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Die Erfindung betrifft eine Tankanlage für eine zumindest mittels eines gasförmigen Kraftstoffes betreibbare Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Tankanlage für eine zumindest mittels eines gasförmigen Kraftstoffes betreibbare Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der
WO 2012/040835 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Tankanlage weist dabei einen kryogenen Bereich auf, welcher wenigstens einen kryogenen Tank zum Speichern des gasförmigen Kraftstoffes in verflüssigter Form umfasst. Mit anderen Worten ist die Verbrennungskraftmaschine zwar mittels des gasförmigen Kraftstoffes, das heißt mittels des Kraftstoffes in gasförmiger Form betreibbar, indem beispielsweise der Kraftstoff gasförmig in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird, jedoch wird der Kraftstoff in flüssiger beziehungsweise verflüssigter Form in dem kryogenen, das heißt tiefkalten Bereich und dabei insbesondere in einem kryogenen, das heißt tiefkalten Tank gespeichert. Bei dem Kraftstoff handelt es sich beispielsweise um Flüssigerdgas (LNG – Liquefied Natural Gas), welches in flüssiger beziehungsweise verflüssigter Form in dem Tank gespeichert, jedoch in gasförmiger Form in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird.
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Die Tankanlage umfasst ferner wenigstens eine außerhalb des Tanks angeordnete Pumpe, mittels welcher der Kraftstoff verdichtet und gefördert werden kann. Dadurch kann der Kraftstoff beispielsweise aus dem Tank zu der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise zu einer Einbringanlage gefördert werden, mittels welcher der Kraftstoff, insbesondere gasförmig, in den Brennraum eingebracht, insbesondere eingeblasen, werden kann.
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Darüber hinaus offenbart die
US 2013/0333668 A1 eine Verbrennungskraftmaschine, welche mittels eines gasförmigen Kraftstoffes und mittels eines Dieselkraftstoffes betrieben werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tankanlage der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte Speicherung und Förderung des Kraftstoffes realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Tankanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Tankanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte Speicherung und Förderung des Kraftstoffes realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Pumpe außerhalb des kryogenen Bereiches angeordnet und als ionischer Verdichter ausgebildet ist, welcher wenigstens einen durch eine ionische Flüssigkeit gebildeten Kolben zum Verdichten und Fördern des Kraftstoffes aufweist.
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Durch die Anordnung der Pumpe außerhalb des kryogenen Bereichs kann die erfindungsgemäße Tankanlage als modulare Tankanlage beziehungsweise als modulares Tanksystem, insbesondere als modulares LNG-Tanksystem (LNG – Liquefied Natural Gas), verwendet werden, sodass die erfindungsgemäße Tankanlage auf besonders einfache und insbesondere günstige Weise sowohl für sogenannte SI-Motoren als auch für sogenannte HPDI-Motoren (SI – Spark Ignited; HPDI – High Pressure Direct Injection) verwendet werden kann. Ein SI-Motor ist ein erster Motorentyp, wobei ein HPDI-Motor ein zweiter Motorentyp ist. Diese Motorentypen unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich ihrer Versorgungsdrücke. Unter dem Versorgungsdruck ist der Druck zu verstehen, den der gasförmige Kraftstoff aufweist, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit dem den Versorgungsdruck aufweisenden, gasförmigen Kraftstoff versorgt wird. Üblicherweise beträgt der Versorgungsdruck bei einem SI-Motor 10 bar, wobei der Versorgungsdruck bei einem HPDI-Motor üblicherweise 350 bar beträgt.
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Durch die Anordnung der Pumpe außerhalb des kryogenen Bereichs kann die Pumpe auf einfache und kostengünstige Weise einfach weggelassen werden, um dadurch beispielsweise die Tankanlage für einen SI-Motor zu verwenden. Ferner kann die Tankanlage auf besonders einfache und kostengünstige Weise mit der Pumpe ausgestattet werden, um dann die Tankanlage beispielsweise für einen HPDI-Motor verwenden zu können.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Zur Senkung der CO2-Emissionen von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Nutzfahrzeugen, kommen zunehmend Verbrennungskraftmaschinen, welche zumindest mittels eines gasförmigen Kraftstoffs betreibbar sind, zum Einsatz, um die Kraftfahrzeuge anzutreiben. Die Verbrennung des beispielsweise als Erdgas ausgebildeten, gasförmigen Kraftstoffs in der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine kann nach unterschiedlichen Konzepten erfolgen. Als besonders vorteilhaft werden dabei SI-Motoren und HPDI-Motoren erachtet. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Arbeitsprinzipien benötigen diese Motortypen jedoch die zuvor beschriebenen, deutlich unterschiedlichen Versorgungsdrücke des gasförmigen Kraftstoffs. Als der gasförmige Kraftstoff wird häufig LNG (Liquefied Natural Gas), das heißt Erdgas, eingesetzt. Der gasförmige Kraftstoff wird üblicherweise als tiefkalter, verflüssigter Kraftstoff in dem Tank bei Temperaturen gespeichert, welche üblicherweise in einem Bereich von –110 Grad Celsius bis –160 Grad Celsius liegen.
