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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer
gasbetriebenen Antriebseinrichtung. Aus dem Stand der Technik sind
Kraftfahrzeuge bekannt, die mit gasförmigen Treibstoffen betrieben
werden. Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor beschrieben, es wird jedoch
darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch bei anderen
Energiewandlern bzw. Antriebseinrichtungen eingesetzt werden kann,
wie beispielsweise bei Brennstoffzellenantriebssystemen.
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Die
Kraftstoffzufuhr in Verbrennungsmotoren, die mit gasförmigen Kraftstoffen
betrieben werden, erfolgt durch Einblasung und insbesondere Druckeinblasung
in das Saugrohr bzw. direkt in den Verbrennungsraum. Dabei ist es
möglich,
zur Erzielung hoher Wirkungsgrade bei gleichzeitiger Verringerung
von Emissionen durch Direkteinblasung in den Brennraum den Verbrennungsprozess
vorteilhaft zu beeinflussen. Je höher der Einblasedruck ist, umso
besser kann der Zeitpunkt und die Dauer der Einblasung beeinflusst
werden, so dass es sogar möglich
ist, ein Brennverfahren zu erhalten, welches dem eines Dieselmotors ähnlich ist.
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Dabei
erfolgt üblicherweise
die Bereitstellung des notwendigen Einblasedrucks über einen Druckregler,
der jedoch nur arbeiten kann so lange der Druck in der Tankanlage
oberhalb des erforderlichen Einblasedrucks des Motors liegt. Damit
wird der nutzbare Vorratsdruck und damit auch die Reichweite des
Fahrzeugs im Falle höher
werdender Mindesteinblasdrücke
immer stärker
reduziert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Reichweite
von mit gasförmigen
Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen zu erhöhen. Weiterhin soll eine Möglichkeit
geschaffen werden, um stets ausreichende Druckverhältnisse
zum Betreiben der entsprechenden Energiewandler bzw. Motoren zu
erreichen.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand von Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug
mit einer gasbetriebenen Antriebseinrichtung zum Bewegen des Fahrzeugs
weist eine Tankeinrichtung auf, in der ein Treibstoff zur Versorgung
der Antriebseinrichtung angeordnet ist, sowie wenigstens eine Verbindungsleitung,
welche die Tankeinrichtung mit der Antriebseinrichtung verbindet,
um der Antriebseinrichtung den gasförmigen Treibstoff zuzuführen.
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Erfindungsgemäß weist
das Kraftfahrzeug eine Zwischenspeichereinrichtung für den gasförmigen Treibstoff
auf, sowie eine Verdichtereinrichtung zum Erhöhen des Drucks des gasförmigen Treibstoffs
und diese Zwischenspeichereinrichtung steht wenigstens mittelbar
mit der Verdichteinrichtung in Fluidverbindung. Bei der Antriebseinrichtung
handelt es sich bevorzugt um einen Verbrennungsmotor, es wären jedoch
auch andere Energiewandler und insbesondere solche Energiewandler,
die ein erhöhtes Druckniveau
benötigen,
einsetzbar. Bei der Verbindungsleitung handelt es sich um eine solche
Verbindungsleitung, durch welche der Treibstoff zuführbar ist.
Dabei ist es möglich,
dass sich der Treibstoff in gasförmigen
Zustand in der Tankeinrichtung befindet, es wäre jedoch auch möglich, dass
der Treibstoff in der Tankeinrichtung in flüssigen Aggregatszustand vorliegt.
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Über die
erfindungsgemäße Zwischenspeichereinrichtung
wird erreicht, dass stets ein ausreichendes Druckniveau für den Betrieb
der Antriebseinrichtung zur Verfügung
steht. Dabei wird durch diese Zwischenspeichereinrichtung erreicht,
dass der Drucktankinhalt auch noch vollständig genutzt werden kann, wenn
der Füllstand
des Tanks niedrig ist, wobei in diesem Falle über die Zwischenspeichereinrichtung
und die Verdichtereinrichtung der notwendige Mindestversorgungsdruck
unabhängig
von dem Tankdruckniveau bis hin zur völligen Entleerung des Tanks
bereit gestellt wird.
