Durch Steuern der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Turbine 19 über das Auslaß- bzw. Ablei­ tungsventil 48 kann die Drehzahl des Kompressors 18 ge­ nauso gesteuert werden, und auch der entsprechende Luft­ druck in der Versorgungsleitung 22 für komprimierte Luft.

Mit Bezug auf Fig. 2 weist ein Luft/Brennstoff-Versor­ gungssystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung viele der gleichen Merkmale des Systems des Standes der Technik auf, welches in Fig. 1 gezeigt ist. Die Merkmale, die ge­ genüber dem Stand der Technik gleich bleiben, werden identisch bezeichnet, und der Leser sollte Bezug nehmen auf die Besprechung dieser Merkmale mit Bezug auf das Sy­ stem des Standes der Technik für irgendeine detaillierte Beschreibung. Anders als beim Stand der Technik weist das Luft/Brennstoff-System 100 gemäß der vorliegenden Erfin­ dung mindestens einen zusätzlichen Turbolader 70 auf, der als Mittel zum Unterdrucksetzen des Gasbrennstoffes dient. Dieses Ausführungsbeispiels ist vorzugsweise mit zwei Turboladern 60 und 70 auf der Brennstoffversorgungs­ seite gezeigt. Der gegenwärtige Stand der Technik bei der Turboladertechnologie erfordert zwei Turbolader, um den Gasdruck von ungefähr 1,5 psig auf ungefähr 45 psig anzu­ heben. Somit ist das in Fig. 2 gezeigte System fähig, Gasbrennstoff mit relativ hohem Druck (ungefähr 45 psig) zu liefern, so daß ein Caterpillar-Gasbrennstoffmotor der Serie 3600 bei Vollastzuständen arbeiten kann. Während der Motor mit einer Gasbrennstoffversorgung unter unge­ fähr 1,5 psig arbeiten kann, wird für praktische Zwecke, insbesondere wenn man den Motor startet, zumindest ein gewisser Brennstoffdruck in dieser Größenordnung benö­ tigt.

Im Betrieb tritt Niederdruck-Gasbrennstoff von der Nie­ derdruck-Versorgung 80 in den Einlaß des Kompressors 71 ein. Komprimierter Gasbrennstoff verläßt den Kompressor 71 durch eine Versorgungsleitung 81, geht durch einen Nachkühler 82 auf seinem Weg zum Kompressor 61 über die Versorgungsleitung 83. Der Kompressor 61 steigert weiter den Druck des Gasbrennstoffes, der den Kompressor über eine Versorgungsleitung 84 verläßt. Nachdem er durch den zweiten Nachkühler 85 hindurchgegangen ist, tritt der komprimierte Gasbrennstoff in die Hochdruck-Gasversor­ gungsleitung 30 ein. Von diesem Punkt und stromabwärts ist das Brennstoffsystem gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen mit dem des Standes der Technik iden­ tisch.

Die Turbinen der Turbolader 60 und 70 sind parallel zu­ einander verbunden bzw. angeschlossen und zur Turbinen­ versorgungsleitung 47, die Abgas an den Turbolader 17 auf der Luftversorgungsseite liefert. Eine Turbinenversor­ gungsleistungssammelleitung 52 ist mit der Auslaß- bzw. Abgasleitungssammelleitung 35 stromaufwärts vom Ablei­ tungsventil 48 verbunden. Die Turbinenversorgungslei­ tungssammelleitung 52 verzweigt sich in ein Paar von pa­ rallelen Turbinenversorgungsdurchlässen 53 und 54. Ein erstes Flußsteuerventil 55 steuert die Abgasmenge, die die Turbine 62 über die Turbinenversorgungsleitung 56 er­ reichen darf. Abgas aus der Turbine 62 wird zurück zum Abgasstapel 50 über eine Turbinenauslaßleitung 63 getra­ gen oder geleitet. Ein zweites Flußsteuerventil 57 steu­ ert die Abgasflußmenge, die durch die Turbine 72 von der Turbinenversorgungsleitung 58 hindurchlaufen darf. Eine Turbinenabgasleitung 64 verbindet den Abgasstapel 50 mit dem Auslaß aus der Turbine 72. Der Fachmann wird erken­ nen, daß sowohl der Luftdruck in der Lufteinlaßleitungs­ sammelleitung 26 als auch der Gasbrennstoffdruck in der Hochdruck-Gasversorgungsleitung 30 über das Ableitungs­ ventil 48 und die Flußsteuerventile 55 und 57 gesteuert werden können. In anderen Worten wird der Fachmann er­ kennen, daß der Auslaß- bzw. Ausgangsdruck aus jedem der Kompressoren 18, 61 und 71 gesteuert werden kann durch Steuern ihrer jeweiligen Turbinendrehzahlen.

