WO2019166186A1 - Verfahren zur ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen zusammensetzung von erdgas - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the qualitative and / or quantitative composition of natural gas, which is stored on board a vehicle for operating egg nes internal combustion engine in a tank.
  • liquid natural gas (LNG, or "liquefied natural gas”) has a significantly lower volume than gaseous natural gas in pressure accumulators due to cooling, it is usually kept in liquid form for mobile applications.
  • the natural gas is cooled down to temperatures of about -160 ° C and stored in a special tank on board a vehicle.
  • the tank pressure level is usually 2-20 bar (a).
  • a gas phase forms over the liquid phase.
  • the liquid phase and the gas phase in the tank are in equilibrium.
  • the term "natural gas” mainly refers to liquefied natural gas.
  • Natural gas is a hydrocarbon-containing gas mixture whose chemical composition - depending on the source - can vary considerably. Main component of natural gas is Methane. In addition, higher-chain hydrocarbons, such as ethane, may be included. Further, natural gas may contain lower boiling substances, such as nitrogen.
  • Legislation requires that natural gas-fueled internal combustion engines comply with existing emission limits, regardless of fuel composition in their field of application. To ensure this with changing fuel quality, the quality must be determined by means of a special sensor and communicated to the engine control unit, so that the operation of the United combustion engine can be adjusted accordingly. Alternatively or additionally, compliance with the emission limit values can be ensured by an exhaust aftertreatment system, which must be dimensioned sufficiently large for this purpose.
  • the invention has for its object to provide a method for determining the qualitative and / or quantitative composition of natural gas, which is comparatively easy to carry out se and brings consumption and cost benefits.
  • Proposed is a method for determining the qualitative and / or quantitative composition of natural gas stored on board a vehicle for operating an internal combustion engine in a tank.
  • the pressure and the temperature in the tank are measured in this method. Based on the measured values, a boiling curve of the natural gas is determined. The boiling curve is then compared to the boiling curves of the chemical precursors, from which the natural gas is essentially composed.
  • the chemical precursors may be the chemical precursors methane, ethane and nitrogen already mentioned, since their proportions essentially determine the quality of natural gas.
  • Natural gas containing other chemical precursors such as propane, butane, ethene and / or pentane, so that it applies their shares to determine the qualitative and / or quantitative composition of natural gas.
  • the boiling curves of the aforementioned basic chemicals are all be known and depends on the parameters pressure and temperature. If the pressure and the temperature in the tank are measured, the composition of the natural gas in the tank can be deduced based on these measured values using well-known boiling curves. This is because the state variables of a chemical raw material in the range of a boiling curve can be determined exactly with knowledge of a single state variable. For example, can be closed by the pressure on the temperature of a base material.
  • the proposed method has the advantage that the required measurements can be carried out with comparatively little effort, in particular using simple sensors.
  • conventional pressure and temperature sensors can be used, which dispenses with a special quality sensor, which is correspondingly expensive.
  • the qualitative and / or quantitative composition of the natural gas can be determined with sufficient accuracy.
  • the internal combustion engine can thus be operated in an optimum range for the respective fuel composition, so that the consumption of natural gas is lowered.
  • the emissions of the internal combustion engine decrease, so that compliance with the legally prescribed limit values is ensured.
  • a comparison of the different boiling temperatures is preferably carried out at the same pressure. That means that over the respective Temperature difference is closed on the qualitative and / or quantitative composition of the natural gas in the tank.
  • the pressure and the temperature in the tank are measured when the internal combustion engine is switched off, that is to say at rest, when the liquid phase and the gas phase are in equilibrium.
  • the pressure and the temperature are measured in the region of a liquid phase of the natural gas present in the tank.
  • the state in the tank is monitored, wherein preferably the temperature is measured both in the liquid phase and in a gas phase of the natural gas present in the tank.
  • the measured values obtained in the pressure and temperature measurement are preferably evaluated in a control unit.
  • This may in particular be an engine control unit, which preferably at the same time adapts the operation of the combustion engine to the existing fuel quality.
  • the result of the evaluation is stored and made available when the internal combustion engine is restarted.
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • the storage capacity is not dependent on an existing supply voltage. This ensures that the proposed procedure can be performed when the internal combustion engine is switched off and the result of the evaluation is available when the internal combustion engine is restarted.
  • the arrangement shown in the figure is to take a tank 1 for the storage of liquid natural gas.
  • the natural gas is in the tank 1 as liquid phase 2 and 3 as Gaspha se.
  • sensors 6, 7 are arranged, which in the present case is a pressure sensor 6 and a temperature sensor 7. Accordingly, the pressure p and the temperature T in the liquid phase 2 can be measured by means of the sensors 6, 7.
