WO2016046263A1 - Vorrichtung und verfahren zum angleichen von druckniveaus von gaskraftstoff und luft zur zuführung zu einem verbrennungsmotor - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum angleichen von druckniveaus von gaskraftstoff und luft zur zuführung zu einem verbrennungsmotor Download PDF

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Martin Brüll
Andreas Heinrich
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for equalizing pressure levels of gaseous fuel and air for delivery to an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to a drive system for a vehicle with a device mentioned above.
  • gas fuel such as natural gas or hydrogen
  • the gas fuel is stored in a gas fuel tank.
  • the gaseous fuel is supplied to an intake tract of an internal combustion engine of the vehicle and mixed there with air sucked from the vehicle environment to form a gas fuel-air mixture.
  • the gaseous fuel-air mixture is then drawn into the combustion chamber of the internal combustion engine and combusted there, wherein the stored gas in the fuel chemical energy is converted in the mechanical performance of Burn ⁇ voltage motors.
  • the object of the present invention is to provide a way to reduce the consumption of energy in general, in particular the consumption of the gas fuel.
  • an apparatus for equalizing pressure levels of gaseous fuel and air is provided Supply provided by an internal combustion engine.
  • the apparatus comprises a gaseous fuel inlet for receiving the gaseous fuel, which is temporarily stored under high pressure in a gaseous fuel cycle of the vehicle.
  • the apparatus includes a printing engine, adapted to reduce the pressure of the gas fuel by way of playing with ⁇ expanding the gaseous fuel, in particular up to a constant or variable, predetermined pressure value.
  • the pressurized engine is located downstream of the gaseous fuel inlet and receives the gaseous fuel via the gaseous fuel inlet.
  • the apparatus also includes an air inlet for receiving air, wherein ⁇ play, from the vehicle environment.
  • the device comprises an air compressor, which is designed to increase the pressure of the air by, for example, compressing the air, in particular to a constant or variable, predetermined pressure value.
  • the air compressor is arranged downstream of the air inlet and receives the air through the air inlet.
  • the apparatus also comprises a transmission member which is arranged to transmit power inversely to the ⁇ a particular thermal, electrical and / or mechanical power, from the printing engine to the air compressor and / or.
  • the invention is based on the idea that in order to reduce the consumption of the gas fuel, especially the efficiency in the use of energy stored in the gas fuel, namely both the chemical and the thermodynamic energy of the gas under high pressure, should be increased.
  • the efficiency of the gaseous fuel depends primarily on the ratio of the gaseous fuel and the air in the gaseous fuel-air mixture burned in the internal combustion engine.
  • gaseous fuel and the air must be supplied in an optimal ratio in the engine. Focus is on the gas fuel, which will be ⁇ riding provided to the internal combustion engine at a high pressure, which is far higher than the pressure of the air, which is usually at atmospheric pressure. This difference in pressure between the gaseous fuel and the air causes the pressurized gaseous fuel to push away the low pressure air.
  • the device described above was developed in the context of this invention, with which the pressure ⁇ levels are matched by the gaseous fuel and the air, before the gaseous fuel and the air are supplied to the internal combustion engine.
  • the pressure motor to reduce the pressure of the
  • Gaseous fuel and the air compressor to increase the pressure of the air and by the arrangement of both the compression engine and the air compressor upstream of the internal combustion engine or its Ansaug the gas fuel and the air can be supplied to an optimal pressure level equalized pressure levels the intake manifold or the internal combustion engine, in which then the gaseous fuel-air mixture can then be ignited easily.
  • This makes it possible to provide the gaseous fuel and the always in an optimal ratio, which ensures optimum combustion of the gaseous fuel in the internal combustion engine and thus an optimal power balance in the gaseous fuel.
  • the chemical energy efficiency of the gaseous fuel can be increased.
  • the compression engine and the air compressor it is also possible to always control the required amounts of the gas fuel and the air in accordance with the achievable by the internal combustion engine, whereby an additional reduction of the consumption of the gas fuel can be achieved.
  • the power which is released when the pressure of the high-pressure gaseous fuel is reduced is transmitted to the air compressor via the transmission element and consumed by the air compressor for compressing the air.
  • the hydrostatic and / or the hydrodynamic pressure of the gaseous fuel are converted into the power of the compression engine, which is then transferred from the pressure power plant via the transmission member to the air compressor and from the air compressor to compress the air or to increase the pressure of the air is used.
  • thermodynamic energy of the high-pressure gaseous fuel is used effectively and consequently the efficiency of the gaseous fuel is further increased.
  • Pre-mixing of the gas fuel and air guarantees “optimal” mixing of the gas fuel with the air.
  • the power that is needed to compress the air is z. B. provided in a mechanical variant by the pressure reduction of the gas fuel.
  • An otherwise required compression of the gas fuel ⁇ material-air mixture in the combustion chambers of the engine falls away or less.
  • the compression engine and the air compressor are thermally coupled together.
  • the cold created by reducing the pressure of the gaseous fuel is transferred to the compressed air by compensating for the waste heat produced by compressing the air. Consequently, intake air cooling is obtained, which additionally increases the overall efficiency of the gaseous fuel.
  • the compression engine preferably comprises a power take off connection for delivering mechanical power.
  • the air compressor preferably comprises a drive connection for driving the air compressor.
  • the transfer member couples the drive ⁇ connection for transmitting the mechanical power from the output terminal to the drive connection with the
  • the transmission member comprises a shaft which rigidly couples the output terminal to the drive terminal for transmitting the power.
  • the transmission element preferably comprises a gear, a clutch and / or a freewheel, which / decouples the output terminal coupled to the drive terminal.
  • the transmission, the clutch and / or the freewheel are designed to be controllable.
  • the transmission member comprises a generator for converting the power released in reducing the pressure of the gaseous fuel into electrical power and a
  • the transmission member further comprises an electrical line between the generator and the electric motor for transmitting the electrical power from the generator to the electric motor.
  • the transmission element further comprises a steu ⁇ trollable switch in the electrical line to which establishes in a closed state, an electrical connection Zvi ⁇ rule the generator and the electric motor via the electrical line and interrupts the electrical connection in an open state.
  • the transmission member preferably has a current regulator in the electrical line, which is designed in particular controllable. With the current regulator, the current and thus the electrical power from the generator to the electric motor can be controlled.
  • the apparatus further comprises an electrical energy store connected to the electrical line of the transmission member and arranged to temporarily store the electric power converted by the generator and / or to provide electric power to the electric motor for increasing the pressure of the air.
  • the transmission member still decouples the drive connection of the air compressor in addition to the output connection of the compression engine with an output connection of an engine, whereby mechanical power of the engine via the
  • Transmission member is transmitted to the air compressor, which is then used by the air compressor to increase the pressure of the air.
  • the engine is the machine for converting various forms of energy into mechanical power.
  • the engine comprises an exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger, which is driven by the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the engine includes a turbine such as a turbocharger powered by the gaseous fuel.
  • the compression force machine is designed as a compressed air motor.
  • the air compressor is also designed as a compressed air motor, wherein the compressed air motor is executed in the case of the air compressor with reverse function in the mechanical variant.
  • the apparatus preferably comprises a mixing chamber for mixing the gaseous fuel with reduced pressure and the air at elevated pressure.
  • the mixing chamber is arranged downstream of the air compressor and the compression engine and upstream of the intake tract of the internal combustion engine.
  • a drive system for a vehicle having an internal combustion engine with an intake tract for propelling the vehicle, and a previously described apparatus for supplying gaseous fuel and air to the internal combustion engine.
  • the device or the mixing chamber of the device is arranged upstream of the intake tract of the internal combustion engine.
  • a method of equalizing pressure levels of gaseous fuel and air for delivery to an internal combustion engine is provided.
  • the pressure of the gaseous fuel is reduced by converting thermodynamic energy of the pressurized gaseous fuel into power.
  • the thermodynamic energy is released in the gas fuel, which is due to the hydro ⁇ static and / or the hydrodynamic pressure of the standing under the high pressure gas fuel in the gas fuel ge ⁇ stores.
  • This thermodynamic energy is converted (for example by a compression engine) into the power.
  • the pressure of the air is increased with the power that is converted by decreasing the pressure of the gaseous fuel from the thermodynamic energy of the gaseous fuel.
  • ⁇ closing gas fuel are reduced pressure and the Air at elevated pressure is supplied to the combustion engine for combustion.