Mit Bezug auf Fig. 3 sind bevorzugte Mechanismen zur Steuerung des Ableitungsventils 48 und der Flußsteuer­ ventile 55 und 57 in Verbindung mit ihren assoziierten Turboladern veranschaulicht. Insbesondere wird das Ab­ leitungsventil 48 vorzugsweise elektronisch durch ein elektronisches Steuermodul (ECM = Electronic Control Mo­ dule) 90 über eine Kommunikations- bzw. Nachrichten­ leitung 94 gesteuert. Obwohl nicht gezeigt, überwacht das elektronische Steuermodul 90 eine Vielzahl von Motorbe­ triebs- und -lastzuständen, um einen gewünschten kompri­ mierten Luftdruck für den Motor sicherzustellen. Ein Sen­ sor 91 überwacht den komprimierten Luftdruck in der Ver­ sorgungsleitung 22 für komprimierte Luft über einen Hahn bzw. eine Sperrvorrichtung 92. Dieser komprimierte Luft­ druck bzw. Druck der komprimierten Luft wird kontinuier­ lich an das elektronische Steuermodul 90 über eine Kommu­ nikations- bzw. Nachrichtenleitung 93 übermittelt. Das elektronische Steuermodul 90 vergleicht dann den ge­ wünschten komprimierten Luftdruck mit dem tatsächlichen komprimierten Luftdruck und bewegt das Ableitungsventil 48 entweder in eine weiter geöffnete oder weiter ge­ schlossene Position, und zwar abhängig davon, ob der kom­ primierte Luftdruck zu hoch oder zu niedrig ist. Wenn der komprimierte Luftdruck bzw. Druck der komprimierten Luft zu gering ist, wird das Ableitungsventil 48 in eine ge­ schlossene Position bewegt, so daß mehr Abgas in die Tur­ bine 19 über die Turbinenversorgungsleitung 47 laufen kann. Genau so wird das Ableitungsventil 48 in eine wei­ ter geöffnete Position bewegt, wenn der Druck der kom­ primierten Luft in der Versorgungsleitung 22 für kompri­ mierte Luft höher als der gewünschte für einen bestimmten Motorbetriebs- und Lastzustand wird. Der Fachmann wird erkennen, daß eine Vielzahl von anderen Mitteln, wie bei­ spielsweise ein passiv-mechanisch vorgespanntes Ventil, verwendet werden könnten, um das Ableitungsventil 48 und den Druck innerhalb der Versorgungsleitung 22 für kompri­ mierte Luft zu steuern.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerventile 55 und 57 vorzugsweise mechanisch und sind in eine offene Position vorgespannt, schließen jedoch ansprechend dar­ auf, daß der Druck innerhalb ihrer jeweiligen Balance- bzw. Ausgleichsleitungen 75, 76 liegt. Insbesondere steht die Balance- bzw. Ausgleichsleitung 75 mit dem Druck in­ nerhalb der Hochdruck-Gasbrennstoffversorgungsleitung 84 zum Flußsteuerventil 55. Wenn der Druck innerhalb dieser Versorgungsleitung ungefähr 45 psig für diese Motoranwen­ dung überschreitet, bewegt der Druck innerhalb der Ba­ lance- bzw. Ausgleichsleitung 76 das Flußsteuerventil 55 in eine geschlossene Position, um den Auslaß- bzw. Ab­ gasfluß in die Turbine 62 zu verringern, was eine Ab­ senkung des entsprechenden Druckes in der Hochdruck-Ver­ sorgungsleitung 84 zur Folge hat. Die Balance- bzw. Aus­ gleichsleitung 45 für das Flußsteuerventil 57 übermittelt den Druck innerhalb der Kompressorverbindungsver­ sorgungsleitung 81 zum Flußsteuerventil. Das Flußsteuer­ ventil ist eine Bauart, die in der Technik bekannt ist und in der Konstruktion ähnlich dem Flußsteuerventil 55 ist. In diesem Fall wird das Flußsteuerventil 57 geöffnet vorgespannt, bewegt sich jedoch zu einer geschlossenen Position hin, wenn der Druck innerhalb der verbindenden Versorgungsleitung 81 ein vorbestimmtes Ausmaß über­ schreitet, wie beispielsweise ungefähr 20 psig. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Flußsteuerven­ tile 55 und 57 im wesentlichen passive mechanische Mittel zur Verhinderung, daß die Turbolader 60 und 70 überdreht werden. Somit ist, egal ob der jeweilige Turbolader in Gefahr ist, überdreht zu werden, das entsprechende Fluß­ steuerventil weit offen, um die maximale Energiemenge im Abgas zu verwenden, um den Gasbrennstoff zu komprimieren.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist es offensichtlich, daß die Ca­ terpillar-Gasbrennstoffmotoren der Serie 3600, die ver­ wendet worden sind, um das Brennstoff/Luft-Versorgungs­ system der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, in einem Leerlaufzustand mit einem tatsächlichen Brennstoff­ druckvakuum betrieben werden können. Obwohl diese Kurve zeigt, daß diese Motoren bei Leerlaufbedingungen mit ei­ nem extrem niedrigen Brennstoffversorgungsdruck arbeiten können, der tatsächlich niedriger als der Umgebungsdruck sein kann, ist es sehr schwierig, diese Motoren unter diesen Vakuumzuständen zu starten. Dies wird weiterhin durch die Tatsache kompliziert gemacht, daß die Luft­ druckversorgung an den Motor noch niedriger sein muß, als der Brennstoffdruck, und zwar damit das Gaszulei­ tungsventil 40 (Fig. 1) ordnungsgemäß beim Zumessen einer brennbaren Mischung zum Motor funktionieren muß. Da es extrem schwierig ist, ein Vakuum sowohl in der Luftver­ sorgung als auch in der Brennstoffversorgung zu erzeugen, wenn man den Motor startet, ist herausgefunden worden, daß für alle praktischen Zwecke ein minimal erfor­ derlicher Brennstoffdruck in der Größenordnung von unge­ fähr 1,5 psig notwendig ist. Unter diesen Umständen wird die bei Umgebungsdruck gelieferte Luft mit einem Gas­ brennstoff auf geringfügig höherem Druck beim Gaszulei­ tungsventil gemischt, so daß der Motor bei Bedingungen startet, die einem niedrig belasteten Hochleerlaufzustand entspricht. Sobald der Motor gestartet ist, kann der Mo­ tor die notwendigen Vakuen erzeugen, um in einem niedri­ gen Leerlaufzustand zu arbeiten. Auch kurz nach dem Start werden die Turbolader schnell gedreht, so daß der Motor in einem belasteten Zustand laufen kann. Fig. 4 zeigt, daß bei 100% Last diese Gasbrennstoffmotoren einen Gas­ druck in der Größenordnung von ungefähr 45 psig erfor­ dern.

