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DE102010020795A1 - Druckminderungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Druckminderungsanordnung - Google Patents

Druckminderungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Druckminderungsanordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckminderungsanordnung zum Beaufschlagen einer Verbrennungskraftmaschine (12) eines Fahrzeugs (10) mit einem Gas als Brennstoff, mit einem Druckminderer (16) zum Verringern eines Drucks des Gases uns mit einer Heizeinrichtung zum Beheizen des Druckminderers (16), wobei die Heizeinrichtung einen Latentwärmespeicher (26) umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Druckminderungsanordnung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Druckminderungsanordnung zum Beaufschlagen einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs mit einem Gas als Brennstoff, mit einem Druckminderer zum Verringern eines Drucks des Gases und mit einer Heizeinrichtung zum Beheizen des Druckminderers. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Druckminderungsanordnung.
  • Die WO 2009/081 411 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, welcher sowohl mit Gas als auch mit flüssigem Kraftstoff betreibbar ist. In einem Gastank gespeichertes Flüssiggas (LPG, Liquefied Petroleum Gas) wird einem Druckregler zugeführt, welcher einen Wärmetauscher umfasst. Der Wärmetauscher wird mit warmem Kühlwasser beaufschlagt, welches wiederum durch das Betreiben der Verbrennungskraftmaschine erwärmt wird. Die über das warme Kühlwasser in den Druckregler eingebrachte Wärme führt dazu, dass das Flüssiggas verdampft und dann dem Verbrennungsmotor gasförmig zugeführt wird.
  • Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist es daher zunächst notwendig, den Verbrennungsmotor mit Kraftstoff zu betreiben, bis das Kühlwasser eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat, welche zum Verdampfen des Flüssiggases ausreicht.
  • Aus dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, eine elektrische Heizeinrichtung vorzusehen, welche bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors dafür sorgt, dass der Verdampfer auf die für das Verdampfen von Flüssiggas notwendige Betriebstemperatur gebracht wird. Eine solche elektrische Heizeinrichtung verringert jedoch einen Vorrat an elektrischer Energie des Fahrzeugs, welche dann nicht für andere Zwecke zur Verfügung steht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Druckminderungsanordnung der eingangs genannten Art und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer solchen Druckminderungsanordnung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Druckminderungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Druckminderungsanordnung zum Beaufschlagen einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs mit einem Gas als Brennstoff umfasst einen Druckminderer zum Verringern eines Drucks des Gases und eine Heizeinrichtung zum Beheizen des Druckminderers. Hierbei umfasst die Heizeinrichtung einen Latentwärmespeicher. Der Latentwärmespeicher ermöglicht es, die Enthalpie einer reversiblen thermodynamischen Zustandsänderung zu nutzen, indem beim Aufladen des Latentwärmespeichers Wärme in diesen eingebracht wird. Diese gespeicherte Wärme ist dann infolge der erneuten thermodynamischen Zustandsänderung des Speichermediums freisetzbar und steht zum Beheizen des Druckminderers zur Verfügung. Bei der verbesserten Druckminderungsanordnung braucht also zum Beheizen des Druckminderers weder elektrische Energie aufgewendet zu werden, noch muss die Verbrennungskraftmaschine mit einem anderen Medium als Gas betrieben werden, um Abwärme zum Beheizen des Druckminderers bereitzustellen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Druckminderer einen Verdampfer zum Verdampfen von Flüssiggas. Insbesondere wenn die Verbrennungskraftmaschine Flüssiggas als Brennstoff mit sich führt, ist es nämlich für einen zufriedenstellenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine notwendig, dass das Flüssiggas gasförmig in die Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird. Hierfür ist es notwendig, dem Druckminderer die zum Verdampfen des Flüssiggases notwendige Wärmeenergie bereitzustellen, was in besonders günstiger Weise durch den Latentwärmespeicher erfolgen kann.
