WO2005061949A2 - System undverfahren zur verdampfung eines kryogen gespeicherten kraftstoffs - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a system and a method for evaporating a fuel, for example hydrogen, stored cryogenically by cooling, in particular liquefied below the ambient temperature.
  • a fuel for example hydrogen
  • cryo tanks are characterized not only by a comparatively low weight, but also by a favorable space / storage capacity ratio.
  • the tank arrangements provided for the liquid storage of cooled and liquefied cryofuels are preferably filled with liquid fuel under a predetermined excess pressure.
  • the storage temperature level determined by the tank pressure can be maintained by cooling devices and by evaporating the fuel.
  • the fuel is usually supplied to the consumer in a gaseous state, the gas inflow required for the operation of an internal combustion engine being effected by controlled supply of heat to the initially liquid fuel, gaseous fuel corresponding to the heat supplied is generated.
  • the invention has for its object to provide a system and a method for vaporizing a cryogenically stored fuel, which is characterized by a high level of inherent security and offers advantages from a control point of view.
  • a system for evaporating a cryogenically stored fuel by using heat accumulating in the area of a fuel consumer with: - an extraction line device for removing fuel from a tank device, - an evaporator device for evaporating the fuel obtained via the extraction line under Introduction of the heat of vaporization, - a gas line device for supplying the evaporated fuel to each consumer, - a heat transfer system provided in the area of the consumer for receiving heat accumulating in the area of the consumer, and a fuel heat exchanger device through which a heat transfer fluid flows, which is part of the Evaporator device forms, in order to provide the heat of vaporization by means of a heat flow obtained from the heat transfer system on the consumer side, the coupling of the fuel heat exchanger device with the consumer-side heat transfer system is accomplished via a flow section and a return section such that the throughput of the heat transfer fluid required by the fuel heat exchanger device for introducing the heat of vaporization can be set to deviate from the fluid through
  • the coupling of the fuel heat exchanger device to the heat transfer system provided in the area of the consumer is accomplished by switching on an intermediate heat exchanger.
  • the separation of the fluid circuits also makes it possible in particular to fill these fluid circuits with different heat transfer fluids.
  • the fluids provided for filling the respective heat transfer circuit can advantageously be matched to the temperature level that is suitable for the respective heat transfer and to the structural properties of the respective fluid paths.
  • the coupling of the consumer-side heat transfer system and the evaporator-side heat transfer system can also be accomplished with the inclusion of a bypass line device to create a fluid connection between the forward section and the return section bypassing the fuel heat exchanger device.
  • This bypass line device also makes it possible to match the heat input from the area on the consumer side into the area on the evaporator side to the required evaporator output.
  • an inlet temperature detection element is provided for detecting the inlet temperature of the heat transfer fluid at the inlet of the fuel heat exchanger device.
  • the input temperature of the heat transfer fluid that can be determined in this way can be taken into account when determining the fluid flow through the fuel heat exchanger device.
  • an outlet temperature detection element is preferably provided in the area of the fuel heat exchanger device for detecting the outlet temperature of the heat transfer fluid at the outlet of the fuel heat exchanger device.
  • a pump device In order to convey the heat transfer fluid through the fuel heat exchanger device, a pump device is provided according to a particularly preferred embodiment of the invention, wherein the delivery rate of this pump device can preferably be adjusted in accordance with the currently required evaporator power or also taking into account other operating parameters, in particular the consumer.
  • actuators in particular valves, are also provided for setting the flow conditions through the fuel heat exchanger device and preferably also through any connecting line sections between the forward section and the return section of the consumer-side heat transfer system.
  • Such actuators, in particular valves can be provided, in particular, for setting the flow conditions through the bypass or bypass line.
  • a control device is advantageously provided for setting the fluid throughput through the flow and return sections and / or the fuel heat exchanger device in such a way that system settings which are advantageously coordinated with respect to the current operating state of the consumer result.
  • this makes it possible, in particular, to select different parameters for the setting of the fluid flows during the warm-up phase than, for example, for the setting of the fluid flows after the warm-up phase has ended.
  • the setting of the fluid flows can in particular also take into account the ambient temperature.
  • the control device preferably comprises a programmable computer device.
  • the fuel heat exchanger device is operated in such a way that a cooling potential for the engine or the consumer, and / or also for subsystems to be cooled at least in phases, is available due to the heat transfer fluid stream flowing out on the outlet side.
  • Such subsystems can be, for example, an exhaust gas recirculation system and / or a charge air cooling system and / or a vehicle air conditioning system and / or a transmission cooling system and also an air drying system for drying the intake air.
  • the branching off of the heat transfer fluid from the area on the consumer side is preferably carried out at a system point which provides a sufficiently high temperature potential for the application of the required heating output.
  • the branching off of the heat transfer fluid is preferably carried out from a fast-heating and / or high-temperature section of the consumer-side heat transfer system.
  • the removal of the heat transfer medium at a high temperature level enables particularly high control dynamics in the evaporation of the fuel.
  • the heat transfer fluid stream cooled by the heat of the fuel heat exchanger device and flowing back into the consumer-side fluid circuit via the return section can be fed into the inlet area of the cooling water heat exchanger, so that a temperature level determined by mixing the fluid streams prevails at the cooling water heat exchanger the adjustment of the return flow as a whole can take place via a downstream thermostatic valve device.
  • a downstream thermostatic valve device it is also possible to feed back into the cooling fluid stream downstream of a cooling water heat exchanger. This makes it possible to maintain a high temperature level at the inlet of the cooling water heat exchanger in order to discharge excess waste heat.
  • the heat transfer system according to the invention is particularly suitable for the operation of a hydrogen-operated internal combustion engine. Alternatively or in combination with it, it is also possible to supply a fuel cell system with gaseous hydrogen via the heat transfer system according to the invention.
  • the heat transfer system on the consumer side preferably forms part of a coolant circuit of the consumer.
  • the consumer-side heat transfer system such that it comprises a lubricant circuit, for example the engine oil circuit or also transmission components.
  • the flow through the fuel heat exchanger device is preferably based on the counterflow principle, so that there is a low return temperature of the heat transfer fluid on the outlet side.
  • the fuel heat exchange device in such a way that the heat transfer takes place according to the direct current principle.
  • the heat transfer performance of the fuel heat exchanger device can also be adjusted by operating it selectively according to the co-current or counter-current principle.
  • the fuel can be discharged from the fuel tank in such a way that the fuel reaches the heat exchanger in the liquid state.
  • the fuel heat exchanger device is preferably designed in such a way that any icing that occurs in it does not completely block the fluid paths. It is possible to control the inflow of fuel to the evaporator device by means of a dossier device, in particular a pump device. It is possible to have the fuel flow into the evaporator in batches.
  • the object specified at the outset is also achieved according to the invention by a method for vaporizing a cryogenically stored fuel, in particular hydrogen, in which the fuel is discharged from a tank device and is heated and evaporated via an evaporator device comprising a heat exchanger, the process being continued Evaporation of the fuel required before heat flow is obtained via a temperature-controlled heat transfer fluid flow which is derived from a heat transfer system provided on the consumer side, the fluid flow derived from the consumer side heat transfer system and a heat transfer fluid flow through the evaporator device depending on the operating state of the consumer, at least in phases can be set to different levels.
  • This method is based on the approach of adjusting the heat input into the fuel via the mass flow of a heat transfer fluid, which differs at least in phases from the mass flow caused to extract heat from the consumer.
  • This decoupling of the mass flows can take place according to the invention on the basis of three different approaches, these approaches also being able to be used in combination. These approaches are the intermediate heat exchange approach, the recirculation heat exchange approach, and the bridging approach.
  • the intermediate heat exchange approach and the recirculation heat exchange approach make it possible to set a mass flow of the heat transfer fluid in the fuel heat exchanger that is greater than the mass flow of the heat transfer fluid required to withdraw the required amount of heat from the consumer.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of a first variant of a coolant circuit for a hydrogen-operated internal combustion engine, in which an intermediate heat exchanger is provided which enables a fluid circuit on the consumer side to be separated from a fluid circuit on the evaporator side;
  • FIG. 2a shows a schematic diagram to explain a second variant according to the invention with a recirculation line controlled by a return valve, which enables a partial flow of a heat transfer fluid flowing out of a hydrogen evaporator to be recirculated to the inlet area of the evaporator;
  • FIG. 2b shows a schematic representation to explain a third variant according to the invention, likewise with a return valve-controlled recirculation line and additional bypass line which can be activated by valve;
  • FIG. 2c shows a diagram to explain a fourth variant according to the invention with a recirculation line controlled by a flow valve
  • FIG. 2d shows a schematic illustration to explain a fifth variant according to the invention with a valve-controlled bypass line (system according to FIG. 2b but without a recirculation line);
  • FIG. 3 shows an overall representation of a circulation system for a heat transfer medium for a liquid-cooled internal combustion engine with an evaporation system according to FIG. 2a;
  • FIG. 4 shows an overall representation of a circulation system for a heat transfer medium for a liquid-cooled internal combustion engine with an evaporation system according to FIG. 2c
  • FIG. 5 shows an overall representation of a circulation system for a heat transfer medium for a liquid-cooled internal combustion engine with an evaporation system according to FIG. 2d;
  • FIG. 6 shows an overall representation of a circulation system for a heat transfer medium for a liquid-cooled internal combustion engine with an evaporation system according to FIG. 2b and an exhaust gas recirculation system cooled via the return section;
  • FIG. 7 shows an overall representation of a circulation system for a heat transfer medium for a liquid-cooled internal combustion engine with an evaporation system according to FIG. 2c and an exhaust gas recirculation system cooled via the return section;
  • FIG. 8 shows an overall view of a circuit system for a heat transfer medium for a liquid-cooled internal combustion engine with an evaporation system according to FIG. 2d and an exhaust gas recirculation system cooled via the return section.
  • FIG. 1 shows, in the form of a schematic representation, a system S1 for evaporating a fuel stored cryogenically in a fuel tank T by using heat generated in the area of a fuel consumer designed here as an internal combustion engine BK.
  • the system S1 comprises an extraction line device EL for discharging fuel from that fuel tank T, an evaporator device VD, for evaporation and temperature control of the fuel which may be obtained in liquid form via the extraction line EL while introducing the heat of vaporization QD, a gas line device GL for supplying the evaporated fuel to that consumer BK, sections of a heat transfer system provided in the area of the consumer BK for receiving heat accumulating in the area of the consumer, and a fuel flow through which a heat transfer fluid flows.
  • Heat exchanger device 27 which forms part of the evaporator device VD, for providing the evaporative heat flow QD through a heat flow, QV, obtained from the heat transfer system.
  • the system is characterized in that the coupling of the evaporator device VD to the heat transfer system on the consumer side is accomplished via a flow section VL and a return section RL in such a way that the throughput of the heat transfer fluid through the fuel heat exchanger device 27 required by the fuel heat exchanger device 27 to introduce the heat of vaporization from the fluid through can be set differently by the forward section VL and / or the return section RL.
  • the thermal coupling of the fuel heat exchanger device 27 to the heat transfer system on the consumer side is accomplished by switching on an intermediate heat exchanger ZW.
  • the fluid circuits are separated into a primary circuit and at least one secondary circuit. Different heat transfer fluids can be accommodated in the two separate fluid circuits, which are matched to the relevant temperature range.