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Üblicherweise erfolgt die Druckerzeugung, das heißt die Erzeugung des Versorgungsdrucks, bei den Motorentypen auf unterschiedlichem Weg. Üblicherweise wird bei einem SI-Motor der Druck bereits mittels einer Tankstelle erzeugt, mittels welcher der Tank mit dem Kraftstoff befüllt wird. Bei HPDI-Motoren kommt üblicherweise eine Pumpe zum Einsatz, welche in den kryogenen Bereich, insbesondere in den Tank, integriert ist. Die beispielsweise als LNG-Pumpe ausgebildete und in einer Tankanlage für einen HPDI-Motor zum Einsatz kommende Pumpe wird herkömmlicherweise in dem kryogenen, das heißt tiefkalten, Bereich der Tankanlage verbaut, um sicherzustellen, dass mittels der Pumpe Flüssigkeit, das heißt der Kraftstoff in flüssiger Form und nicht etwa Gas, das heißt nicht etwa der Kraftstoff in Gasform, verdichtet wird.
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Eine Verdichtung von Gas ist energetisch aufwendiger als eine Verdichtung von Flüssigkeit und würde den Wirkungsgrad nachteilig beeinflussen. Eine Montage der Pumpe außerhalb des tiefkalten Bereichs ist üblicherweise nicht vorgesehen, da sich dann die Pumpe nach einem längeren Stillstand der Verbrennungskraftmaschine aufwärmt und bei einem Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine der tiefkalte, flüssige beziehungsweise verflüssigte Kraftstoff in der dann warmen Pumpe schlagartig verdampft. Daher sind üblicherweise zwei unterschiedliche Bauvarianten der Tankanlage erforderlich, wobei eine erste der Bauvarianten für SI-Motoren und die zweite Bauvariante für HPDI-Motoren zum Einsatz kommt. In der ersten Bauvariante ist die Tankanlage somit beispielsweise als SI-Tanksystem ausgebildet, wobei die Tankanlage in der zweiten Bauvariante als HPDI-Tanksystem ausgebildet ist. Bei der ersten Bauvariante ist beispielsweise die Pumpe nicht vorgesehen, da – wie zuvor beschrieben – die Druckerzeugung in der Tankstelle erfolgt. Bei der zweiten Bauvariante hingegen ist die Pumpe vorgesehen.
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Da es nun erfindungsgemäß vorgesehen ist, die Pumpe außerhalb des kryogenen Bereichs und somit außerhalb des Tanks anzuordnen, können die beiden unterschiedlichen Bauvarianten auf besonders einfache und kostengünstige Weise dargestellt werden. Erfindungsgemäß ist die Anordnung der Pumpe außerhalb des kryogenen Bereichs möglich, ohne übermäßige Wirkungsgrad- beziehungsweise Effizienzeinbußen hinnehmen zu müssen, da die Pumpe als ionischer Verdichter ausgebildet ist. Die Pumpe ist somit in der Lage, sowohl Gas als auch tiefkalte Flüssigkeit auf den beispielsweise für HPDI-Motoren benötigten Versorgungsdruck wirkungsgradgünstig zu bringen. Mit anderen Worten kann mittels der Pumpe der Kraftstoff sowohl als Gas beziehungsweise in Gasform als auch als Flüssigkeit beziehungsweise in flüssiger Form vorteilhaft und insbesondere effizient auf hohe Drücke verdichtet werden.
