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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Motoren für gasförmigen Brennstoff und insbesondere
auf ein Niederdruckbrennstoffsystem für einen Motor mit gasförmigem Brennstoff.
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Hintergrund
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Große stationäre Motoren,
die zum Antrieb von Pumpen, Generatoren und so weiter verwendet werden,
werden oft ausgelegt, um gasförmige
Brennstoffe zu verbrennen, wie beispielsweise Erdgas, Butan, Propan,
Methan oder andere brennbare Stoffe in gasförmigem Zustand. Eine adäquate Kompression des
Brennstoffes ist nötig
für eine
effiziente Leistung des Motors. Während einige Quellen für gasförmigen Brennstoff
gasförmigen
Brennstoff mit hohem Druck liefern, so dass die Einleitung des Brennstoffes
direkt in die Einlasssammelleitung des Motors möglich ist, werden andere gasförmige Brennstoffe
mit niedrigem Druck geliefert. Es ist beispielsweise bekannt, dass Erdgaslieferanten
Erdgas mit Drücken
von wesentlich weniger als dem Einlasssammelleitungsdruck von vielen
Motoren für
gasförmigen
Brennstoff liefern. Wenn Erdgas oder anderer gasförmiger Brennstoff
mit niedrigem Druck geliefert wird, muss der Druck für den effizienten
Betrieb des Motors für
gasförmigen
Brennstoff auf einen größeren Druck
angehoben werden als der Druck in der Einlasssammelleitung.
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Es
ist bekannt, Kompressoren zu verwenden, um den Druck eines gasförmigen Brennstoffes mit
niedrigem Druck anzuheben, falls nötig, um den Brennstoff in die
Einlasssammelleitung einzuleiten. Kolbenkompressoren oder Kompressoren
mit sich drehenden Schrauben können
verwendet werden, um den Brennstoffdruck zu steigern. Jedoch sind
solche Kompressorsysteme oft groß und teuer und können beträchtlichen
Raum zum Einbau und zur Anwendung erfordern. Ein adäquater Raum
für ein
großes
Kompressorsystem, das einen Schrauben- oder Rotationskompressor
und einen Antriebsmotor aufweist, kann nicht leicht verfügbar sein.
Weiterhin kann der Betrieb von solchen Kompressorsystemen mit unabhängigen Elektromotoren
teuer sein.
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US-A-5
329 757 offenbart ein Verfahren und ein System zur Steigerung des
Druckes von gasförmigem
Brennstoff, der zu dem Brennstoffsystem eines Gasturbinenmotors
geliefert wird. Turbolader für gasförmigen Brennstoff
werden verwendet, um den gasförmigen
Brennstoff zu komprimieren, der zu dem Gasturbinenmotor geliefert
wird. Unter Druck gesetzte oder komprimierte Luft wird aus einem
Hochdruckabschnitt des Gasturbinenmotors ausgelassen und wird zu
Turbinen geleitet, die eine Vielzahl von Kompressoren antreiben.
Gasförmiger
Brennstoff, der zu den Kompressoren geliefert wird, wird bezüglich des
Druckes durch die Kompressoren angehoben, und zwar zu einer darauf
folgenden Einleitung in den Gasturbinenmotor.
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Es
ist bekannt, Turbolader zu verwenden, um Verbrennungsluft für Verbrennungsmotoren
mit höherem
Druck und höherer
Dichte als dem atmosphärischen
Druck und der atmosphärischen
Dichte zu liefern (siehe beispielsweise
JP 10176528 A ). Das Ziel
der Steigerung des Druckes des gasförmigen Brennstoffes kann erreicht
werden unter Verwendung eines getrennten unabhängigen Turboladersystems für den gasförmigen Brennstoff
oder durch Einleitung des gasförmigen
Brennstoffes mit der Verbrennungsluft am Einlass der ersten Stufe
eines einzelnen kombinierten Turboladersystems. Jedoch erfordert
das Vorsehen eines unabhängigen
Turboladers für
gasförmigen
Brennstoff oder das Einleiten von gasförmigem Brennstoff mit noch
niedrigerem Druck zusammen mit Verbrennungsluft am Einlass für die erste
Stufe eines kombinierten Turboladers für Verbrennungsluft und gasförmigen Brennstoff
zusätzliche
Arbeit für
den Kompressor beim Komprimieren des Brennstoffes.