  • the measurements are carried out at rest, that is, when switched off internal combustion engine (not shown), which provides over the tank 1 with natural gas as fuel ver.
  • the liquid phase 2 and the gas phase 3 are in equilibrium.
  • the measurement data are evaluated in a Steuerge advises 4 and the result of the evaluation is stored in a memory component 5, wherein the result of the evaluation relates to the quantitative and / or qualitative composition of the natural gas in the tank 1.
  • these may be the chemical precursors methane (CH 4 ), ethane (C2H6) and / or nitrogen (N 2 ). Since - depending on the source - the quality of the natural gas can vary considerably, the knowledge of the exact composition tion of the operation of the internal combustion engine can be optimized so that the fuel consumption and emissions are reduced.
  • the determination of the composition of the natural gas is present on the basis of the measured data (pressure p and temperature T) and with the help of the boiling curves of the Natural gas contained chemical raw materials. Because in the area of a curve you can determine all state variables of a basic chemical substance from a single state variable. For example, can be closed by the pressure on the tempera ture of a base material and vice versa.
  • the composition of the natural gas present in the tank 1 can be determined in comparison with the known boiling curves of the respective pure substances.
  • the measured boiling point at the same pressure is higher than that for pure methane.
  • the measured boiling temperature is the same

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Tank (1) bevorratet wird. Erfindungsgemäß werden der Druck (p) und die Temperatur (T) im Tank (1) gemessen, anhand der Messwerte wird eine Siedekurve des Erdgases bestimmt und die Siedekurve des Erdgases wird mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe verglichen wird, aus denen das Erdgas im Wesentlichen zusammengesetzt ist.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zur Ermitlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitati ven Zusammensetzung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben ei nes Verbrennungsmotors in einem Tank bevorratet wird.
Stand der Technik
Entwicklungen in der Motorentechnik beschäftigen sich mit der Direkteinblasung von Erdgas in den Brennraum von Verbrennungsmotoren und einer Zündung des Gas-Luft- Gemischs mit Dieselkraftstoff. Diese Art der Verbrennung verspricht Vorteile in Bezug auf geringere Schadstoffemissionen, insbesondere CO2- Emissionen, und geringere Kosten aufgrund der Verwendung von Erdgas als Kraftstoff.
Da flüssiges Erdgas (LNG, d. h.„Liquefied Natural Gas“) durch Abkühlen ein deutlich geringes Volumen als gasförmiges Erdgas in Druckspeichern besitzt, wird es für mobile Anwendungen in der Regel in flüssiger Form vorgehalten. Hierzu wird das Erdgas auf Temperaturen von etwa -160°C heruntergekühlt und in einem speziellen Tank an Bord eines Fahrzeugs bevorratet. Das Tankdruckniveau liegt üblicherweise bei 2-20 bar(a). Je nach Temperatur, Druck und/oder Füllstand des Tanks bildet sich eine Gasphase über der Flüssigphase aus. Im Ruhezustand befinden sich die Flüssigphase und die Gasphase im Tank im Gleichgewicht. Nachfolgend wird mit„Erdgas“ hauptsächlich ver flüssigtes Erdgas bezeichnet.
Erdgas ist ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammen setzung - je nach Quelle - erheblich schwanken kann. Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. Darüber hinaus können höherkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethan, enthalten sein. Ferner kann Erdgas leichter siedende Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff, enthalten.
Die Gesetzgebung fordert, dass Verbrennungsmotoren, die mit Erdgas betrieben wer den, unabhängig von der jeweiligen Kraftstoffzusammensetzung in ihrem Einsatzgebiet die bestehenden Emissionsgrenzwerte einhalten müssen. Um dies bei sich ändernder Kraftstoffqualität zu gewährleisten, muss die Qualität mittels eines speziellen Sensors ermittelt und dem Motorsteuergerät mitgeteilt werden, so dass der Betrieb des Ver brennungsmotors entsprechend angepasst werden kann. Alternativ oder ergänzend kann die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte durch eine Abgasnachbehandlungsanla ge sichergestellt werden, die hierzu ausreichend groß dimensioniert werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas anzugeben, das vergleichswei se einfach durchzuführen ist sowie Verbrauchs- und Kostenvorteile mit sich bringt.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor geschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitati ven Zusammensetzung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben ei nes Verbrennungsmotors in einem Tank bevorratet wird. Erfindungsgemäß werden bei diesem Verfahren der Druck und die Temperatur im Tank gemessen. Anhand der Messwerte wird eine Siedekurve des Erdgases bestimmt. Die Siedekurve wird dann mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe verglichen, aus denen das Erdgas im Wesentlichen zusammengesetzt ist.
