DE102019217200A1 - Method for operating a fuel system, prefeed pump and fuel system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem der Kraftstoff in flüssiger Form in einem Tank (1) bevorratet und mittels einer Vorförderpumpe (2) aus dem Tank (1) entnommen und einer Hochdruckpumpe (3) zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt wird. Erfindungsgemäß werden der Vorförderpumpe (2) über getrennte Zulaufpfade (4, 5) sowohl flüssiger Kraftstoff aus einer im Tank (1) vorhandenen Flüssigphase (6) als auch gasförmiger Kraftstoff aus einer im Tank (1) vorhandenen Gasphase (7) zugeführt.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorförderpumpe (2) für ein Kraftstoffsystem sowie ein Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorförderpumpe (2).The invention relates to a method for operating a fuel system for supplying an internal combustion engine with cryogenic fuel, in particular with natural gas, in which the fuel is stored in liquid form in a tank (1) and removed from the tank (1) by means of a feed pump (2) and a high pressure pump (3) is fed to the application of high pressure. According to the invention, both liquid fuel from a liquid phase (6) present in the tank (1) and gaseous fuel from a gas phase (7) present in the tank (1) are fed to the pre-feed pump (2) via separate feed paths (4, 5) also relates to a pre-feed pump (2) for a fuel system and a fuel system with a pre-feed pump (2) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, dient. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorförderpumpe für ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftastoff, insbesondere mit Erdgas, sowie ein Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorförderpumpe.The invention relates to a method for operating a fuel system which is used to supply an internal combustion engine with cryogenic fuel, in particular with natural gas. The invention also relates to a prefeed pump for a fuel system for supplying an internal combustion engine with cryogenic fuel, in particular with natural gas, and a fuel system with a prefeed pump according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen, die mit Erdgas („Natural Gas“ = NG) betrieben werden, weisen in der Regel spezielle Tanks zur Bevorratung des Kraftstoffs auf, die dazu ausgelegt sind, den Kraftstoff in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) zu bevorraten. Bei diesen Tanks handelt es sich um tiefkalte Speicher, die ausreichend isoliert sind, um den an sich gasförmigen Kraftstoff in flüssiger Form zu speichern. Die übliche Speichertemperatur von Erdgas liegt bei -110°C bis -160°C. Eine eigene Kühlung besitzen diese Tanks in der Regel nicht. Aufgrund Wärmeeintrag von außen kann es jedoch zu einem Verdampfen des flüssigen Erdgases kommen, so dass sich oberhalb einer Flüssigphase eine Gasphase im Tank ausbildet. Mit der Erwärmung und dem Verdampfen von Erdgas steigt zugleich der Druck im Tank an. Um ein Bersten des Tanks zu vermeiden, wird daher über Sicherheitsventile Gas aus der Gasphase abgelassen („Boil-Off“), wenn ein vorgegebener maximaler Grenzwert erreicht ist. Damit geht ein Teil des energetisch wertvollen Kraftstoffs verloren. Zugleich verringert sich die Effizienz des Kraftstoffsystems. Ferner führen die damit verbundenen Methanemissionen zu einer Belastung der Umwelt.Motor vehicles with internal combustion engines that are operated with natural gas ("Natural Gas" = NG) usually have special tanks for storing the fuel, which are designed to supply the fuel in liquid form ("Liquefied Natural Gas" = LNG) stockpile. These tanks are cryogenic storage tanks that are sufficiently insulated to store the fuel in liquid form, which is actually gaseous. The usual storage temperature for natural gas is -110 ° C to -160 ° C. As a rule, these tanks do not have their own cooling system. Due to the introduction of heat from the outside, however, the liquid natural gas can evaporate, so that a gas phase forms in the tank above a liquid phase. As natural gas heats up and evaporates, the pressure in the tank increases at the same time. In order to prevent the tank from bursting, gas is released from the gas phase via safety valves (“boil-off”) when a specified maximum limit value is reached. This means that some of the energetically valuable fuel is lost. At the same time, the efficiency of the fuel system is reduced. Furthermore, the associated methane emissions lead to pollution of the environment.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines derartigen Kraftstoffsystems effizienter und zudem umweltfreundlicher zu gestalten.The present invention is based on the object of making the operation of such a fuel system more efficient and also more environmentally friendly.