Mit Bezug auf Fig. 5 ist der erforderliche Brennstoff in Standardkubikfuß pro Minute aufgezeichnet gegenüber dem Motorlastzustand für verschiedene Caterpillar-Gasbrenn­ stoffmotoren der Serie 3600. Diese Kurve zeigt, daß bei niedrigen Leerlaufzuständen weniger als 100 Standard­ kubikfuß pro Minute erforderlich sind. Dieser Graph bzw. diese Kurve zeigt auch, daß der maximal erforderliche Brennstoff beträchtlich bei 100-%igen Motorlastzuständen zwischen den drei unterschiedlichen Beispielmotoren vari­ iert.

Die vorliegende Erfindung findet potentielle Anwendung bei einem Luft/Brennstoff-Versorgungssystem für Gasmo­ toren, wo es erwünscht ist, die Luft und den Brennstoff getrennt zu komprimieren. Anders als beim Stand der Tech­ nik zieht das Brennstoff/Luft-Versorgungssystem der vor­ liegenden Erfindung keine Leistung vom Motor ab, die an­ derenfalls verwendet werden könnte, um nützliche Arbeit zu verrichten. Darüber hinaus können die brennstoffseiti­ gen Turbolader der vorliegenden Erfindung zum System des Standes der Technik der Fig. 1 hinzugefügt werden, ohne einen zusätzlichen Rückdruck auf den Motor zu erzeugen. Der Grund dabei ist, daß im Fall der vorliegenden Erfin­ dung ein Teil des Abgases, der anderenfalls das System durch das Ableitungsventil verlassen würde, nun verwendet wird, um die Turbolader anzutreiben, die den Gasbrenn­ stoff komprimieren.