Bei den chemischen Grundstoffen kann es sich insbesondere um die bereits eingangs genannten chemischen Grundstoffe Methan, Ethan und Stickstoff handeln, da deren Anteile im Wesentlichen die Qualität von Erdgas bestimmen. Darüber hinaus kann Erdgas weitere chemische Grundstoffe, wie beispielsweise Propan, Butan, Ethen und/oder Pentan enthalten, so dass es deren Anteile zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung von Erdgas zu bestimmen gilt.
Die Siedekurven der vorstehend genannten chemischen Grundstoffe sind allesamt be kannt und von den Parametern Druck und Temperatur abhängt. Werden der Druck und die Temperatur im Tank gemessen, kann auf Basis dieser Messwerte mit Hilfe bekann ter Siedekurven auf die Zusammensetzung des im Tank vorhandenen Erdgases ge schlossen werden. Denn die Zustandsgrößen eines chemischen Grundstoffs im Be reich einer Siedekurve lassen sich in Kenntnis einer einzelnen Zustandsgröße exakt ermitteln. Beispielsweise kann über den Druck auf die Temperatur eines Grundstoffs geschlossen werden.
Diese Zusammenhänge macht sich das vorgeschlagene Verfahren zunutze, indem der Druck und die Temperatur im Tank gemessen und mit Hilfe bekannter Siedekurven die qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung des Erdgases ermittelt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren besitzt den Vorteil, dass die erforderlichen Messungen mit vergleichsweise geringem Aufwand, insbesondere unter Verwendung einfacher Sensoren, durchgeführt werden können. Beispielsweise können herkömmliche Druck- und Temperatursensoren verwendet werden, die einen speziellen Qualitätssensor, der entsprechend teuer ist, verzichtbar machen.
Ferner kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens die qualitative und/oder quanti tative Zusammensetzung des Erdgases ausreichend genau bestimmt werden. Der Verbrennungsmotor kann somit in einem für die jeweilige Kraftstoffzusammensetzung optimalen Bereich betrieben werden, so dass der Verbrauch von Erdgas gesenkt wird. Entsprechend sinken die Emissionen des Verbrennungsmotors, so dass die Einhaltung der gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte gewährleistet ist.
Beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den bekannten Siedekurven der chemischen Grundstoffe wird vorzugsweise ein Vergleich der unterschiedlichen Siede temperaturen bei gleichem Druck durchgeführt. Das heißt, dass über die jeweilige Temperaturdifferenz auf die qualitative und/oder quantitative Zusammensetzung des im Tank vorhandenen Erdgases geschlossen wird.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den bekannten Siedekurven der chemischen Grundstoffe ein Vergleich der unter schiedlichen Siededrücke bei konstanter Temperatur durchgeführt wird. In diesem Fall erfolgt die Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung des Erdgases über die jeweilige Druckdifferenz.
Vorteilhafterweise werden der Druck und die Temperatur im Tank bei abgestelltem Verbrennungsmotor gemessen, das heißt im Ruhezustand, wenn sich die Flüssigphase und die Gasphase im Gleichgewicht befinden. Grundsätzlich ist es zwar auch möglich, die erforderlichen Messungen durchzuführen, wenn kein Gleichgewicht im Tank herrscht. In diesem Fall müssen jedoch zuvor Versuchsdaten als Referenzdaten ermit telt werden, so dass der Aufwand zur Durchführung des Verfahrens steigt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Druck und die Temperatur im Bereich einer im Tank befindlichen Flüssigphase des Erdgases gemessen werden. Gegebenenfalls kann es zur Zustandsbestimmung im Tank erforderlich sein, Messungen sowohl in der Flüssigphase als auch in der Gasphase vorzunehmen.
In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass der Zustand im Tank überwacht wird, wobei vorzugsweise die Temperatur sowohl in der Flüssigphase als auch in einer im Tank vorhandenen Gasphase des Erdgases gemessen wird.
Die bei der Druck- und Temperaturmessung erhaltenen Messwerte werden vorzugs weise in einem Steuergerät ausgewertet. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Motorsteuergerät handeln, das vorzugsweise zugleich den Betrieb des Verbrennungs motors an die vorhandene Kraftstoffqualität anpasst.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Ergebnis der Auswertung gespeichert und beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt wird. Somit kann beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors gleich der optimale Betriebsbereich ge funden werden. Vorteilhafterweise wird zum Speichern ein nichtflüchtiger elektroni- scher Speicherbaustein (EEPROM, d. h.„Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory“) verwendet, so dass die Speicherfähigkeit nicht von einer vorhandenen Versorgungsspannung abhängig ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das vorgeschla gene Verfahren bei abgestelltem Verbrennungsmotor durchführbar ist und das Ergeb nis der Auswertung bei erneutem Starten des Verbrennungsmotors verfügbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Der in der Figur dargestellten Anordnung ist ein Tank 1 zur Bevorratung von flüssigem Erdgas zu entnehmen. Das Erdgas liegt im Tank 1 als Flüssigphase 2 und als Gaspha se 3 vor. Im Bereich der Flüssigphase 2 sind Sensoren 6, 7 angeordnet, wobei es sich vorliegend um einen Drucksensor 6 und einen Temperatursensor 7 handelt. Mittels der Sensoren 6, 7 können demnach der Druck p und die Temperatur T in der Flüssigpha se 2 gemessen werden.