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US-A-2
092 565 bezieht sich auf einen Ladungsbildungsmechanismus bzw. Aufladungsmechanismus
für Verbrennungsmotoren
und insbesondere auf einen zweistufigen Kompressor, wo vorgesehen
ist, dass eine Ladung von brennbaren Stoffen von einem Vergaser
zwischen den Stufen eingeleitet wird. Der Ladungsbildungsmechanismus
bzw. Aufladungsmechanismus für
Verbrennungsmotoren weist eine Welle auf, weiter einen ersten Zentrifugalkompressor
mit einem Rotor, der an der Welle befestigt ist, einen zweiten Zentrifugalkompressor
mit einem Rotor, der an der Welle befestigt ist, und zwar mit geringerem
Durchmesser als der erste Rotor, einem Durchlass, der die Kompressoren
verbindet und Mittel zur Einleitung von brennbaren Stoffen von einem Vergaser
zum Durchlass, wobei der Einlass der ersten Kompressorstufe unter
der Welle angeordnet ist, wobei der Auslass der zweiten Kompressorstufe über der
Welle angeordnet ist, und wobei sowohl der Einlass als auch der
Auslass so angeordnet sind, dass sie sich im Allgemeinen in der
gleichen Richtung erstrecken.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffsystem für einen Verbrennungsmotor für gasförmigen Brennstoff
nach Anspruch 1 vorgesehen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist
ein Verfahren zum Betrieb eines Systems für gasförmigen Brennstoff für einen
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung können
aus den abhängigen
Ansprüchen
gewonnen werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Teilquerschnitt eines Systems für gasförmigen Brennstoff mit niedrigem
Druck gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine bruchstückhafte
Teilquerschnittsansicht, ähnlich
jener der 1, die jedoch eine modifizierte
Form des vorliegenden Systems für gasförmigen Brennstoff
mit niedrigem Druck zeigt; und
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3 ist
eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung in einem
Turboladersystem, welches anders ist als jenes, das in 1 und
in 2 gezeigt ist.
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Bester Weg
zur Ausführung
der Erfindung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Systems 10 für
gasförmigen
Brennstoff mit niedrigem Druck gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Das System 10 für gasförmigen Brennstoff mit niedrigem
Druck weist eine Versorgung 12 für gasförmigen Brennstoff und einen
Turbolader 14 auf.
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Die
Versorgung 12 für
gasförmigen
Brennstoff weist eine Quelle 16 für gasförmigen Brennstoff und eine
Leitung oder Druckleitung 18 für gasförmigen Brennstoff von der Quelle 16 für gasförmigen Brennstoff
zum Turbolader 14 auf. Die Quelle 16 für gasförmigen Brennstoff
kann ein unter Druck gesetzter Tank für Propan, Butan oder Ähnliches
sein; oder die Quelle 16 für gasförmigen Brennstoff kann eine Verbindung
zu einem Erdgasnetzwerk sein, welches eine Pumpstation und Ähnliches
aufweist. Die Quelle 16 für gasförmigen Brennstoff kann verschiedene Pumpen,
Druckregler und so weiter aufweisen, um einen konsistenten bzw.
andauernden Brennstofffluss mit relativ konstantem Druck zu liefern.
Die Notwendigkeit und Anwendung von solchen Vorrichtungen ist für Systeme
mit gasförmigem
Brennstoff üblich,
ist dem Fachmann bekannt und wird hier nicht weiter im Detail beschrieben.
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Die
Leitung 18 richtet eine Strömungsmittelflussverbindung
zwischen der Quelle 16 für gasförmigen Brennstoff und dem Turbolader 14 ein.
Geeignete Ventile, Regler und so weiter können zusammen mit der Leitung 18 verwendet
werden.
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Der
Turbolader 14 weist eine Turbine 20 auf, weiter
einen ersten Kompressor 22 und einen zweiten Kompressor 24.
Eine Welle 26 erstreckt sich zwi schen der Turbine 20,
dem ersten Kompressor 22 und dem zweiten Kompressor 24.
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Die
Turbine 20 weist ein Turbinengehäuse 28 auf, das einen
Turbineneinlass 30 und einen Turbinenauslass 32 definiert.