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Vorförderpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To achieve the object, the method with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Bei dem Verfahren wird der Kraftstoff in flüssiger Form in einem Tank bevorratet und mittels einer Vorförderpumpe aus dem Tank entnommen und einer Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt. Erfindungsgemäß wird der Vorförderpumpe über getrennte Zulaufpfade sowohl flüssiger Kraftstoff aus einer im Tank vorhandenen Flüssigphase als auch gasförmiger Kraftstoff aus einer im Tank vorhandenen Gasphase zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt.A method is proposed for operating a fuel system for supplying an internal combustion engine with cryogenic fuel, in particular with natural gas. In the process, the fuel is stored in liquid form in a tank and removed from the tank by means of a pre-feed pump and fed to a high-pressure pump for applying high pressure. According to the invention, both liquid fuel from a liquid phase present in the tank and gaseous fuel from a gas phase present in the tank are fed to the prefeed pump via separate feed paths for high pressure application.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Hilfe der Vorförderpumpe dem Tank nicht nur flüssiger Kraftstoff, sondern auch gasförmiger Kraftstoff entnommen und der Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt. Das im Tank vorhandene Gasvolumen wird somit nutzbar gemacht. Das heißt, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens der nutzbare Tankinhalt erhöht werden kann, was bei einem Kraftstoffsystem, das der Versorgung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dient, zu einer Reichweitenerhöhung führt. Durch die Entnahme von gasförmigem Kraftstoff werden zugleich die Temperatur und der Druck im Tank wirksam abgesenkt, so dass kein Gas über Sicherheitsventile in die Umwelt abgelassen werden muss. Hinzu kommt, dass bei abgesenkter Temperatur der flüssige kryogene Kraftstoff eine höhere Dichte aufweist, so dass sowohl der Wirkungsgrad der Vorförderpumpe als auch der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe gesteigert werden können. Durch Nutzung des im Tank vorhandenen Gasvolumens sinkt zudem der Kraftstoffverbrauch. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann somit das Kraftstoffsystem nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch effizienter betrieben werden.In the method according to the invention, not only liquid fuel but also gaseous fuel is withdrawn from the tank with the aid of the prefeed pump and fed to the high-pressure pump for high pressure application. The gas volume in the tank is thus made usable. This means that the usable tank content can be increased with the aid of the method according to the invention, which in the case of a fuel system that serves to supply an internal combustion engine of a motor vehicle leads to an increase in range. By withdrawing gaseous fuel, the temperature and pressure in the tank are effectively lowered at the same time, so that no gas has to be released into the environment via safety valves. In addition, when the temperature is reduced, the liquid cryogenic fuel has a higher density, so that both the efficiency of the prefeed pump and the efficiency of the high-pressure pump can be increased. Using the gas volume in the tank also reduces fuel consumption. With the aid of the proposed method, the fuel system can thus not only be operated in a more environmentally friendly way, but also more efficiently.
Darüber hinaus führt die Absenkung der Tanktemperatur bzw. des Tankdrucks zu einer geringeren Belastung des Tanks über die Lebensdauer. Ferner kann die Tankbefüllzeit verringert werden. Dies gilt insbesondere, wenn durch die Entnahme von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase der Tankdruck unter Tankstellenspeicherdruck abgesenkt wird.In addition, the lowering of the tank temperature or the tank pressure leads to a lower load on the tank over its service life. Furthermore, the tank filling time can be reduced. This is especially true if the withdrawal of gaseous fuel from the gas phase reduces the tank pressure below the filling station storage pressure.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der der Vorförderpumpe zugeführte gasförmige Kraftstoff mit Hilfe eines in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters erst auf ein Vorförderniveau verdichtet und dann dem flüssigen Kraftstoff beigemischt. Durch das vorherige Verdichten des gasförmigen Kraftstoffs auf Vorförderniveau kann die Effizienz der nachgeschalteten Hochdruckpumpe weiter optimiert werden.According to a preferred embodiment of the invention, the gaseous fuel supplied to the prefeed pump is first compressed to a prefeed level with the aid of a gas compressor integrated in the prefeed pump and then mixed with the liquid fuel. By compressing the gaseous fuel beforehand at the pre-delivery level, the efficiency of the downstream high-pressure pump can be further optimized.