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Es
wäre auch
möglich,
dass keine Zwischenspeichereinrichtung vorgesehen ist und die Verdichtereinrichtung,
sobald das Druckniveau unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, ständig aktiv
ist.
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Vorzugsweise
steht die Zwischenspeichereinrichtung über eine zweite Druckversorgungsleitung
mit der Tankeinrichtung wenigstens zeitweise in Fluidverbindung.
Da die Tankeinrichtung bzw. die Drucktankanlage und die Zwischenspeichereinrichtung
hier direkt über
eine Druckleitung verbunden sind, stellt sich bereits bei der Betankung
ein Druckausgleich zwischen der Tankeinrichtung und der Zwischenspeichereinrichtung
ein.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform stehen die Tankeinrichtung
und die Verdichtereinrichtung über
eine erste Druckversorgungsleitung wenigstens zeitweise in Fluidverbindung.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform stehen die Zwischenspeichereinrichtung und
die Verdichtereinrichtung über
eine zweite Druckversorgungsleitung wenigstens zeitweise in Fluidverbindung.
Auf diese Weise kann auch die Zwischenspeichereinrichtung mit Hilfe
der Verdichtereinrichtung wenigstens zeitweise mit dem gasförmigen Treibstoff
unter Druck versorgt werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verdichtereinrichtung
von der Antriebseinrichtung antreibbar. Die Erzeugung von hohem
Druck kann bei dieser Ausführungsform
vorzugsweise über
eine Verdichtereinrichtung in Form eines Kompressors erfolgen, der
mechanisch von der Antriebseinrichtung, wie dem Verbrennungsmotor,
antreibbar ist. Dabei kann zwischen der Antriebseinrichtung und
der Verdichtereinrichtung eine Kupplungseinrichtung vorgesehen sein,
damit der Antrieb der Verdichtereinrichtung durch die Antriebseinrichtung
wahlweise zu- oder abgeschaltet werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verdichtereinrichtung über einen Elektromotor
antreibbar. Besonders bevorzugt erfolgt der Antrieb der Verdichtereinrichtung
wahlweise über den
Elektromotor und wahlweise über
die Antriebseinrichtung. Zusätzlich
ist es möglich,
dass elektrischer Strom in einem Speicher bevorratet wird, um den
Betrieb des Elektromotors unabhängig
von einem Generator wie der Lichtmaschine zu gestalten.
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Auf
diese Weise kann eine Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung
von Druck zur Einblasung des gasförmigen Kraftstoffes auf permanent
hohem Druckniveau im Fahrzeug erreicht werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in wenigstens
einer Druckversorgungsleitung und vorzugsweise in der ersten Druckversorgungsleitung
eine Ventileinrichtung vorgesehen, die derart gestaltet ist, dass
der gasförmige
Treibstoff nicht von der Zwischenspeichereinrichtung zu der Tankeinrichtung
und bevorzugt auch nicht zu der Verdichtereinrichtung gelangt. Bei
dieser Ventileinrichtung handelt es sich bevorzugt um eine mechanische Steuerkomponente
und insbesondere um ein Rückschlagventil.
Auf diese Weise wird er reicht, dass unabhängig von dem Zustand der Tankeinrichtung
ein hohes Druckniveau innerhalb der Zwischenspeichereinrichtung
aufrechterhalten werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in der zweiten
Druckversorgungsleitung eine Ventileinrichtung angeordnet, die derart
gestaltet ist, dass der gasförmige
Treibstoff nicht von der Zwischenspeichereinrichtung zu der Verdichtereinrichtung
gelangen kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem Betrieb
der Verdichtereinrichtung die Zwischenspeichereinrichtung mit dem
gasförmigen
Treibstoff unter Druck versorgt werden kann, umgekehrt und insbesondere
bei einem Stillstand der Verdichtereinrichtung kein gasförmiger Treibstoff
in die Verdichtereinrichtung gelangen kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug
eine Druckmesseinrichtung auf, welche einen Druck des gasförmigen Treibstoffs
in der Tankeinrichtung erfasst. Auf diese Weise ist es möglich, dass
abhängig
von dem gemessenen Druck jeweils beispielsweise die Verdichtereinrichtung
aktiviert wird oder aber eine Versorgung der Antriebseinrichtung
mit dem gasförmigen Treibstoff
aus der Zwischenspeichereinrichtung aktiviert wird. Vorzugsweise
ist auch eine Druckmesseinrichtung vorgesehen, welche einen Druck
des gasförmigen
Treibstoffs in der Zwischenspeichereinrichtung misst. Auch die Ausgänge dieser
Druckmesseinrichtung können
zur Regelung des Systems verwendet werden.