In bekannter Weise ist der Turbineneinlass 30 in Flussverbindung
mit einer Quelle für
unter Druck gesetzte Stoffe, die die Auslasssammelleitung des Verbrennungsmotors
sein kann. Der Turbinenauslass 32 ist vorgesehen, um das
unter Druck gesetzte Gas abzuleiten, das durch die Turbine 20 geflossen
ist. Wenn der Turbineneinlass 30 mit der Auslasssammelleitung
des Verbrennungsmotors verbunden ist, wird der Turbinenauslass 32 mit
dem Auslasssystem des Verbrennungsmotors verbunden sein.
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Ein
Turbinenrad 34, das auf der Welle 26 getragen
wird, ist in dem Turbinengehäuse 28 angeordnet.
Abgase, die durch die Turbine 20 fließen, fließen über das Turbinenrad 34 zwischen
dem Turbineneinlass 30 und dem Turbinenauslass 32.
Der Fluss der Gase über
das Turbinenrad 34 bewirkt, dass sich das Turbinenrad dreht,
wodurch die Welle 26 sich dreht.
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Der
erste Kompressor 22 weist ein erstes Kompressorrad 40 auf,
das auf der Welle 26 getragen wird. Der zweite Kompressor 24 weist
ein zweites Kompressorrad 42 auf, das auch auf der Welle 26 getragen
wird. Ein Gehäuse 44 ist
um das erste Kompressorrad 40 und das zweite Kompressorrad 42 herum
angeordnet. Das Gehäuse 44 definiert
einen ersten Einlass 46 und einen ersten Auslass 48,
die mit dem ersten Kompressorrad 40 assoziiert sind. Das Gehäuse 44 definiert
weiter einen zweiten Einlass 50 und einen zweiten Auslass 52,
der mit dem zweiten Kompressorrad 42 assoziiert ist. Der
erste Einlass 46 ist in Flussverbindung mit einer Luftquelle,
die die Umgebung sein kann. Der zweite Auslass 52 ist in Flussverbindung
mit dem Verbrennungsmotor, normalerweise bei der Einlasssammelleitung 56.
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Das
Gehäuse 44 definiert
zusätzlich
eine Zwischenstufenleitung 58 zwischen dem ersten Kompressor 22 und
dem zweiten Kompressor 24. Die Zwischen stufenleitung 58 richtet
eine Flussverbindung zwischen dem ersten Auslass 48 des
ersten Kompressors 22 und dem zweiten Einlass 50 des zweiten
Kompressors 24 ein. Üblicherweise
sind der erste Einlass 46 und der zweite Einlass 50 im
Allgemeinen axial relativ zum ersten Kompressorrad 40 bzw.
zum zweiten Kompressorrad 42 orientiert, und der erste
Auslass 48 und der zweite Auslass 52 sind radial
mit Bezug zum ersten Kompressorrad 40 bzw. dem zweiten
Kompressorrad 42 orientiert. Die Zwischenstufenleitung 58 ist
eine Serpentinen- bzw. Schlangenleitung zwischen dem ersten Auslass 48 und
dem zweiten Einlass 50.
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Eine
erste Diffusorzone 60 ist in der Zwischenstufenleitung 58 nahe
dem ersten Auslass 48 des ersten Kompressors 22 angeordnet
und trennt eine stromaufwärts
liegende Zone 62 in der Zwischenstufenleitung 58 von
einer stromabwärts
liegenden Zone 64 in der Zwischenstufenleitung 58. Eine
Vielzahl von Entwirbelungsflügeln 66 ist
in der Zwischenstufenleitung 58 nahe dem zweiten Einlass 50 des
zweiten Kompressor 24 angeordnet. Eine zweite Diffusorzone 68 ist
nahe dem zweiten Auslass 52 des zweiten Kompressors 24 angeordnet.
Die Diffusorzonen 60 und 68 sind Regionen von
gesteigertem Strömungsquerschnitt,
um einen dynamischen Druck in statischen Druck umzuwandeln. Die
Diffusorzonen 60 und 68 können ohne Flügel sein
oder können
Diffusorflügel
aufweisen, um den Diffusions- bzw. Verteilungswirkungsgrad zu verbessern, und/oder
um die Kompressorflusscharakteristiken zu verändern.
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Ein
Gehäuseblock 70 ist
zwischen der Turbine 20 und dem zweiten Kompressor 24 vorgesehen und
weist geeignete Lager 72 und Dichtungen 74 auf, damit
die Welle 26 hindurch läuft.