  • an inlet temperature detection device NTC1 is provided, for detecting the inlet temperature of the heat transfer fluid at the inlet of the fuel heat exchanger device 27.
  • a fuel outlet temperature detection member NTC2 is provided at the outlet of the evaporator VD.
  • an outlet temperature sensing element NTC3 is provided for sensing the outlet temperature of the heat transfer fluid at the outlet of the evaporator VD.
  • the fluid flow rate is preferably adjusted by a pump 34.
  • the pump 34 can be designed as a pump that can be controlled with regard to the delivery rate. It is also possible to provide actuators in the secondary circuit by means of which the fluid throughput in the secondary circuit can be adjusted when using a pump with a constant delivery rate. Such actuators can be designed as thermostatic valves.
  • the heat transfer from the primary circuit to the secondary circuit is also recorded by NTC temperature detection devices.
  • the flow through the intermediate heat exchanger on the primary circuit side can take place under the effect of a pressure drop that is generated by a water pump WAPU provided in the area of the consumer.
  • the system S1 is coupled to the further consumer-side heat transfer system via the flow line section VL and the return line section RL.
  • the cooling potential of the heat transfer fluid flowing back via the return line section RL can be used for cooling auxiliary units NA.
  • This can be a heat exchanger for an exhaust gas recirculation system, an air drying device, transmission components, electrical auxiliary units and also a heat exchanger of a vehicle air conditioning system.
  • System S1 can be operated in such a way that the required return temperature is reached.
  • the tuning of the system in such a way that a heat flow taking the required evaporation power into the fuel is introduced into the evaporator VD is preferably carried out using an electronic control unit C.
  • This control unit C preferably has access to data about the current operating state of the consumer BK, including the Temperatures of the heat transfer fluid in the respective system sections. On the basis of this data, the operation of the system can be coordinated under several criteria, such as power reserve, system efficiency, safety reserve.
  • the secondary circuit which is separate from the fluid circuit of the consumer BK in this embodiment is filled with a low-temperature-resistant heat transfer fluid.
  • the secondary circuit has its own expansion tank AGB and its own degassing system.
  • the degassing system is constructed in such a way that any gases entering the secondary circuit are discharged and, if necessary, catalytically oxidized.
  • the system pressure in the secondary circuit can be set to a value which is higher than the pressure of the vaporized fuel, so that in the event of any leaks, no fuel can enter the secondary circuit.
  • the intermediate heat exchanger ZW can be designed as a system interface that enables simple, modular coupling of an evaporator, or in particular a tank system with an integrated evaporator.
  • the control unit C can be integrated as a subunit in the tank system or can also be provided by the engine management of the consumer BK.
  • the return of the fluid flowing back via the return line section RL into the heat transfer system can take place downstream of a cooling water heat exchanger K or, as indicated by dashed lines, upstream of the cooling water heat exchanger K. It is possible to design the line system in such a way that both regenerative variants are possible, the corresponding fluid guidance preferably being able to be coordinated in a valve-controlled manner.
  • the valve device V1 provided for this purpose can be designed such that it also contains mixed states, i.e. can cause a partial flow feed downstream of the cooler K, and a partial flow feed upstream of the cooler K.
  • the switching state of the valve device V1 can be determined as a function of selected engine operating parameters, in particular the cooler return temperature.
  • FIG. 2a shows a second variant of the evaporation system according to the invention, in which the heat transfer fluid flowing out of the area of the consumer via the flow line VL is passed through a filter device 33 to a branch.
  • supply point TS1 and can flow into the evaporator device VD via a secondary circuit pump SP.
  • the heat transfer fluid flowing through the evaporator device is discharged via an outlet line AL which opens into a branch point TS2.
  • the branch point TS2 provides an outlet opening into the return line section RL and an outlet opening into a return line section RF.
  • a valve device 28 is provided, by means of which the distribution of the heat transfer fluid flow flowing via the outlet line AL to the return line section RL and the return line section RF can be determined.
  • the valve can be designed as a valve controlled in accordance with an external control unit or in particular also as a valve which regulates itself automatically as a function of temperature. It is achieved by the circuit structure shown that basically only a quantity of fluid can enter the secondary circuit formed by including the return line section RF via the feed line section VL and corresponds to the volume flow set by the valve 28 and flowing into the return line section RL. Regardless of the discharge volume flow determined by the valve 28, a desired throughput of the heat transfer fluid through the evaporator device VD can be set via the secondary circuit pump SP.
  • the branching point TS1 forms a mixing point at which the heat transfer fluid returned via the return line section RF meets the fluid flow flowing in via the supply line section VL.
  • fluid temperatures can be set which are far below the temperature of the heat transfer fluid flowing in via the forward line section VL. This reduces the thermal and structural mechanical stress on the heat exchange areas of the evaporator device VD.
  • FIG. 2b shows an embodiment of the heat exchange system, the structure of which essentially corresponds to the previously described embodiment according to FIG. 2a, but is additionally expanded by a bypass line BL.
  • the bypass line BL makes it possible to bypass the evaporation device VD in the region of the secondary circuit formed including the return line section RF.
  • the bypass line BL is coupled to the return line section RL via a control valve SV.
  • the integration of the bypass line BL shown in this way makes it possible, via the control valve SV, to additionally influence the mixing ratio of the volume flows flowing via the flow line section VL and the return line section RF at the branching point TS1.
  • the temperature of the heat transfer fluid circulated within the secondary circuit can be matched to the required evaporator output with further increased control dynamics and can also be provided to a built-in exhaust gas recirculation device.
  • FIG. 2c shows a fourth variant of the heat transfer system according to the invention, in which the valve 28 is now provided at the branch point TS1.
  • the inflow of the heat transfer fluid supplied via the feed line section VL into the secondary circuit formed including the return line section RF can be controlled via the valve 28.
  • FIG. 2d shows a fifth variant, in which a setting of the heat transfer fluid volume flow led through the evaporator device VD that deviates from the inflow via the feed line section VL can be achieved by a bypass line BL bridging the evaporator device and provided with a control valve SV.
  • the system structure shown here allows the pump P to be operated in an uncontrolled manner and the distribution of the fluid flows flowing through the evaporator device VD and the bypass line BL to be set in accordance with the ratio of the flow resistances of the two fluid path sections.
  • the flow resistance of the bypass line section BL can be variably set in a predetermined range via the control valve SV.
  • the control of the Control valve SV can be controlled via a control device in accordance with the evaporator output currently required and the signals detected by the temperature detection elements NTC 1, NTC 2 and NTC 3.
  • FIG. 3 shows a specific application of the heat transfer system described above in connection with FIG. 2a, for generating gaseous hydrogen for a hydrogen-powered internal combustion engine BK of a motor vehicle.
  • the statements relating to FIG. 2a apply analogously to the evaporator system shown.
  • the flow line section VL is connected to a water jacket system formed in the internal combustion engine BK.
  • the branch location of the flow line section VL is selected such that the heat transfer fluid (here the engine cooling water) is available at a high temperature level as early as possible via the flow line section after the internal combustion engine has been started up.
  • the return line section RL is coupled to the consumer-side heat transfer circuit in such a way that fluid flowing back via the return line section RL can be fed into the low-temperature region of the consumer-side heat transfer circuit.
  • the return line section is coupled to a line section leading into the low-temperature range of a vehicle cooler K, so that the return of the heat transfer fluid takes place through the return line section RL against a low back pressure which is not excessively influenced by the engine speed.
  • the coolant circuit system shown here can be divided into four subsystems S1, S2, S3, S4.
  • the structure of subsystem S1 corresponds to the system described above in connection with FIG. 2a.
  • the subsystem S2 is the heat transfer system formed in the area of the consumer designed here as an internal combustion engine BK for receiving the heat generated by the consumer.
  • System S3 is an exhaust heat system for dissipating excess heat to the environment through a cooling water heat exchanger K and a transmission oil cooling device.
  • the subsystem S4 forms a comfort heating system for heating a passenger compartment of the motor vehicle.
  • Subsystem S1 is coupled to subsystem S2 via flow line section VL and return line section RL.
  • the subsystem S2 communicates with the subsystem S3 via an engine feed line MV and an engine return line MR.
  • the line section HR shown here is a heating return line, which is led through the block area of the internal combustion engine, but does not communicate directly with the coolant channels on the block side.
  • a water-cooled generator KF is also provided, which is integrated into the cooling circuit via lines G1, G2.
  • the waste heat system S3 comprises the cooling water heat exchanger K, a mechanical water pump WP, a thermostat device HTE, a cooling water expansion tank AGB and an oil heat exchanger ⁇ WT.
  • the AGB cooling water expansion tank is coupled to the flow area of the WP water pump via a connection line A1.
  • the expansion tank is furthermore coupled to the cooler K or the cooling channels on the cylinder head side of the internal combustion engine BK via ventilation lines A2, A3.
  • the thermostat device HTE makes it possible, depending on the temperature of the fluid streams flowing in via the line sections HR and MV, to arrange for them to be combined and forwarded to the cooler K or also directly to the flow area of the water pump WP.
  • a control cartridge is provided, through which the fluid throughput through the low-temperature return NT as well as through a secondary line NL can be set in a temperature-controlled manner.
  • the subsystem S4 is integrated into the heat transfer circuit via a heating flow line HVL and a heating return line HRL.
  • the heating system S4 comprises a heating heat exchanger with a plurality of heat exchange sections which can be controlled via separate flow sections.
  • the heating system S4 further comprises an auxiliary heater SHG for the selective heating of the fluid stream flowing to the heating heat exchanger via a line section A4 and, if necessary, conveyed by an auxiliary pump HP.
  • a heating valve device HVE is provided, by means of which the heating flow line HVL can be shut off and the inlet of the auxiliary pump HP can be coupled to the return flow of the heating heat exchanger via a bridging line A5.
  • auxiliary heating device HL1 is shown in broken lines, via which a fluid can be drawn off downstream of the auxiliary heater SHG.
  • the auxiliary line device HL1 can be activated by a valve V2. It is possible to provide a return line (not shown) via which a fluid return from the system S1 is made possible, bypassing the systems S2, S3.
  • defrosting heating device in the area of the system S1, in particular in the heat exchange path between the temperature sensors NTC1, NTC2, by means of which any icing in the area of the heat exchanger can be released.
  • the deicing device can in particular be designed as an electrical resistance heater.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the coolant circuit for a motor vehicle with an embodiment of the fuel evaporation system S1 according to FIG. 2c.
  • the statements relating to FIG. 3 apply analogously to this.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the coolant circuit using an evaporation system S1 according to FIG. 2d. Otherwise, the explanations for FIG. 3 also apply here analogously.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the coolant circuit in a hydrogen-operated internal combustion engine equipped with an exhaust gas recirculation device EGR.
  • the evaporation system S1 corresponds to the embodiment according to FIG. 2b.
  • the internal combustion engine is only designed as a V-engine, for example.
  • An exhaust gas recirculation device EGR is assigned to each cylinder bank of the internal combustion engine.
  • Each exhaust gas recirculation device comprises a heat exchanger integrated in the fluid circuit. The coolant is applied to these heat exchangers via the return line section RL with the incorporation of a thermostatic valve 32.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the coolant circuit of an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation device integrated into the coolant circuit in the same way as described above in connection with FIG. 6.