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Vorzugsweise
ist die Antriebseinrichtung ein Verbrennungsmotor.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug
eine Steuerungseinheit und besonders bevorzugt eine Regelungseinheit
auf, welche die Verdichtereinrichtung steuert. Dabei kann diese
Regelung in Abhängigkeit
von den oben genannten gemessenen Drücken erfolgen, aber auch in
Abhängigkeit
von einem Fahrzustand des Fahrzeugs. So ist es beispielsweise möglich, dass
ein Betrieb der Verdichtereinrichtung vorzugsweise in Schubphasen
des Verbrennungsmotors erfolgt, in denen überschüssige Energie zur Verfügung steht
oder aber auch in betriebsoptimalen Lastpunkten, d. h. optimalen
Lastpunkten im Bezug auf Verbrauch und/oder Emissionen. Daneben
kann, wie oben erwähnt,
die Verdichtung auch über
den Elektromotor erfolgen, der in Abhängigkeit von der Fahrsituation
von einem Generator oder Energiespeicher versorgt wird.
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Auch
zwischen diesem Elektromotor und der Verdichtereinrichtung kann
eine Kupplungseinrichtung vorgesehen sein, welche einen zeitweisen
Betrieb der Verdichtereinrichtung durch den Elektromotor erreicht.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Steuern
eines Kraftfahrzeugs bzw. eines Motors gerichtet, wobei einer Antriebseinrichtung
des Kraftfahrzeugs ein gasförmiger
Treibstoff von einer Tankeinrichtung über eine erste Druckversorgungsleitung
zum Betrieb der Antriebseinrichtung zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird mittels
einer Verdichtereinrichtung wenigstens zeitweise der Druck des gasförmigen Treibstoffs
erhöht
und wenigstens zeitweise der gasförmige Treibstoff von einer
Verdichtereinrichtung über
eine zweite Druckversorgungsleitung zu einer Zwischenspeichereinrichtung
für den
gasförmigen
Treibstoff verbracht. Damit wird auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen,
sowohl eine Verdichtereinrichtung als auch eine Zwischenspeichereinrichtung
vorzusehen, durch deren Hilfe ein ständig hohes Druckniveau beim
Betrieb des Fahrzeugs erreicht wird.
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Es
wäre auch
hier möglich,
auf die Zwischenspeichereinrichtung zu verzichten und die Verdichtereinheit
derart anzusteuern, dass, sobald der Druck des gasförmigen Mediums
unter einen bestimmten Solldruck fällt, diese aktiviert wird.
Damit handelt es sich bei der Verdichtereinrichtung auch hier insbesondere
um eine aktive Einheit, wie einen Kompressor.
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Vorzugsweise
wird die Verdichtereinrichtung wenigstens zeitweise mechanisch von
der Antriebseinrichtung direkt angetrieben.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Antrieb
der Verdichtereinrichtung durch die Antriebseinrichtung in Abhängigkeit
von Fahrphasen des Fahrzeugs gesteuert, also, wie oben erwähnt, beispielsweise
in den Schubphasen des Verbrennungsmotors.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus der beigefügten
Zeichnung:
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
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Bei
der in 1 gezeigten Darstellung bezieht sich das Bezugszeichen 2 auf
eine Antriebseinrichtung wie insbesondere einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor.
Eine Ab triebswelle dieser Antriebseinrichtung wirkt über ein
Getriebe 33 auf Räder 35 eines
Kraftfahrzeugs. Diese Antriebseinrichtung 2 wird ausgehend
von einer Tankeinrichtung 4 mit einem gasförmigen Brennstoff
versorgt. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 18 auf eine
Druckregeleinheit, welche den Druck des in die Antriebseinrichtung 2 gelangenden
Gases reguliert. Dabei wird der gasförmige Brennstoff über eine
Verbindungsleitung 12 von der Tankeinrichtung 4 zu
der Antriebseinrichtung 2 gefördert.
