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Die folgende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor. Ferner betrifft die Erfindung ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer zuvor genannten Vorrichtung.
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Es gibt Fahrzeuge, die mit einem Gaskraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas oder Wasserstoff, betrieben werden. Dabei wird der Gaskraftstoff in einem Gaskraftstofftank gespeichert. Beim Betrieb des Fahrzeugs wird der Gaskraftstoff zu einem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs zugeführt und dort mit aus der Fahrzeugumgebung angesaugter Luft zu einem Gaskraftstoff-Luft-Gemisch gemischt. Das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch wird dann in Brennkammer des Verbrennungsmotors eingesaugt und dort verbrannt, wobei die in dem Gaskraftstoff gespeicherte chemische Energie in die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors umgewandelt wird.
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Wie allgemein üblich, besteht bei Fahrzeugen mit einem derartigen Gaskraftstoff als Energiequelle der Bedarf, den Verbrauch vom Gaskraftstoff zu reduzieren.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, den Verbrauch von der Energie allgemein, insbesondre den Verbrauch vom dem Gaskraftstoff, zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Gaskraftstoffeinlass zur Aufnahme des Gaskraftstoffs, der beispielsweise in einem Gaskraftstofftakt des Fahrzeugs unter einem hohen Druck zwischengespeichert ist. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Druckkraftmaschine, die eingerichtet ist, den Druck des Gaskraftstoffs durch beispielsweise Expandieren des Gaskraftstoffs zu verringern, insbesondere bis auf einen konstanten oder veränderlichen, vorgegebenen Druckwert. Dabei ist die Druckkraftmaschine stromabwärts des Gaskraftstoffeinlasses angeordnet und erhält den Gaskraftstoff über den Gaskraftstoffeinlass. Die Vorrichtung umfasst zudem einen Lufteinlass zur Aufnahme von Luft, beispielsweise von der Fahrzeugumgebung. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Luftverdichter, die eingerichtet ist, den Druck der Luft durch beispielsweise Komprimieren der Luft zu erhöhen, insbesondere bis auf einen konstanten oder veränderlichen, vorgegebenen Druckwert. Dabei ist der Luftverdichter stromabwärts des Lufteinlasses angeordnet und erhält die Luft über den Lufteinlass. Die Vorrichtung umfasst außerdem ein Übertragungsglied, das eingerichtet ist, eine Leistung, insbesondere eine thermische, elektrische und/oder mechanische Leistung, von der Druckkraftmaschine zu dem Luftverdichter und/oder umgekehrt zu übertragen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass zur Reduzierung des Verbrauchs des Gaskraftstoffs vor allem der Wirkungsgrad bei der Nutzung der in dem Gaskraftstoff gespeicherten Energie, nämlich sowohl der chemischen als auch der thermodynamischen Energie des unter dem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs, erhöht werden soll.
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Dabei hängt der Wirkungsgrad des Gaskraftstoffs in erster Linie von dem Mengenverhältnis des Gaskraftstoffs und der Luft in dem Gaskraftstoff-Luft-Gemisches ab, das in dem Verbrennungsmotor verbrannt wird. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gaskraftstoffs müssen der Gaskraftstoff und die Luft in einem optimalen Mengenverhältnis in den Verbrennungsmotor zugeführt werden.
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Dabei steht der Gaskraftstoff, der dem Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, unter einem hohen Druck, der weit höher liegt als der Druck der Luft, der in der Regel bei dem atmosphärischen Druck liegt. Dieser Druckunterschied zwischen dem Gaskraftstoff und der Luft führt dazu, dass der unter dem hohen Druck stehende Gaskraftstoff die unter dem niedrigen Druck stehende Luft wegdrängt.
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Um dies entgegenzuwirken, wurde im Rahmen dieser Erfindung die oben beschriebene Vorrichtung entwickelt, mit der die Druckniveaus von dem Gaskraftstoff und der Luft angeglichen werden, bevor der Gaskraftstoff und die Luft dem Verbrennungsmotor zugeführt werden.
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Mit der Druckkraftmaschine zur Verringerung des Drucks des Gaskraftstoffs und dem Luftverdichter zur Erhöhung des Drucks der Luft sowie durch die Anordnung sowohl der Druckkraftmaschine als auch des Luftverdichters stromaufwärts des Verbrennungsmotors bzw. dessen Ansaugtrakts können der Gaskraftstoff und die Luft auf einen optimalen Druckwert angeglichenen Druckniveaus dem Ansaugtrakt bzw. dem Verbrennungsmotor zugeführt werden können, in dem das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch dann anschließend ohne weiteres angezündet werden kann.