  • Figure 1 is a schematic representation of a drive system with a device according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a drive system with a according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a schematic flow diagram of a method according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a drive system AS of a vehicle, not shown in the figure.
  • the drive system AS comprises a gas fuel tank TK for storing and providing gaseous fuel, such.
  • gaseous fuel such as natural gas
  • an internal combustion engine VM for driving the vehicle
  • a device V for equalizing pressure levels of gaseous fuel and air for supplying to the engine VM.
  • the device V comprises a gaseous fuel inlet GE, an air inlet LE and a mixture delivery GA as interfaces to the gaseous fuel tank TK, the vehicle environment UM and the internal combustion engine VM. Via the gaseous fuel inlet GE, the device V is fluidically connected to the gaseous fuel tank TK and receives from the gaseous fuel tank TK the gaseous fuel stored in the gaseous fuel tank TK under high pressure in liquid form.
  • the device V receives air from the vehicle surroundings UM for burning the gaseous fuel.
  • the mixture delivery GA is the device V with a
  • the device V further comprises a compression engine DM disposed downstream of the gaseous fuel inlet GE.
  • the pressurized power engine DM is configured to reduce the pressure of the gaseous fuel obtained from the gaseous fuel tank TK via the gaseous fuel inlet GE by, for example, expanding the gaseous fuel to a predetermined pressure value.
  • the compression force machine DM has an output connection BT, via which the compression engine DM outputs mechanical power which, when expanding the gas fuel in the pressure-operated machine DM, is from that in which it is under high pressure
  • the pressurized power engine DM further has a first pressure sensor DS1, which is arranged on or in the pressure motor DM and is adapted to measure the pressure of the gas fuel in the compression engine DM.
  • the device V also includes a first valve VT1 located downstream of the compression engine DM.
  • the first valve VT1 is set up in such a way that it functions like a check valve and thus prevents a backflow of the gaseous fuel back to the compression engine DM.
  • the first valve VT1 is controlled or regulated, so that this can regulate the flow rate of the gas fuel flowing through the valve VT1.
  • the device V further comprises an air compressor LV disposed downstream of the air inlet LE and arranged to increase the pressure of the air sucked in via the air inlet LE by compressing the air to the predetermined pressure value.
  • the air compressor LV is preferably thermally coupled to the compression engine DM, so that the waste heat generated in the air compressor LV when compressing the air is transmitted from the air compressor LV to the compression engine DM and used by the compression engine DM to expand the gas fuel.
  • the air compressor LV has a drive connection NT for driving the air compressor LV, which is connected to the output connection BT of the compression engine DM by means of a transmission member UG, which is designed to transmit the mechanical power from the output connection BT to the drive connection NT.
  • the air compressor LV further includes a second pressure sensor DS2 disposed on or in the air compressor LV and configured to measure the pressure of the air in the air compressor LV.
  • the device V also includes a second valve VT2 located downstream of the air compressor LV.
  • the second valve VT2 is set up analogously to the first valve VT1 such that it functions like a check valve and thus prevents a backflow of the air back to the air compressor LV.
  • the second valve VT2 as the first valve VT1 is made controllable or regulated, so that this regulates the flow rate of the air flowing through the valve VT2 air.
  • the device V further comprises a mixing chamber MK, which is arranged downstream of the first and the second valve VT1, VT2 ⁇ . In the mixing chamber MK of the gas fuel, which was expanded in the compression engine DM to the predetermined pressure value, mixed with the air to a gas ⁇ fuel-air mixture, which was also compressed in the air compressor LV to the predetermined pressure value.
  • the mixing chamber MK has a third pressure sensor DS3, which is arranged on or in the mixing chamber MK and is adapted to measure the pressure of the gas fuel-air mixture in the mixing chamber MK.
  • the device V also includes a third valve VT3, which is connected downstream of the mixing chamber MK and upstream of the Gemi ⁇ schabgabe GA.
  • the third valve VT3 is also arranged to function as a check valve, thus preventing backflow of the gaseous fuel-air mixture into the mixing chamber MK.
  • the third valve VT3 is also designed to be controllable, so that this regulates the flow rate of the gas fuel-air mixture flowing through the third valve VT3.
  • the mixture delivery GA Downstream of the third valve VT3, the mixture delivery GA is connected.
  • the mixture delivery GA has a fourth
  • Pressure sensor DS4 which is arranged on or in the mixture delivery GA and is adapted to measure the pressure of the gas-air mixture in the mixture delivery GA.
  • the apparatus further comprises V aforementioned Kochtra ⁇ supply membered UG, which comprises a shaft and a clutch WLl KP.
  • the wave WLl is between the output terminal BT of the
  • the clutch KP is in turn arranged between the shaft WL1 and the drive connection NT of the air compressor LV and couples the shaft WL1 and thus the output connection BT decoupled with the drive connection NT.
  • the transmission member UG further comprises a further shaft WL2, which is arranged between an exhaust turbine TB of an exhaust gas turbocharger TL of the vehicle and the clutch KP, the clutch KP also decouples this further wave WL2 and thus the exhaust turbine TB decoupled with the drive terminal NT.
  • the clutch KP is designed to be controllable and can assume a first, a second, or a third engaged state and a disengaged state.
  • the clutch KP connects only the shaft WL1 and thus only the output terminal BT of the compression engine DM with the drive terminal NT of the air ⁇ compressor LV mechanically and transmits the torque and thus the mechanical power of the compression engine DM to the drive terminal NT or to the air compressor LV.
  • the clutch KP connects only the shaft WL2 and thus only the exhaust turbine TB of the exhaust gas turbocharger TL with the drive connection NT of the air compressor ⁇ LV mechanically and transmits the torque and thus the mechanical power of the exhaust gas turbocharger TL to the An ⁇ drive connection NT or to the air compressor LV.
  • the clutch KP connects the two shafts WL1, WL2 and thus both the exhaust turbine TB of the exhaust gas turbocharger TL and the output terminal BT of the compression engine DM with the drive terminal NT of the air ⁇ compressor LV mechanically and transmits the torques and thus the mechanical Performances of the compression force machine DM and the exhaust gas turbocharger TL to the drive connection NT and to the air compressor LV.
  • the clutch KP interrupts the mechanical connections from the two shafts WL1, WL2 to the drive connection NT and thus from the compression engine DM or the exhaust gas turbocharger TL to the air compressor LV.
  • the device V further comprises a control / control arrangement RS for controlling the pressurized power engine DM and the air compressor LV and for controlling the clutch KP and the three valves VT1, VT2, VT3.
  • On the input side is the control / control arrangement RS via a first signal connection Sl with the first pressure sensor DS1, via a second signal connection S2 with the second pressure sensor DS2, via a third signal connection S3 with the third pressure sensor DS3 and via a fourth signal connection S4 with the fourth
  • Pressure sensor DS4 electrically connected.
  • the regulating / control arrangement RS receives from the respective pressure sensors DS 1, DS 2, DS 3, DS 4 corresponding pressure values of the gaseous fuel in the pressure generator DM, the air in the air compressor LV and of the air Gas fuel-air mixture in the mixing chamber MK and in the mixture delivery GA.
  • control / control arrangement RS is the input side electrically connected via a fifth signal connection S5 with an external drive control device AV and receives via this signal connection S5 from the drive control device AV, the target values of the pressure in the gas fuel-air mixture and the amount of the gas fuel Air mixture.
  • the control / control arrangement RS is the output side via a sixth signal connection S6 with the compression engine DM, via a seventh signal connection S7 with the air compressor LV, via an eighth signal connection S8 with the first valve VT1, via a ninth signal connection S9 with the second valve VT2, via a tenth signal connection S10 to the third valve VT3 electrically connected. Via these five signal connections S6, S7, S8, S9, S10, the control / control arrangement RS controls or regulates the compression engine DM, the air compressor LV and the three valves VT1, VT2, VT3.
  • the control / control arrangement RS is electrically connected on the output side via an eleventh signal connection Sil to the clutch KP and controls the clutch KP via this signal connection Sil.
  • the internal combustion engine VM includes besides the above
  • Intake tract AT a number of combustion chambers BK, which are arranged downstream of the intake tract AT.
  • the internal combustion engine VM further comprises an exhaust tract AB, which is arranged downstream of the combustion chamber BK.
  • the exhaust tract AB is in turn fluidly connected on the output side with the exhaust line AS of the internal combustion engine VM.