  • the structure of the fuel evaporation system S1 corresponds to the variant according to FIG. 2c.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the coolant circuit for a water-cooled internal combustion engine equipped with an exhaust gas recirculation device.
  • the structure of the evaporation system S1 corresponds to the variant described in connection with FIG. 2d. Otherwise, the explanations for Figure 3 and Figures 6 and 7 apply mutatis mutandis.
  • the systems according to the invention described above are notable for both the H2 temperatures and the coolant temperatures a high control quality.
  • the flow to the H2 heat exchanger from the block area, for example the V-space of an internal combustion engine, and by connecting the return to the cooler flow, there is a reduced dependency of the coolant volume flow flowing through the H2 heat exchanger on the engine speed.
  • high flow temperatures can be reliably reached at the H2 heat exchanger.
  • the feeding of large volume flows into the cooling water return is taken into account by the control circuit built up in cooperation with the main thermostat.
  • a lower coolant temperature level can be set locally in the H2 heat exchanger than in the rest of the cooling circuit.
  • the otherwise large temperature difference between the fuel, in particular hydrogen, and the coolant on the H2 heat exchanger can thus be reduced, which results in advantages with regard to the thermal and mechanical loading of the components of the H2 heat exchanger.
  • a NOX reduction is possible by using the specified EGR cooler.
  • the flow to the EGR cooler can be controlled by valves and thermostats.
  • the valve is used to increase the volume flow in the H2 heat exchanger return (regardless of the load case of the H2 heat exchanger).
  • the thermostat is used, among other things, to improve heating behavior (reduction in consumption, increase in heating output).
  • heat losses from heating up the EGR cooler can be excluded using the EGR bypass (no EGR operation on the exhaust gas side) and pressure loss from the EGR cooler can be eliminated. This leads to a wide operating temperature range, especially during a cold start.
  • the EGR cooler bypass is locks and the cooling water is led completely through the EGR heat exchanger.
  • the pressure losses in the EGR coolers are low at higher coolant temperatures (viscosity change).
  • a small leakage volume flow should flow from the EGR coolers to the control thermostat in bypass operation in order to transmit the temperature signal to the control element (e.g. wax element).
  • That coolant filter 33 is preferably used to protect the H2 heat exchanger. If the cross-sections of the coolant passages in the H2 heat exchanger are very small, the H2 heat exchanger may otherwise be laid / clogged due to contamination in the cooling circuit (glass fibers).
  • the coolant filter 33 is preferably integrated into the system immediately before the H2-WT.
  • the controllability of the pump makes it possible to keep fluctuations in coolant temperatures low, which leads to a reduction in the H2 temperature differences at partial or full load and relieves the on-board electrical system. Due to the controllability of the pump output, a coolant inlet temperature control can also be implemented at the H2-WT, in which the KM outlet temperature at the H2-WT and thus also the H2 outlet temperature is regulated via the coolant volume flow.
  • the temperature sensors in the flow and return of the H2-WT can be used to control the auxiliary water pump. These sensors can also be used to detect possible icing of the H2-WT (avoiding the risk of pre-damage to the H2-WT) and to limit the maximum engine power - or in bivalent operation to switch to gasoline operation.
  • the corresponding control device can be configured in such a way that it works in accordance with an algorithm which carries out a plausibility check on the basis of the transferred heat quantities. That control device can be implemented by the CE control unit.
  • the pump provided for conveying the heat transfer fluid through the H2 heat exchanger is preferably designed as a diagnosis-capable E-pump and adapted to the operation for the clean energy application.
  • the pump can be used for 79
  • the pump is preferably controlled via several maps, by means of which the engine speed, the coolant outlet temperature at the H2-WT, the H2 outlet temperature at the H2-WT, the coolant temperature difference at the H2-WT (max. Selection via all 4 maps) and the pump temperature ( min. selection) can be taken into account.
  • the heating output can be increased considerably.
  • the max. possible heating output available.
  • parking heater operation would be possible independently of driving operation.
  • the pressure in the cooler supply hose can also be increased and the flow through the gear oil-WT increased.
  • the transmission oil temperatures are thereby reduced sustainably.
  • the integration of the heat exchange system provided for fuel evaporation allows the required amount of heat to be provided without deterioration of the individual subsystems, engine cooling, engine oil cooling, transmission oil cooling and heating.
  • the separation of the primary and secondary circuits increases the safety of the system (H2 does not get into the vehicle's primary cooling circuit).
  • the entire coolant when working on the H2-WT (eg replacement), the entire coolant must not be drained from the cooling circuit or the entire cooling circuit must be vented.
  • the glycol concentration in the H2-WT can thus be selected independently of material releases in the "conventional" cooling circuit; the integration of the H2-WT in the cooling circuit reduces the amount of heat to be dissipated at the vehicle radiator due to the cold entry at the H2-WT. This makes mono-H2 operation A reduction of the radiator areas / depths (lower pressure losses when flowing through the engine compartment) is possible, thus the concept of cryogenic storage of H2, with simultaneous integration of the H2-WT into the cooling circuit and corresponding adaptation by the vehicle

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur Verdampfung eines durch Kühlung unter die Umgebungstemperatur verflüssigten, kryogen gespeicherten Kraftstoffs, insbesondere von Wasserstoff. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs zu schaffen, das sich durch eine hohe inhärente Sicherheit auszeichnet und unter regelungstechnischen Gesichtspunkten Vorteile bietet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System (s1), zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs durch Nutzung von im Bereich eines Kraftstoffverbrauchers (BK) anfallender Wärme mit einer Entnahmeleitungseinrichtung (EL) zur Ableitung von Kraftstoff aus einer Tankeinrichtung (T) einer Verdampfereinrichtung (VD), zur Verdampfung des über die Entnahmeleitung (EL) bezogenen Kraftstoffes unter Einbringung der Verdampfungswärme (QD), einer Gasleitungseinrichtung (GL) zur Zuleitung des verdampften Kraftstoffes zu jenem Verbraucher (BK), einem im Bereich des Verbrauchers (BK) vorgesehenen Wärmetransfersystem zur Aufnahme von im Bereich des Verbrauchers anfallender Wärme, und einer, von einem Wärmetransferfluid durchströmten Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung (27), die Teil der Verdampfereinrichtung bildet, zur Bereitstellung der Verdampfungswärme (QD) durch einen aus dem Wärmetransfersystem bezogenen Wärmestrom (QV), wobei die Koppelung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung (27) mit dem Wärmetransfersystem über einen Vorlaufabschnitt (VL) und einen Rücklaufabschnitt (RL) derart bewerkstelligt ist, dass der zur Einbringung der Verdampfungswärme (QD) geforderte Durchsatz des Wärmetransferfluides durch die Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung (27) von dem Fluiddurchsatz durch den Vorlaufabschnitt (VL) und/oder den Rücklaufabschnitt (RL) abweichend einstellbar ist.

Description

System und Verfahren zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs
Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur Verdampfung eines durch Kühlung, insbesondere unter die Umgebungstemperatur verflüssigten, kryogen gespeicherten Kraftstoffs, beispielsweise von Wasserstoff.
Die Speicherung von Kraftstoffen deren kritische Temperatur unterhalb üblicher Umgebungstemperaturen liegt, kann in isolierten Tankanordnungen erfolgen. Letz- tere, auch als Kryo-Tanks bezeichnete Tankanordnungen zeichnen sich neben einem vergleichsweise geringen Eigengewicht auch durch ein günstiges Bauraum/Speicherkapazitätsverhältnis aus.
Die zur flüssigen Speicherung gekühlter und verflüssigter Kryokraftstoffe vorgese- henen Tankanordnungen werden vorzugsweise unter einem vorbestimmten Überdruck mit flüssigem Kraftstoff befüllt. Das durch den Tankdruck bestimmte Speichertemperaturniveau kann durch Kühleinrichtungen sowie durch Verdampfen des Kraftstoffs, aufrecht erhalten werden. Bei der Verwendung derartiger Tanksysteme in Kraftfahrzeugen erfolgt die Zuleitung des Kraftstoffes zum Verbraucher üblicher- weise in gasförmigem Zustand, wobei der für den Betrieb einer Brennkraftmaschine erforderliche Gaszustrom durch geregelte Zufuhr von Wärme zu dem zunächst flüssigen Kraftstoff erfolgt, wobei entsprechend der zugeführten Wärme, gasförmiger Kraftstoff generiert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs zu schaffen, das sich durch eine hohe inhärente Sicherheit auszeichnet und unter regelungstechnischen Gesichts- punkten Vorteile bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System, zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs durch Nutzung von im Bereich eines Kraftstoffverbrauchers anfallender Wärme mit: - einer Entnahmeleitungseinrichtung zur Ableitung von Kraftstoff aus einer Tankeinrichtung, - einer Verdampfereinrichtung, zur Verdampfung des über die Entnahmeleitung bezogenen Kraftstoffes unter Einbringung der Verdampfungswärme, - einer Gasleitungseinrichtung zur Zuleitung des verdampften Kraftstoffes zu je- nem Verbraucher, - einem im Bereich des Verbrauchers vorgesehenen Wärmetransfersystem zur Aufnahme von im Bereich des Verbrauchers anfallender Wärme, und einer, von einem Wärmetransferfluid durchströmten Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung, die Teil der Verdampfereinrichtung bildet, zur Bereit- Stellung der Verdampfungswärme durch einen aus dem verbraucherseitigen Wärmetransfersystem bezogenen Wärmestrom, - wobei die Koppelung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung mit dem verbraucherseitigen Wärmetransfersystem über einen Vorlaufabschnitt und einen Rücklaufabschnitt derart bewerkstelligt ist, dass der zur Einbringung der Verdamp- fungswärme geforderte Durchsatz des Warmetransferfluides durch die Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung von dem Fluiddurchsatz durch den Vorlaufabschnitt und/oder den Rücklaufabschnitt abweichend einstellbar ist.
Dadurch wird es insbesondere bei einem als Brennkraftmaschine oder als fluidge- kühlte Brennstoffzelle ausgebildeten Verbraucher möglich, den zur Verdampfung des Kraftstoffs diesem zuzuführenden Wärmestrom in einer dem momentanen Betriebszustand des Verbrauchers verbessert Rechnung tragenden Weise einzustellen. Durch das erfindungsgemäße Lösungskonzept wird es weiterhin auch möglich, das Kältepotential des Kraftstoffes für weitere Kühlzwecke zu nutzen. Auf Grundlage des erfindungsgemäßen Lösungskonzeptes wird es insbesondere auch möglich, die Ableitung ggf. verbraucherseitig im Überschuss anfallender Abwärme in apparate- technisch vorteilhafter Weise unter einem hohen Temperaturgradienten mit kleinbauenden Ab ärmetauschern zu bewerkstelligen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Koppelung der Kraftstoffwärmetauscher-Einrichtung mit dem im Bereich des Verbrauchers vorgesehenen Wärmetransfersystem unter Einschaltung eines Zwischenwärmetauschers bewerkstelligt. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den verbrau- cherseitigen Wärmetransferkreis und den verdampferseitigen Wärmetransferkreis voneinander hydraulisch getrennt auszuführen. Durch die Trennung der Fluidkreise wird es insbesondere auch möglich, diese Fluidkreise mit unterschiedlichen Wär- metransferfluiden zu befüllen. Die zur Befüllung des jeweiligen Wärmetransferkreises vorgesehenen Fluide können in vorteilhafter Weise auf das für den jeweiligen Wärmetransfer in Betracht kommende Temperaturniveau, sowie auf konstruktive Eigenschaften der jeweiligen Fluidwege abgestimmt sein. Insbesondere ist es möglich, den verdampferseitigen Fluidkreis mit einem tieftemperaturbeständigen Fluid zu befüllen.