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Dadurch wird es möglich, den Gaskraftstoff und die stets in einem optimalen Mengenverhältnis bereitzustellen, das eine optimale Verbrennung des Gaskraftstoffs in dem Verbrennungsmotor und somit eine optimale Leistungsbilanz bei dem Gaskraftstoff sicherstellt. Folglich kann der Wirkungsgrad der chemischen Energie des Gaskraftstoffs erhöht werden.
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Mit der Druckkraftmaschine und dem Luftverdichter ist es zudem möglich, die erforderlichen Mengen an dem Gaskraftstoff und der Luft stets entsprechend den von dem Verbrennungsmotor bereitzustellenden Leistungen zu regeln, wodurch eine zusätzliche Reduzierung des Verbrauchs des Gaskraftstoffs erzielt werden kann.
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Über das Übertragungsglied wird zudem die Leistung, die bei der Verringerung des Drucks des unter einem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs freigesetzt wird, an den Luftverdichter übertragen und von dem Luftverdichter zum Verdichten der Luft verbraucht.
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Dabei werden insbesondere der hydrostatische und/oder der hydrodynamische Druck des Gaskraftstoffs in die Leistung der Druckkraftmaschine umgewandelt, die dann von der Druckkraftmaschine über das Übertragungsglied auf den Luftverdichter übertragen und von dem Luftverdichter zum Verdichten der Luft bzw. zur Erhöhung des Drucks der Luft verwendet wird.
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Damit wird auch die thermodynamische Energie des unter dem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs effektive benutzt und folglich wird der Wirkungsgrad des Gaskraftstoffs nochmals erhöht.
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Da die Luft mit der thermodynamischen Energie von dem Gaskraftstoff verdichtet wird, bedarf es keine bzw. vergleichsweise geringe zusätzliche Leistung zum Verdichten der Luft.
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Durch die oben beschriebene Vorrichtung ist somit eine Möglichkeit bereitgestellt, den Verbrauch von der Energie allgemein, insbesondre den Verbrauch vom dem Gaskraftstoff, zu reduzieren.
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Durch die vorherige Mischung des Gaskraftstoffs und der Luft wird eine „optimale“ Durchmengung des Gaskraftstoffs mit der Luft garantiert.
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Die Leistung, die zur Kompression der Luft benötigt wird, wird z. B. bei einer mechanischen Variante durch die Druckreduktion des Gaskraftstoffs bereitgestellt.
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Eine sonst erforderliche Kompression des Gaskraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennkammern des Verbrennungsmotors fällt weg bzw. geringer aus. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Gaskraftstoffes zusätzlich.
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Vorzugsweise sind die Druckkraftmaschine und der Luftverdichter miteinander thermisch gekoppelt. Dadurch wird die Kälte, die beim Verringern des Drucks des Gaskraftstoffs entsteht, auf die komprimierte Luft übertragen, indem diese Kälte die Abwärme kompensiert, die beim Komprimieren der Luft entsteht. Folglich erhält man eine Ansaugluftkühlung, die zusätzlich die Gesamteffizienz des Gaskraftstoffs erhöht.
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Die Druckkraftmaschine umfasst vorzugsweise einen Abtriebsanschluss zur Abgabe mechanischer Leistung. Der Luftverdichter umfasst vorzugsweise einen Antriebsanschluss zum Antrieb des Luftverdichters. Das Übertragungsglied koppelt den Antriebsanschluss zur Übertragung der mechanischen Leistung von dem Abtriebsanschluss zu dem Antriebsanschluss mit dem Abtriebsanschluss.
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Vorzugsweise umfasst das Übertragungsglied eine Welle, die den Abtriebsanschluss mit dem Antriebsanschluss zur Übertragung der Leistung starr koppelt.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Welle umfasst das Übertragungsglied vorzugsweise ein Getriebe, eine Kupplung und/oder einen Freilauf, das/die/der den Abtriebsanschluss mit dem Antriebsanschluss entkoppelbar koppelt. Vorzugsweise sind das Getriebe, die Kupplung und/oder der Freilauf steuerbar ausgeführt.
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Vorzugsweise umfasst das Übertragungsglied einen Generator zur Umwandlung der bei der Verringerung des Drucks des Gaskraftstoffs freigesetzten Leistung in elektrische Leistung und einen Elektromotor zur Umwandlung der elektrischen Leistung in mechanische Leistung, mit der der Antriebsanschluss den Luftverdichter antreibt. Das Übertragungsglied umfasst ferner eine elektrische Leitung zwischen dem Generator und dem Elektromotor zur Übertragung der elektrischen Leistung von dem Generator zu dem Elektromotor.