Die obige Beschreibung ist nur für Veranschaulichungs­ zwecke und die vorliegende Erfindung soll nicht in ir­ gendeiner Weise durch die Anwendung von beispielhaften Motoren eingeschränkt werden, die verwendet wurden, um die Erfindung zu beschreiben. Beispielsweise wird der Fachmann erkennen, daß das Gas/Brennstoff-Versorgungssy­ stem von nahezu irgendeinem Gasbrennstoffmotor die Prin­ zipien der vorliegenden Erfindung ausnutzen könnte, und zwar ungeachtet der speziellen Brennstoffdruckanforde­ rungen eines speziellen Motors. Obwohl darüber hinaus die vorliegende Erfindung derart veranschaulicht wurde, daß sie zwei Turbolader auf der Brennstoffseite des Versor­ gungssystems verwendet, können manche Systeme nur einen einzigen Turbolader erfordern, während andere Systeme mehr als zwei Turbolader verwenden könnten. Dies würde primär vom maximalen Druck abhängen, der von einem spe­ ziellen Motor benötigt wird, und von dem erwarteten nied­ rigsten Druck, auf dem der Gasbrennstoff an denselben ge­ liefert wird. Es ist auch wichtig zu erwähnen, daß, ob­ wohl die brennstoffseitigen Turbinen in paralleler Anord­ nung gezeigt worden sind, es in manchen Systemen wün­ schenswert sein kann, dieselben in Reihe anzuordnen. Auf jeden Fall ist der Umfang der vorliegenden Erfindung al­ lein durch die unten aufgeführten Ansprüche bestimmt.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen. In einem turboverdichteten Luft- und Brennstoffversor­ gungssystem für einen Gasbrennstoffmotor werden getrennte Turbolader verwendet, um die Luft und den Gasbrennstoff zu komprimieren. Ein erster Turbolader besitzt eine erste Turbine, die mit einer Auslaßleitung aus dem Motor ver­ bunden ist, und einen ersten Kompressor, wobei ein Einlaß davon zu einer Luftquelle geöffnet ist. Eine Versorgungs­ leitung für komprimierte Luft besitzt ein Ende, welches mit dem Auslaß aus dem ersten Kompressor verbunden ist, und ihr anderes Ende ist mit einem Motorlufteinlaß ver­ bunden. Eine Gasbrennstoffversorgungsleitung besitzt ein Ende, welches mit einer Quelle von Niederdruck-Gasbrenn­ stoff verbunden ist. Ein zweiter Turbolader besitzt eine zweite Turbine, die mit der Auslaßleitung aus dem Motor verbunden ist, und besitzt einen zweiten Kompressor mit einem Einlaß, der mit der Gasbrennstoffversorgungsleitung verbunden ist. Eine Hochdruck-Gasbrennstoffversorgungs­ leitung besitzt ein Ende, welches mit dem Auslaß des zweiten Kompressors verbunden ist, und ihr anderes Ende ist mit einem Motorbrennstoffeinlaß verbunden. Ein com­ putergesteuertes Ableitungsventil in der Auslaßleitung gestattet es, daß ein Teil des Abgases um die zweite Tur­ bine herum geleitet wird. Somit verwendet die vorliegende Erfindung übrige oder ausgelassene Energie vom Motor, um sowohl die Luft- als auch die Brennstoffversorgung für einen Gasbrennstoffmotor zu komprimieren, anstelle durch einen externen Kompressor oder eine Vorrichtung, die Lei­ stung direkt vom Motor abzieht.