Alternativ zu der Ankoppelung des verdampferseitigen Wärmetransferkreises an den verbraucherseitigen Wärmetransferkreis unter Zwischenschaltung eines Zwischenwärmetauschers - oder auch in Kombination mit dieser Maßnahme - ist es auch möglich, die Koppelung unter Einschluss einer Leitungsbrücke zu bewerkstelligen, die eine Rückführung eines aus der Kraftstoffwärmetauschereinrichtung abfließenden Wärmetransferfluidstromes zur Eingangsseite der Kraftstoffwärmetauscher-Einrichtung ermöglicht. Hierdurch wird es insbesondere möglich, eine permanente und hinsichtlich des Volumenstroms abgestimmte Zirkulation des verdamp- ferseitigen Wärmetauschfiuides durch die Kraftstoffwärmetauscher-Einrichtung zu realisieren. Die der momentan geforderten Verdampfungsleistung Rechnung tragende Wärmemenge kann durch geregelte Zuleitung eines Wärmetransferfluid- teilstromes aus dem verbraucherseitigen Wärmetransfersystem in das verdampfer- seitige Wärmetransfersystem erreicht werden. Die Koppelung des verbraucherseitigen Wärmetransfersystems und des verdampferseitigen Wärmetransfersystems kann weiterhin auch unter Einschluss einer Bei- passleitungseinrichtung bewerkstelligt werden, zur Schaffung einer Fluidverbindung zwischen dem Vorlaufabschnitt und dem Rücklaufabschnitt unter Umgehung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung. Über diese Beipassleitungseinrichtung wird es ebenfalls möglich, den Wärmeeintrag aus dem verbraucherseitigen Bereich in den verdampferseitigen Bereich auf die geforderte Verdampferleistung abzustimmen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Eingangstemperatur-Erfassungsorgan vorgesehen zur Erfassung der Eingangstemperatur des Warmetransferfluides am Eingang der Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung. Die hierdurch erfassbare Eingangstemperatur des Warmetransferfluides kann bei der Festlegung des durch die Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung geführten Fluidstromes Berücksichtigung finden.
Insbesondere in Kombination mit der vorangehend beschriebenen Maßnahme ist vorzugsweise im Bereich der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung ein Ausgangs- temperatur-Erfassungsorgan vorgesehen, zur Erfassung der Ausgangstemperatur des Warmetransferfluides am Ausgang der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung. Durch Erfassung des sich über die Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung aufbauenden Temperaturgradienten, sowie vorzugsweise auch der absoluten Temperaturen wird es möglich, über den durch die Kraftstoffwärmetauscher-Einrichtung geführten Volumenstrom, die eingebrachte Heizleistung derart abzustimmen, dass die Abgabetemperatur des in der Verdampfereinrichtung verdampften Kraftstoffes allenfalls geringe Abweichungen zu einem vorgegebenen Sollwert aufweist.
Zur Förderung des Warmetransferfluides durch die Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Pumpeneinrichtung vorgesehen, wobei die Förderleistung dieser Pumpeneinrichtung vorzugsweise nach Maßgabe der momentan geforderten Verdampferleistung oder auch unter Berücksichtigung anderer Betriebsparameter, insbesondere des Verbrauchers, eingestellt werden kann. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind weiterhin auch Stellglieder, insbesondere Ventile vorgesehen zur Einstellung der Durchflussbedingungen durch die Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung sowie vorzugsweise auch durch etwaige Verbindungsleitungsabschnitte zwischen dem Vorlaufabschnitt und dem Rücklaufabschπitt des verbraucherseitigen Wärmetransfersystems. Derartige Stellglieder, insbesondere Ventile, können insbesondere zur Einstellung der Durchflussbedingungen durch die Beipass- oder Überbrückungsleitung vorgesehen sein.
In vorteilhafter Weise ist eine Steuer-Einrichtung vorgesehen, zur Einstellung des Fluiddurchsatzes durch den Vorlauf- und den Rücklaufabschnitt und/oder die Kraft- stoff-Wärmetauschereinrichtung derart, dass sich im Hinblick auf den momentanen Betriebszustand des Verbrauchers vorteilhaft abgestimmte Systemeinstellungen ergeben. Im Falle einer Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine wird es hierdurch insbesondere möglich, während der Warmlaufphase für die Einstellung der Fluidströme andere Parameter zu wählen als beispielsweise für die Einstellung der Fluidströme nach Abschluss der Warmlaufphase. Die Einstellung der Fluidströme kann insbesondere auch unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur erfol- gen. Die Steuer-Einrichtung umfasst vorzugsweise eine programmierbare Rechner- Einrichtung. Alternativ hierzu oder auch in Kombination mit einer derartigen Steuer- Einrichtung ist es möglich, die Abstimmung der Fluidströme durch selbstregelnde Elemente zum Beispiel Wachs-Thermostatventile zu bewerkstelligen so dass auch unabhängig von einer rechnergeführten Systemregelung das System hinreichend stabil ist und insbesondere nicht in einen unzulässigen Zustand gelangen kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kraftstoffwärmetauscher-Einrichtung derart betrieben, dass durch den ausgangssei- tig abfließenden Wärmetransferfluidstrom ein Kühlpotential für den Motor bzw. den Verbraucher, und/oder auch für zumindest phasenweise zu kühlende Untersysteme zur Verfügung steht. Bei derartigen Untersystemeπ kann es sich beispielsweise um ein Abgasrückführsystem und/oder ein Ladeluftkühlsystem und/oder ein Fahrzeugklimatisierungssystem und/oder ein Getriebekühlsystem sowie auch um ein Lufttrocknungssystem zur Trocknung der Ansaugluft handeln. Die Abzweigung des Warmetransferfluides aus dem verbraucherseitigen Bereich erfolgt vorzugsweise an einer Systemstelle, die ein hinreichend hohes Temperaturpotential zur Aufbringung der geforderten Heizleistung zur Verfügung stellt. Um insbesondere im Rahmen einer Kaltstartphase eine ausreichende Verdampferleistung sicherzustellen, erfolgt die Abzweigung des Warmetransferfluides vorzugsweise aus einem schnell heizenden und/oder Hochtemperaturabschnitt des verbraucherseitigen Wärmetransfersystems. Der Abzug des Wärmetransfermediums auf einem hohen Temperaturniveau ermöglicht eine besonders hohe Regeldynamik bei der Verdampfung des Kraftstoffes.
Es ist jedoch auch möglich, den Abzug des den Wärmetransfer aus dem Bereich des Verbrauchers ermöglichenden Wärmetransfermediums, an einer Systemstelle vorzunehmen, an welcher das Wärmetransfermedium auf einem gerade hinrei- chend hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht. Hierdurch wird zum einen erreicht, dass das über den Rücklaufabschnitt zurückfließende Wärmetransfermedium ein hohes Kühlpotential aufweist, andererseits wird es durch diesen Ansatz auch möglich, die ggf. erforderliche Ableitung weiterer Abwärme des Verbrauchers auf einem hohen Temperaturniveau und damit unter einem hohen Temperaturgra- dienten gegenüber der Umgebung - und damit mit kompakten Wärmetauschern - zu bewerkstelligen. Es ist möglich, Ventileinrichtungen vorzusehen, durch welche die jeweils vorteilhafteste Abzweigung des Warmetransferfluides temperaturabhängig, oder in Abhängigkeit weiterer Betriebsparameter des Verbrauchers gesteuert werden kann.
Der durch den Wärmebezug der Kraftstoffwärmetauscher-Einrichtung gekühlte und in den verbraucherseitigen Fluidkreis über den Rücklaufabschnitt zurückfließende Wärmetransferfluidstrom kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in den Zulaufbereich des Kühlwasserwärmetauschers einge- speist werden, so dass am Kühlwasserwärmetauscher ein durch Mischung der Fluidströme bestimmtes Temperaturniveau herrscht und die Abstimmung des Rücklaufstromes insgesamt über eine nachgeordnete Thermostatventileinrichtung erfolgen kann. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, die Rückspeisung in den Kühlfluidstrom stromabwärts eines Kühlwasser-Wärmetauschers vorzunehmen. Hierdurch wird es möglich, zur Ableitung überschüssiger Abwärme, am Eingang des Kühlwasserwärmetauschers ein hohes Temperaturniveau aufrecht zu erhalten.
Das erfindungsgemäße Wärmetransfersystem eignet sich insbesondere für den Betrieb einer Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine. Alternativ hierzu oder auch in Kombination damit ist es auch möglich, über das erfindungsgemäße Wärmetransfersystem eine Brennstoffzellen-Anlage mit gasförmigem Wasserstoff zu versorgen.
Das verbraucherseitige Wärmetransfersystem bildet vorzugsweise Bestandteil eines Kühlmittelkreises des Verbrauchers. Im Falle der Ausgestaltung des Verbrauchers als Brennkraftmaschine ist es in vorteilhafter Weise möglich, insbesondere den gekühlt zurückfließenden Fluidstrom über ein Abgasrückführsystem zu führen, so dass im Bereich des Abgasrückführsystems bedarfsweise eine Kühlung von Abgas ermöglicht ist, das in bestimmten Motorbetriebsphasen zurückgeführt wird.
Es ist auch möglich, das verbraucherseitige Wärmetransfersystem so auszubilden, dass dieses einen Schmierstoff kreis, beispielsweise den Motorölkreis oder auch Getriebekomponenten umfasst. Die Durchströmung der Kraftstoffwärmetauscher- Einrichtung erfolgt vorzugsweise nach dem Gegenstromprinzip, so dass austrittssei- tig eine niedrige Rücklauftemperatur des Warmetransferfluides herrscht. Es ist jedoch auch möglich, die Kraftstoff-Wärmetauscheinrichtung derart anzuordnen, dass der Wärmetransfer nach dem Gleichstromprinzip erfolgt. Die Wärmetransferleistung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung kann auch abgestimmt werden, indem diese selektiv nach dem Gleich- oder dem Gegenstromprinzip betrieben wird.
Die Ableitung des Kraftstoffs aus dem Kraftstofftank kann derart erfolgen, dass der Kraftstoff in flüssigem Zustand in den Wärmetauscher gelangt. Die Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass etwaige darin auftretende Vereisungen keine vollständige Blockade der Fluidwege verursachen. Es ist möglich, den Zustrom des Kraftstoffs zu der Verdampfereinrichtung durch eine Dossier-Einrichtung, insbesondere eine Pumpen-Einrichtung zu steuern. Es ist möglich, den Kraftstoff schubweise in den Verdampfer hinein einströmen zu lassen.
