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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Sicherheitssystem für
den Betrieb wasserstoffumsetzender Vorrichtungen in geschlossenen
oder teilgeschlossenen Räumen
oder Behältern.
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Der Betrieb von wasserstoffumsetzenden Vorrichtungen
wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen ist in geschlossenen
oder teilgeschlossenen Räumen
mit besonderen Sicherheitsrisiken verbunden, die aus den Eigenschaften
gasförmigen Wasserstoffs
resultieren. So weist Wasserstoff im Vergleich zu Benzin- und Dieselkraftstoffen
einen erheblich größeren zündfähigen Konzentrationsbereich in
Luft auf, der von 4 % bis 80 % reicht. Zudem ist der Zündenergiebedarf
deutlich kleiner, wodurch die Explosionsschwelle früher erreicht
wird.
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Dies hat zur Folge, daß für den Betrieb
von wasserstoffumsetzenden Vorrichtungen an Prüfständen oder für das Befahren und/oder Abstellen
von Kraftfahrzeugen mit Wasserstoffmotor in Garagen und ähnlichen
Einrichtungen besondere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden müssen, um
im Fall einer Störung
einen plötzlichen
Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Bereich der wasserstoffumsetzenden
Vorrichtung bzw. des Wasserstoffmotors zu verhindern.
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Herkömmliche Wasserstoffmotorenprüfstände weisen
neben einer Wasserstoff-Fördereinrichtung
die übliche,
auch an Prüfständen für Benzin- und
Dieselmotoren installierte Be- und Entlüftungsinfrastrukur auf, ohne
jedoch die besonderen Anforderungen des Betriebs mit Wasserstoff
zu berücksichtigen.
Die Lüftung
ist dabei für
einen solchen Dauervolumenstrom von Luft dimensioniert, bei dem
es dem Bedienungspersonal noch möglich
ist, die Prüfzelle des
Prüfstands
zu betreten.
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Als Sicherheitseinrichtung sind Wasserstoff-Sensoren
in der Prüfzelle
sowie Abschaltventile in der Wasserstoffzuführung zur Prüfzelle vorgesehen,
die eine unzulässige
Wasserstoffkonzentration (>4%)
in der Prüfzelle
detektieren und bei einem Überschreiten
eines vorgegebenen Grenzwerts die Wasserstoffzufuhr in die Zelle
unterbrechen. Damit ist an herkömmlichen
Prüfständen eine
minimale Gesamtreaktionszeit von 1 s zu erreichen, innerhalb der das
Sicherheitssystem anspricht und die Wasserstoffzufuhr unterbricht.
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Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, muß eine große Anzahl
von Wasserstoffsensoren eingesetzt werden, um eine schleichende
oder plötzlich
auftretende Bauteilundichtigkeit rechtzeitig zu Erfassen, da sich
bei einer Störung
eines Prüflings Wasserstoff
unvorhersehbar in der Prüfzelle
verteilen kann. Bei einem hohen Wasserstoffumsatz des Prüflings besteht
darüber
hinaus das Problem, daß es auch
innerhalb der Reaktionszeit von 1 s zu einer zündfähigen Wasserstoffkonzentration
in der Prüfzelle
kommen kann.
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Das Raumvolumen der Prüfzelle in
Verbindung mit der obengenannten Sicherheitseinrichtung begrenzt
somit den maximalen Wasserstoffumsatz innerhalb der Prüfzelle.
Dies stellt wiederum eine Leistungsgrenze für die zu untersuchenden Vorrichtungen,
insbesondere Motoren dar. Mit den herkömmlichen Prüfstandsabmessungen lassen sich somit
lediglich Motoren bis zu einer Leistung von etwa 37 Kilowatt untersuchen.
Es ist unmittelbar ersichtlich, daß für die Untersuchung in einem
um den Faktor zehn größeren Leistungsbereich
entweder Prüfzellen
mit erheblich größerem Raumvolumen vorgesehen
werden müssen
oder aber der Durchsatz der Be- und Entlüftungsinfrastrukur in entsprechendem
Maße gesteigert
werden müßte, um
auch bei einem hohen Wasserstoffdurchsatz die obengenannten Reaktionszeiten
einhalten zu können.