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Vorzugsweise weist das Übertragungsglied ferner einen steuerbaren Schalter in der elektrischen Leitung auf, der in einem geschlossenen Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Generator und dem Elektromotor über die elektrische Leitung herstellt und in einem offenen Schaltzustand die elektrische Verbindung unterbricht.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem Schalter weist das Übertragungsglied vorzugsweise einen Stromregler in der elektrischen Leitung auf, der insbesondere steuerbar ausgeführt ist. Mit dem Stromregler kann der Strom und somit die elektrische Leistung von dem Generator zu dem Elektromotor geregelt werden.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner einen elektrischen Energiespeicher, der an der elektrischen Leitung des Übertragungsgliedes angeschlossen ist und eingerichtet ist, die von dem Generator umgewandelte elektrische Leistung zwischenzuspeichern und/oder dem Elektromotor elektrische Leistung zur Erhöhung des Drucks der Luft bereitzustellen.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung koppelt das Übertragungsglied den Antriebsanschluss des Luftverdichters zusätzlich zu dem Abtriebsanschluss der Druckkraftmaschine noch entkoppelbar mit einem Abtriebsanschluss einer Kraftmaschine, wodurch mechanische Leistung der Kraftmaschine über das Übertragungsglied zu dem Luftverdichter übertragen wird, welche dann von dem Luftverdichter zur Erhöhung des Drucks der Luft verwendet wird. Im Allgemeinen ist die Kraftmaschine jene Maschine zur Umwandlung verschiedener Energieformen in mechanische Leistung.
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Vorzugsweise umfasst die Kraftmaschine eine Abgasturbine eines Abgasturboladers, der von dem Abgas des Verbrennungsmotors angetrieben wird.
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Alternativ umfasst die Kraftmaschine eine Turbine wie aus einem Turbolader, welche von dem Gaskraftstoff angetrieben wird.
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Vorzugsweise ist die Druckkraftmaschine als ein Druckluftmotor ausgebildet. Vorzugsweise ist der Luftverdichter ebenfalls als ein Druckluftmotor ausgebildet, wobei der Druckluftmotor im Falle des Luftverdichters mit umgekehrter Funktion in der mechanischen Variante ausgeführt ist.
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Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Mischkammer zum Mischen des Gaskraftstoffs mit verringertem Druck und die Luft mit erhöhtem Druck. Dabei ist die Mischkammer stromabwärts des Luftverdichters und der Druckkraftmaschine und stromaufwärts des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebssystem für ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugtrakt zum Antrieb des Fahrzeugs sowie eine zuvor beschriebene Vorrichtung zur Zuführung von Gaskraftstoff und Luft zu dem Verbrennungsmotor aufweist. Dabei ist die Vorrichtung bzw. die Mischkammer der Vorrichtung stromaufwärts des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors angeordnet.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor bereitgestellt.
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Gemäß dem Verfahren wird der Druck des Gaskraftstoffs verringert, indem thermodynamische Energie des unter dem Druck stehenden Gaskraftstoffs in Leistung umgewandelt wird. Bei der Verringerung des Drucks bei dem Gaskraftstoff wird die thermodynamische Energie im Gaskraftstoff freigesetzt, die infolge des hydrostatischen und/oder des hydrodynamischen Drucks des unter dem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs im Gaskraftstoff gespeichert ist. Diese thermodynamische Energie wird (bspw. von einer Druckkraftmaschine) in die Leistung umgewandelt. Ferner wird der Druck der Luft mit der Leistung erhöht, die bei dem Verringern des Drucks des Gaskraftstoffs von der thermodynamischen Energie des Gaskraftstoffs umgewandelt wird. Anschließend werden Gaskraftstoff mit verringertem Druck und die Luft mit erhöhtem Druck dem Verbrennungsmotor zur Verbrennung zugeführt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Vorrichtung sind, soweit im Übrigen auf das oben genannte Antriebssystem oder das oben genannte Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Antriebssystems bzw. des Verfahrens anzusehen.
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 in einem schematischen Darstellung ein Antriebssystem mit einer gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 in einem schematischen Ablaufdiagramm ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem AS eines in der Figur nicht dargestellten Fahrzeugs.
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Das Antriebssystem AS umfasst einen Gaskraftstofftank TK zum Speichern und Bereitstellen von Gaskraftstoff, wie z. B. Erdgas, einen Verbrennungsmotor VM zum Antrieb des Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung V zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu dem Verbrennungsmotor VM.
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Die Vorrichtung V umfasst einen Gaskraftstoffeinlass GE, einen Lufteinlass LE und eine Gemischabgabe GA als Schnittstellen zu dem Gaskraftstofftank TK, der Fahrzeugumgebung UM sowie dem Verbrennungsmotor VM.
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Über den Gaskraftstoffeinlass GE ist die Vorrichtung V mit dem Gaskraftstofftank TK strömungstechnisch verbunden und erhält von dem Gaskraftstofftank TK den Gaskraftstoff, der in dem Gaskraftstofftank TK unter hohem Druck in flüssiger Form gespeichert ist.