  • Der Druckminderer kann ergänzend oder alternativ dazu ausgebildet sein, einen Druck von komprimiertem Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas) und/oder von verflüssigtem Erdgas (CLG, Compressed Liquefied Gas) zu verringern. Bei einem solchen Druckminderer kann es nämlich bei besonders niedrigen Außentemperaturen zu Problemen beim Betrieb kommen, etwa wenn Dichtungen aufgrund der Kälteeinwirkung ihre Dichtfunktion nicht mehr vollständig wahrnehmen können. Ebenso kann eine flexible Verbindungsleitung, welche an den Druckminderer angeschlossen ist, bei großer Kälte im Hinblick auf ihre Funktionstüchtigkeit und/oder Dichtigkeit eingeschränkt sein. Die Verbindungsleitung kann den Druckminderer mit der Verbrennungskraftmaschine koppeln. In solchen Fällen, in welchen Kälte die Funktionstüchtigkeit von Dichtungen und/oder Leitungen ungünstig beeinflusst, schafft das Einbringen von Wärme aus dem Latentwärmespeicher wirksam Abhilfe. So ist der Druckminderer auch bei besonders tiefer Außentemperatur einsetzbar, und das Fahrzeug kann auch bei großer Kälte direkt beim Kaltstart mit Erdgas betrieben werden.
  • Der Latentwärmespeicher kann ein Speichermedium aufweisen, mittels welchem Wärme aufgrund einer Änderung eines Aggregatszustands freisetzbar ist. Ergänzend kann die Wärme eines Lösungsprozesses und/oder eines Sorptionsprozesses und/oder einer reversiblen chemischen Reaktion mittels des Speichermediums freisetzbar sein. Durch derartige thermodynamische Zustandsänderungen ist es nämlich möglich, mittels des Speichermediums eine besonders große Wärmemenge zu speichern und bei Bedarf freizugeben.
  • Bei dem Sorptionsprozess kann es sich insbesondere um einen exothermen Adsorptionsprozess handeln, welcher zum Desorbieren wieder eines Wärmeintrags in das Speichermedium bedarf. Wird die Wärme aufgrund einer Änderung eines Aggregatszustands des Speichermediums freigesetzt, so ist hier insbesondere der Phasenübergang von flüssig nach fest vorteilhaft einsetzbar. Es kann das verflüssigte Speichermedium unterkühlt in dem Latentwärmespeicher vorliegen, wobei die Änderung des Aggregatszustands von flüssig nach fest insbesondere durch ein Einbringen von mechanischer Energie in das Speichermedium bewirkt sein kann. Ein solches Freisetzen von Wärme aus dem Speichermedium ist nämlich besonders gut steuerbar.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Druckminderungsanordnung wird eine Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs mit einem Gas als Brennstoff beaufschlagt. Mittels eines Druckminderers wird ein Druck des Gases verringert, und der Druckminderer wird mittels eines Latentwärmespeichers beheizt.
  • Die für die erfindungsgemäße Druckminderungsanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Druckminderungsanordnung.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, welche mit verdampften Flüssiggas beaufschlagt wird, wobei in einen Verdampfer zum Verdampfen des Flüssiggases Wärme eines Latentwärmespeichers eingebracht wird; und
  • 2 schematisch die Verbrennungskraftmaschine gemäß 1 während eines Beladevorgangs des Latentwärmespeichers, bei welchem über warmes Kühlwasser Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in den Verdampfer und in den Latentwärmespeicher eingebracht wird.
  • Von einem Fahrzeug 10 ist in 1 schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 12 gezeigt. Die Verbrennungskraftmaschine 12 ist mit Flüssiggas (LPG, Liquefied Petroleum Gas) betreibbar, welches in einem Tank 14 gespeichert ist. Das Flüssiggas wird einem Verdampfer 16 zugeführt, welcher sowohl für eine Verminderung des Drucks des Gases als auch für dessen Verdampfen sorgt. Das verdampfte und einen verringerten Druck aufweisende Gas wird einer Dosiereinrichtung 18 zugeführt, über welche das als Brennstoff dienende Gas in ein Saugrohr 20 der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird.
  • Der Verdampfer 16 ist über Kühlwasserleitungen 22, 24 in einen Motorkühlkreislauf eingebunden, über welchen Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 12 dem Verdampfer 16 zur Verfügung gestellt werden kann. Bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 12 steht jedoch noch kein ausreichend warmes Kühlwasser zur Verfügung, um das Flüssiggas in dem Verdampfer 16 zu verdampfen.
  • Solange das Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine 12 noch keine ausreichend hohe Temperatur aufweist, sorgt ein Latentwärmespeicher 26 für ein Einbringen von Wärme 28 in den Verdampfer 16.