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Die
Leitung 18 ist in Strömungsmittelverbindung
mit der Zwischenstufenleitung 58 in der stromabwärts liegenden
Zone 64 der Zwischenstufenleitung 58 zwischen
der Diffusorzone 60 und den Entwirbelungsflügeln 62 angeschlossen
und richtet eine Strömungsmittelflussverbindung
zwischen der Quelle 16 für gasförmigen Brennstoff und der Zwischenstufenleitung 58 ein.
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In 2 ist
eine modifizierte Form der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der
die Leitung 18 mit der Zwischenstufenleitung 58 in
der Zone oder Region der Zwischenstufenleitung 58 verbunden
ist, die durch die Diffusorzone 60 eingenommen wird.
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Während die
vorliegende Erfindung somit weithin mit einem Turbolader mit zwei
Kompressorstufen an einer einzigen Welle gezeigt worden ist, die durch
eine einzige Turbine betrieben wird, sei bemerkt, dass die vorliegende
Erfindung genauso gut mit anderen Formen und Konstruktionen von
Turboladern arbeiten würde,
die Turbolader aufweisen, die anders angetrieben werden als durch
eine Abgasturbine oder mehrstufige Turbolader mit Kompressorabschnittskonfigurationen,
die von den gezeigten und zuvor hier beschriebenen abweichen. Beispielsweise kann
die vorliegende Erfindung mit einem Turbolader mit Rücken an
Rücken
liegenden Kompressorrädern verwendet
werden und nicht mit der hier beschriebenen Orientierung der Vorderseite
anliegend an der Rückseite.
Zusätzlich
kann die vorliegende Erfindung mit einem mehrstufigen Turbolader
verwendet werden, wobei ein erster Kompressorabschnitt und ein zweiter
Kompressorabschnitt getrennt durch eine erste Turbine bzw. eine
zweite Turbine angetrieben werden. Irgendeine der zuvor erwähnten Turboladeranordnungen
kann vorteilhafterweise verwendet werden, um gasförmigen Brennstoff
zu einem Verbrennungsmotor von einer Quelle für gasförmigen Brennstoff mit niedrigem
Druck zu liefern.
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Eine
solche alternative Turboladeranordnung ist in 3 gezeigt.
Ein erster Turbolader 80 weist eine erste Turbine 82 auf,
die von Abgas von einer Auslassleitung bzw. Abgasleitung 84 angetrieben wird.
Eine erste Welle 86 verbindet die erste Turbine 82 mit
einem ersten Kompressor 88. Ein zweiter Turbolader 90 weist
eine zweite Turbine 92 auf, die von dem Abgas von einer
Auslassleitung 94 angetrieben wird. Eine zweite Welle 96 verbindet
die zweite Turbine 92 mit einem zweiten Kompressor 98.
Ein Umgebungslufteinlass 100 ist für den ersten Kompressor 88 vorgesehen,
und eine Zwischenstufenleitung 102 ist zwischen dem ersten
Kompressor 88 und dem zweiten Kompressor 98 vorgesehen.
Die Quelle 16 für
gasförmigen
Brennstoff und die Leitung 18 sind in Strömungsmittelverbindung
mit der Zwischenstufenleitung 102, wie in den vorherigen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Irgendeine
der zuvor beschriebenen Turboladeranordnungen kann auch einen Zwischenstufenkühler zwischen
den Kompressorstufen aufweisen, um die komprimierte Luft zwischen
dem ersten Auslass 48 und dem zweiten Einlass 50 zu
kühlen.
Die Anwendung eines Zwischenstufenkühlers ist dem Fachmann bekannt
und wird hier nicht weiter beschrieben.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Im
Gebrauch wird ein Abgasstrom von der Auslasssammelleitung eines
Verbrennungsmotors oder Ähnlichem
zur Turbine 20 geleitet und fließt durch den Turbineneinlass 30 über das
Turbinenrad 34 zum Turbinenauslass 32. Der Abgasfluss über das
Turbinenrad 34 bewirkt, dass sich das Turbinenrad dreht,
wodurch die Welle 26 sich dreht. Durch die Drehung der
Welle 26 durch das Turbinenrad 34 wird eine Drehungskraft
dadurch für
das erste Kompressorrad 40 und das zweite Kompressorrad 42 vorgesehen,
wobei jedes davon auch auf der Welle 26 getragen wird.