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Über den Lufteinlass LE erhält die Vorrichtung V von der Fahrzeugumgebung UM Luft zum Verbrennen des Gaskraftstoffs.
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Über die Gemischabgabe GA ist die Vorrichtung V mit einem Ansaugtrakt AT des Verbrennungsmotors VM strömungstechnisch verbunden und gibt ein zündfähiges Gaskraftstoff-Luft-Gemisch an den Verbrennungsmotor VM ab.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner eine Druckkraftmaschine DM, die stromabwärts des Gaskraftstoffeinlasses GE angeordnet ist. Die Druckkraftmaschine DM ist eingerichtet, den Druck des von dem Gaskraftstofftank TK über den Gaskraftstoffeinlass GE erhaltenen Gaskraftstoffs durch beispielsweise Expandieren des Gaskraftstoffs auf einen vorgegebenen Druckwert zu verringern.
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Die Druckkraftmaschine DM weist einen Abtriebsanschluss BT auf, über den die Druckkraftmaschine DM mechanische Leistung abgibt, die beim Expandieren des Gaskraftstoffs in der Druckkraftmaschine DM von der in dem unter dem hohen Druck stehenden Gaskraftstoff gespeicherten thermodynamischen Energie umgewandelt wird.
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Die Druckkraftmaschine DM weist ferner einen ersten Drucksensor DS1 auf, der an oder in der Druckkraftmaschine DM angeordnet und eingerichtet ist, den Druck des in der Druckkraftmaschine DM befindlichen Gaskraftstoffs zu messen.
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Die Vorrichtung V umfasst außerdem ein erstes Ventil VT1, das stromabwärts der Druckkraftmaschine DM angeordnet ist. Dabei ist das erste Ventil VT1 derart eingerichtet, dass dies wie ein Rückschlagventil funktioniert und somit einen Rückfluss des Gaskraftstoffs zurück zur Druckkraftmaschine DM verhindert.
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Zudem ist das erste Ventil VT1 steuer- oder regelbar ausgeführt, so dass dies die Strömungsstärke des durch das Ventil VT1 fließenden Gaskraftstoffs regeln kann.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner einen Luftverdichter LV, der stromabwärts des Lufteinlasses LE angeordnet und eingerichtet ist, den Druck der über den Lufteinlass LE angesaugten Luft durch Verdichten der Luft auf den vorgegebenen Druckwert zu erhöhen.
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Dabei ist der Luftverdichter LV vorzugsweise mit der Druckkraftmaschine DM thermisch gekoppelt, so dass die Abwärme, die in dem Luftverdichter LV beim Verdichten der Luft entsteht, von dem Luftverdichter LV zu der Druckkraftmaschine DM übertragen und von der Druckkraftmaschine DM zum Expandieren des Gaskraftstoffs verwendet wird.
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Der Luftverdichter LV weist einen Antriebsanschluss NT zum Antrieb des Luftverdichters LV auf, der mit dem Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mittels eines Übertragungsglieds UG verbunden ist, das zur Übertragung der mechanischen Leistung von dem Abtriebsanschluss BT zu dem Antriebsanschluss NT ausgeführt ist.
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Der Luftverdichter LV weist ferner einen zweiten Drucksensor DS2 auf, der an oder in dem Luftverdichter LV angeordnet und eingerichtet ist, den Druck der in dem Luftverdichter LV befindlichen Luft zu messen.
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Die Vorrichtung V umfasst außerdem ein zweites Ventil VT2, das stromabwärts des Luftverdichters LV angeordnet ist. Dabei ist das zweite Ventil VT2 analog zu dem ersten Ventil VT1 derart eingerichtet, dass dies wie ein Rückschlagventil funktioniert und somit einen Rückfluss der Luft zurück zu dem Luftverdichter LV verhindert. Zudem ist das zweite Ventil VT2 wie das erste Ventil VT1 steuer- oder regelbar ausgeführt, so dass dies die Strömungsstärke der durch das Ventil VT2 fließenden Luft regelt.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner eine Mischkammer MK, die stromabwärts des ersten und des zweiten Ventils VT1, VT2 angeordnet ist. In der Mischkammer MK wird der Gaskraftstoff, der in der Druckkraftmaschine DM auf den vorgegebenen Druckwert expandiert wurde, mit der Luft zu einem Gaskraftstoff-Luft-Gemisch gemischt, die in dem Luftverdichter LV ebenfalls auf den vorgegebenen Druckwert verdichtet wurde.
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Die Mischkammer MK weist einen dritten Drucksensor DS3 auf, der an oder in der Mischkammer MK angeordnet und eingerichtet ist, den Druck des in der Mischkammer MK befindlichen Gaskraftstoff-Luft-Gemisches zu messen.