Der der Vorförderpumpe zugeführte flüssige Kraftstoff wird vorzugsweise mit Hilfe mindestens einer in die Vorförderpumpe integrierten Strömungsarbeitsmaschine gefördert. Die Strömungsarbeitsmaschine kann in den Tank integriert werden, so dass der Bauraumbedarf des Kraftstoffsystems sinkt. Die mindestens eine Strömungsarbeitsmaschine kann beispielsweise eine Kreiselpumpe und/oder eine Seitenkanalpumpe sein. Werden mehrere solcher Pumpen hintereinandergeschaltet, kann ein mehrstufiges System geschaffen werden, das zumindest eine erste Pumpenstufe und eine zweite Pumpenstufe umfasst. Auf diese Weise kann die Effizienz der Vorförderpumpe weiter optimiert werden. Ferner kann eine Welle der Strömungsarbeitsmaschine zum Antreiben des Gasverdichters verwendet werden, so dass der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Vorförderpumpe nochmals gesteigert werden. Vorteilhafterweise wird die Welle elektromotorisch angetrieben, so dass über die Drehzahl die Fördermenge der Vorförderpumpe einstellbar ist.The liquid fuel supplied to the prefeed pump is preferably conveyed with the aid of at least one fluid flow machine integrated into the prefeed pump. The fluid flow machine can be integrated into the tank, so that the space required for the fuel system is reduced. The at least one fluid flow machine can be, for example, a centrifugal pump and / or a side channel pump. If several such pumps are connected in series, a multi-stage system can be created which comprises at least a first pump stage and a second pump stage. In this way, the efficiency of the prefeed pump can be further optimized. Furthermore, a shaft of the fluid flow machine can be used to drive the gas compressor, so that the efficiency or the efficiency of the prefeed pump can be increased again. The shaft is advantageously driven by an electric motor so that the delivery rate of the prefeed pump can be adjusted via the speed.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase mit Hilfe mindestens eines Schaltventils gesteuert wird. Mit Hilfe des Schaltventils kann die dem Gasverdichter zugeführte Gasmenge gesteuert werden. Das Schaltventil kann sowohl als normal offenes Ventil, als auch als normal geschlossenes Ventil ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Schaltventil in die Vorförderpumpe, insbesondere in den Zulaufpfad für den gasförmigen Kraftstoff, integriert.It is also proposed that the supply of gaseous fuel from the gas phase is controlled with the aid of at least one switching valve. With the help of the switching valve, the amount of gas supplied to the gas compressor can be controlled. The switching valve can be designed both as a normally open valve and as a normally closed valve. The at least one switching valve is advantageously integrated into the prefeed pump, in particular into the feed path for the gaseous fuel.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Vorförderpumpe im Kraftstoffsystem anfallende Leckage- und/oder Rücklaufmengen zugeführt werden, die mit Hilfe der Vorförderpumpe verdichtet und zusammen mit dem angesaugten flüssigen Kraftstoff der Hochdruckpumpe zugeführt werden. Somit können auch diese Gasmengen einer Nutzung zugeführt werden, so dass die Effizienz des Kraftstoffsystems weiter steigt. Ferner kann die Temperatur im Tank weiter niedrig gehalten werden, da die im Betrieb des Kraftstoffsystems anfallenden Leckage- und/oder Rücklaufmengen nicht - wie sonst üblich - zurück in den Tank geführt, sondern der Vorförderpumpe zugeführt werden. Das heißt, dass der Wärmeeintrag von außen verringert wird.As a further development, it is proposed that the prefeed pump in the fuel system be supplied with leakage and / or return quantities that are compressed with the aid of the prefeed pump and fed to the high-pressure pump together with the liquid fuel that is sucked in. This means that these gas quantities can also be used, so that the efficiency of the fuel system increases further. Furthermore, the temperature in the tank can be kept low, since the leakage and / or return quantities that occur during operation of the fuel system are not fed back into the tank - as is otherwise usual - but are fed to the prefeed pump. This means that the heat input from outside is reduced.