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Zur
Erreichung höherer
Druckniveaus des gasförmigen
Mediums weist die Vorrichtung eine Verdichtereinrichtung 16 auf,
welche den Gasdruck des gasförmigen
Brennstoffs erhöht.
Diese Verdichtereinrichtung 16 kann wahlweise von der Antriebseinrichtung 2 über eine
Kupplung 48 oder von einem Elektromotor 30 über eine
Kupplung 46 angetrieben werden.
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Das
Bezugszeichen 42 bezieht sich auf eine Energiespeichereinrichtung
wie beispielsweise die Batterie eines Kraftfahrzeuges. Daneben könnten jedoch
auch andere Energiespeichereinrichtungen vorgesehen sein. Diese
Energiespeichereinrichtung wird über
eine Regelungseinrichtung 44 geregelt.
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Das
Bezugszeichen 28 zeigt einen Generator, der von der Antriebseinrichtung 2 angetrieben wird
und seinerseits elektrische Energie erzeugt, die über elektrische
Leitungskabel 54 und einen Verteiler 50 zu dem
Energiespeicher 42 gelangt.
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Das
Bezugszeichen 8 bezieht sich auf eine Zwischenspeichereinrichtung,
in der der gasförmige Brennstoff
bevorzugt unter höherem
Druck gespeichert ist. Das Bezugszeichen 22 bezieht sich
auf eine erste Druckversorgungsleitung, über welche die Verdichtereinrichtung 16 der
Tankeinrichtung 4 in Fluidverbindung steht. Das Bezugszeichen
P1 bezieht sich auf eine Strömungsrichtung
des gasförmigen Brennstoffs
in der Druckversorgungsleitung 22. Damit gelangt der gasförmige Brennstoff
ausgehend von der Tankeinrichtung zu der Verdichtereinrichtung 16,
welche ihn anschließend
unter erhöhtem
Druck weiterfördern
kann in Richtung der Zwischenspeichereinrichtung 8. Das
Bezugszeichen 38 bezieht sich auf ein Rückschlagventil, welches verhindert,
dass umgekehrt von der Zwischenspeichereinrichtung 8 der
gasförmige
Brennstoff in Richtung der Verdichtungseinrichtung 16 gelangen
kann.
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Dabei
wäre es
auch möglich,
auf die Zwischenspeichereinrichtung 8 zu verzichten und
die Antriebseinrichtung 2 ausgehend von der Tankeinrichtung 4 direkt über die
Verdichtereinrichtung 16 zu versorgen. In diesem Falle
müsste
jedoch ab einem gewissen Stand des Treib stoffes in der Tankeinrichtung
diese Verdichtereinrichtung 16 permanent betrieben werden.
Der Zwischenspeicher schafft bevorzugt eine Möglichkeit um den Betrieb der
Verdichtereinrichtung freier gestalten zu können. Die Zwischenspeichereinrichtung 8 könnte auch
direkt neben der Tankeinrichtung 4 angeordnet sein.
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Das
Bezugszeichen 32 bezieht sich auf eine Druckmesseinrichtung,
welche den Druck innerhalb der Tankeinrichtung 4 misst
und das Bezugszeichen 34 auf eine weitere Druckmesseinrichtung,
welche den Druck des gasförmigen
Brennstoffs innerhalb der Zwischenspeichereinrichtung 8 misst. Über eine
Verbindungsleitung 14 gelangt der gasförmige Brennstoff auch von der
Zwischenspeichereinrichtung 8 über die Druckregeleinrichtung 18 in
die Antriebseinrichtung 2.
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Das
Bezugszeichen 20 bezieht sich auf eine Steuerungs- bzw.
Regelungseinrichtung zur Regelung der Verdichtereinheit. Dabei gehen
die von den Druckmessgeräten 32 und 34 ausgegebenen
Druckmesswerte als Eingänge
in diese Regeleinrichtung über
elektrische Verbindungsleitungen 62, 64 ein. Über elektrische
Verbindungsleitungen 66 und 70 steuert bzw. regelt
die Regeleinrichtung 20 die beiden Kupplungen 46 und 48.