  • Der Latentwärmespeicher 26 speichert Wärme über einen reversiblen thermodynamischen Phasenübergang, welcher vorliegend mit einer Änderung des Aggregatszustands von fest nach flüssig einhergeht. Der Phasenübergang von flüssig nach fest wird vorliegend durch ein Einbringen von mechanischer Energie in ein Speichermedium des Latentwärmespeichers 26 ausgelöst. Beim Phasenübergang von flüssig nach fest wird die Schmelzwärme des Speichermediums frei und der Latentwärmespeicher 26 wird entladen.
  • Das Entladen des Latentwärmespeichers 26 ist in 1 durch einen Pfeil 30 angedeutet, welcher von einem geladenen Zustand des Latentwärmespeichers 26 zu einem entladenen Zustand 32 des Latentwärmespeichers 26 weist.
  • Das Speichermedium des Latentwärmespeichers 26 ist vorliegend so gewählt, dass seine Phasenübergangstemperatur, vorliegend sein Schmelzpunkt, geringer ist als eine Kühlwassertemperatur im Motorkühlkreislauf, welche sich beim Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 12 einstellt. Des Weiteren liegt der Schmelzpunkt oberhalb einer Temperatur, welche der Verdampfer 16 erreichen sollte, um für ein ausreichendes Verdampfen des Flüssiggases zu sorgen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Latentwärmespeicher 26 beim Übergang des Speichermediums vom flüssigen in den festen Zustand Wärme 28 direkt an den Verdampfer 16 abgibt. Ergänzend oder alternativ kann der Latentwärmespeicher 26 Wärme 28 an das Kühlwasser abgeben, welches wiederum Wärme auf den Verdampfer 16 überträgt.
  • Bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 12 wird zunächst der Verdampfer mittels der Wärme 28 des geladenen Latentwärmespeichers 26 erwärmt, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 30°C, insbesondere auf eine Temperatur von mindestens 40°C. Wenn dann durch den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 das Kühlwasser eine zum Verdampfen des Flüssiggases ausreichend hohe Temperatur erreicht hat, sorgt das Kühlwasser für das Beheizen des Verdampfers 16. Das Kühlwasser kann hierbei dem Verdampfer 16 über die Kühlwasserleitung 22 zugeführt und über die Kühlwasserleitung 24 von diesem weggeführt werden.
  • Der Latentwärmespeicher 26 ist vorliegend zum Speichern einer Wärmemenge ausgelegt, mittels welcher der Verdampfer wenigstens zweimal, insbesondere wenigstens dreimal, auf die beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 12 vorzusehende Temperatur aufheizbar ist, bei welcher der Verdampfer 16 für ein ausreichendes Verdampfen des Flüssiggases sorgt. In alternativen Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, dass die Masse des Speichermediums ausreicht, mehr als drei aufeinander folgende Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine 12 zu ermöglichen, bei welchen direkt das Flüssiggas als Brennstoff zum Einsatz kommt, ohne dass zwischendurch das warme Kühlwasser für ein erneutes Verflüssigen des Speichermediums gesorgt hat.
  • Wie in 1 schematisch angedeutet ist, kann die Dosiereinrichtung 18 eine Mehrzahl von Injektoren 34 aufweisen, von denen vorliegend beispielhaft vier gezeigt sind. Jeder der Injektoren 34 ist einem Arm 36 zugeordnet, über welchen jeweils ein Zylinder 38 der Verbrennungskraftmaschine 12 mit dem Gas als Brennstoff beaufschlagbar ist. Dies ermöglicht ein zylinderselektives Einbringen des Gases in die Verbrennungskraftmaschine 12.
  • In alternativen Ausführungsformen kann eine direkte Beaufschlagung der Zylinder 38 über einen jeweiligen Injektor 34 vorgesehen sein, oder es kann die Dosiereinrichtung das Gas stromaufwärts der Arme 36 in das Saugrohr 20 einbringen. In 1 ist des Weiteren ein Abgastrakt 40 der Verbrennungskraftmaschine 12 gezeigt.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 12 des Fahrzeugs 10 kann zusätzlich für den Betrieb mit herkömmlichem Kraftstoff ausgelegt sein, wobei dann (vorliegend nicht gezeigte) Injektoren für ein Beaufschlagen der Zylinder 38 mit dem Kraftstoff sorgen.