Claims (12)

1. Turboverdichtetes Luft- und Brennstoffversorgungs­ system für einen Gasbrennstoffmotor, welches fol­ gendes aufweist:
einen ersten Turbolader mit einer ersten Turbine, und zwar verbunden mit einer Abgas- bzw. Auslaßlei­ tung vom Motor und einem ersten Kompressor mit einem Einlaß, der zu einer Luftquelle geöffnet ist;
eine Versorgungsleitung für komprimierte Luft, wobei ein Ende mit einem Auslaß vom ersten Kompressor ver­ bunden ist, und wobei ihr anderes Ende mit einem Mo­ torlufteinlaß verbunden ist;
eine Gasbrennstoffversorgungsleitung, wobei ein Ende mit einer Quelle von Niederdruck-Gasbrennstoff ver­ bunden ist;
einen zweiten und unterschiedlichen Turbolader, und zwar mit einer zweiten Turbine, die mit der Auslaß­ leitung aus dem Motor verbunden ist, und einem zwei­ ten Kompressor mit einem Einlaß, der mit der Gas­ brennstoff-Versorgungsleitung verbunden ist;
eine Hochdruck-Gasbrennstoffversorgungsleitung, wo­ bei ein Ende mit einem Auslaß aus dem zweiten Kom­ pressor verbunden ist, und wobei ihr anderes Ende mit einem Motorbrennstoffeinlaß verbunden ist; und
Mittel zum Vorbeileiten einer Abgasmenge über die zweite Turbine.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Vorbei­ leiten eine Turbinen-Bypass-Leitung bzw. Turbinen­ vorbeileitungsleitung aufweisen, die parallel zur zweiten Turbine an der Auslaß- bzw. Abgasleitung an­ geschlossen ist, und ein Ableitungsventil, welches in der Turbinen-Bypass-Leitung positioniert ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Tur­ bine, die zweite Turbine und die Turbinen-By­ pass-Leitung parallel zur Auslaßleitung verbunden bzw. angeschlossen sind; und wobei die Mittel zum Vorbeileiten ein Flußsteuerven­ til aufweisen, welches zwischen der Auslaßleitung und der zweiten Turbine positioniert ist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 3, wobei das Flußsteuerven­ til geöffnet vorgespannt ist, jedoch Mittel auf­ weist, um proportional zu einem Anstieg des Brenn­ stoffdruckes innerhalb der Hochdruck-Gasbrenn­ stoffversorgungsleitung zu schließen.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 4, wobei die Mittel zum Schließen das Flußsteuerventil schließen, wenn der Brennstoffdruck über einem Schwellenwert ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 5, wobei die Mittel zum Schließen eine Balance- bzw. Ausgleichsleitung auf­ weisen, die sich zwischen der Hochdruck-Gasbrenn­ stoffversorgungsleitung und dem Flußsteuerventil er­ streckt.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 6, welches weiter einen Luftdrucksensor aufweist, der fähig ist, Luftdruck in der Versorgungsleitung für komprimierte Luft ab­ zufühlen; und einen Computer in Verbindung mit dem Luftdrucksensor und dem Ableitungsventil, der fähig ist, das Ablei­ tungsventil zu steuern.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 7, welches weiter einen dritten Turbolader aufweist, und zwar mit einer dritten Turbine, die mit der Auslaßleitung verbunden ist, und einen dritten Kompressor, der mit der Gas­ brennstoffversorgungsleitung zwischen der Quelle von Niederdruck-Gasbrennstoff und dem zweiten Kompressor verbunden bzw. angeschlossen ist.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 8, wobei die dritte Turbine, die zweite Turbine, die erste Turbine und die Tur­ binen-Bypass-Leitung parallel mit der Auslaßleitung verbunden sind; und wobei die Mittel zum Vorbeileiten bzw. die By­ pass-Mittel ein zweites Flußsteuerventil aufweisen, wel­ ches zwischen der Auslaßleitung und der dritten Tur­ bine positioniert ist.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 9, wobei das zweite Fluß­ steuerventil geöffnet vorgespannt ist, jedoch Mittel aufweist, um proportional auf einen Anstieg des Brennstoffdruckes vom dritten Kompressor zu schlie­ ßen.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 10, wobei die Mittel zum Schließen des zweiten Flußsteuerventils das zweite Flußsteuerventil schließen, wenn der Brennstoff­ druck, der den dritten Kompressor verläßt, über ei­ nem Schwellenwert ist.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 11, wobei die Mittel zum Schließen des zweiten Flußsteuerventils eine zweite Balance- bzw. Ausgleichsleitung aufweisen.