  • Figure 2 shows schematically a further device V for equalizing pressure levels of gaseous fuel and air for delivery to an internal combustion engine VM.
  • the device V in FIG. 2 differs from the device V shown in FIG. 1 in that it comprises a transmission element UG ', which instead of a clutch comprises a generator GN and an electric motor EM.
  • the generator GN is mechanically connected via a shaft WL to the output terminal BT of the compression engine DM.
  • the electric motor EM is mechanically connected via a further shaft WL to the drive connection NT of the air compressor LV.
  • the transmission element UG 'further comprises an electrical line EL which electrically connects the generator GN to the electric motor EM. Furthermore, the transmission element UG 'comprises a controllable switch Sl and a control or controllable current regulator SR, the switch S1 and the current regulator SR being connected in series in the electrical line EL. In a closed switching state, the switch S1 establishes an electrical connection between the generator GN and the electric motor EM via the electrical line EL. In an open switching state, the switch S1 interrupts the aforementioned electrical connection. The current regulator SR regulates the current flowing through the electric wire EL from the generator GN to the electric motor EM.
  • the transmission element UG 'further comprises a further switch S2, which connects in a closed switching state, an electrical energy storage ES of the vehicle to the electric power EL and thus electrically connected to the generator GN and the electric motor EM.
  • the energy store ES can then store superfluous electrical power via a current regulator, not shown in the figure, should the electrical power generated by the generator GN exceed the electrical power demanded by the electric motor EM. If the electrical power generated by the generator GN is insufficient for compressing the air by means of the electric motor EM, then the energy store EM provides additional electric power for the electric motor EM.
  • the device V comprises a control / control arrangement RS 'of the embodiment shown in Figure 1 regulating / control means RS is distinguished in that such an eleventh Signalver ⁇ bond Sil' to the switch Sl via a twelfth signal ⁇ compound S12 is electrically connected to the power converter SR and via a thirteenth signal connection S13 with the further switch S2 and controls the two switches Sl, S2 and the power converter SR via these signal connections Sil ', S12 and S13.
  • the operation of the above-described devices V, V and a method for equalizing pressure levels of gaseous fuel and air for feeding to the internal combustion engine VM will be explained in more detail with reference to FIG.
  • the engine VM To provide the drive power required by the engine VM, the engine VM must be supplied with a gaseous fuel-air mixture in an amount and a mixing ratio necessary to enable, on the one hand, complete combustion of the gaseous fuel and, on the other hand, the requested one Drive power to produce the engine VM.
  • the drive control device AV determines, based on the requested drive power, the required amount of the gaseous fuel-air mixture for each individual combustion process in the internal combustion engine VM and the corresponding mixing ratio between the gaseous fuel and the air in the mixture.
  • the determined values of the amount and the mixing ratio are transmitted via the signal connection S5 to the control / control arrangement RS.
  • control / control arrangement RS determines a target pressure value to which the pressure of the high-pressure gas fuel provided by the gas-fuel tank TK decreases and the pressure of the fuel sucked from the vehicle surroundings falls below an atmospheric pressure Compressed air must be increased to produce a gas fuel-air mixture in the required amount and the required mixing ratio.
  • control / control arrangement controls RS according to a step S100 via the sixth signal connection S6, the print engine DM, so that this expands the in the pressure ⁇ combustion engine DM supplied gas fuel and wrestlers thus comparable to the pressure of the gaseous fuel to the target pressure value , Further, the control / control arrangement controls RS according to a further process step S200 via the seventh Sig ⁇ nalimpl S7 the air compressor LV, so that it is compressed to the power supplied in the air compressor LV air to the desired pressure value.
  • the control / control arrangement RS receives the first signal connection S1 from the first pressure sensor DS1
  • Pressure sensor DS2 the actual pressure value of the air in the air compressor LV and controls or controls the air compressor LV based on this actual pressure value.
  • Compressor DM is released expansion energy, which is converted from the output terminal BT of the compression force DM into mechanical power.
  • energy is consumed with which the air is compressed.
  • the expansion energy released by the gaseous fuel is used to compress the air.
  • the control / control arrangement RS controls the clutch KP via the eleventh signal connection Sil and brings the clutch KP into the first engaged state. Then, the coupling KP mechanically connects the shaft WL1 and thus the output terminal BT of the pressure force ⁇ machine DM with the drive connection NT of the air compressor LV. Thereby, the mechanical power and thus the expansion energy of the gaseous fuel from the output terminal BT via the shaft WL1 and the coupling KP is transmitted to the drive terminal NT.
  • the NT drive connection uses this mechanical power to operate the air compressor LV so that it compresses the air sucked into the air compressor LV to the desired pressure value.
  • the clutch is KP gel from the Re- / control assembly controlled RS placed in the third gear-engaged state.
  • the clutch in addition to the shaft WL1 still connects the other wave WL2 and thus the exhaust turbine TB of the exhaust gas turbocharger TL with the on ⁇ operating terminal NT, so that the air is additionally compressed with the mechanical performance of the exhaust turbine TB.
  • the control / control arrangement RS closes the switch S1 via the eleventh signal connection Sil and thus establishes a conductive electrical connection from the generator GN to the electric motor EM via the electrical line EL.
  • the electric power generated by the generator GN driven by the output terminal BT is transmitted to the electric motor EM.
  • Operated by electric power of the electric motor EM via the drive connection NT drives the air compressor LV, which then compresses the air sucked into the air compressor LV air on the pre ⁇ given target pressure value.
  • the control / control arrangement RS controls the current regulator SR via the twelfth signal connection S12 so that it supplies the current through the electric line EL and thus controls the electric power from the generator GN to the electric motor EM, so that only a part of the electric power generated by the generator GN is transmitted to the electric motor EM.
  • the excess part of the electrical power is then forwarded to the electrical energy store ES and stored there for later consumption. By temporarily storing the excess electrical power, the total power balance is increased again.
  • control / control arrangement RS controls the power converter SR such that it decreases further electrical power from the energy store ES and the electric motor EM feeds.
  • Compressor DM and the air compressor LV so that the gas fuel with the pressure reduced to the target pressure value and the air with the pressure increased to the target pressure value of the mixing chamber MK are supplied.
  • the gaseous fuel and the air are mixed to a gas fuel-air mixture.
  • the third pressure sensor DS3 measures the pressure of the gas fuel-air mixture in the mixing chamber MK and outputs the measured pressure value via the third signal connection S3 to the control / control arrangement RS, which then based on this measured pressure value, the first and the second valve VT1, VT2 controls so that they regulate the flow rates of the gas fuel and the air and thus the amounts of the gas fuel and the air.
  • the gaseous fuel-air mixture is then delivered to the intake tract AT according to a further method step S300 via the third valve VT3 and the mixture delivery GA.
  • the fourth pressure sensor DS4 measures the pressure of the gaseous fuel-air mixture flowing through the mixture output GA and outputs the measured pressure value via the fourth signal connection S4 to the control / control arrangement RS, which then controls the third valve VT3 based on this measured pressure value. so that this regulates the flow rate of the gas fuel-air mixture and thus the amount of the gas fuel-air mixture.

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Abstract

Offenbart wird eine Vorrichtung (V) zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor (VM), umfassend: - einen Gaskraftstoffeinlass (GE); - eine Druckkraftmaschine (DM) zur Verringerung des Drucks des Gaskraftstoffs, die stromabwärts des Gaskraftstoffeinlasses (GE) angeordnet ist; - einen Lufteinlass (LE); - einen Luftverdichter (LV) zur Erhöhung des Drucks der Luft, der stromabwärts des Lufteinlasses (LE) angeordnet ist; - ein Übertragungsglied (UG) zur Übertragung einer Leistung von der Druckkraftmaschine (DM) zu dem Luftverdichter (LV) und/oder umgekehrt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor
Die folgende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer zuvor genannten Vorrichtung.
Es gibt Fahrzeuge, die mit einem Gaskraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas oder Wasserstoff, betrieben werden. Dabei wird der Gaskraftstoff in einem Gaskraftstofftank gespeichert. Beim Betrieb des Fahrzeugs wird der Gaskraftstoff zu einem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs zugeführt und dort mit aus der Fahrzeugumgebung angesaugter Luft zu einem Gaskraftstoff-Luft-Gemisch gemischt. Das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch wird dann in Brennkammer des Verbrennungsmotors eingesaugt und dort verbrannt, wobei die in dem Gaskraftstoff gespeicherte chemische Energie in die mechanische Leistung des Verbren¬ nungsmotors umgewandelt wird.