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Bei einem Start der Verbrennungskraftmaschine ist die Pumpe beispielsweise zunächst warm, insbesondere im Vergleich zum verflüssigten und somit als tiefkalte Flüssigkeit vorliegenden Kraftstoff. Dadurch verdampft der Kraftstoff schlagartig in der Pumpe, sodass dann die Pumpe den dann gasförmigen Kraftstoff auf den erforderlichen Versorgungsdruck bringen muss. Dies ist aufgrund der Ausgestaltung der Pumpe als ionischer Verdichter effizient und somit wirkungsgradgünstig möglich.
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Mit zunehmender Betriebsdauer wird die Pumpe durch den die Pumpe durchströmenden Kraftstoff, welcher mittels der Pumpe gefördert und verdichtet wird, gekühlt, sodass sich die Temperatur der Pumpe bereits nach kurzer Zeit der Temperatur des Kraftstoffes angleicht. Dann bleibt der in flüssiger Form und im Tank gespeicherte Kraftstoff in der Pumpe flüssig, sodass dann die Pumpe den Kraftstoff als tiefkalte Flüssigkeit fördert.
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Da sich die Temperatur der Pumpe schnell, das heißt sehr kurze Zeit nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine an die Temperatur des Kraftstoffes angleicht, muss die Pumpe nur sehr kurze Zeit nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine Gas, das heißt den Kraftstoff in Gasform, fördern, sodass ein wirkungsgradgünstiger Betrieb gewährleistet werden kann.
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Der Tank der erfindungsgemäßen Tankanlage ist vorzugsweise als Standard-Tank ausgebildet, welcher sowohl für SI-Motoren ohne Pumpe, als auch für HPDI-Motoren mit der Pumpe verwendet werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der Entwicklung von speziellen Tanks für HPDI-Motoren, da der Standard-Tank sowohl für SI-Motoren als auch für HPDI-Motoren verwendet werden kann. Dadurch können hohe Stückzahlen des Tanks beziehungsweise der Tankanlage insgesamt realisiert werden, sodass die Kosten der Tankanlage besonders gering gehalten werden können. Durch die zuvor beschriebene Möglichkeit, die Tankanlage ohne die Pumpe zu verwenden sowie auf einfache Weise mit der Pumpe auszustatten, können die unterschiedlichen Bauvarianten auf einfache und kostengünstige Weise und mit einer hohen Gleichteileanzahl realisiert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung einer Tankanlage für eine zumindest mittels eines gasförmigen Kraftstoffes betreibbare Verbrennungskraftmaschine, wobei die Tankanlage einen kryogenen Bereich mit einem kryogenen Tank und eine außerhalb des kryogenen Bereichs angeordnete und als ionischer Verdichter ausgebildete Pumpe umfasst; und
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2 eine schematische Schnittansicht der Pumpe.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welches beispielsweise als Nutzfahrzeug ausgebildet und mittels der Antriebseinrichtung 10 antreibbar ist. Hierzu umfasst die Antriebseinrichtung 10 eine zumindest mittels eines gasförmigen Kraftstoffes betreibbare Verbrennungskraftmaschine 12, welche beispielsweise als HPDI-Motor ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Verbrennungskraftmaschine 12 mittels des gasförmigen Kraftstoffes und mittels eines flüssigen Kraftstoffes betrieben werden, wobei es sich bei dem flüssigen Kraftstoff beispielsweise um einen Dieselkraftstoff handelt. Die Verbrennungskraftmaschine 12 ist vorliegend als Hubkolbenmaschine ausgebildet und umfasst ein Zylindergehäuse 14, durch welches eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern 16 der Verbrennungskraftmaschine 12 gebildet ist. Der jeweilige Kraftstoff kann in die Zylinder 16 eingebracht, insbesondere eingeblasen beziehungsweise eingespritzt, werden. Um die Zylinder 16 mit dem flüssigen Kraftstoff zu versorgen, umfasst das Kraftfahrzeug beispielsweise einen in den Fig. nicht dargestellten Kraftstofftank zum Aufnehmen des flüssigen Kraftstoffes. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug wenigstens einen Reduktionsmitteltank zur Aufnahme eines Reduktionsmittels, mittels welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 beispielsweise in Rahmen einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) entstickt werden kann.