Die eingangs angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, bei welchem der Kraftstoff aus einer Tank-Einrichtung abgeleitet und über eine, einen Wärmetauscher umfassende Verdampfer-Einrichtung erwärmt und verdampft wird, wobei der zur fortlaufenden Verdampfung des Kraftstoffs erforderli- ehe Wärmestrom über einen temperierten Wärmetransferfluidstrom bezogen wird, der aus einem verbraucherseitig vorgesehenen Wärmetransfersystem abgeleitet wird, wobei der aus dem verbraucherseitigen Wärmetransfersystem abgeleitete Fluidstrom und ein durch die Verdampfer-Einrichtung geführter Wärmetransferfluidstrom in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrauchers zumindest pha- senweise auf verschiedene Pegel eingestellt werden.
Diesem Verfahren liegt der Ansatz zugrunde, den Wärmeeintrag in den Kraftstoff über den Massenstrom eines Wärmeträgerfluides einzustellen, der zumindest phasenweise von dem zum Wärmeabzug aus dem Verbraucher veranlassten Massen- ström abweicht. Diese Abkoppelung der Massenströme kann erfindungsgemäß auf Grundlage von drei verschiedenen Ansätzen erfolgen, wobei diese Ansätze auch in Kombination zur Anwendung kommen können. Bei diesen Ansätzen handelt es sich um den Zwischen-Wärmetauschansatz, den Rezirkulations-Wärmetauschansatz, sowie den Überbrückungsansatz. Der Zwischen-Wärmetauschansatz und der Re- zirkulations-Wärmetauschansatz ermöglichen es, im Kraftstoff-Wärmetauscher einen Massenstrom des Warmetransferfluides einzustellen, der größer ist, als der zum Abzug der erforderlichen Wärmemenge aus dem Verbraucher erforderliche Massenstrom des Warmetransferfluides.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt: Figur 1 eine vereinfachte Schemadarstellung einer ersten Variante eines Kühlmittelkreislaufs für eine Wasserstoff betriebene Brennkraftmaschine bei welchem ein Zwischenwärmetauscher vorgesehen ist, der eine Trennung eines verbraucherseitigen Fluidkreises von einem verdampferseitigen Fluidkreis ermöglicht;
Figur 2a eine Schemadarstellung zur Erläuterung einer zweiten erfindungsgemäßen Variante mit einer Rücklaufventil-gesteuerten Rezirkulati- onsleitung, die eine Rückzirkulation eines aus einem Wasserstoffver- dampfer abfließenden Teilstrom eines Warmetransferfluides zum Eingangsbereich des Verdampfers ermöglicht ist;
Figur 2b eine Schemadarstellung zur Erläuterung einer dritten erfindungsgemäßen Variante, ebenfalls mit einer Rücklaufventil-gesteuerten Re- Zirkulationsleitung sowie zusätzlicher, ventilgesteuert aktivierbarer Bypassleitung;
Figur 2c eine Schemadarstellung zur Erläuterung einer vierten erfindungsgemäßen Variante mit einer Vorlaufventil-gesteuerten Rezirkulationslei- tung;
Figur 2d eine Schemadarstellung zur Erläuterung einer fünften erfindungsgemäßen Variante mit einer ventilgesteuerten Bypassleitung (System nach Fig. 2b jedoch ohne Rezirkulationsleitung);
Figur 3 eine Gesamtdarstellung eines Kreislaufsystems für ein Wärmetransfermedium für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Verdampfungssystem gemäß Figur 2a;
Figur 4 eine Gesamtdarstellung eines Kreislaufsystems für ein Wärmetransfermedium für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Verdampfungssystem gemäß Figur 2c; Figur 5 eine Gesamtdarstellung eines Kreislaufsystems für ein Wärmetransfermedium für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Verdampfungssystem gemäß Figur 2d;
Figur 6 eine Gesamtdarstellung eines Kreislaufsystems für ein Wärmetransfermedium für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Verdampfungssystem gemäß Figur 2b und einem über den Rücklaufabschnitt gekühlten Abgasrückführsystem;
Figur 7 eine Gesamtdarstellung eines Kreislaufsystems für ein Wärmetransfermedium für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Verdampfungssystem gemäß Figur 2c und einem über den Rücklaufabschnitt gekühlten Abgasrückführsystem;
Figur 8 eine Gesamtdarstellung eines Kreislaufsystems für ein Wärmetransfermedium für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Verdampfungssystem gemäß Figur 2d und einem über den Rücklaufabschnitt gekühlten Abgasrückführsystem.
Figur 1 zeigt in Form einer Schemadarstellung ein System S1 , zur Verdampfung eines in einem Kraftstofftank T kryogen gespeicherten Kraftstoffs durch Nutzung von im Bereich eines hier als Brennkraftmaschine BK ausgebildeten Kraftstoffverbrauchers anfallender Wärme.
Das System S1 umfasst eine Entnahmeleitungseinrichtung EL zur Ableitung von Kraftstoff aus jenem Kraftstofftank T, eine Verdampfereinrichtung VD, zur Verdampfung und Temperierung des über die Entnahmeleitung EL ggf. in flüssiger Form bezogenen Kraftstoffes unter Einbringung der Verdampfungswärme QD, eine Gasleitungseinrichtung GL zur Zuleitung des verdampften Kraftstoffes zu jenem Verbraucher BK, Abschnitte eines im Bereich des Verbrauchers BK vorgesehenen Wärmetransfersystems zur Aufnahme von im Bereich des Verbrauchers anfallender Wärme, und eine von einem Wärmetransferfluid durchströmte Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung 27, die Teil der Verdampfereinrichtung VD bildet, zur Bereitstellung des Verdampfungswärmestroms QD durch einen aus dem Wärmetransfersystem bezogenen Wärmestrom, QV.
Das System zeichnet sich dadurch aus, dass die Koppelung der Verdampfereinrichtung VD mit dem verbraucherseitigen Wärmetransfersystem über einen Vorlaufabschnitt VL und einen Rücklaufabschnitt RL derart bewerkstelligt ist, dass der zur Einbringung der Verdampfungswärme QD geforderte Durchsatz des Warmetransferfluides durch die Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung 27 von dem Fluiddurch- satz durch den Vorlaufabschnitt VL und/oder den Rücklaufabschnitt RL abweichend einstellbar ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die thermische Koppelung der Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung 27 mit dem verbraucherseitigen Wärmetransfersystem unter Einschaltung eines Zwischenwärmetauschers ZW bewerkstelligt. Durch die derart vorgenommene Koppelung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung 27 wird eine Trennung der Fluidkreise in einen Primärkreis und wenigstens einen Sekundärkreis erreicht. In den beiden getrennten Fluidkreisen können unterschiedliche, auf den jeweils maßgeblichen Temperaturbereich abgestimmte Wärmetransferflui- de aufgenommen sein.
Im Bereich der Verdampfereinrichtung VD ist ein Eingangstemperaturerfassungsor- gan NTC1 vorgesehen, zur Erfassung der Eingangstemperatur des Warmetransferfluides am Eingang der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung 27. Zur Erfassung der Ausgangstemperatur des verdampften Kraftstoffes am Ausgang des Verdampfers VD ist ein Kraftstoffausgangstemperaturerfassungsorgan NTC2 am Ausgang des Verdampfers VD vorgesehen. Weiterhin ist auch ein Ausgangstemperaturer- fassungsorgan NTC3 vorgesehen, zur Erfassung der Ausgangstemperatur des Warmetransferfluides am Ausgang des Verdampfers VD.
Auf Grundlage der über die Temperaturerfassungsorgane erfassten Temperaturen ist es möglich, den Massenstrom des Warmetransferfluides des Sekundärkreislaufes derart abzustimmen, dass im Bereich des Verdampfers VD ein der momentan geforderten Verdampfungsleistung Rechnung tragender Wärmezustrom QD erfolgt. Der Fluiddurchsatz wird vorzugsweise durch eine Pumpe 34 eingestellt. Die Pumpe 34 kann als hinsichtlich der Förderleistung steuerbare Pumpe ausgebildet sein. Es ist auch möglich, in dem Sekundärkreis Stellorgane vorzusehen, durch welche der Fluiddurchsatz im Sekundärkreis bei Verwendung einer Pumpe mit konstanter Förderleistung abstimmbar ist. Derartige Stellorgane können als Thermostatventile ausgebildet sein.
Die Wärmeübertragung vom Primärkreislauf in den Sekundärkreislauf wird eben- falls durch Temperaturerfassungsorgane NTC erfasst. Die Durchströmung des Zwischenwärmetauschers auf der Seite des Primärkreises kann unter der Wirkung eines Druckgefälles erfolgen, das durch eine im Bereich des Verbrauchers vorgesehenen Wasserpumpe WAPU erzeugt wird.
Die Koppelung des Systems S1 mit dem weiteren verbraucherseitigen Wärmetransfersystem erfolgt über den Vorlaufleitungsabschnitt VL und den Rücklaufleitungsabschnitt RL. Das Kühlpotential des über den Rücklaufleitungsabschnitt RL zurückfließenden Warmetransferfluides kann zur Kühlung von Nebenaggregaten NA herangezogen werden. Hierbei kann es sich um einen Wärmetauscher für ein Abgas- rückführsystem, um eine Lufttrocknungseinrichtung, Getriebekomponenten, elektrische Nebenaggregate wie auch Wärmetauscher einer Fahrzeugklimaanlage handeln. Der Betrieb des Systems S1 kann so abgestimmt erfolgen, dass eine geforderte Rücklauftemperatur erreicht wird.
Die Abstimmung des Systems derart, dass in dem Verdampfer VD ein der geforderte Verdampfungsleistung Rechnung tragender Wärmestrom in den Kraftstoff eingeleitet wird, erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer elektronischen Steuereinheit C. Diese Steuereinheit C hat vorzugsweise Zugriff auf Daten über den momentanen Betriebszustand des Verbrauchers BK einschließlich den Temperaturen des Warmetransferfluides in den jeweiligen Systemabschnitten. Auf Grundlage dieser Daten kann der Betrieb des Systems unter mehreren Kriterien, wie z.B. Leistungsreserve, Systemwirkungsgrad, Sicherheitsreserve abgestimmt werden. Der bei dieser Ausführungsform von dem Fluidkreis des Verbrauchers BK getrennte Sekundärkreis ist mit einem tieftemperaturbeständigen Wärmetransferfluid befüllt. Der Sekundärkreislauf verfügt über einen eigenen Ausgleichsbehälter AGB und ein eigenes Entgasungssystem. Das Entgasungssystem ist derart aufgebaut, dass et- waige, in den Sekundärkreis eindringende Gase abgeleitet und ggf. katalytisch oxi- diert werden. Der Systemdruck in dem Sekundärkreislauf kann auf einen Wert eingestellt werden, der höher ist als der Druck des verdampften Kraftstoffes, so dass im Falle etwaiger Undichtigkeiten kein Kraftstoff in den Sekundärkreislauf eindringen kann. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Druck im Sekundärkreislauf so niedrig zu wählen, dass dieser unter dem Druck im Primärkreislauf liegt. Hierdurch wird einer Übertragung zündfähiger Gase in den Primärkreislauf vorgebeugt.
Der Zwischenwärmetauscher ZW kann als Systemschnittstelle ausgebildet sein, der eine einfache, modulare Ankoppelung eines Verdampfers, oder insbesondere eines Tanksystems mit integriertem Verdampfer ermöglicht. Die Steuereinheit C kann als Untereinheit in das Tanksystem integriert sein, oder auch durch das Motormanagement des Verbrauchers BK bereitgestellt sein.