Wie allgemein üblich, besteht bei Fahrzeugen mit einem derartigen Gaskraftstoff als Energiequelle der Bedarf, den Verbrauch vom Gaskraftstoff zu reduzieren.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, den Verbrauch von der Energie allgemein, insbesondre den Verbrauch vom dem Gaskraftstoff, zu reduzieren .
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un- teransprüche .
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Gaskraftstoffeinlass zur Aufnahme des Gaskraftstoffs, der beispielsweise in einem Gaskraftstofftakt des Fahrzeugs unter einem hohen Druck zwischengespeichert ist. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Druckkraftmaschine, die eingerichtet ist, den Druck des Gaskraftstoffs durch bei¬ spielsweise Expandieren des Gaskraftstoffs zu verringern, insbesondere bis auf einen konstanten oder veränderlichen, vorgegebenen Druckwert. Dabei ist die Druckkraftmaschine stromabwärts des Gaskraftstoffeinlasses angeordnet und erhält den Gaskraftstoff über den Gaskraftstoffeinlass . Die Vorrichtung umfasst zudem einen Lufteinlass zur Aufnahme von Luft, bei¬ spielsweise von der Fahrzeugumgebung. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Luftverdichter, die eingerichtet ist, den Druck der Luft durch beispielsweise Komprimieren der Luft zu erhöhen, insbesondere bis auf einen konstanten oder veränderlichen, vorgegebenen Druckwert. Dabei ist der Luftverdichter stromabwärts des Lufteinlasses angeordnet und erhält die Luft über den Lufteinlass. Die Vorrichtung umfasst außerdem ein Übertragungsglied, das eingerichtet ist, eine Leistung, ins¬ besondere eine thermische, elektrische und/oder mechanische Leistung, von der Druckkraftmaschine zu dem Luftverdichter und/oder umgekehrt zu übertragen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass zur Reduzierung des Verbrauchs des Gaskraftstoffs vor allem der Wirkungsgrad bei der Nutzung der in dem Gaskraftstoff gespeicherten Energie, nämlich sowohl der chemischen als auch der thermodynamischen Energie des unter dem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs, erhöht werden soll.
Dabei hängt der Wirkungsgrad des Gaskraftstoffs in erster Linie von dem Mengenverhältnis des Gaskraftstoffs und der Luft in dem Gaskraftstoff-Luft-Gemisches ab, das in dem Verbrennungsmotor verbrannt wird. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gas¬ kraftstoffs müssen der Gaskraftstoff und die Luft in einem optimalen Mengenverhältnis in den Verbrennungsmotor zugeführt werden . Dabei steht der Gaskraftstoff, der dem Verbrennungsmotor be¬ reitgestellt wird, unter einem hohen Druck, der weit höher liegt als der Druck der Luft, der in der Regel bei dem atmosphärischen Druck liegt. Dieser Druckunterschied zwischen dem Gaskraftstoff und der Luft führt dazu, dass der unter dem hohen Druck stehende Gaskraftstoff die unter dem niedrigen Druck stehende Luft wegdrängt .
Um dies entgegenzuwirken, wurde im Rahmen dieser Erfindung die oben beschriebene Vorrichtung entwickelt, mit der die Druck¬ niveaus von dem Gaskraftstoff und der Luft angeglichen werden, bevor der Gaskraftstoff und die Luft dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Mit der Druckkraftmaschine zur Verringerung des Drucks des
Gaskraftstoffs und dem Luftverdichter zur Erhöhung des Drucks der Luft sowie durch die Anordnung sowohl der Druckkraftmaschine als auch des Luftverdichters stromaufwärts des Verbrennungsmotors bzw. dessen Ansaugtrakts können der Gaskraftstoff und die Luft auf einen optimalen Druckwert angeglichenen Druckniveaus dem Ansaugtrakt bzw. dem Verbrennungsmotor zugeführt werden können, in dem das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch dann anschließend ohne weiteres angezündet werden kann. Dadurch wird es möglich, den Gaskraftstoff und die stets in einem optimalen Mengenverhältnis bereitzustellen, das eine optimale Verbrennung des Gaskraftstoffs in dem Verbrennungsmotor und somit eine optimale Leistungsbilanz bei dem Gaskraftstoff sicherstellt. Folglich kann der Wirkungsgrad der chemischen Energie des Gaskraftstoffs erhöht werden.
Mit der Druckkraftmaschine und dem Luftverdichter ist es zudem möglich, die erforderlichen Mengen an dem Gaskraftstoff und der Luft stets entsprechend den von dem Verbrennungsmotor be- reitzustellenden Leistungen zu regeln, wodurch eine zusätzliche Reduzierung des Verbrauchs des Gaskraftstoffs erzielt werden kann . Über das Übertragungsglied wird zudem die Leistung, die bei der Verringerung des Drucks des unter einem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs freigesetzt wird, an den Luftverdichter über¬ tragen und von dem Luftverdichter zum Verdichten der Luft verbraucht.
Dabei werden insbesondere der hydrostatische und/oder der hydrodynamische Druck des Gaskraftstoffs in die Leistung der Druckkraftmaschine umgewandelt, die dann von der Druckkraft- maschine über das Übertragungsglied auf den Luftverdichter übertragen und von dem Luftverdichter zum Verdichten der Luft bzw. zur Erhöhung des Drucks der Luft verwendet wird.
Damit wird auch die thermodynamische Energie des unter dem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs effektive benutzt und folglich wird der Wirkungsgrad des Gaskraftstoffs nochmals erhöht.
Da die Luft mit der thermodynamischen Energie von dem Gaskraftstoff verdichtet wird, bedarf es keine bzw. vergleichsweise geringe zusätzliche Leistung zum Verdichten der Luft.
Durch die oben beschriebene Vorrichtung ist somit eine Mög¬ lichkeit bereitgestellt, den Verbrauch von der Energie all¬ gemein, insbesondre den Verbrauch vom dem Gaskraftstoff, zu reduzieren.
Durch die vorherige Mischung des Gaskraftstoffs und der Luft wird eine „optimale" Durchmengung des Gaskraftstoffs mit der Luft garantiert .
Die Leistung, die zur Kompression der Luft benötigt wird, wird z. B. bei einer mechanischen Variante durch die Druckreduktion des Gaskraftstoffs bereitgestellt. Eine sonst erforderliche Kompression des Gaskraft¬ stoff-Luft-Gemisches in den Brennkammern des Verbrennungsmotors fällt weg bzw. geringer aus. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Gaskraftstoffes zusätzlich. Vorzugsweise sind die Druckkraftmaschine und der Luftverdichter miteinander thermisch gekoppelt . Dadurch wird die Kälte, die beim Verringern des Drucks des Gaskraftstoffs entsteht, auf die komprimierte Luft übertragen, indem diese Kälte die Abwärme kompensiert, die beim Komprimieren der Luft entsteht. Folglich erhält man eine Ansaugluftkühlung, die zusätzlich die Gesamteffizienz des Gaskraftstoffs erhöht.
Die Druckkraftmaschine umfasst vorzugsweise einen Abtrieb- sanschluss zur Abgabe mechanischer Leistung. Der Luftverdichter umfasst vorzugsweise einen Antriebsanschluss zum Antrieb des Luftverdichters. Das Übertragungsglied koppelt den Antriebs¬ anschluss zur Übertragung der mechanischen Leistung von dem Abtriebsanschluss zu dem Antriebsanschluss mit dem
Abtriebsanschluss.
Vorzugsweise umfasst das Übertragungsglied eine Welle, die den Abtriebsanschluss mit dem Antriebsanschluss zur Übertragung der Leistung starr koppelt.
Alternativ oder zusätzlich zu der Welle umfasst das Übertragungsglied vorzugsweise ein Getriebe, eine Kupplung und/oder einen Freilauf, das/die/der den Abtriebsanschluss mit dem Antriebsanschluss entkoppelbar koppelt. Vorzugsweise sind das Getriebe, die Kupplung und/oder der Freilauf steuerbar ausgeführt .