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Die Vorrichtung V umfasst zudem ein drittes Ventil VT3, das stromabwärts der Mischkammer MK und stromaufwärts der Gemischabgabe GA angeschlossen ist. Wie die beiden zuvor genannten Ventile VT1, VT2 ist das dritte Ventil VT3 ebenfalls derart eingerichtet, dass dies wie ein Rückschlagventil funktioniert und somit einen Rückfluss des Gaskraftstoff-Luft-Gemisches in die Mischkammer MK verhindert. Zudem ist das dritte Ventil VT3 ebenfalls steuer- bzw. regelbar ausgeführt, so dass dies die Strömungsstärke des durch das dritte Ventil VT3 fließenden Gaskraftstoff-Luft-Gemisches regelt.
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Stromabwärts des dritten Ventils VT3 ist die Gemischabgabe GA angeschlossen. Die Gemischabgabe GA weist einen vierten Drucksensor DS4 auf, der an oder in der Gemischabgabe GA angeordnet und eingerichtet ist, den Druck des in der Gemischabgabe GA befindlichen Gaskraftstoff-Luft-Gemisches zu messen.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner das zuvor genannte Übertragungsglied UG, das eine Welle WL1 und eine Kupplung KP umfasst. Die Welle WL1 ist zwischen dem Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM und der Kupplung KP angeordnet. Die Kupplung KP ist wiederum zwischen der Welle WL1 und dem Antriebsanschluss NT des Luftverdichters LV angeordnet und koppelt die Welle WL1 und somit den Abtriebsanschluss BT entkoppelbar mit dem Antriebsanschluss NT.
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Das Übertragungsglied UG umfasst ferner eine weitere Welle WL2, die zwischen einer Abgasturbine TB eines Abgasturboladers TL des Fahrzeugs und der Kupplung KP angeordnet ist, wobei die Kupplung KP auch diese weitere Welle WL2 und somit die Abgasturbine TB mit dem Antriebsanschluss NT entkoppelbar koppelt.
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Die Kupplung KP ist steuerbar ausgeführt und kann einen ersten, einen zweiten, oder einen dritten eingekuppelten Zustand sowie einen ausgekuppelten Zustand einnehmen.
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In dem ersten eingekuppelten Zustand verbindet die Kupplung KP nur die Welle WL1 und somit nur den Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mit dem Antriebsanschluss NT des Luftverdichters LV mechanisch und überträgt das Drehmoment und somit die mechanische Leistung der Druckkraftmaschine DM zu dem Antriebsanschluss NT bzw. zu dem Luftverdichter LV.
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In dem zweiten eingekuppelten Zustand verbindet die Kupplung KP nur die Welle WL2 und somit nur die Abgasturbine TB des Abgasturboladers TL mit dem Antriebsanschluss NT des Luftverdichters LV mechanisch und überträgt das Drehmoment und somit die mechanische Leistung des Abgasturboladers TL zu dem Antriebsanschluss NT bzw. zu dem Luftverdichter LV.
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In dem dritten eingekuppelten Zustand verbindet die Kupplung KP die beiden Wellen WL1, WL2 und somit sowohl die Abgasturbine TB des Abgasturboladers TL als auch den Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mit dem Antriebsanschluss NT des Luftverdichters LV mechanisch und überträgt die Drehmomente und somit die mechanischen Leistungen der Druckkraftmaschine DM und des Abgasturboladers TL zu dem Antriebsanschluss NT bzw. zu dem Luftverdichter LV.
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In dem ausgekuppelten Zustand unterbricht die Kupplung KP die mechanischen Verbindungen von den beiden Wellen WL1, WL2 zu dem Antriebsanschluss NT und somit von der Druckkraftmaschine DM bzw. dem Abgasturbolader TL zu dem Luftverdichter LV.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner eine Regel-/Steueranordnung RS zum Regeln bzw. zum Steuern der Druckkraftmaschine DM und des Luftverdichters LV sowie zum Steuern der Kupplung KP und der drei Ventile VT1, VT2, VT3.
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Eingangsseitig ist die Regel-/Steueranordnung RS über eine erste Signalverbindung S1 mit dem ersten Drucksensor DS1, über eine zweite Signalverbindung S2 mit dem zweiten Drucksensor DS2, über eine dritte Signalverbindung S3 mit dem dritten Drucksensor DS3 und über eine vierte Signalverbindung S4 mit dem vierten Drucksensor DS4 elektrisch verbunden. Über diese vier Signalverbindungen S1, S2, S3 und S4 erhält die Regel-/Steueranordnung RS von den jeweiligen Drucksensoren DS1, DS2, DS3, DS4 entsprechende Druckwerte des Gaskraftstoffs in der Druckkraftmaschine DM, der Luft in dem Luftverdichter LV sowie des Gaskraftstoff-Luft-Gemisches in der Mischkammer MK und in der Gemischabgabe GA.