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Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner eine Tankanlage 18, mit einem kryogenen Bereich 20, welcher wenigstens einen kryogenen Tank 22 zum Aufnehmen beziehungsweise Speichern des gasförmigen Kraftstoffes in verflüssigter Form umfasst. Bei dem gasförmigen Kraftstoff handelt es sich beispielsweise um Erdgas, insbesondere um LNG (Liquefied Natural Gas), wobei der gasförmige Kraftstoff beispielsweise in gasförmigem Zustand in die Zylinder 16 eingebracht wird. Jedoch wird der gasförmige Kraftstoff in flüssigem beziehungsweise verflüssigtem Zustand in dem kryogenen Tank 22 gespeichert. Ferner umfasst die Tankanlage 18 eine Pumpe 24, mittels welcher der gasförmige Kraftstoff gefördert und verdichtet, das heißt unter Druck gesetzt werden kann. Die Pumpe 24 ist dabei außerhalb des kryogenen Tanks 22 angeordnet.
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Um nun den Kraftstoff besonders vorteilhaft speichern und fördern zu können, ist die Pumpe 24 außerhalb des kryogenen, das heißt tiefkalten Bereichs 20 und dabei insbesondere außerhalb des kryogenen, das heißt tiefkalten Tanks 22 angeordnet. Ferner ist die Pumpe 24, welche in 2 in einer schematischen Längsschnittansicht gezeigt ist, als ionischer Verdichter ausgebildet, welcher durch eine ionische Flüssigkeit gebildete Kolben 26 zum Verdichten und Fördern des gasförmigen Kraftstoffes aufweist. Dadurch ist es mittels der Pumpe 24 möglich, den gasförmigen Kraftstoff sowohl in gasförmigem Zustand als auch in flüssigem Zustand wirkungsgradgünstig beziehungsweise effizient zu fördern, um dadurch die beispielsweise als HPDI-Motor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 12 besonders vorteilhaft mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgen zu können. Ferner umfasst die Tankanlage 18 beispielsweise einen Verdampfer 28, mittels welchem beispielsweise der zunächst in flüssiger Form vorliegende gasförmige Kraftstoff verdampft und somit in den gasförmigen Zustand überführt werden kann. Dabei ist es denkbar, dass der Verdampfer 28 in dem kryogenen Bereich 20 angeordnet ist beziehungsweise Teil des kryogenen Bereichs 20 ist.
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Aus 2 ist erkennbar, dass der ionische Verdichter wenigstens eine um eine Drehachse 30 drehbare Taumelscheibe 32 aufweist, welche beispielsweise über eine um die Drehachse 30 drehbare Welle 34 antreibbar und dadurch um die Drehachse 30 drehbar ist, was in 2 durch einen Pfeil 36 veranschaulicht ist. Der ionische Verdichter umfasst beispielsweise zusätzlich zu dem durch die ionische Flüssigkeit gebildeten Kolben 26 vorgesehene, mechanische Kolben 38, welche beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind.
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Beispielsweise ist ein in den Fig. nicht dargestellter Zugmitteltrieb vorgesehen, welcher beispielsweise als Riementrieb oder aber als Kettentrieb ausgebildet ist. Der Zugmitteltrieb umfasst beispielsweise eine Antriebsscheibe, welche beispielsweise drehfest mit der Welle 34 verbunden ist. Weiter umfasst der Zugmitteltrieb wenigstens ein Zugmittel, welches beispielsweise als Riemen oder Kette ausgebildet ist. Das Zugmittel umschlingt die Antriebsscheibe zumindest teilweise, sodass die Antriebsscheibe und über diese die Welle 34 antreibbar und dadurch um die Drehachse 30 drehbar sind, indem das Zugmittel angetrieben wird. Dadurch ist die Pumpe 24 über die Antriebsscheibe antreibbar.
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Die mechanischen Kolben 38 sind mittels der Taumelscheibe 32 antreibbar und dadurch in ihre jeweilige Längserstreckungsrichtung hin- und herbewegbar, indem die Taumelscheibe 32 um die Drehachse 30 gedreht wird. Die Hin-Herbewegung beziehungsweise die Auf- und Abbewegung der mechanischen Kolben 38 ist in 2 durch Doppelpfeile 40 veranschaulicht.
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Um die mechanischen Kolben 38 entlang ihrer Längserstreckungsrichtung beziehungsweise entlang ihrer axialen Richtung hin- und herzubewegen, umfasst die Taumelscheibe 32 eine dem mechanischen Kolben 38 zugewandte Seite 42, welche sich in einer Ebene erstreckt, welche schräg zur Drehachse 30 verläuft. Dabei sind die mechanischen Kolben 38 mit der Seite 42 derart gekoppelt, dass die mechanischen Kolben 38 durch Drehen der Taumelscheibe 32 um die Drehachse 30 translatorisch hin- und herbewegt werden. Insbesondere sind die mechanischen Kolben 38 gelenkig mit der Seite 42 gekoppelt und insbesondere gelenkig an die Seite 42 angebunden, sodass sich die Kolben 38 beispielsweise mit der Taumelscheibe 32 mitdrehen.