Bei den Leckage- und/oder Rücklaufmengen, die der Vorförderpumpe zugeführt werden, kann es sich insbesondere um Leckage- und/oder Rücklaufmengen der Hochdruckpumpe handeln. Ferner kann es sich um die Rücklaufmengen eines Gasdruckreglers handeln, welcher der Gasdruckregelung in einem Gas-Rail des Kraftstoffsystems dient. Die im Kraftstoffsystem anfallenden Leckage- und/oder Rücklaufmengen werden bevorzugt in einem Pufferspeicher gesammelt bevor sie der Vorförderpumpe zugeführt werden.The leakage and / or return quantities that are fed to the prefeed pump can in particular be leakage and / or return quantities of the high pressure pump. Furthermore, it can be the return flow rate of a gas pressure regulator which is used to regulate the gas pressure in a gas rail of the fuel system. The leakage and / or return quantities occurring in the fuel system are preferably collected in a buffer store before they are fed to the prefeed pump.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Vorförderpumpe für ein Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, vorgeschlagen. Die Vorförderpumpe umfasst mindestens eine Strömungsarbeitsmaschine, beispielsweise eine Kreiselpumpe und/oder eine Seitenkanalpumpe, die über einen ersten Zulaufpfad mit flüssigem kryogenen Kraftstoff versorgbar ist. Erfindungsgemäß ist in die Vorförderpumpe ein Gasverdichter integriert, der mindestens einen hin- und herbeweglichen Gasverdichterkolben zur Begrenzung eines Druckraums umfasst, der mit einem zweiten Zulaufpfad für gasförmigen kryogenen Kraftstoff verbunden oder verbindbar ist.To achieve the object mentioned at the beginning, a prefeed pump for a fuel system for supplying an internal combustion engine with cryogenic fuel, in particular with natural gas, is also proposed. The prefeed pump comprises at least one fluid flow machine, for example a centrifugal pump and / or a side channel pump, which can be supplied with liquid cryogenic fuel via a first feed path. According to the invention, a gas compressor is integrated into the pre-feed pump, which comprises at least one gas compressor piston that can be moved back and forth to delimit a pressure chamber, which is or can be connected to a second feed path for gaseous cryogenic fuel.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorförderpumpe kann sowohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff aus dem Tank entnommen und der Hochdruckpumpe zugeführt werden. Die vorgeschlagene Vorförderpumpe ermöglicht somit die Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Das heißt, dass mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorförderpumpe die bereits zuvor in Verbindung mit dem Verfahren angegebenen Vorteile erzielt werden können, so dass hierauf verwiesen wird.With the aid of the proposed prefeed pump, both liquid and gaseous fuel can be withdrawn from the tank and fed to the high-pressure pump. The proposed prefeed pump thus enables the method according to the invention described above to be carried out. This means that with the aid of the proposed prefeed pump, the advantages already indicated above in connection with the method can be achieved, so that reference is made to this.
Der in die vorgeschlagene Vorförderpumpe integrierte Gasverdichter ermöglicht ein Verdichten des zugeführten gasförmigen Kraftstoffs auf ein Vorförderdruckniveau bevor dieser zusammen mit dem flüssigen Kraftstoff der Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt wird. Die Vorförderpumpe nimmt somit der Hochdruckpumpe Verdichterleistung ab. Vor dem Beimischen des verdichteten gasförmigen Kraftstoffs wird vorzugsweise der flüssige Kraftstoff mit Hilfe der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine ebenfalls auf das Vorförderdruckniveau gebracht.The gas compressor integrated in the proposed pre-feed pump enables the supplied gaseous fuel to be compressed to a pre-feed pressure level before it is fed together with the liquid fuel to the high-pressure pump for high pressure application. The pre-feed pump thus takes the compressor output from the high-pressure pump. Before the compressed gaseous fuel is mixed in, the liquid fuel is preferably also brought to the pre-delivery pressure level with the aid of the at least one fluid flow machine.