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Umgebungsluft
tritt in den ersten Kompressor 22 am ersten Einlass 46 ein
und fließt über das erste
Kompressorrad 40 zum ersten Auslass 48. Die Geschwindigkeit
und der Druck der Luft, die über
das erste Kompressorrad 40 fließt, wird gesteigert. Wenn die
Luft durch die erste Diffusorzone 60 fließt, wird
die Geschwindigkeit der Luft verringert, und der statische Druck
der Luft wird gesteigert. Somit richtet die erste Diffusorzone 60 eine
Zone mit niedrigerem statischen Druck, die stromaufwärts liegende
Zone 62 ein und trennt diese von einer Zone mit höherem statischen Druck,
der stromabwärts
liegenden Zone 64 in der Zwischenstufenleitung 58.
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In
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der gasförmige Brennstoff
mit niedrigem Druck von der Versorgung 12 für gasförmigen Brennstoff
in den komprimierten Luftstrom in der Zwischenstufenleitung 58 eingeleitet.
Der kombinierte Fluss von Luft und gasförmigem Brennstoff fließt durch
Entwirbelungsflügel 66 und
in den zweiten Kompressor 24 durch den zweiten Einlass 50.
Im zweiten Kompressor 24 wird der kombinierte Strömungsmittelfluss aus
Luft und gasförmigem
Brennstoff weiter durch das zweite Kompressorrad 42 komprimiert
und fließt durch
die zweite Diffusorzone 68 durch den zweiten Auslass 52 zur
Einlasssammelleitung 56 des Verbrennungsmotors.
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Es
ist vorteilhaft, den gasförmigen
Brennstoff in die Zwischenstufenleitung 58 in einer Region
einzuleiten, wo der statische Druck des gasförmigen Brennstoffstroms größer ist
als der statische Druck in der Zwischenstufenleitung 58.
Es ist jedoch verschwenderisch, den gasförmigen Brennstoffstrom am ersten
Einlass 46 einzuleiten, wenn der statische Druck des gasförmigen Brennstoffstroms
größer ist als
der statische Druck, der aus dem ersten Kompressor 22 kommt.
Abhängig
von der Leistung des ersten Kompressors 22 und der ersten
Diffusorzone 60 kann der gasförmige Brennstoff in die Zwischenstufenleitung 58 in
der stromabwärts
liegenden Zone 64 zwischen der ersten Diffusorzone 60 und
den Entwirbelungsflügeln 66 eingeleitet
werden. Wenn jedoch der statische Druck des gasförmigen Brennstoffstroms von
der Quelle 16 für
gasförmigen
Brennstoff geringer ist als der statische Druck des Luftstroms in
der stromabwärts
liegenden Zone 64, kann der gasförmige Brennstoffstrom in die
Zwischenstufenleitung 58 in einer Zone mit niedrigerem
statischen Druck eingeleitet werden.
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2 zeigt
ein modifiziertes Ausführungsbeispiel,
bei dem der gasförmige
Brennstoffstrom in die Zwischenstufenleitung 58 in der
ersten Diffusorzone 60 eingeleitet wird. Alternativ kann
der gasförmige
Brennstoffstrom auch in die Zwischenstufenleitung 58 in
der stromaufwärts
liegenden Zone 62 vor der ersten Diffusorzone 60 eingeleitet
werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um den Druck einer
Versorgung für
gasförmigen
Brennstoff mit niedrigem Druck zur Einleitung in die Einlasssammelleitung
eines Verbrennungsmotors zu steigern. Das Versorgungssystems für gasförmigen Brennstoff
mit niedrigem Druck der vorliegenden Erfindung ist effizient und
eliminiert die Notwendigkeit von massigen teuer arbeitenden unabhängigen Kompressorsystemen
für den
Niederdruckbrennstoff. Weiterhin kann durch Auswahl und Steuerung
des Betriebs der verschiedenen Kompressorstufen in einem Turbolader
das Leiten des gasförmigen
Brennstoffstroms mit niedrigem Druck in unnötiger Weise durch die erste
Kompressorstufe eines Turboladers mit mehreren Kompressoren eliminiert werden.
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Andere
Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der
Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.