Vorzugsweise umfasst das Übertragungsglied einen Generator zur Umwandlung der bei der Verringerung des Drucks des Gaskraftstoffs freigesetzten Leistung in elektrische Leistung und einen
Elektromotor zur Umwandlung der elektrischen Leistung in mechanische Leistung, mit der der Antriebsanschluss den Luft¬ verdichter antreibt. Das Übertragungsglied umfasst ferner eine elektrische Leitung zwischen dem Generator und dem Elektromotor zur Übertragung der elektrischen Leistung von dem Generator zu dem Elektromotor. Vorzugsweise weist das Übertragungsglied ferner einen steu¬ erbaren Schalter in der elektrischen Leitung auf, der in einem geschlossenen Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwi¬ schen dem Generator und dem Elektromotor über die elektrische Leitung herstellt und in einem offenen Schaltzustand die elektrische Verbindung unterbricht.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Schalter weist das Übertragungsglied vorzugsweise einen Stromregler in der elektrischen Leitung auf, der insbesondere steuerbar ausgeführt ist. Mit dem Stromregler kann der Strom und somit die elektrische Leistung von dem Generator zu dem Elektromotor geregelt werden.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner einen elektrischen Energiespeicher, der an der elektrischen Leitung des Übertragungsgliedes angeschlossen ist und eingerichtet ist, die von dem Generator umgewandelte elektrische Leistung zwischenzu- speichern und/oder dem Elektromotor elektrische Leistung zur Erhöhung des Drucks der Luft bereitzustellen.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung koppelt das Übertragungsglied den Antriebsanschluss des Luftverdichters zusätzlich zu dem Abtriebsanschluss der Druckkraftmaschine noch entkoppelbar mit einem Abtriebsanschluss einer Kraftmaschine, wodurch mechanische Leistung der Kraftmaschine über das
Übertragungsglied zu dem Luftverdichter übertragen wird, welche dann von dem Luftverdichter zur Erhöhung des Drucks der Luft verwendet wird. Im Allgemeinen ist die Kraftmaschine jene Maschine zur Umwandlung verschiedener Energieformen in me- chanische Leistung.
Vorzugsweise umfasst die Kraftmaschine eine Abgasturbine eines Abgasturboladers, der von dem Abgas des Verbrennungsmotors angetrieben wird.
Alternativ umfasst die Kraftmaschine eine Turbine wie aus einem Turbolader, welche von dem Gaskraftstoff angetrieben wird. Vorzugsweise ist die Druckkraftmaschine als ein Druckluftmotor ausgebildet. Vorzugsweise ist der Luftverdichter ebenfalls als ein Druckluftmotor ausgebildet, wobei der Druckluftmotor im Falle des Luftverdichters mit umgekehrter Funktion in der mechanischen Variante ausgeführt ist.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Mischkammer zum Mischen des Gaskraftstoffs mit verringertem Druck und die Luft mit erhöhtem Druck. Dabei ist die Mischkammer stromabwärts des Luftverdichters und der Druckkraftmaschine und stromaufwärts des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebssystem für ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugtrakt zum Antrieb des Fahrzeugs sowie eine zuvor beschriebene Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff und Luft zu dem Verbrennungsmotor aufweist. Dabei ist die Vorrichtung bzw. die Mischkammer der Vorrichtung stromaufwärts des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors angeordnet.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor bereitgestellt.
Gemäß dem Verfahren wird der Druck des Gaskraftstoffs verringert, indem thermodynamische Energie des unter dem Druck stehenden Gaskraftstoffs in Leistung umgewandelt wird. Bei der Verrin¬ gerung des Drucks bei dem Gaskraftstoff wird die thermodynamische Energie im Gaskraftstoff freigesetzt, die infolge des hydro¬ statischen und/oder des hydrodynamischen Drucks des unter dem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs im Gaskraftstoff ge¬ speichert ist. Diese thermodynamische Energie wird (bspw. von einer Druckkraftmaschine) in die Leistung umgewandelt. Ferner wird der Druck der Luft mit der Leistung erhöht, die bei dem Verringern des Drucks des Gaskraftstoffs von der thermodyna- mischen Energie des Gaskraftstoffs umgewandelt wird. An¬ schließend werden Gaskraftstoff mit verringertem Druck und die Luft mit erhöhtem Druck dem Verbrennungsmotor zur Verbrennung zugeführt .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Vorrichtung sind, soweit im Übrigen auf das oben genannte Antriebssystem oder das oben genannte Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Antriebssystems bzw. des Verfahrens an¬ zusehen .
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 in einem schematischen Darstellung ein Antriebssystem mit einer gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 in einem schematischen Ablaufdiagramm ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem AS eines in der Figur nicht dargestellten Fahrzeugs.
Das Antriebssystem AS umfasst einen Gaskraftstofftank TK zum Speichern und Bereitstellen von Gaskraftstoff, wie z. B. Erdgas, einen Verbrennungsmotor VM zum Antrieb des Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung V zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu dem Verbrennungsmotor VM.
Die Vorrichtung V umfasst einen Gaskraftstoffeinlass GE, einen Lufteinlass LE und eine Gemischabgabe GA als Schnittstellen zu dem Gaskraftstofftank TK, der Fahrzeugumgebung UM sowie dem Verbrennungsmotor VM. Über den Gaskraftstoffeinlass GE ist die Vorrichtung V mit dem Gaskraftstofftank TK strömungstechnisch verbunden und erhält von dem Gaskraftstofftank TK den Gaskraftstoff, der in dem Gaskraftstofftank TK unter hohem Druck in flüssiger Form gespeichert ist .
Über den Lufteinlass LE erhält die Vorrichtung V von der Fahrzeugumgebung UM Luft zum Verbrennen des Gaskraftstoffs. Über die Gemischabgabe GA ist die Vorrichtung V mit einem
Ansaugtrakt AT des Verbrennungsmotors VM strömungstechnisch verbunden und gibt ein zündfähiges Gaskraftstoff-Luft-Gemisch an den Verbrennungsmotor VM ab. Die Vorrichtung V umfasst ferner eine Druckkraftmaschine DM, die stromabwärts des Gaskraftstoffeinlasses GE angeordnet ist. Die Druckkraftmaschine DM ist eingerichtet, den Druck des von dem Gaskraftstofftank TK über den Gaskraftstoffeinlass GE erhaltenen Gaskraftstoffs durch beispielsweise Expandieren des Gas- kraftstoffs auf einen vorgegebenen Druckwert zu verringern.
Die Druckkraftmaschine DM weist einen Abtriebsanschluss BT auf, über den die Druckkraftmaschine DM mechanische Leistung abgibt, die beim Expandieren des Gaskraftstoffs in der Druckkraftma- schine DM von der in dem unter dem hohen Druck stehenden
Gaskraftstoff gespeicherten thermodynamischen Energie umgewandelt wird.
Die Druckkraftmaschine DM weist ferner einen ersten Drucksensor DSl auf, der an oder in der Druckkraftmaschine DM angeordnet und eingerichtet ist, den Druck des in der Druckkraftmaschine DM befindlichen Gaskraftstoffs zu messen.
Die Vorrichtung V umfasst außerdem ein erstes Ventil VT1, das stromabwärts der Druckkraftmaschine DM angeordnet ist. Dabei ist das erste Ventil VT1 derart eingerichtet, dass dies wie ein Rückschlagventil funktioniert und somit einen Rückfluss des Gaskraftstoffs zurück zur Druckkraftmaschine DM verhindert. Zudem ist das erste Ventil VT1 Steuer- oder regelbar ausgeführt, so dass dies die Strömungsstärke des durch das Ventil VT1 fließenden Gaskraftstoffs regeln kann. Die Vorrichtung V umfasst ferner einen Luftverdichter LV, der stromabwärts des Lufteinlasses LE angeordnet und eingerichtet ist, den Druck der über den Lufteinlass LE angesaugten Luft durch Verdichten der Luft auf den vorgegebenen Druckwert zu erhöhen. Dabei ist der Luftverdichter LV vorzugsweise mit der Druckkraftmaschine DM thermisch gekoppelt, so dass die Abwärme, die in dem Luftverdichter LV beim Verdichten der Luft entsteht, von dem Luftverdichter LV zu der Druckkraftmaschine DM übertragen und von der Druckkraftmaschine DM zum Expandieren des Gaskraftstoffs verwendet wird.
Der Luftverdichter LV weist einen Antriebsanschluss NT zum Antrieb des Luftverdichters LV auf, der mit dem Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mittels eines Übertragungsglieds UG verbunden ist, das zur Übertragung der mechanischen Leistung von dem Abtriebsanschluss BT zu dem Antriebsanschluss NT ausgeführt ist .