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Durch das beschriebene Antreiben und Bewegen der mechanischen Kolben 38 werden die durch die ionische Flüssigkeit gebildeten und beispielsweise als Flüssigkeitssäule ausgebildeten Kolben 26 hin- und herbewegt, was in 2 durch Doppelpfeile 44 veranschaulicht ist. Durch dieses Hin- und Herbewegen der Kolben 26 wird beispielsweise der gasförmige Kraftstoff auf einer Saugseite 46 der Pumpe 24 angesaugt und auf einer Druckseite 48 der Pumpe 24 von der Pumpe 24 weg- und beispielsweise zu der Verbrennungskraftmaschine 12 hingefördert. Dabei wird der gasförmige Kraftstoff beispielsweise in jeweilige Kompressionszylinder 50 der Pumpe 24 eingesaugt und aus den Kompressionszylindern 50 ausgeschoben und dadurch gefördert und verdichtet.
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Ferner ist aus 2 erkennbar, dass zumindest ein Teil der die Kolben 26 bildenden ionischen Flüssigkeit in Kanälen 52 angeordnet ist, welche schräg oder vorliegend senkrecht zur Drehachse 30 und somit beispielsweise in radialer Richtung der Pumpe 24 verlaufen. Dadurch werden in 2 durch Pfeile 54 veranschaulichte und beispielsweise auf die ionische Flüssigkeit wirkende Zentrifugalkräfte genutzt, um eine besonders hohe Frequenz der als Flüssigkeitskolbenpumpe ausgebildeten Pumpe 24 zu realisieren. Dadurch kann eine besonders hohe Versorgungsrate realisiert werden, wobei gleichzeitig der Bauraumbedarf der Pumpe 24 besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere kann eine besonders hohe isentrope Effizienz der Pumpe 24 realisiert werden, wobei der Wartungsaufwand der Pumpe 24 besonders gering gehalten werden kann. Ferner ist es möglich, mittels der Pumpe 24 sowohl Gas als auch Flüssigkeit effizient zu fördern, sodass der gasförmige Kraftstoff sowohl in flüssigem als auch in gasförmigem Zustand effizient und somit wirkungsgradgünstig gefördert werden kann. Insbesondere ist der ionische Verdichter dazu ausgebildet, den gasförmigen Kraftstoff auf mindestens 250 Bar zu verdichten.
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Da die Kolben 26 durch die ionische Flüssigkeit gebildet sind, sind die Kolben 26 als Flüssigkeitskolben ausgebildet. Die Flüssigkeitskolben werden angetrieben und dadurch hin- und herbewegt, indem die mechanischen Kolben 38 angetrieben und dadurch hin- und herbewegt werden. Dabei befinden sich beispielsweise die Flüssigkeitskolben in direktem Kontakt mit den mechanischen Kolben 38.
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Ferner umfasst die Pumpe 24 eine Steuerscheibe 56, mittels welcher beispielsweise das Einströmen des gasförmigen Kraftstoffs in die Pumpe 24, insbesondere in die Kompressionszylinder 50, sowie das Ausströmen des gasförmigen Kraftstoffs aus der Pumpe 24, insbesondere aus dem Kompressionszylinder 50, gesteuert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebseinrichtung
- 12
- Verbrennungskraftmaschine
- 14
- Zylindergehäuse
- 16
- Zylinder
- 18
- Tankanlage
- 20
- kryogener Bereich
- 22
- kryogener Tank
- 24
- Pumpe
- 26
- Kolben
- 28
- Verdampfer
- 30
- Drehachse
- 32
- Taumelscheibe
- 34
- Welle
- 36
- Pfeil
- 38
- Kolben
- 40
- Doppelpfeil
- 42
- Seite
- 44
- Doppelpfeil
- 46
- Saugseite
- 48
- Druckseite
- 50
- Kompressionszylinder
- 52
- Kanal
- 54
- Pfeil
- 56
- Steuerscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/040835 A1 [0002]
- US 2013/0333668 A1 [0004]