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Über eine
elektrische Leitung 68 ist auch die Energiespeichereinrichtung 42 an
die Regelungseinrichtung 20 angebunden. Über eine
elektrische Verbindungsleitung 52 erfolgt ausgehend von
der Regeleinrichtung 44 auch eine Regelung des Generators 28.
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Durch
die in 1 veranschaulichte Anbindung an die Fahrzeugelektronik
wird eine bedarfsgerechte Vordruckregelung des gasförmigen Kraftstoffs möglich, so
dass insbesondere die geleistete Verdichtungsarbeit primär in Phasen,
in denen der Motor keinen Kraftstoff verbraucht (z. B. Schub- oder
Bremsphasen) geleistet wird. Auch ist es, wie in 1 gezeigt,
möglich,
mit Hilfe gespeicherter elektrischer Energie die Verdichterarbeit
unter Einsatz des Elektromotors 30 zu verrichten. Falls
der Druck PT in der Tankeinrichtung 4 größer ist
als der geforderte Einblasdruck reicht dieses Druckniveau für die Einblasung
von Kraftstoff in die Antriebseinrichtung 2 aus. Da hier
die Tankeinrichtung 4 und die Zwischenspeichereinrichtung 8 direkt über eine
Druckleitung 12, 14 verbunden sind, stellt sich
bereits bei der Betankung der Tankeinrichtung 4 ein Druckausgleich
zwischen der Tankeinrichtung 4 und der Zwischenspeichereinrichtung 8 ein.
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Falls
der Druck PT in der Tankeinrichtung 4 geringer
ist als der geforderte Einblasdruck PE wird mittels
der Verdichtereinrichtung 16 der zu geringe Kraftstoffdruck
in der Tankeinrichtung über
den erforderlichen Versorgungsdruck hinaus erhöht und zusätzlich in der Zwischenspeichereinrichtung 8 bevorratet.
Ein Rückschlagventil 36 verhindert,
dass der gasförmige
Kraftstoff von der Zwischenspeichereinrichtung 8 zurück in die
Tankeinrichtung 4 gelangen kann.
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Das
Bezugszeichen 56 bezieht sich auf ein Absperrventil, mit
dem die Zuführung
des gasförmigen
Kraftstoffs sowohl an die Antriebseinrichtung 2 als auch
an die Verdichtereinrichtung 16 gesperrt werden kann.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird die Bereitstellung von Kraftstoff
auf hohem Druckniveau unabhängig
von einem Entleerungsgrad der Tankeinrichtung 4 erreicht.
Auf diese Weise können
die Vorteile einer Direkthochdruckeinblasung, z. B. in einem Verbrennungsmotor,
ohne Reichweitenverlust genutzt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Vorrichtung ergibt sich durch die zeitliche
Entkopplung der Druckerhöhung
bis zum maximal zulässigen
Druck unabhängig von
der momentanen Drucksituation. Auf diese Weise kann das erforderliche
Druckgefälle
in der Zwischenspeichereinrichtung 8 zu einem Zeitpunkt
erzeugt werden, in der kein zusätzlicher
Kraftstoffbedarf notwendig ist.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 2
- Antriebseinrichtung
- 4
- Tankeinrichtung
- 8
- Zwischenspeichereinrichtung
- 12,
14
- Verbindungsleitung
- 16
- Verdichtereinrichtung
- 18
- Druckregeleinheit
- 20
- Steuerungs-
Regelungseinrichtung
- 22
- erste
Druckversorgungsleitung
- 28
- Generator
- 30
- Elektromotor
- 32,
34
- Druckmesseinrichtung
- 33
- Getriebe
- 35
- Räder
- 38
- Rückschlagventil
- 42
- Energiespeichereinrichtung
- 44
- Regelungseinrichtung
- 46,
48
- Kupplungen
- 50
- Verteiler
- 52
- elektrische
Verbindungsleitung
- 54
- Leitungskabel
- 56
- Absperrventil
- 62,
64, 66, 68
- elektrische
Verbindungsleitungen
- P1
- Strömungsrichtung
- PT
- Druck
in der Tankeinrichtung 4
- PE
- Einblasdruck