Die Rückspeisung des über den Rücklaufleitungsabschnitt RL zurückfließenden Fluides in das Wärmetransfersystem kann stromabwärts eines Kühlwasserwärmetauschers K, oder auch wie durch Strichlinien angedeutet, stromaufwärts des Kühlwasserwärmetauschers K erfolgen. Es ist möglich, das Leitungssystem so auszubilden, dass beide Rückspeisevarianten möglich sind, wobei die entsprechende Fluidführung vorzugsweise ventilgesteuert abgestimmt werden kann. Die hierzu vorgesehene Ventileinrichtung V1 kann so ausgebildet sein, dass diese auch Mischzustände, d.h. eine Teilstromeinspeisung stromabwärts des Kühlers K, und eine Teilstromeinspeisung stromaufwärts des Kühlers K veranlassen kann. Der Schaltzustand der Ventileinrichtung V1 kann in Abhängigkeit ausgewählter Motorbetriebsparameter, insbesondere der Kühlerrücklauftemperatur, festgelegt werden.
Figur 2a zeigt eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verdampfungssystems, bei welchem das über die Vorlaufleitung VL aus dem Bereich des Verbrauchers abfließende Wärmetransferfluid über eine Filtereinrichtung 33 zu einer Verzwei- gungsstelle TS1 und über eine Sekundärkreispumpe SP in die Verdampfereinrichtung VD einfließen kann. Die Ableitung des die Verdampfereinrichtung durchströmenden Warmetransferfluides erfolgt über eine Auslaufleitung AL, die in eine Verzweigungsstelle TS2 mündet. Die Verzweigungsstelle TS2 stellt einen in den Rück- laufleitungsabschnitt RL mündenden Ausgang sowie einen in einen Rückführungs- leitungsabschnitt RF mündenden Ausgang bereit. Im Bereich der Verzweigungsstelle TS2 ist eine Ventileinrichtung 28 vorgesehen, durch welche die Aufteilung des über die Auslaufleitung AL fließenden Wärmetransferfluidstromes auf den Rücklaufleitungsabschnitt RL und den Rückführungsleitungsabschnitt RF festgelegt werden kann. Das Ventil kann als nach Maßgabe einer externen Steuereinheit gesteuertes Ventil oder insbesondere auch als selbsttätig temperaturabhängig regelndes Ventil ausgebildet sein. Durch den gezeigten Schaltungsaufbau wird erreicht, dass im Grunde über den Vorlaufleitungsabschnitt VL nur eine Fluidmenge in den unter Einschluss des Rückführungsleitungsabschnitts RF gebildeten Sekundärkreis eintreten kann, die dem durch das Ventil 28 eingestellten und in den Rückleitungsabschnitt RL abfließenden Volumenstrom entspricht. Unabhängig von dem durch das Ventil 28 festgelegten Abflussvolumenstrom kann über die Sekundärkreispumpe SP ein gewünschter Durchsatz des Warmetransferfluides durch die Verdampfereinrichtung VD eingestellt werden.
Die Verzweigungsstelle TS1 bildet bei dieser Ausführungsform eine Mischstelle, an welcher das über den Rückführungsleitungsabschnitt RF zurückgeführte Wärmetransferfluid mit dem über den Vorlaufleitungsabschnitt VL zufließenden Flu- idstrom zusammentrifft. In dem unter Einschluss des Rückführungsleitungsab- Schnitts RF gebildeten Sekundärkreis können Fluidtemperaturen eingestellt werden, die weit unter der Temperatur des über den Vorlaufleitungsabschnitt VL zufließenden Warmetransferfluides liegen. Hierdurch wird die thermische und strukturmechanische Belastung der Wärmetauschbereiche der Verdampfereinrichtung VD reduziert. Durch Erfassung der Ein- und Austrittstemperaturen des Wärmetrans- ferfluides an der Verdampfereinrichtung über die Ein- und Ausgangstemperaturer- fassungsorgane NTC 1 und NTC 3 kann über die Sekundärkreispumpe SP die Wärmetauschleistung der Verdampfereinrichtung VD mit hoher Regeldynamik abgestimmt werden. Figur 2b zeigt eine Ausführungsform des Wärmetauschsystems, die in ihrem Aufbau im wesentlichen der vorangehend beschriebenen Ausführungsform gemäß Figur 2a entspricht, jedoch zusätzlich um eine Beipassleitung BL erweitert ist. Über die Beipassleitung BL wird es möglich, im Bereich des unter Einschluss des Rück- führungsleitungsabschnitts RF gebildeten Sekundärkreises die Verdampfereiπrich- tung VD zu überbrücken. Die Beipassleitung BL ist über ein Stellventil SV mit dem Rücklaufleitungsabschnitt RL gekoppelt. Durch die derart gezeigte Einbindung der Beipassleitung BL wird es möglich, über das Stellventil SV zusätzlich Einfluss auf das Mischungsverhältnis der über den Vorlaufleitungsabschnitt VL und den Rückführungsleitungsabschnitt RF an der Verzweigungsstelle TS1 zusammenfließenden Volumenströme zu nehmen. Durch diese Maßnahme kann die Temperatur des innerhalb des Sekundärkreises umgewälzten Warmetransferfluides mit nochmals erhöhter Regeldynamik auf die geforderte Verdampferleistung abgestimmt werden und auch einer verbauten Abgasrückführeinrichtung gestellt werden.
Figur 2c zeigt eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Wärmetransfersystems, bei welcher das Ventil 28 nunmehr an der Verzweigungsstelle TS1 vorgesehen ist. Über das Ventil 28 kann dabei insbesondere der Zustrom des über den Vorlauflei- tungsabschnitt VL zugeführten Warmetransferfluides in den unter Einschluss des Rückführungsleitungsabschnitts RF gebildeten Sekundärkreis gesteuert werden.
Figur 2d zeigt eine fünfte Variante, bei welcher eine vom Zustrom über den Vorlaufleitungsabschnitt VL abweichende Einstellung des durch die Verdampfereinrichtung VD geführten Wärmetranferfluidvolumenstroms durch eine, die Verdampfereinrichtung überbrückende und mit einem Stellventil SV versehene Beipassleitung BL erreichbar ist. Der hier gezeigte Systemaufbau erlaubt es, die Pumpe P ungeregelt zu betreiben und die Aufteilung der über die Verdampfereinrichtung VD und die Beipassleitung BL abfließenden Fluidströme entsprechend dem Verhältnis der Strö- mungswiderstände der beiden Fluidwegabschnitte einzustellen. Der Strömungswiderstand des Beipassleitungsabschnitts BL kann hierbei über das Stellventil SV in einem vorgegebenen Bereich variabel eingestellt werden. Die Ansteuerung des Stellventils SV kann über eine Steuereinrichtung nach Maßgabe der momentan geforderten Verdampferleistung sowie der durch die Temperaturerfassungsorgane NTC 1 , NTC 2 und NTC 3 erfassten Signale gesteuert werden.
Figur 3 zeigt einen konkreten Anwendungsfall des vorangehend in Verbindung mit Figur 2a beschriebenen Wärmetransfersystems, zur Erzeugung gasförmigen Wasserstoffs für eine wasserstoffbetriebene Brennkraftmaschine BK eines Kraftfahrzeugs. Für das gezeigte Verdampfersystem gelten die Ausführungen zu Figur 2a sinngemäß. Der Vorlaufleitungsabschnitt VL steht mit einem in der Brennkraftma- schine BK ausgebildeten Wassermantelsystem in Verbindung. Der Abzweigungsort des Vorlaufleitungsabschnitts VL ist derart gewählt, dass über den Vorlaufleitungsabschnitt nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine möglichst frühzeitig das Wärmetransferfluid (hier das Motorkühlwasser) auf einem hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht. Der Rücklaufleitungsabschnitt RL ist gemäß einem besonde- ren Aspekt der vorliegenden Erfindung derart an den verbraucherseitigen Wärmetransferkreis angekoppelt, dass über den Rücklaufleitungsabschnitt RL zurückfließendes Fluid, in den Niedertemperaturbereich des verbraucherseitigen Wärmetransferkreises einspeisbar ist. Bei dieser Ausführung ist der Rücklaufleitungsabschnitt mit einem in den Niedertemperaturbereich eines Fahrzeugkühlers K führen- den Leitungsabschnitt gekoppelt, so dass der Rücklauf des Warmetransferfluides durch den Rücklaufleitungsabschnitt RL gegen einen geringen und von der Motordrehzahl nicht übermäßig stark beeinflussten Gegendruck erfolgt.
Das hier gezeigte Kühlmittelkreislaufsystem kann in vier Untersysteme S1 , S2, S3, S4 unterteilt werden. Das Untersystem S1 entspricht in seinem Aufbau dem vorangehend in Verbindung mit Figur 2a beschriebenen System. Bei dem Untersystem S2 handelt es sich um das im Bereich des hier als Brennkraftmaschine BK ausgebildeten Verbrauchers gebildete Wärmetransfersystem zur Aufnahme der durch den Verbraucher erzeugten Wärme. Bei dem System S3 handelt es sich um ein Ab- Wärmesystem zur Ableitung von im Überschuss anfallender Wärme an die Umgebung durch einen Kühlwasserwärmetauscher K und eine Getriebeölkühlreinrichtung umfassen kann. Das Untersystem S4 bildet ein Komfort-Heizsystem zur Heizung eines Fahrgastraumes des Kraftfahrzeugs. Das Untersystem S1 ist mit dem Untersystem S2 über den Vorlaufleitungsabschnitt VL und den Rücklaufleitungsabschnitt RL gekoppelt. Das Untersystem S2 kommuniziert mit dem Untersystem S3 über eine Motorvorlaufleitung MV und eine Motor- rücklaufleitung MR. Bei dem hier eingezeichneten Leitungsabschnitt HR handelt es sich um eine Heizungsrücklaufleitung, die zwar durch den Blockbereich der Brennkraftmaschine hindurchgeführt ist, jedoch nicht unmittelbar mit den blockseitigen Kühlmittelkanälen kommuniziert. Im Bereich des Untersystems S2 ist ferner auch ein wassergekühlter Generator KF vorgesehen, der über Leitungen G1 , G2, in den Kühlkreislauf eingebunden ist.
Das Abwärmesystem S3 umfasst den Kühlwasserwärmetauscher K, eine mechanische Wasserpumpe WP, eine Thermostateinrichtung HTE, einen Kühlwasserausgleichsbehälter AGB und einen Ölwärmetauscher ÖWT. Der Kühlwasseraus- gleichsbehälter AGB ist über eine Anschlussleitung A1 an den Vorlaufbereich der Wasserpumpe WP angekoppelt. Der Ausgleichsbehälter ist weiterhin über Entlüftungsleitungen A2, A3 mit dem Kühler K bzw. den zylinderkopfseitigen Kühlkanälen der Brennkraftmaschine BK gekoppelt. Durch die Thermostateinrichtung HTE wird es möglich, in Abhängigkeit von der Temperatur der über die Leitungsabschnitte HR und MV zuströmenden Fluidströme eine Zusammenfassung und Weiterleitung derselben zum Kühler K oder auch unmittelbar zum Vorlaufbereich der Wasserpumpe WP zu veranlassen. Im Bereich des Ölwärmetauschers ÖWT ist eine Regelpatrone vorgesehen, durch welche temperaturgeführt der Fluiddurchsatz durch den Niedertemperaturrücklauf NT wie auch durch eine Nebenleitung NL einstellbar ist.