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Zudem ist die Regel-/Steueranordnung RS eingangsseitig über eine fünfte Signalverbindung S5 mit einer externen Antriebssteuervorrichtung AV elektrisch verbunden und erhält über diese Signalverbindung S5 von der Antriebssteuervorrichtung AV die Soll-Werte des Drucks im Gaskraftstoff-Luft-Gemisch und der Menge an das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch.
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Die Regel-/Steueranordnung RS ist ausgangsseitig über eine sechste Signalverbindung S6 mit der Druckkraftmaschine DM, über eine siebte Signalverbindung S7 mit dem Luftverdichter LV, über eine achte Signalverbindung S8 mit dem ersten Ventil VT1, über eine neunte Signalverbindung S9 mit dem zweiten Ventil VT2, über eine zehnte Signalverbindung S10 mit dem dritten Ventil VT3 elektrisch verbunden. Über diese fünf Signalverbindungen S6, S7, S8, S9, S10 steuert bzw. regelt die Regel-/Steueranordnung RS die Druckkraftmaschine DM, den Luftverdichter LV und die drei Ventile VT1, VT2, VT3.
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Die Regel-/Steueranordnung RS ist ausgangsseitig über eine elfte Signalverbindung S11 mit der Kupplung KP elektrisch verbunden und steuert über diese Signalverbindung S11 die Kupplung KP.
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Der Verbrennungsmotor VM umfasst neben dem oben genannten Ansaugtrakt AT eine Anzahl von Brennkammern BK, die stromabwärts des Ansaugtrakts AT angeordnet sind. Der Verbrennungsmotor VM umfasst ferner einen Abgastrakt AB, der stromabwärts der Brennkammer BK angeordnet ist. Der Abgastrakt AB ist wiederum ausgangsseitig mit dem Abgasstrang AS des Verbrennungsmotors VM strömungstechnisch verbunden.
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2 zeigt schematisch eine weitere Vorrichtung V´ zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor VM.
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Die Vorrichtung V´ in 2 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Vorrichtung V dadurch, dass diese ein Übertragungsglied UG´ umfasst, das anstelle einer Kupplung einen Generator GN und einen Elektromotor EM umfasst. Dabei ist der Generator GN über eine Welle WL mit dem Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mechanisch verbunden. Analog ist der Elektromotor EM über eine weitere Welle WL mit dem Antriebsanschluss NT des Luftverdichters LV mechanisch verbunden.
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Das Übertragungsglied UG´ umfasst ferner eine elektrische Leitung EL, die den Generator GN mit dem Elektromotor EM elektrisch verbindet. Ferner umfasst das Übertragungsglied UG´ einen steuerbaren Schalter S1 und einen steuer- oder regelbaren Stromregler SR, wobei der Schalter S1 und der Stromregler SR in der elektrischen Leitung EL in Serie angeschlossen sind. In einem geschlossenen Schaltzustand stellt der Schalter S1 eine elektrische Verbindung zwischen dem Generator GN und dem Elektromotor EM über die elektrische Leitung EL her. In einem geöffneten Schaltzustand unterbricht der Schalter S1 die zuvor genannte elektrische Verbindung. Der Stromregler SR regelt den Strom, der durch die elektrische Leitung EL von dem Generator GN zu dem Elektromotor EM fließt.
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Das Übertragungsglied UG´ umfasst ferner einen weiteren Schalter S2, der in einem geschlossenen Schaltzustand einen elektrischen Energiespeicher ES des Fahrzeugs an der elektrischen Leistung EL anschließt und somit mit dem Generator GN und dem Elektromotor EM elektrisch verbindet. Über einen in der Figur nicht dargestellten Stromregler kann der Energiespeicher ES dann überflüssige elektrische Leistung zwischenspeichern, sollte die von dem Generator GN erzeugte elektrische Leistung die von dem Elektromotor EM angeforderte elektrische Leistung überschreitet. Reicht die von dem Generator GN erzeugte elektrische Leistung zum Verdichten der Luft mittels des Elektromotors EM nicht aus, so stellt der Energiespeicher EM zusätzliche elektrische Leistung für den Elektromotor EM bereit.
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Die Vorrichtung V´ umfasst eine Regel-/Steueranordnung RS´, die sich von der in 1 dargestellten Regel-/Steueranordnung RS dadurch unterscheidet, dass diese über eine elfte Signalverbindung S11´ mit dem Schalter S1, über eine zwölfte Signalverbindung S12 mit dem Stromrichter SR sowie über eine dreizehnte Signalverbindung S13 mit dem weiteren Schalter S2 elektrisch verbunden ist und über diese Signalverbindungen S11´, S12 und S13 die beiden Schalter S1, S2 und den Stromrichter SR steuert bzw. regelt.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der zuvor beschriebenen Vorrichtungen V, V´ bzw. ein Verfahren zum Angleichen von Druckniveaus von Gaskraftstoff und Luft zur Zuführung zu dem Verbrennungsmotor VM anhand 3 näher erläutert.