Bevorzugt ist der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters mittels einer Welle der Strömungsarbeitsmaschine antreibbar. Das heißt, dass zum Antreiben des Gasverdichters bereits vorhandene Antriebsmittel genutzt werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Vorförderpumpe weiter gesteigert werden. Ferner werden Bauraum und Gewicht eingespart. Die Welle der Strömungsarbeitsmaschine wird vorzugsweise elektromotorisch angetrieben.The at least one reciprocating gas compressor piston of the gas compressor integrated into the prefeed pump can preferably be driven by means of a shaft of the fluid flow machine. This means that already existing drive means are used to drive the gas compressor. In this way the efficiency of the prefeed pump can be increased further. In addition, space and weight are saved. The shaft of the fluid flow machine is preferably driven by an electric motor.
Des Weiteren bevorzugt ist der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters an einer drehfest mit der Welle verbundenen Kurvenscheibe abgestützt. Die Rotation der Welle kann auf diese Weise in eine Hubbewegung des mindestens einen Gasverdichterkolbens umgesetzt werden.Furthermore, the at least one reciprocating gas compressor piston of the gas compressor integrated in the prefeed pump is preferably supported on a cam disk connected to the shaft in a rotationally fixed manner. In this way, the rotation of the shaft can be converted into a stroke movement of the at least one gas compressor piston.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine hin- und herbewegliche Gasverdichterkolben des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters an einem drehfest mit der Welle verbundenen Nocken oder Exzenter abgestützt. Auf diese Weise wird die Rotation der Welle ebenfalls in eine Hubbewegung des mindestens einen Gasverdichterkolbens umgesetzt werden, jedoch mit dem Unterschied, dass sich der Gasverdichterkolben nicht parallel, sondern senkrecht zur Drehachse der Welle bewegt. Denn der Nocken oder Exzenter erfordert eine radiale Abstützung, während die zuvor erwähnte Kurvenscheibe zu einer axialen Abstützung des Gasverdichterkolbens führt.According to a further preferred embodiment, the at least one reciprocating gas compressor piston of the gas compressor integrated in the prefeed pump is non-rotatable on one with the shaft connected cam or eccentric supported. In this way, the rotation of the shaft is also converted into a stroke movement of the at least one gas compressor piston, with the difference that the gas compressor piston does not move parallel, but perpendicular to the axis of rotation of the shaft. This is because the cam or eccentric requires radial support, while the previously mentioned cam disc provides axial support for the gas compressor piston.
Darüber hinaus kann der Gasverdichterkolben über einen Kurbeltrieb mit der Welle wirkverbunden sein. Die Gasverdichterkolben ist in diesem Fall wiederum radial in Bezug auf die Welle ausgerichtet.In addition, the gas compressor piston can be operatively connected to the shaft via a crank drive. In this case, the gas compressor piston is again aligned radially with respect to the shaft.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in die Vorförderpumpe eine Mischkammer integriert ist, die stromabwärts der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine und stromabwärts des Gasverdichters angeordnet ist. In der Mischkammer kann dem flüssigen Kraftstoff der verdichtete gasförmige Kraftstoff beigemischt werden.It is also proposed that a mixing chamber be integrated into the prefeed pump, which is arranged downstream of the at least one fluid flow machine and downstream of the gas compressor. The compressed gaseous fuel can be mixed with the liquid fuel in the mixing chamber.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass in die Vorförderpumpe ein Perlator und/oder Filter zur Kondensation von Gasblasen integriert ist. Der Perlator und/oder Filter fördert eine Verflüssigung des beigemischten verdichteten gasförmigen Kraftstoffs. Die Verflüssigung des verdichteten gasförmigen Kraftstoffs trägt zur Steigerung des Wirkungsgrads der Hochdruckpumpe bei. Vorzugsweise ist bzw. sind der Perlator und/oder Filter stromabwärts der mindestens einen Strömungsarbeitsmaschine und stromabwärts des Gasverdichters angeordnet, weiterhin vorzugsweise ist bzw. sind der Perlator und/oder Filter der Mischkammer nachgeschaltet. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Vorförderpumpe eine weitgehend blasenfreie Vorfördermenge erzeugt und der Hochdruckpumpe zugeführt werden.As an alternative or in addition, it is proposed that an aerator and / or filter for the condensation of gas bubbles be integrated into the prefeed pump. The aerator and / or filter promotes liquefaction of the admixed compressed gaseous fuel. The liquefaction of the compressed gaseous fuel helps to increase the efficiency of the high pressure pump. Preferably, the aerator and / or filter is or are arranged downstream of the at least one fluid flow machine and downstream of the gas compressor, further preferably the aerator and / or filter is or are connected downstream of the mixing chamber. In this way, with the aid of the prefeed pump, a largely bubble-free prefeed quantity can be generated and fed to the high-pressure pump.