Das Untersystem S4 ist über eine Heizungsvorlaufleitung HVL und eine Heizungsrücklaufleitung HRL in den Wärmetransferkreis eingebunden. Das Heizungssystem S4 umfasst einen Heizungswärmetauscher mit mehreren über separate Vorlaufabschnitte ansteuerbaren Wärmetauschabschnitten. Das Heizungssystem S4 umfasst weiterhin eine Standheizung SHG zur selektiven Aufheizung des dem Heizungswärmetauscher über einen Leitungsabschnitt A4 zufließenden, bedarfsweise durch eine Hilfspumpe HP geförderten Fluidstromes. Im Bereich des Systems S4 ist eine Heizventileinrichtung HVE vorgesehen, durch welche die Heizungsvorlaufleitung HVL abgesperrt werden kann und über eine Ü- berbrückungsleitung A5 der Eingang der Hilfspumpe HP mit dem Rücklauf des Hei- zungswärmetauschers koppelbar ist.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das mit einer Standheizungseinrichtung ausgestattete Untersystem S4 derart mit dem Untersystem S1 , d.h. mit der Wasserstoffverdampfungseinrichtung gekoppelt, dass selektiv auch eine Wärmezufuhr über die Standheizung SHG erfolgen kann. Lediglich beispielhaft ist diesbezüglich in Strichlinien eine Hilfsleitungseinrichtung HL1 dargestellt, über welche ein Fluidabzug stromabwärts der Standheizung SHG erfolgen kann. Die Aufschaltung der Hilfsleitungseinrichtung HL1 kann durch ein Ventil V2 erfolgen. Es ist möglich, eine Rücklaufleitung (nicht dargestellt) vorzusehen, über welche eine Fluidrücklauf aus dem System S1 unter Umgehung der Systeme S2, S3 ermöglicht ist. („kleiner parallel Heizkreis")
Es ist möglich, im Bereich des Systems S1 , insbesondere in der Wärmetauschstrecke zwischen den Temperatursensoren NTC1 , NTC2 eine Enteisungheizeinrichtung vorzusehen, durch welche etwaige Vereisungen im Bereich des Wärmetauschers gelöst werden können. Die Enteisungseinrichtung kann insbesondere als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet sein. Insbesondere während einer Verbraucherkaltstartphase ist es möglich, die Enteisungsheizeinrichtung und ggf. auch die Standheizungseinrichtung derart zuzuschalten, dass durch diese Heizeinrichtungen einen zusätzlicher Wärmeeintrag erreicht wird.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs für ein Kraftfahrzeug mit einer Ausgestaltung des Kraftstoffverdampfungssystems S1 gemäß Figur 2c. Die Ausführungen zu Figur 3 gelten hierzu sinngemäß. Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung des Kühlmittelkreislaufs unter Verwendung eines Verdampfungssystems S1 gemäß Figur 2d. Im übrigen gelten die Ausführungen zu Figur 3 auch hier sinngemäß.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs bei einer, mit einer Ab- gasrückführeinrichtung AGR ausgestatteten, wasserstoffbetriebenen Brennkraftmaschine. Das Verdampfungssystem S1 entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 2b. Die Brennkraftmaschine ist auch hier lediglich beispielhaft als V-Motor ausgebildet. Jeder Zylinderbank der Brennkraftmaschine ist eine Abgasrückführeinrichtung AGR zugeordnet. Jede Abgasrückführeinrichtung umfasst einen in den Fluidkreis- lauf eingebundenen Wärmetauscher. Die Kühlmittelbeaufschlagung dieser Wärmetauscher erfolgt über den Rücklaufleitungsabschnitt RL unter Einbindung eines Thermostatventils 32. Durch eine, hier nicht näher dargestellte Steuereinrichtung ist es möglich, das Verdampfungssystem S1 derart zu betreiben, dass das über die Rücklaufleitung RL fließende Wärmetransferfluid eine, auf einen geforderten Kühleffekt im Bereich des Abgasrückführsystems abgestimmte Rücklauftemperatur aufweist.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs einer Brennkraftma- schine mit einer, in gleicher Weise wie vorangehend in Verbindung mit Figur 6 beschrieben, in den Kühlmittelkreislauf eingebundenen Abgasrückführeinrichtung. Der Aufbau des Kraftstoffverdampfungssystems S1 entspricht der Variante gemäß Figur 2c.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs für eine wassergekühlte und mit einer Abgasrückführeinrichtung ausgestattete Brennkraftmaschine. Das Verdampfungssystem S1 entspricht in seinem Aufbau der in Verbindung mit Figur 2d beschriebenen Variante. Im übrigen gelten die Ausführungen zu Figur 3 sowie zu den Figuren 6 und 7 sinngemäß.
Die vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Systeme zeichnen sich sowohl hinsichtlich der H2-Temperaturen als auch der Kühlmitteltemperaturen durch eine hohe Regelgüte aus. Durch die Abzweigung des Vorlaufs zum H2- Wärmetauscher aus dem Blockbereich, beispielsweise dem V-Raum einer Brennkraftmaschine, sowie durch die Anbindung des Rücklaufs an den Kühlervorlauf ergibt sich eine verminderte Abhängigkeit des über den H2-Wärmetauscher fließen- den Kühlmittelvolumenstroms von der Motordrehzahl. Weiterhin können bedarfsweise zuverlässig hohe Vorlauftemperaturen am H2-Wärmetauscher erreicht werden. Bei der beschriebenen Beipassvariante wird der Einspeisung großer Volumenströme in den Kühlwasserrücklauf durch den im Zusammenspiel mit dem Hauptthermostat aufgebauten Regelkreis Rechnung getragen.
Durch Regelung der H2-Temperatur über den kleinen Kreislauf am H2- Wärmetauscher unter Verwendung eines Thermostats, oder eines elektrisch angesteuerten Ventils, kann lokal im H2-Wärmetauscher ein niedrigeres Kühlmitteltemperaturniveau als im restlichen Kühlkreislauf eingestellt werden. Damit kann die ansonsten große Temperaturdifferenz zwischen dem Kraftstoff, insbesondere Wasserstoff, und dem Kühlmittel am H2-Wärmetauscher reduziert werden, wodurch sich hinsichtlich der thermischen und mechanischen Belastung der Komponenten des H2-Wärmetauschers Vorteile ergeben.
Bedarfsweise ist eine Beipassregelung und eine Pumpenregelung über den H2- Wärmetauscher (große Volumenströme im Rücklauf) zum „konventionellen" Kühlkreislauf möglich.
Durch Verwendung der angegebenen AGR-Kühler wird eine NOX-Reduktion er- möglicht. Die Anströmung der AGR-Kühler kann ventil- und thermostatgesteuert erfolgen. Das Ventil dient zur Erhöhung des Volumenstroms im H2- Wärmetauscher-Rücklauf (unabhängig vom Lastfall des H2-Wärmetauschers). Das Thermostat dient unter anderem der Verbesserung des Aufheizverhaltens (Verbrauchsreduzierung, Heizleistungssteigerung). Im kritischen Kaltstartfall können über den AGR-Beipass Wärmeverluste durch das Aufheizen der AGR-Kühler ausgeschlossen werden (kein abgasseitiger AGR-Betrieb) und der Druckverlust der AGR-Kühler eliminiert werden. Dies führt zu einem großen Betriebstemperaturbereich, insbesondere beim Kaltstart. Bei Erwärmung des Kühlwassers im AGR- Wärmetauscher (abgasseitiger AGR-Betrieb) wird der AGR-Kühler-Beipass ge- schlössen und das Kühlwasser komplett über den AGR-Wärmetauscher geführt. Die Druckverluste in den AGR-Kühlern sind bei höheren Kühlmitteltemperaturen (Viskositätsänderung) gering. Zur Regelung sollte im Beipass-Betrieb ein kleiner Leckagevolumenstrom von den AGR-Kühlern zum Regelthermostat fließen, um das Temperatursignal an das Regelglied (zum Beispiel Wachselement) zu übermitteln.
Zum Schutz des H2-Wärmetauschers wird vorzugsweise jener Kühlmittelfilter 33 eingesetzt. Sind die Querschnitte der Kühlmittelpassagen im H2-Wärmetauscher sehr klein, kann es ansonsten durch Verunreinigungen im Kühlkreislauf (Glasfa- sern) zur Verlegung/Verstopfung des H2-Wärmetauschers kommen. Vorzugsweise ist der Kühlmittelfilter 33 unmittelbar vor dem H2-WT in das System eingebunden.
Die Regelbarkeit der Pumpe ermöglicht es, Schwankungen der Kühlmitteltempera- turen gering zu halten, dies führt zur Reduktion der H2-Temperaturuntschiede bei Teil- bzw. Volllast und entlastet das Bordnetz. Durch die Regelbarkeit der Pumpenleistung kann auch eine Kühlmitteleintrittstemperaturregelung am H2-WT umgesetzt werden, bei der die KM-Austrittstemperatur am H2-WT und somit auch die H2- Austrittstemperatur über den Kühlmittelvolumenstrom eingeregelt wird.
Die Temperatursensoren im Vor- und Rücklauf des H2-WTs können zur Regelung der Zusatzwasserpumpe herangezogen werden. Diese Sensoren können auch zur Erkennung eines möglichen Vereisens des H2-WTs genutzt werden (Vermeidung der Gefahr der Vorschädigung des H2-WTs) sowie zur Begrenzung der maximalen Motorleistung - oder bei bivalentem Betrieb zur Umschaltung in den Benzinbetrieb herangezogen werden. Die entsprechende Steuereinrichtung kann derart konfiguriert sein, dass diese nach Maßgabe eines Algorithmus arbeitet, der eine Plausibili- tätsprüfung auf Grundlage der übertragenen Wärmemengen vornimmt. Jene Steuereinrichtung kann durch das CE-Steuergerät verwirklicht sein.
Die zur Förderung des Warmetransferfluides durch den H2-Wärmetauscher vorgesehen Pumpe ist vorzugsweise als diagnosefähigen E-Pumpe ausgebildet und auf den Betrieb für den Clean Energy Anwendungsfall abgestimmt. Die Pumpe kann für 79
einen Einsatz des System in einem Kraftfahrzeug im Hinblick auf den Kaltstartfall und den „normalen" Betriebsfall ausgelegt sein. Dadurch wird ein großer Betriebstemperaturbereich (ca. -25°C - ...) erreicht und eine Option für eine Leistungssteigerung (größere Motorleistung bei gleichzeitig höherer Heizleistung für den H2 WT) geschaffen. Eine Leistungsreduzierung des Motors bei Starttemperaturen unterhalb von z.B. -15°C kann ebenfalls durch entsprechende Konfiguration der Steuereinrichtung vorgesehen werden.
Die Ansteuerung der Pumpe erfolgt vorzugsweise über mehrere Kennfelder, durch welche die Motordrehzahl, die Kühlmittelaustrittstemperatur am H2-WT, die H2- Austrittstemperatur am H2-WT, die Kühlmitteltemperaturdifferenz am H2-WT (max. Auswahl über alle 4 Kennfelder) und die Pumpentemperatur (min. Auswahl) Berücksichtigt werden können.