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Zur Bereitstellung der Antriebsleistung, die von dem Verbrennungsmotor VM angefordert wird, muss dem Verbrennungsmotor VM ein Gaskraftstoff-Luft-Gemisch in einer Menge und einem Mischverhältnis zugeführt werden, die/das erforderlich ist, einerseits eine vollständige Verbrennung des Gaskraftstoffs zu ermöglichen und andererseits die angeforderte Antriebsleistung bei dem Verbrennungsmotor VM zu erzeugen.
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Die Antriebssteuervorrichtung AV ermittelt anhand der angeforderten Antriebsleistung die erforderliche Menge an dem Gaskraftstoff-Luft-Gemisch für jeden einzelnen Brennvorgang in dem Verbrennungsmotor VM und das entsprechende Mischverhältnis zwischen dem Gaskraftstoff und der Luft in dem Gemisch.
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Die ermittelten Werte der Menge und des Mischverhältnisses werden über die Signalverbindung S5 an die Regel-/Steueranordnung RS übermittelt.
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Basierend auf diese Werte ermittelt die Regel-/Steueranordnung RS einen Soll-Druckwert, auf den der Druck des von dem Gaskrafttank TK bereitgestellten, unter einem hohen Druck stehenden Gaskraftstoffs verringert und der Druck der von der Fahrzeugumgebung angesaugten, unter einem atmosphärischen Druck stehenden Luft erhöht werden müssen, um ein Gaskraftstoff-Luft-Gemisch in der erforderlichen Menge und dem erforderlichen Mischverhältnis zu erzeugen.
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Anschließend steuert die Regel-/Steueranordnung RS gemäß einem Verfahrensschritt S100 über die sechste Signalverbindung S6 die Druckkraftmaschine DM, so dass diese den in die die Druckkraftmaschine DM zugeführten Gaskraftstoff expandiert und somit den Druck des Gaskraftstoffs auf den Soll-Druckwert zu verringern. Ferner steuert die Regel-/Steueranordnung RS gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S200 über die siebte Signalverbindung S7 den Luftverdichter LV, so dass dieser die in den Luftverdichter LV zugeführte Luft auf den Soll-Druckwert zu verdichtet.
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Dabei erhält die Regel-/Steueranordnung RS über die erste Signalverbindung S1 von dem ersten Drucksensor DS1 den Ist-Druckwert des Gaskraftstoffs in der Druckkraftmaschine DM und regelt oder steuert die Druckkraftmaschine DM basierend auf diesen Ist-Druckwert. Analog erhält die Regel-/Steueranordnung RS über die zweite Signalverbindung S2 von dem zweiten Drucksensor DS2 den Ist-Druckwert der Luft in dem Luftverdichter LV und regelt oder steuert den Luftverdichter LV basierend auf diesen Ist-Druckwert.
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Beim Verringern des Drucks bei dem Gaskraftstoff in der Druckkraftmaschine DM wird Expansionsenergie freigesetzt, die von dem Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM in mechanische Leistung umgewandelt wird. Dagegen wird beim Erhöhen des Drucks bei der Luft in dem Luftverdichter LV Energie verbraucht, mit der die Luft verdichtet wird.
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Zur Erhöhung der Leistungsbilanz des Gaskraftstoffs und somit zur Reduzierung des gesamten Bedarfs an Energiequelle, insbesondere an dem Gaskraftstoff, wird die von dem Gaskraftstoff freigesetzte Expansionsenergie zum Verdichten der Luft verwendet.
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Im Falle der Vorrichtung V in 1 steuert die Regel-/Steueranordnung RS hierzu über die elfte Signalverbindung S11 die Kupplung KP und bringt die Kupplung KP in den ersten eingekuppelten Zustand. Daraufhin verbindet die Kupplung KP die Welle WL1 und somit den Abtriebsanschluss BT der Druckkraftmaschine DM mit dem Antriebsanschluss NT des Luftverdichters LV mechanisch. Dadurch wird die mechanische Leistung und somit die Expansionsenergie des Gaskraftstoffs von dem Abtriebsanschluss BT über die Welle WL1 und die Kupplung KP an den Antriebsanschluss NT übertragen. Der Antriebsanschluss NT betreibt mit dieser mechanischen Leistung den Luftverdichter LV, so dass dieser die in den Luftverdichter LV eingesaugte Luft auf den Soll-Druckwert verdichtet.