Der Luftverdichter LV weist ferner einen zweiten Drucksensor DS2 auf, der an oder in dem Luftverdichter LV angeordnet und eingerichtet ist, den Druck der in dem Luftverdichter LV befindlichen Luft zu messen.
Die Vorrichtung V umfasst außerdem ein zweites Ventil VT2, das stromabwärts des Luftverdichters LV angeordnet ist. Dabei ist das zweite Ventil VT2 analog zu dem ersten Ventil VT1 derart eingerichtet, dass dies wie ein Rückschlagventil funktioniert und somit einen Rückfluss der Luft zurück zu dem Luftverdichter LV verhindert. Zudem ist das zweite Ventil VT2 wie das erste Ventil VT1 Steuer- oder regelbar ausgeführt, so dass dies die Strömungsstärke der durch das Ventil VT2 fließenden Luft regelt. Die Vorrichtung V umfasst ferner eine Mischkammer MK, die stromabwärts des ersten und des zweiten Ventils VT1, VT2 an¬ geordnet ist. In der Mischkammer MK wird der Gaskraftstoff, der in der Druckkraftmaschine DM auf den vorgegebenen Druckwert expandiert wurde, mit der Luft zu einem Gaskraft¬ stoff-Luft-Gemisch gemischt, die in dem Luftverdichter LV ebenfalls auf den vorgegebenen Druckwert verdichtet wurde.
Die Mischkammer MK weist einen dritten Drucksensor DS3 auf, der an oder in der Mischkammer MK angeordnet und eingerichtet ist, den Druck des in der Mischkammer MK befindlichen Gaskraftstoff-Luft-Gemisches zu messen.
Die Vorrichtung V umfasst zudem ein drittes Ventil VT3, das stromabwärts der Mischkammer MK und stromaufwärts der Gemi¬ schabgabe GA angeschlossen ist. Wie die beiden zuvor genannten Ventile VT1, VT2 ist das dritte Ventil VT3 ebenfalls derart eingerichtet, dass dies wie ein Rückschlagventil funktioniert und somit einen Rückfluss des Gaskraftstoff-Luft-Gemisches in die Mischkammer MK verhindert. Zudem ist das dritte Ventil VT3 ebenfalls Steuer- bzw. regelbar ausgeführt, so dass dies die Strömungsstärke des durch das dritte Ventil VT3 fließenden Gaskraftstoff-Luft-Gemisches regelt . Stromabwärts des dritten Ventils VT3 ist die Gemischabgabe GA angeschlossen. Die Gemischabgabe GA weist einen vierten
Drucksensor DS4 auf, der an oder in der Gemischabgabe GA angeordnet und eingerichtet ist, den Druck des in der Gemischabgabe GA befindlichen Gaskraftstoff-Luft-Gemisches zu messen.
Die Vorrichtung V umfasst ferner das zuvor genannte Übertra¬ gungsglied UG, das eine Welle WLl und eine Kupplung KP umfasst. Die Welle WLl ist zwischen dem Abtriebsanschluss BT der
Druckkraftmaschine DM und der Kupplung KP angeordnet. Die Kupplung KP ist wiederum zwischen der Welle WLl und dem An- triebsanschluss NT des Luftverdichters LV angeordnet und koppelt die Welle WLl und somit den Abtriebsanschluss BT entkoppelbar mit dem Antriebsanschluss NT. Das Übertragungsglied UG umfasst ferner eine weitere Welle WL2, die zwischen einer Abgasturbine TB eines Abgasturboladers TL des Fahrzeugs und der Kupplung KP angeordnet ist, wobei die Kupplung KP auch diese weitere Welle WL2 und somit die Abgasturbine TB mit dem Antriebsanschluss NT entkoppelbar koppelt.
Die Kupplung KP ist steuerbar ausgeführt und kann einen ersten, einen zweiten, oder einen dritten eingekuppelten Zustand sowie einen ausgekuppelten Zustand einnehmen.
In dem ersten eingekuppelten Zustand verbindet die Kupplung KP nur die Welle WL1 und somit nur den Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mit dem Antriebsanschluss NT des Luft¬ verdichters LV mechanisch und überträgt das Drehmoment und somit die mechanische Leistung der Druckkraftmaschine DM zu dem Antriebsanschluss NT bzw. zu dem Luftverdichter LV.
In dem zweiten eingekuppelten Zustand verbindet die Kupplung KP nur die Welle WL2 und somit nur die Abgasturbine TB des Ab- gasturboladers TL mit dem Antriebsanschluss NT des Luftver¬ dichters LV mechanisch und überträgt das Drehmoment und somit die mechanische Leistung des Abgasturboladers TL zu dem An¬ triebsanschluss NT bzw. zu dem Luftverdichter LV. In dem dritten eingekuppelten Zustand verbindet die Kupplung KP die beiden Wellen WL1, WL2 und somit sowohl die Abgasturbine TB des Abgasturboladers TL als auch den Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mit dem Antriebsanschluss NT des Luft¬ verdichters LV mechanisch und überträgt die Drehmomente und somit die mechanischen Leistungen der Druckkraftmaschine DM und des Abgasturboladers TL zu dem Antriebsanschluss NT bzw. zu dem Luftverdichter LV.
In dem ausgekuppelten Zustand unterbricht die Kupplung KP die mechanischen Verbindungen von den beiden Wellen WL1, WL2 zu dem Antriebsanschluss NT und somit von der Druckkraftmaschine DM bzw. dem Abgasturbolader TL zu dem Luftverdichter LV. Die Vorrichtung V umfasst ferner eine Regel-/Steueranordnung RS zum Regeln bzw. zum Steuern der Druckkraftmaschine DM und des Luftverdichters LV sowie zum Steuern der Kupplung KP und der drei Ventile VT1, VT2, VT3.
Eingangsseitig ist die Regel-/Steueranordnung RS über eine erste Signalverbindung Sl mit dem ersten Drucksensor DS1, über eine zweite Signalverbindung S2 mit dem zweiten Drucksensor DS2, über eine dritte Signalverbindung S3 mit dem dritten Drucksensor DS3 und über eine vierte Signalverbindung S4 mit dem vierten
Drucksensor DS4 elektrisch verbunden. Über diese vier Signalverbindungen Sl, S2, S3 und S4 erhält die Regel-/Steuer- anordnung RS von den jeweiligen Drucksensoren DS1, DS2, DS3, DS4 entsprechende Druckwerte des Gaskraftstoffs in der Druck- kraftmaschine DM, der Luft in dem Luftverdichter LV sowie des Gaskraftstoff-Luft-Gemisches in der Mischkammer MK und in der Gemischabgabe GA.
Zudem ist die Regel-/Steueranordnung RS eingangsseitig über eine fünfte Signalverbindung S5 mit einer externen Antriebssteuervorrichtung AV elektrisch verbunden und erhält über diese Signalverbindung S5 von der Antriebssteuervorrichtung AV die Soll-Werte des Drucks im Gaskraftstoff-Luft-Gemisch und der Menge an das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch .
Die Regel-/Steueranordnung RS ist ausgangsseitig über eine sechste Signalverbindung S6 mit der Druckkraftmaschine DM, über eine siebte Signalverbindung S7 mit dem Luftverdichter LV, über eine achte Signalverbindung S8 mit dem ersten Ventil VT1, über eine neunte Signalverbindung S9 mit dem zweiten Ventil VT2, über eine zehnte Signalverbindung S10 mit dem dritten Ventil VT3 elektrisch verbunden. Über diese fünf Signalverbindungen S6, S7, S8, S9, S10 steuert bzw. regelt die Regel-/Steueranordnung RS die Druckkraftmaschine DM, den Luftverdichter LV und die drei Ventile VT1, VT2, VT3. Die Regel-/Steueranordnung RS ist ausgangsseitig über eine elfte Signalverbindung Sil mit der Kupplung KP elektrisch verbunden und steuert über diese Signalverbindung Sil die Kupplung KP. Der Verbrennungsmotor VM umfasst neben dem oben genannten
Ansaugtrakt AT eine Anzahl von Brennkammern BK, die stromabwärts des Ansaugtrakts AT angeordnet sind. Der Verbrennungsmotor VM umfasst ferner einen Abgastrakt AB, der stromabwärts der Brennkammer BK angeordnet ist. Der Abgastrakt AB ist wiederum ausgangsseitig mit dem Abgasstrang AS des Verbrennungsmotors VM strömungstechnisch verbunden.
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere Vorrichtung V zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor VM.