Bevorzugt ist in die Vorförderpumpe mindestens ein Schaltventil integriert, mittels dessen die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff aus der Gasphase in mindestens einen Druckraum steuerbar ist. Das Schaltventil kann beispielsweise als schaltbares Rückschlagventil ausgeführt sein, das - wenn zugeschaltet - einen Druckaufbau in dem mindestens einen Druckraum ermöglicht. Zum Zuschalten des Rückschlagventils wird das Schaltventil bevorzugt bestromt. In dieser Schaltstellung kann über das Rückschlagventil sowohl gasförmiger Kraftstoff aus der Gasphase angesaugt, als auch verdichtet werden. Bei fehlender Bestromung nimmt weiterhin bevorzugt das Schaltventil eine Stellung ein, in der eine Strömungsverbindung des mindestens einen Druckraums mit der Gasphase in beiden Strömungsrichtungen besteht. In den mindestens einen Druckraum gelangender Kraftstoff kann somit einfach wieder ausgeschoben werden, so dass kein der Gasphase entnommener gasförmiger Kraftstoff mit Hilfe des integrierten Gasverdichters verdichtet und dem flüssigen Kraftstoff beigemischt wird.At least one switching valve is preferably integrated into the prefeed pump, by means of which the supply of gaseous fuel from the gas phase into at least one pressure chamber can be controlled. The switching valve can be designed, for example, as a switchable check valve which - when switched on - enables a pressure build-up in the at least one pressure chamber. The switching valve is preferably energized to switch on the check valve. In this switching position, both gaseous fuel can be sucked in from the gas phase via the check valve and also compressed. If there is no current supply, the switching valve also preferably assumes a position in which there is a flow connection between the at least one pressure chamber and the gas phase in both directions of flow. Fuel reaching the at least one pressure chamber can thus simply be pushed out again so that none of the gaseous fuel taken from the gas phase is compressed with the aid of the integrated gas compressor and mixed with the liquid fuel.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in die Vorförderpumpe mindestens ein weiterer Zulaufpfad zur Aufnahme von Leckage- und/oder Rücklaufmengen des Kraftstoffsystems integriert ist. Somit können auch die im Kraftstoffsystem anfallenden Leckage- und/oder Rücklaufmengen einer Nutzung zugeführt werden. Da die Leckage- und/oder Rücklaufmengen nicht mehr - wie sonst üblich - in den Tank rückgeführt werden, kann zugleich der Wärmeeintrag in den Tank verringert werden.In a further development of the invention, it is proposed that at least one further feed path for receiving leakage and / or return quantities of the fuel system be integrated into the prefeed pump. Thus, the leakage and / or return quantities occurring in the fuel system can also be used. Since the leakage and / or return quantities are no longer fed back into the tank - as is usually the case - the heat input into the tank can be reduced at the same time.
Die der Vorförderpumpe zugeführten Leckage- und/oder Rücklaufmengen werden vorzugsweise analog dem aus der Gasphase entnommenen gasförmigen Kraftstoff zunächst mit Hilfe des in die Vorförderpumpe integrierten Gasverdichters verdichtet und dann dem flüssigen Kraftstoff beigemischt.The leakage and / or return quantities fed to the pre-feed pump are preferably first compressed with the aid of the gas compressor integrated in the pre-feed pump, analogous to the gaseous fuel withdrawn from the gas phase, and then mixed with the liquid fuel.