Die Messungen werden im Ruhezustand durchgeführt, das heißt bei abgestelltem Ver brennungsmotor (nicht dargestellt), der über den Tank 1 mit Erdgas als Kraftstoff ver sorgt wird. Bei abgestelltem Verbrennungsmotor befinden sich die Flüssigphase 2 und die Gasphase 3 in einem Gleichgewicht. Die Messdaten werden in einem Steuerge rät 4 ausgewertet und das Ergebnis der Auswertung wird in einem Speicherbauteil 5 abgelegt, wobei das Ergebnis der Auswertung die quantitative und/oder qualitative Zu sammensetzung des im Tank 1 befindlichen Erdgases betrifft. Hierbei kann es sich insbesondere - wie beispielhaft dargestellt - um die chemischen Grundstoffe Methan (CH4), Ethan (C2H6) und/oder Stickstoff (N2) handeln. Da - je nach Quelle - die Qualität des Erdgases erheblich schwanken kann, kann in Kenntnis der genauen Zusammen setzung der Betrieb des Verbrennungsmotors dahingehend optimiert werden, dass der Kraftstoffverbrauch sowie die Emissionen gesenkt werden.
Die Bestimmung der Zusammensetzung des Erdgases wird vorliegend auf der Grund lage der Messdaten (Druck p und Temperatur T) und mit Hilfe der Siedekurven der im Erdgas enthaltenen chemischen Grundstoffe durchgeführt. Denn im Bereich einer Sie dekurve lassen sich alle Zustandsgrößen eines chemischen Grundstoffs aus einer ein zelnen Zustandsgröße ermitteln. Beispielsweise kann über den Druck auf die Tempera tur eines Grundstoffs geschlossen werden und umgekehrt.
Bei Erdgas liegen diese Grundstoffe in einer homogenen Mischung vor, so dass die für Erdgas charakteristische Siedekurve von denen der Grundstoffe abweicht.
Mittels der Parameter Druck (p) und Temperatur (T), die gemessen werden, kann im Vergleich mit den bekannten Siedekurven der jeweiligen Reinstoffe die Zusammenset zung des im Tank 1 vorhandenen Erdgases bestimmt werden. Dabei gilt, dass bei Mi schungen, die Methan und höherkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethan enthalten, die gemessene Siedetemperatur bei gleichem Druck höher als bei reinem Methan ist. Bei Mischungen, die Methan und leicht siedende Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff enthalten, ist demgegenüber die gemessene Siedetemperatur bei gleichem
Druck niedriger als bei reinem Methan.
Mit der gleichen Methodik lassen sich auch unterschiedliche Siededrücke bei konstan ter Temperatur vergleichen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen Zusammenset zung von Erdgas, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungs motors in einem Tank (1) bevorratet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) und die Temperatur (T) im Tank (1) ge messen werden, anhand der Messwerte eine Siedekurve des Erdgases bestimmt wird und die Siedekurve des Erdgases mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe verglichen wird, aus denen das Erdgas im Wesentlichen zusammengesetzt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe ein Vergleich der unterschiedlichen Siede temperaturen bei gleichem Druck durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich der Siedekurve des Erdgases mit den Siedekurven der chemischen Grundstoffe ein Vergleich der unterschiedlichen Siede drücke bei konstanter Temperatur durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) und die Temperatur (T) im Tank (1) bei abgestelltem Verbrennungsmotor gemessen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p) und die Temperatur (T) im Bereich einer im Tank (1) befindlichen Flüssigphase (2) des Erdgases gemessen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand im Tank (1) überwacht wird, wobei vor zugsweise die Temperatur (T) sowohl in der Flüssigphase (2) als auch in einer im Tank (1) vorhandenen Gasphase (3) des Erdgases gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Druck- und Temperaturmessung erhalte nen Messwerte in einem Steuergerät ausgewertet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Auswertung gespeichert und beim Wiederstarten des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass zum Speichern ein nichtflüchtiger elektronischer Speicherbaustein verwendet wird.
PCT/EP2019/052609 2018-03-02 2019-02-04 Verfahren zur ermittlung der qualitativen und/oder quantitativen zusammensetzung von erdgas WO2019166186A1 (de)

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