Durch die Anbindung des Rücklaufs vom H2-WT in den Kühlervorlaufschlauch kann in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Entlüftung direkt in den Ausgleichsbehälter erreicht werden. Es ist möglich, den H2-WT vor den Rücklauf vor dem Fahrzeugkühler ohne erhebliche Beeinträchtigung der Kühlleistung einzukoppeln.
Durch die Entkopplung von Heizungskreislauf (mit Standheizung) und H2-WT Kreislauf kann die Heizleistung erheblich gesteigert werden. Gleichzeitig ist im Standheizungsbetrieb die max. mögliche Heizleistung abrufbar. Mit der beschriebenen Einbindung des H2-WT wäre ein Standheizungsbetrieb unabhängig vom Fahrbetrieb möglich.
Durch die Anbindung des Rücklaufs vom H2-WT in den Kühlervorlaufschlauch kann im übrigen auch der wird der Druck im Kühlervorlaufschlauch erhöht und der Durch- fluss über den Getriebeöl-WT vergrößert werden. Die Getriebeöltemperaturen werden dadurch nachhaltig reduziert. Die aufgezeigte Einbindung des zur Kraftstoffverdampfung vorgesehenen Wärmetauschsystems erlaubt es die benötigte Wärmemenge ohne Verschlechterung der einzelnen Teilsysteme Motorkühlung, Motorölkühlung, Getriebeölkühlung und Heizung bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Verdampfungssystem zeichnet sich insbesondere durch die nachfolgend angegebenen Vorteile aus:
- Hohe Regelgüte, geringes Temperaturschwingungsverhalten des Kühlmittel- kreislaufs und damit auch der Gas bzw. H2-Temperatur. Somit geringer Einfluss von Lastwechseln, Motordrehzahländerungen, Heizung Ein/Ausschalten auf die Fahrleistung (konst. H2-Temperatur bei Volllast => konst. max. Geschwindigkeit);
- Verringerung der Gefahr des Vereisens und Erkennung der Vereisung des H2- Wärmetauschers;
- An den Betriebszustand angepasste elektrische Bordnetzbelastung durch die Pumpe;
- Hohe Betriebssicherheit;
- Sichere Entlüftung des Kühlmittelkreislaufs; - Hohe Heizleistung für Fahrzeuginnenraum (Komfort) im Fahr- und Standheizungsbetrieb;
- Optimale Nutzung der Kühlleistung des Fahrzeugkühlers;
- Reduzierung der Getriebeöltemperaturen (niedrigeres Temperaturkollektiv führt zu längerer Haltbarkeit); - hohe Variabilität bezüglich Regelung der H2-Temperatur (Regelthermostat oder elektrisches Ventil, großer oder kleiner Volumenstrom in Vor-/Rücklauf zum H2- WT-Teilkreislauf möglich);
- Die Trennung von Primär- und Sekundärkreislauf erhöht die Sicherheit des Systems (H2 gelangt nicht in den primären Kühlkreislauf des Fahrzeugs). Darüber hinaus ist bei Arbeiten am H2-WT (z.B. Austausch) nicht das gesamte Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf abzulassen bzw. der gesamte Kühlkreislauf zu entlüften. Im Sekundärkreislauf besteht bei entsprechender Werkstoffauswahl die Möglich- keit mit einer höheren Glykolkonzentration zu arbeiten und somit Vereisungen vorzubeugen (Vergrößerung des Betriebstemperaturbereichs beim Kaltstart). Die Glykolkonzentration im H2-WT ist damit unabhängig von Materialfreigaben im „konventionellen" Kühlkreislauf wählbar; Die Einbindung des H2-WTs in den Kühlkreislauf reduziert durch den Kälteeintrag am H2-WT die abzuführende Wärmemenge am Fahrzeugkühler. Bei mono- valentem H2-Betrieb ist dadurch eine Reduzierung der Kühlerflächen/-tiefen (geringere Druckverluste bei Motorraumdurchströmung) möglich. Somit führt das Konzept der tiefkalten Speicherung von H2, bei gleichzeitiger Einbindung des H2-WTs in den Kühlkreislauf und entsprechender fahrzeugseitigen Anpassung
(Kühlereintrittsflächen, ... ) zur Verbesserung des cx-Werts und so zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Neben der cx-Wert Optimierung ergeben sich sowohl für den Fußgängerschutz als auch für das Design neue Möglichkeiten.

Claims

Patentansprüche
1. System, zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs durch Nutzung von im Bereich eines Kraftstoffverbrauchers anfallender Wärme mit: - einer Verdampfereinrichtung, zur Verdampfung von aus einem Kraftstofftank bezogenem Kraftstoff unter Einbringung von Verdampfungswärme, - einer Gasleitungseinrichtung zur Zuleitung des verdampften Kraftstoffes zu jenem Verbraucher, - einem im Bereich des Verbrauchers vorgesehenen Wärmetransfersystem zur Aufnahme von im Bereich des Verbrauchers anfallender Wärme, und einer, von einem Wärmetransferfluid durchströmten Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung, die Teil der Verdampfereinrichtung bildet, zur Bereitstellung der Verdampfungswärme durch einen aus dem Wärmetransfersystem bezogenen Wärmestrom, - wobei die Koppelung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung mit dem Wärmetransfersystem über einen Vorlaufabschnitt und einen Rücklaufabschnitt derart bewerkstelligt ist, dass der zur Einbringung der Verdampfungswärme geforderte Durchsatz des Warmetransferfluides durch die Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung, von dem Fluiddurchsatz durch den Vorlaufabschnitt und/oder den Rücklaufabschnitt abweichend einstellbar ist.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Koppelung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung mit dem verbraucherseitigen Wärmetransfersystem unter Einschaltung eines Zwischenwärmetauschers bewerkstelligt ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelung der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung unter Trennung der Fluidkreise in einen Primärkreis und wenigstens einen Sekundärkreis bewerkstelligt ist.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle getrennter Fluidkreise unterschiedliche Wärmetransferfluide in dem jeweiligen Fluidkreis aufgenommen sind.
5. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelung unter Einschluss einer Leitungsbrücke bewerkstelligt ist, die eine Teil-Rückführung eines aus der Kraftstoff-Wärmetauschereinrichtung abflie- ßenden Wärmetransferfluidstroms zur Eingangsseite der Kraftstoff- Wärmetauschereinrichtung ermöglicht.
6. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelung unter Einschluss einer Bypassleitungseinrichtung bewerkstelligt ist, zur Schaffung einer Fluidverbindung zwischen dem Vorlaufabschnitt und dem Rücklaufabschnitt unter Umgehung der Kraftstoffheizeinrichtung.
7. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangstemperaturerfassungsorgan vorgesehen ist, zur Erfassung der Eingangstemperatur des Warmetransferfluides am Eingang der Kraftstoffheizeinrichtung.
8. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangstemperaturerfassungsorgan vorgesehen ist, zur Erfassung der Ausgangstemperatur des Warmetransferfluides am Ausgang der Kraftstoffheizeinrichtung.
9. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpeneinrichtung vorgesehen ist, zur Förderung des Wärmetransferflu- ides durch die Kraftstoffheizeinrichtung.
10. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Stellglieder, insbesondere Ventile vorgesehen sind, zur Einstellung der Durchflussbedingungen durch die Kraftstoffheizeinrichtung.
11. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Stellglieder, insbesondere Ventile vorgesehen sind, zur Einstellung der Durchflussbedingungen durch die Bypass- oder Überbrückungsleitung.
12. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, zur Einstellung des Fluiddurchsat- zes durch den Vorlauf und den Rücklaufabschnitt und/oder die Kraftstoffheizeinrichtung derart, dass sich auf den momentanen Betriebszustand des Verbrauchers ab- gestimmte Systemeinstellungen ergeben.
13. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffheizeinrichtung derart betrieben wird, dass durch den aus- gangsseitig abfließenden Wärmetransferfluidstrom ein Kühlpotential für den Verbraucher, insbesondere Motor, und/oder ein Abgasrückführsystem und/oder ein Ladeluftkühlsystem und/oder ein Fahrzeugklimatisierungssystem und/oder Getriebeeinrichtungen bereitsteht.
14. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich- net, dass die Abzweigung des Wärmetransferfluids aus einem Bereich des
Verbrauchers erfolgt, der ein zur Aufbringung der Verdampfungsleistung durch die Kraftstoffheizeinrichtung ausreichend hohes Temperaturpotential zu Verfügung stellt.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigung aus einem schnellheizenden und/oder hochtemperatur Abschnitt des verbraucherseitigen Wärmetransfersystems erfolgt.
16. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeich- net, dass der durch den Wärmebezug der Kraftstoffheizeinrichtung gekühlte Wärmetransferfluidstrom stromaufwärts eines Kühlwasserwärmetauschers in den Kühlfluidstrom eingespeist wird.
17. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeich- net, dass der Verbraucher eine Brennkraftmaschine ist.
18. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher eine Brennstoffzelle ist.
19. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransfersystem den Kühlmittelkreis des Verbrauchers bildet.
20. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeich- 5 net, dass das Wärmetransfersystem mit einem Abgasrückführungssystem kooperiert.
21. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Abwärmesystem einen Schmierstoffkreis des Verbrauchers oder lθ Abtriebsstrangkomponenten umfasst.
22. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransfer in der Kraftstoffheizeinrichtung selektiv nach dem Gleich- oder Gegenstromprinzip erfolgt.
15 23. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zumindest temporär in flüssigem Zustand in den Wärmetauscher gelangt. 0
24. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff Wasserstoff verwendet wird.
25. System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff im Tank eine Temperatur von weniger als 150K, im Falle5 von Wasserstoff insbesondere weniger als 20K aufweist.
26. Verfahren zur Verdampfung eines kryogen gespeicherten Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, bei welchem der Kraftstoff aus einer Tankeinrichtung abgeleitet und über eine als Wärmetauscher ausgebildete Verdampfereinrichtung erwärmt0 und verdampft wird, wobei der zur fortlaufenden Verdampfung des Kraftstoffs erforderliche Wärmestrom über einen temperierten Wärmetransferfluidstrom bezogen wird, der aus einem verbraucherseitig vorgesehenen Wärmetransfersystem abgeleitet wird, wobei der aus dem verbraucherseitigen Wärmetransferfluidstrom abgeleitete Fluidstrom und ein durch die Verdampfereinrichtung geführter Verdampferflu- idstrom in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrauchers zumindest phasenweise auf verschiedene Pegel eingestellt werden.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Fluidströme unter der Maßgabe erfolgt, die zur Bereitstellung des gasförmigen
Wasserstoffes erforderliche Wärmemenge im Bereich vorgegebener Temperaturgradienten bereitzustellen.
28. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Einstellung der Fluidströme unter der Maßgabe erfolgt, die zur
Bereitstellung des gasförmigen Wasserstoffes erforderliche Wärmemenge unter einer vorgegebenen Eintrittstemperatur des Verdampferfluidstroms bereitzustellen.
29. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Einstellung der Fluidströme unter der Maßgabe erfolgt, die zur
Bereitstellung des gasförmigen Wasserstoffes erforderliche Wärmemenge bei Erreichen einer vorgegebenen Austrittstemperatur des Verdampferfluidstromes bereitzustellen.
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