Das heißt, dass die Leckage- und/oder Rücklaufmengen über den mindestens einen weiteren Zulaufpfad ebenfalls dem Druckraum des Verdichters zugeführt werden. Der mindestens eine weitere Zulaufpfad kann hierzu an den Zulaufpfad angeschlossen sein, über den gasförmiger Kraftstoff der Gasphase des Tanks entnommen wird (Hauptzulaufpfad). Die Einleitung in den Druckraum erfolgt dann über das im Hauptzulaufpfad vorgesehene Schaltventil. Alternativ kann der mindestens eine weitere Zulaufpfad über mindestens ein weiteres Schaltventil direkt an den Druckraum des Gasverdichters angeschlossen sein.This means that the leakage and / or return quantities are also fed to the pressure chamber of the compressor via the at least one further feed path. For this purpose, the at least one further feed path can be connected to the feed path via which gaseous fuel is withdrawn from the gas phase of the tank (main feed path). The introduction into the pressure chamber then takes place via the switching valve provided in the main inlet path. Alternatively, the at least one additional inlet path can be connected directly to the pressure chamber of the gas compressor via at least one additional switching valve.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Kraftstoffsystem zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit kryogenem Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfasst einen Tank zur Bevorratung des kryogenen Kraftstoffs in flüssiger Form, eine Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung des Kraftstoffs sowie eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe, mittels welcher der Hochdruckpumpe Kraftstoff aus dem Tank zuführbar ist. Dank der erfindungsgemäßen Vorförderpumpe kann das vorgeschlagene Kraftstoffsystem zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden bzw. nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Kraftstoffsystems können demnach ebenfalls die zuvor in Verbindung mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden. Insofern kann auch hier auf die entsprechende Beschreibung verwiesen werden.The further proposed fuel system for supplying an internal combustion engine with cryogenic fuel, in particular with natural gas, comprises a tank for storing the cryogenic fuel in liquid form, a high pressure pump for applying high pressure to the fuel and a pre-feed pump according to the invention, by means of which fuel can be supplied to the high pressure pump from the tank . Thanks to the prefeed pump according to the invention, the proposed fuel system can be used to carry out the method according to the invention described above or operated according to the method according to the invention described above. The advantages described above in connection with the method can accordingly also be achieved with the aid of the proposed fuel system. In this respect, reference can also be made here to the corresponding description.
Zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Vorförderpumpe des vorgeschlagenen Kraftstoffsystems derart mit dem Tank verbunden, dass der erste Zulaufpfad an die im Tank vorhandene Flüssigphase und der zweite Zulaufpfad an die im Tank vorhandene Gasphase des Kraftstoffs angeschlossen sind. Die Vorförderpumpe ist hierzu bevorzugt im Tank angeordnet. Die Anordnung kann insbesondere in der Nähe des Tankbodens erfolgen, so dass die Vorförderpumpe vorrangig von flüssigem Kraftstoff umgeben ist. Über eine Sauglanze kann dann die Anbindung der Vorförderpumpe an die Gasphase realisiert werden.To carry out the above-described method according to the invention, the prefeed pump of the proposed fuel system is connected to the tank in such a way that the first Feed path to the liquid phase present in the tank and the second feed path are connected to the gas phase of the fuel present in the tank. For this purpose, the prefeed pump is preferably arranged in the tank. The arrangement can in particular take place in the vicinity of the tank bottom, so that the prefeed pump is primarily surrounded by liquid fuel. The pre-feed pump can then be connected to the gas phase via a suction lance.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Vorförderpumpe über mindestens eine Rücklaufleitung mit der Hochdruckpumpe verbunden oder verbindbar ist. Über die mindestens eine Rücklaufleitung können der Vorförderpumpe in der Hochdruckpumpe anfallende Leckage- und/oder Rücklaufmengen zugeführt werden, so dass diese nicht in den Tank rückgeführt werden müssen, wodurch sich der Wärmeeintrag in den Tank verringert. Die Verbindung der Vorförderpumpe mit der Rücklaufleitung erfolgt vorzugsweise über einen weiteren Zulaufpfad, der weiterhin vorzugsweise stromaufwärts eines Schaltventils in den zweiten Zulaufpfad für den gasförmigen Kraftstoff mündet. Die Rücklaufleitung kann aber auch über ein weiteres Schaltventil direkt an den Druckraum des Gasverdichters angeschlossen sein.It is also proposed that the prefeed pump be or can be connected to the high pressure pump via at least one return line. Leakage and / or return quantities occurring in the high-pressure pump can be fed to the pre-feed pump via the at least one return line, so that they do not have to be returned to the tank, which reduces the heat input into the tank. The prefeed pump is connected to the return line preferably via a further feed path, which furthermore preferably opens up into the second feed path for the gaseous fuel upstream of a switching valve. The return line can, however, also be connected directly to the pressure chamber of the gas compressor via a further switching valve.