Die Vorrichtung V in Figur 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung V dadurch, dass diese ein Übertragungsglied UG' umfasst, das anstelle einer Kupplung einen Generator GN und einen Elektromotor EM umfasst. Dabei ist der Generator GN über eine Welle WL mit dem Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mechanisch verbunden. Analog ist der Elektromotor EM über eine weitere Welle WL mit dem Antriebs- anschluss NT des Luftverdichters LV mechanisch verbunden.
Das Übertragungsglied UG' umfasst ferner eine elektrische Leitung EL, die den Generator GN mit dem Elektromotor EM elektrisch verbindet. Ferner umfasst das Übertragungsglied UG ' einen steuerbaren Schalter Sl und einen Steuer- oder regelbaren Stromregler SR, wobei der Schalter Sl und der Stromregler SR in der elektrischen Leitung EL in Serie angeschlossen sind. In einem geschlossenen Schaltzustand stellt der Schalter Sl eine elektrische Verbindung zwischen dem Generator GN und dem Elektromotor EM über die elektrische Leitung EL her. In einem geöffneten Schaltzustand unterbricht der Schalter Sl die zuvor genannte elektrische Verbindung. Der Stromregler SR regelt den Strom, der durch die elektrische Leitung EL von dem Generator GN zu dem Elektromotor EM fließt. Das Übertragungsglied UG' umfasst ferner einen weiteren Schalter S2, der in einem geschlossenen Schaltzustand einen elektrischen Energiespeicher ES des Fahrzeugs an der elektrischen Leistung EL anschließt und somit mit dem Generator GN und dem Elektromotor EM elektrisch verbindet. Über einen in der Figur nicht dargestellten Stromregler kann der Energiespeicher ES dann überflüssige elektrische Leistung Zwischenspeichern, sollte die von dem Generator GN erzeugte elektrische Leistung die von dem Elektromotor EM angeforderte elektrische Leistung über- schreitet. Reicht die von dem Generator GN erzeugte elektrische Leistung zum Verdichten der Luft mittels des Elektromotors EM nicht aus, so stellt der Energiespeicher EM zusätzliche elektrische Leistung für den Elektromotor EM bereit. Die Vorrichtung V umfasst eine Regel-/Steueranordnung RS', die sich von der in Figur 1 dargestellten Regel-/Steueranordnung RS dadurch unterscheidet, dass diese über eine elfte Signalver¬ bindung Sil' mit dem Schalter Sl, über eine zwölfte Signal¬ verbindung S12 mit dem Stromrichter SR sowie über eine dreizehnte Signalverbindung S13 mit dem weiteren Schalter S2 elektrisch verbunden ist und über diese Signalverbindungen Sil ' , S12 und S13 die beiden Schalter Sl, S2 und den Stromrichter SR steuert bzw. regelt . Nachfolgend wird die Funktionsweise der zuvor beschriebenen Vorrichtungen V, V bzw. ein Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu dem Verbrennungsmotor VM anhand Figur 3 näher erläutert. Zur Bereitstellung der Antriebsleistung, die von dem Verbrennungsmotor VM angefordert wird, muss dem Verbrennungsmotor VM ein Gaskraftstoff-Luft-Gemisch in einer Menge und einem Mischverhältnis zugeführt werden, die/das erforderlich ist, einerseits eine vollständige Verbrennung des Gaskraftstoffs zu ermöglichen und andererseits die angeforderte Antriebsleistung bei dem Verbrennungsmotor VM zu erzeugen. Die Antriebssteuervorrichtung AV ermittelt anhand der angeforderten Antriebsleistung die erforderliche Menge an dem Gaskraftstoff-Luft-Gemisch für jeden einzelnen Brennvorgang in dem Verbrennungsmotor VM und das entsprechende Mischverhältnis zwischen dem Gaskraftstoff und der Luft in dem Gemisch.
Die ermittelten Werte der Menge und des Mischverhältnisses werden über die Signalverbindung S5 an die Regel-/Steueranordnung RS übermittelt .
Basierend auf diese Werte ermittelt die Regel-/Steueranordnung RS einen Soll-Druckwert, auf den der Druck des von dem Gas- krafttank TK bereitgestellten, unter einem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs verringert und der Druck der von der Fahr- zeugumgebung angesaugten, unter einem atmosphärischen Druck stehenden Luft erhöht werden müssen, um ein Gaskraftstoff-Luft-Gemisch in der erforderlichen Menge und dem erforderlichen Mischverhältnis zu erzeugen. Anschließend steuert die Regel-/Steueranordnung RS gemäß einem Verfahrensschritt S100 über die sechste Signalverbindung S6 die Druckkraftmaschine DM, so dass diese den in die die Druck¬ kraftmaschine DM zugeführten Gaskraftstoff expandiert und somit den Druck des Gaskraftstoffs auf den Soll-Druckwert zu ver- ringern. Ferner steuert die Regel-/Steueranordnung RS gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S200 über die siebte Sig¬ nalverbindung S7 den Luftverdichter LV, so dass dieser die in den Luftverdichter LV zugeführte Luft auf den Soll-Druckwert zu verdichtet .
Dabei erhält die Regel-/Steueranordnung RS über die erste Signalverbindung Sl von dem ersten Drucksensor DS1 den
Ist-Druckwert des Gaskraftstoffs in der Druckkraftmaschine DM und regelt oder steuert die Druckkraftmaschine DM basierend auf diesen Ist-Druckwert. Analog erhält die Regel-/Steueranordnung RS über die zweite Signalverbindung S2 von dem zweiten
Drucksensor DS2 den Ist-Druckwert der Luft in dem Luftverdichter LV und regelt oder steuert den Luftverdichter LV basierend auf diesen Ist-Druckwert.
Beim Verringern des Drucks bei dem Gaskraftstoff in der
Druckkraftmaschine DM wird Expansionsenergie freigesetzt, die von dem Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM in mechanische Leistung umgewandelt wird. Dagegen wird beim Erhöhen des Drucks bei der Luft in dem Luftverdichter LV Energie verbraucht, mit der die Luft verdichtet wird.
Zur Erhöhung der Leistungsbilanz des Gaskraftstoffs und somit zur Reduzierung des gesamten Bedarfs an Energiequelle, insbesondere an dem Gaskraftstoff, wird die von dem Gaskraftstoff freigesetzte Expansionsenergie zum Verdichten der Luft verwendet.
Im Falle der Vorrichtung V in Figur 1 steuert die Re- gel-/Steueranordnung RS hierzu über die elfte Signalverbindung Sil die Kupplung KP und bringt die Kupplung KP in den ersten eingekuppelten Zustand. Daraufhin verbindet die Kupplung KP die Welle WL1 und somit den Abtriebsanschluss BT der Druckkraft¬ maschine DM mit dem Antriebsanschluss NT des Luftverdichters LV mechanisch. Dadurch wird die mechanische Leistung und somit die Expansionsenergie des Gaskraftstoffs von dem Abtriebsanschluss BT über die Welle WL1 und die Kupplung KP an den Antriebsanschluss NT übertragen. Der Antriebsanschluss NT betreibt mit dieser mechanischen Leistung den Luftverdichter LV, so dass dieser die in den Luftverdichter LV eingesaugte Luft auf den Soll-Druckwert verdichtet . Reicht die von dem Abtriebsanschluss BT bereitgestellte me¬ chanische Leistung nicht aus, um die Luft auf den Soll-Druckwert zu verdichten, so wird die Kupplung KP von der Re- gel-/Steueranordnung RS gesteuert in den dritten eingekuppelten Zustand gebracht. In diesem dritten Zustand verbindet die Kupplung neben der Welle WL1 noch die weitere Welle WL2 und somit die Abgasturbine TB des Abgasturboladers TL mit dem An¬ triebsanschluss NT, so dass die Luft noch zusätzlich mit der mechanischen Leistung der Abgasturbine TB verdichtet wird. Im Falle der Vorrichtung V in Figur 2 schließt die Re- gel-/Steueranordnung RS' über die elfte Signalverbindung Sil' den Schalter Sl und somit stellt eine leitende elektrische Verbindung von dem Generator GN zu dem Elektromotor EM über die elektrische Leitung EL her.