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Reicht die von dem Abtriebsanschluss BT bereitgestellte mechanische Leistung nicht aus, um die Luft auf den Soll-Druckwert zu verdichten, so wird die Kupplung KP von der Regel-/Steueranordnung RS gesteuert in den dritten eingekuppelten Zustand gebracht. In diesem dritten Zustand verbindet die Kupplung neben der Welle WL1 noch die weitere Welle WL2 und somit die Abgasturbine TB des Abgasturboladers TL mit dem Antriebsanschluss NT, so dass die Luft noch zusätzlich mit der mechanischen Leistung der Abgasturbine TB verdichtet wird.
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Im Falle der Vorrichtung V´ in 2 schließt die Regel-/Steueranordnung RS´ über die elfte Signalverbindung S11´ den Schalter S1 und somit stellt eine leitende elektrische Verbindung von dem Generator GN zu dem Elektromotor EM über die elektrische Leitung EL her.
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Über diese elektrische Verbindung wird die elektrische Leistung, die von dem durch den Abtriebsanschluss BT angetrieben Generator GN erzeugt wird, an den Elektromotor EM übertragen. Von dieser elektrischen Leistung betrieben treibt der Elektromotor EM über den Antriebsanschluss NT den Luftverdichter LV an, der daraufhin die in den Luftverdichter LV eingesaugte Luft auf den vorgegebenen Soll-Druckwert verdichtet.
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Wird von dem Generator GN mehr elektrische Leistung erzeugt, als diese bei dem Elektromotor EM zum Antreiben des Luftverdichters LV verbraucht wird, so steuert die Regel-/Steueranordnung RS über die zwölfte Signalverbindung S12 den Stromregler SR, so dass dieser den Strom durch die elektrische Leitung EL und somit die elektrische Leistung von dem Generator GN zu dem Elektromotor EM regelt, so dass nur ein Teil der vom Generator GN erzeugten elektrischen Leistung an den Elektromotor EM übertragen wird. Der überschüssige Teil der elektrischen Leistung wird dann dem elektrischen Energiespeicher ES weitergeleitet und dort für späteren Verbrauch zwischengespeichert. Durch das Zwischenspeichern der überschüssigen elektrischen Leistung wird die gesamte Leistungsbilanz nochmals erhöht.
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Reicht dagegen die von dem Generator GN erzeugte elektrische Leistung nicht aus, um die Luft auf den Soll-Druckwert zu verdichten, so steuert die Regel-/Steueranordnung RS den Stromrichter SR so, dass dieser von dem Energiespeicher ES weitere elektrische Leistung abnimmt und dem Elektromotor EM zuführt.
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Eine zusätzliche Erhöhung der gesamten Leistungsbilanz der Vorrichtungen V und V´ wird erzielt, in dem die Abwärme, die in dem Luftverdichter LV beim Verdichten der Luft entsteht, von dem Luftverdichter LV zu der Druckkraftmaschine DM übertragen und von der Druckkraftmaschine DM zum Expandieren des Gaskraftstoffs verwendet wird.
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Anschließend steuert die Regel-/Steueranordnung RS die Druckkraftmaschine DM und den Luftverdichter LV so, dass die den Gaskraftstoff mit dem auf den Soll-Druckwert verringerten Druck und die Luft mit dem auf den Soll-Druckwert erhöhten Druck der Mischkammer MK zugeführt werden.
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In der Mischkammer MK werden der Gaskraftstoff und die Luft zu einem Gaskraftstoff-Luft-Gemisch gemischt.
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Dabei misst der dritte Drucksensor DS3 den Druck des in der Mischkammer MK befindlichen Gaskraftstoff-Luft-Gemisches und gibt den gemessenen Druckwert über die dritte Signalverbindung S3 an die Regel-/Steueranordnung RS, die dann basierend auf diesem gemessenen Druckwert das erste und das zweite Ventil VT1, VT2 steuert, so dass diese die Strömungsstärken des Gaskraftstoffs und der Luft und somit die Mengen an dem Gaskraftstoff und der Luft regeln.
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Das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch wird anschließend gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S300 über das dritte Ventil VT3 und die Gemischabgabe GA an den Ansaugtrakt AT abgegeben.
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Dabei misst der vierte Drucksensor DS4 den Druck des durch die Gemischabgabe GA fließenden Gaskraftstoff-Luft-Gemisches und gibt den gemessenen Druckwert über die vierte Signalverbindung S4 an die Regel-/Steueranordnung RS, die dann basierend auf diesem gemessenen Druckwert das dritte Ventil VT3 steuert, so dass dies die Strömungsstärke des Gaskraftstoff-Luft-Gemisches und somit die Menge an dem Gaskraftstoff-Luft-Gemisches regelt.