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Vorförderpumpe über mindestens eine Rücklaufleitung mit einem Pufferspeicher verbunden oder verbindbar ist. Im Pufferspeicher können Leckage- und/oder Rücklaufmengen zunächst gesammelt werden, bevor sie der Vorförderpumpe zugeführt werden. Die Rücklaufmengen können insbesondere von einem Gasdruckregler stammen, mit dessen Hilfe der Druck in einem Gas-Rail des Kraftstoffsystems geregelt werden kann. Somit können auch diese Rücklaufmengen einer Nutzung zugeführt werden. Bevorzugt werden auch die Leckage- und/oder Rücklaufmengen aus dem Pufferspeicher über ein Schaltventil in den Druckraum des Gasverdichters eingeleitet. Hierbei kann es sich um das in den Hauptzulaufpfad integrierte Schaltventil oder ein zusätzliches Schaltventil handeln.As an alternative or in addition, it is proposed that the prefeed pump be connected or connectable to a buffer store via at least one return line. Leakage and / or return quantities can first be collected in the buffer tank before they are fed to the feed pump. The return quantities can, in particular, come from a gas pressure regulator, with the aid of which the pressure in a gas rail of the fuel system can be regulated. This means that these return quantities can also be used. The leakage and / or return quantities from the buffer store are preferably also introduced into the pressure chamber of the gas compressor via a switching valve. This can be the switching valve integrated in the main supply path or an additional switching valve.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorförderpumpe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, -
2 einen vergrößerten Ausschnitt der1 zur Darstellung der Vorförderpumpe beim Ansaugen von gasförmigem Kraftstoff, -
3 einen vergrößerten Ausschnitt der1 zur Darstellung der Vorförderpumpe beim Verdichten von gasförmigem Kraftstoff, -
4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, -
5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, -
6 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform, -
7 einen schematischen Längsschnitt durch dieVorförderpumpe der 6 beim Ansaugen von Kraftstoff, -
8 einen schematischen Längsschnitt durch dieVorförderpumpe der 6 beim Verdichten von Kraftstoff und -
9 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorförderpumpe gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.
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1 a schematic longitudinal section through a fuel system according to the invention with a prefeed pump according to the invention according to a first preferred embodiment, -
2 an enlarged section of the1 to show the feed pump when sucking in gaseous fuel, -
3 an enlarged section of the1 to show the feed pump when compressing gaseous fuel, -
4th a schematic longitudinal section through a prefeed pump according to the invention according to a second preferred embodiment, -
5 a schematic longitudinal section through a prefeed pump according to the invention according to a third preferred embodiment, -
6th a schematic longitudinal section through a prefeed pump according to the invention according to a fourth preferred embodiment, -
7th a schematic longitudinal section through the prefeed pump of6th when sucking in fuel, -
8th a schematic longitudinal section through the prefeed pump of6th when compressing fuel and -
9 a schematic longitudinal section through a prefeed pump according to the invention according to a fifth preferred embodiment.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das in der
Über eine im Tank
Wie insbesondere den
Der der Gasphase
Der flüssige Kraftstoff gelangt über einen seitlich angeordneten Zulaufpfad
Nach Durchlaufen der beiden Strömungsarbeitsmaschinen
Den
Bei dem Ausführungsbeispiel der
Bei dem Ausführungsbeispiel der
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den
In der
Bewegt sich anschließend in der Förderphase der Gasverdichterkolben
Die mit der Vorförderpumpe
Wie der
Im Betrieb der Hochdruckpumpe
Gleiches gilt in Bezug auf die Leckagemenge eines in die Hochdruckpumpe
Ebenfalls optional kann in die Vorförderpumpe
In der
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