Über diese elektrische Verbindung wird die elektrische Leistung, die von dem durch den Abtriebsanschluss BT angetrieben Generator GN erzeugt wird, an den Elektromotor EM übertragen. Von dieser elektrischen Leistung betrieben treibt der Elektromotor EM über den Antriebsanschluss NT den Luftverdichter LV an, der daraufhin die in den Luftverdichter LV eingesaugte Luft auf den vorge¬ gebenen Soll-Druckwert verdichtet. Wird von dem Generator GN mehr elektrische Leistung erzeugt, als diese bei dem Elektromotor EM zum Antreiben des Luftverdichters LV verbraucht wird, so steuert die Regel-/Steueranordnung RS über die zwölfte Signalverbindung S12 den Stromregler SR, so dass dieser den Strom durch die elektrische Leitung EL und somit die elektrische Leistung von dem Generator GN zu dem Elektromotor EM regelt, so dass nur ein Teil der vom Generator GN erzeugten elektrischen Leistung an den Elektromotor EM übertragen wird. Der überschüssige Teil der elektrischen Leistung wird dann dem elektrischen Energiespeicher ES weitergeleitet und dort für späteren Verbrauch zwischengespeichert. Durch das Zwischenspeichern der überschüssigen elektrischen Leistung wird die gesamte Leistungsbilanz nochmals erhöht.
Reicht dagegen die von dem Generator GN erzeugte elektrische Leistung nicht aus, um die Luft auf den Soll-Druckwert zu verdichten, so steuert die Regel-/Steueranordnung RS den Stromrichter SR so, dass dieser von dem Energiespeicher ES weitere elektrische Leistung abnimmt und dem Elektromotor EM zuführt .
Eine zusätzliche Erhöhung der gesamten Leistungsbilanz der Vorrichtungen V und V wird erzielt, in dem die Abwärme, die in dem Luftverdichter LV beim Verdichten der Luft entsteht, von dem Luftverdichter LV zu der Druckkraftmaschine DM übertragen und von der Druckkraftmaschine DM zum Expandieren des Gaskraftstoffs verwendet wird. Anschließend steuert die Regel-/Steueranordnung RS die
Druckkraftmaschine DM und den Luftverdichter LV so, dass die den Gaskraftstoff mit dem auf den Soll-Druckwert verringerten Druck und die Luft mit dem auf den Soll-Druckwert erhöhten Druck der Mischkammer MK zugeführt werden.
In der Mischkammer MK werden der Gaskraftstoff und die Luft zu einem Gaskraftstoff-Luft-Gemisch gemischt.
Dabei misst der dritte Drucksensor DS3 den Druck des in der Mischkammer MK befindlichen Gaskraftstoff-Luft-Gemisches und gibt den gemessenen Druckwert über die dritte Signalverbindung S3 an die Regel-/Steueranordnung RS, die dann basierend auf diesem gemessenen Druckwert das erste und das zweite Ventil VT1, VT2 steuert, so dass diese die Strömungsstärken des Gas- kraftstoffs und der Luft und somit die Mengen an dem Gaskraftstoff und der Luft regeln.
Das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch wird anschließend gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S300 über das dritte Ventil VT3 und die Gemischabgabe GA an den Ansaugtrakt AT abgegeben.
Dabei misst der vierte Drucksensor DS4 den Druck des durch die Gemischabgabe GA fließenden Gaskraftstoff-Luft-Gemisches und gibt den gemessenen Druckwert über die vierte Signalverbindung S4 an die Regel-/Steueranordnung RS, die dann basierend auf diesem gemessenen Druckwert das dritte Ventil VT3 steuert, so dass dies die Strömungsstärke des Gaskraftstoff-Luft-Gemisches und somit die Menge an dem Gaskraftstoff-Luft-Gemisches regelt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (V) zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor (VM) , umfassend:
- einen Gaskraftstoffeinlass (GE) ;
- eine Druckkraftmaschine (DM) zur Verringerung des Drucks des Gaskraftstoffs, die stromabwärts des Gaskraft¬ stoffeinlasses (GE) angeordnet ist;
- einen Lufteinlass (LE) ;
- einen Luftverdichter (LV) zur Erhöhung des Drucks der Luft, der stromabwärts des Lufteinlasses (LE) angeordnet ist;
- ein Übertragungsglied (UG) zur Übertragung einer Leistung von der Druckkraftmaschine (DM) zu dem Luftverdichter (LV) und/oder umgekehrt.
2. Vorrichtung (V) nach Anspruch 1, wobei die Druckkraftmaschine (DM) und der Luftverdichter (LV) miteinander thermisch gekoppelt sind.
3. Vorrichtung (V) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckkraftmaschine (DM) einen Abtriebsanschluss (BT) zur Abgabe der Leistung und der Luftverdichter (LV) einen Antriebs- anschluss (NT) zum Antrieb des Luftverdichters (LV) auf- weisen, wobei das Übertragungsglied (UG) den Abtriebsan¬ schluss (BT) zur Übertragung der Leistung mit dem An- triebsanschluss (NT) koppelt.
4. Vorrichtung (V) nach Anspruch 3, wobei das Übertragungsglied (UG) eine Welle (WL1) umfasst, die den Abtriebsanschluss (BT) mit dem Antriebsanschluss (NT) zur Übertragung der Leistung koppelt .
5. Vorrichtung (V) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Über- tragungsglied (UG) ein Getriebe, eine Kupplung (KP) und/oder einen Freilauf umfasst, das/die/der den Abtriebsanschluss (BT) mit dem Antriebsanschluss (NT) entkoppelbar koppelt. Vorrichtung (V) nach Anspruch 3, wobei das Übertragungsglied (UG) einen Generator (GN) zur Umwandlung der Leistung in elektrische Leistung, einen Elektromotor (EM) zur Umwandlung der elektrischen Leistung in mechanische Leistung sowie eine elektrische Leitung (EL) zur Übertragung der elektrischen Leistung von dem Generator (GN) zu dem Elektromotor (EM) umfasst .
Vorrichtung (V) nach Anspruch 6, wobei das Übertragungsglied (UG) einen steuerbaren Schalter (Sl) in der elektrischen Leitung (EL) aufweist, der in einem geschlossenen Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Generator (GN) und dem Elektromotor (EM) über die elektrische Leitung (EL) herstellt und in einem offenen Schaltzustand die elektrische Verbindung unterbricht.
Vorrichtung (V) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Übertragungsglied (UG) einen Stromregler (SR) in der elektrischen Leitung (EL) zur Regelung der zu übertragenden elektrischen Leistung umfasst.
Vorrichtung (V) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, die ferner einen elektrischen Energiespeicher (ES) zur Zwischenspei- cherung der elektrischen Leistung von dem Generator (GN) und/oder zur Bereitstellung der elektrischen Leistung für den Elektromotor (EM) umfasst.
Vorrichtung (V) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Übertragungsglied (UG) den Antriebsanschluss (NT) mit einem Abtriebsanschluss (BAI) einer Kraftmaschine (KM) zur
Übertragung der mechanischen Leistung von der Kraftmaschine (KM) zu dem Luftverdichter (LV) entkoppelbar koppelt.
Vorrichtung (V) nach Anspruch 10, wobei die Kraftmaschine (KM) eine Turbine (TB) eines Turboladers (TL), insb. eine Abgasturbine eines Abgasturboladers, umfasst. Vorrichtung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Mischkammer (MK) zum Mischen des Gaskraftstoffs mit verringertem Druck und die Luft mit erhöhtem Druck umfasst, die stromabwärts der Druckkraftmaschine (DM) und des Luftverdichters (LV) angeordnet ist.
Antriebssystem (AS) für ein Fahrzeug, umfassend:
einen Verbrennungsmotor (VM) zum Antrieb des Fahrzeugs ,
eine Vorrichtung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Zuführung von Gaskraftstoff und Luft zu dem Verbrennungsmotor (VM) ,
wobei die Vorrichtung (V) stromaufwärts eines An¬ saugtrakts (AT) des Verbrennungsmotors (VM) ange¬ ordnet ist.
Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor (VM) , mit folgenden Verfahrensschritten:
- Verringern (S100) des Drucks des Gaskraftstoffs, indem thermodynamische Energie des unter dem Druck stehenden Gaskraftstoffs in Leistung umgewandelt wird;
- Erhöhen (S200) des Drucks der Luft mit der Leistung, die bei dem Verringern des Drucks des Gaskraftstoffs aus der thermodynamischen Energie des Gaskraftstoffs umgewandelt wird;
- Zuführen (S300) des Gaskraftstoffs mit verringertem Druck und der Luft mit erhöhtem Druck zu dem Verbrennungsmotor (VM) .
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