  • 2 veranschaulicht einen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 12, bei welchem Abwärme 42 der Verbrennungskraftmaschine 12 über die Kühlwasserleitungen 22, 24 in den Latentwärmespeicher 26 eingebracht wird. Die Abwärme 42 sorgt für ein Überführen des Speichermediums des Latentwärmespeichers 26 von dem entladenen, festen Zustand 32 in den flüssigen geladenen Aggregatszustand. Der Phasenübergang ist in 2 durch einen Pfeil 44 veranschaulicht. Wenn die Verbrennungskraftmaschine 12 über einen ausreichend langen Zeitraum Abwärme 42 liefert, ist so ein vollständiges Regenerieren des Latentwärmespeichers 26 möglich, in welchem dann die Gesamtheit des Speichermediums in flüssigem Aggregatszustand vorliegt.
  • Die vorliegend am Beispiel eines mit Flüssiggas betriebenen Fahrzeugs 10 beschriebene Funktion des Latentwärmespeichers 26 kann auch bei einem Druckminderer zum Einsatz kommen, welcher dazu dient, den Druck von komprimiertem Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas) oder von verflüssigtem Erdgas (CLG, Compressed Liquefied Gas) zu verringern.
  • Hier sorgt dann das Einbringen von Wärme 28 von dem Latentwärmespeicher 26 in den Druckminderer dafür, dass kälteempfindliche Bauteile wie Anschlussleitungen und/oder Dichtungen ihre volle Funktionstüchtigkeit bewahren. So kann auch bei dem mit Erdgas betriebenen Fahrzeug 10 der Latentwärmespeicher 26 dafür sorgen, dass bei tiefen Außentemperaturen die Verbrennungskraftmaschine 12 bei einem Kaltstart direkt mit Gas betreibbar ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Fahrzeug
    12
    Verbrennungskraftmaschine
    14
    Tank
    16
    Verdampfer
    18
    Dosiereinrichtung
    20
    Saugrohr
    22
    Kühlwasserleitung
    24
    Kühlwasserleitung
    26
    Latentwärmespeicher
    28
    Wärme
    30
    Pfeil
    32
    entladener Zustand
    34
    Injektor
    36
    Arm
    38
    Zylinder
    40
    Abgastrakt
    42
    Abwärme
    44
    Pfeil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2009/081411 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Druckminderungsanordnung zum Beaufschlagen einer Verbrennungskraftmaschine (12) eines Fahrzeugs (10) mit einem Gas als Brennstoff, mit einem Druckminderer (16) zum Verringern eines Drucks des Gases und mit einer Heizeinrichtung zum Beheizen des Druckminderers (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung einen Latentwärmespeicher (26) umfasst.
  2. Druckminderungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckminderer einen Verdampfer (16) zum Verdampfen von Flüssiggas umfasst.
  3. Druckminderungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckminderer (16) zum Verringern eines Drucks von komprimiertem und/oder verflüssigtem Erdgas ausgebildet ist.
  4. Druckminderungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (26) ein Speichermedium aufweist, mittels welchem Wärme (28) aufgrund einer Änderung eines Aggregatszustands und/oder eines Lösungsprozesses und/oder eines Sorptionsprozesses, insbesondere Adsorptionsprozesses, und/oder einer reversiblen chemischen Reaktion, insbesondere durch ein Einbringen von mechanischer Energie in das Speichermedium, freisetzbar ist.
  5. Druckminderungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Latentwärmespeichers (26) der Druckminderer (16) auf eine Temperatur von mindestens 30°C, insbesondere von mindestens 40°C, aufheizbar ist.
  6. Druckminderungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (26) zum Speichern einer Wärmemenge ausgelegt ist, mittels welcher der Druckminderer (16) wenigstens zweimal, insbesondere wenigstens dreimal, auf eine vorbestimmte Temperatur aufheizbar ist.
  7. Druckminderungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckminderer (16) und/oder der Latentwärmespeicher (26) mit einem Medium beaufschlagbar sind, in welches Abwärme (42) der Verbrennungskraftmaschine (12) einbringbar ist.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Druckminderungsanordnung, bei welchem eine Verbrennungskraftmaschine (12) eines Fahrzeugs (10) mit einem Gas als Brennstoff beaufschlagt wird, wobei mittels eines Druckminderers (16) ein Druck des Gases verringert wird, und bei welchem der Druckminderer (16) mittels einer Heizeinrichtung beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckminderer (16) mittels eines Latentwärmespeichers (26) beheizt wird.
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