Dies ist jedoch mit einem hohen baulichen Aufwand verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier
Abhilfe zu schaffen. Ein Ziel der Erfindung ist es somit, ein Sicherheitssystem
für den
Betrieb wasserstoffumsetzender Vorrichtungen in geschlossenen oder
teilgeschlossenen Räumen
oder Behältern
anzugeben, das einerseits einen hohen Wasserstoffdurchsatz erlaubt,
andererseits jedoch den vorstehend genannten baulichen Aufwand vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Sicherheitssystem
der eingangs genannten Art gelöst,
das im folgenden umfaßt:
eine Dosiereinrichtung mit einem Wasserstoffeinlaß zur Verbindung
mit einem außerhalb
des Raums bzw. Behälters
befindlichen Wasserstoffvorrat und einen Wasserstoftauslaß zur Verbindung
mit der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung, und mit einer Wasserstoff-Fördereinrichtung,
die mit dem Einlaß und
dem Auslaß verbunden
ist und mittels einer Steuereinrichtung verbrauchssynchron mit der
wasserstoffumsetzenden Vorrichtung betrieben wird, wobei in der
Steuereinrichtung ein Abgleich mit einem Wasserstoff-Zufuhrparameter erfolgt,
der zwischen der Wasserstoff-Fördereinrichtung
und der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung gemessen wird, und in
der bei Feststellung einer Abweichung von einem korrespondierenden
verbrauchssynchronen Wert um mehr als eine vorgegebene Toleranz
hinaus ein Störungssignal
generiert wird.
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Die Dosiereinrichtung sorgt dafür, daß stets nur
exakt diejenige Menge Wasserstoff in die Raum bzw. Behälter gelangt,
die tatsächlich
umsetzt werden soll, d.h. der Wasserstoffliefergrad in den Raum bzw.
Behälter
wird stets zeit- und mengensynchron zum Wasserstoffverbrauch der
umsetzenden Vorrichtung eingestellt bzw. geregelt. Fällt der
Wasserstoff-Zufuhrparameter aus einem bestimmten Toleranzbereich
heraus, so wird dies als Störung
interpretiert, woraufhin entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, beispielsweise
indem die Wasserstoffzufuhr sofort abgeschaltet wird.
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Da die Messung gegen ein sehr kleines Raumvolumen
erfolgt, nämlich
das Raumvolumen im Fördertrakt
zwischen der Wasserstoff-Fördervorrichtung
und der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung, machen sich Abweichungen
sehr schnell bemerkbar. Beispielsweise sinkt bei Auftreten einer
Leckage in der Prüfzelle
der Druck im Fördertrakt
rasch unter sein Minimum ab. Wird hingegen die angelieferte Wasserstoffmenge
in dem Raum bzw. Behälter
nicht vollständig
abgenommen, weil zum Beispiel ein Defekt am Verbraucher vorliegt,
so steigt der Druck im Fördertrakt
sehr schnell über
sein Maximum an.
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Auch Defekte der Dosiereinrichtung
selbst sind auf ähnliche
Weise detektierbar und lassen sich durch geeignete Plausibilitätsprüfungen von
Defekten in dem Raum bzw. Behälter
unterscheiden, so daß bei
untergeordneter Sicherheitsrelevanz nicht immer eine Abschaltung
der Wasserstoffzufuhr in den Raum bzw. Behälter erfolgen muß, sondern
auch mildere Reaktionen oder auch nur Fehlermeldungen ausgelöst werden
können.
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Auf diese Weise wird ein sicherer
Betrieb von wasserstoffumsetzenden Vorrichtungen in geschlossenen
oder teilgeschlossenen Räumen
oder Behältern
mit unlimitiertem Wasserstoffmassenstrom gewährleistet.
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Das Sicherheitssystem kann beispielsweise in
einen Prüfraum
bzw. eine Prüfzelle
eingebaut werden, in dem bzw. in der die wasserstoffumsetzende Vorrichtung,
insbesondere eine wasserstoffbetriebene Verbrennungskraftmaschine
untergebracht wird. Damit lassen sich Wasserstoff-Prüfstände räumlich sehr
kompakt konfigurieren. Insbesondere ist es auch möglich, bereits
bestehende Prüfräume und Prüfzellen
mit dem Sicherheitssystem auszurüsten, um
dadurch einen Wasserstoffmotorenprüfstand für hohe Motorleistungen bereitzustellen,
ohne daß hierzu
die Be- und Entlüftungsinfrastruktur
oder die räumlichen
Abmessungen des Prüfraums
bzw. der Prüfzelle
verändert
werden müßten.
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Vorzugsweise wird dabei die Dosiereinrichtung
in die Wand des Prüfraums
bzw. der Prüfzelle
integriert.
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Weiterhin ist es auch möglich, das
erfindungsgemäße Sicherheitssystem
mit einer wasserstoffbetriebenen Verbrennungskraftmaschine zu kombinieren.
Hierbei wird vorzugsweise die Dosiereinrichtung in das Wasserstoff-Kraftstoffversorgungssystem
der wasserstoffbetriebenen Verbrennungskraftmaschine integriert.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit
besteht darin, die Dosiereinrichtung in eine Sicherheitsummantelung
eines Flüssigwasserstofftanks
einzubauen. Auf diese Weise kann das Gefahrenpotential von entsprechend
ausgerüsteten
Kraftfahrzeugen im Hinblick auf das Befahren von Garagen und dergleichen
erheblich verringert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist der Wasserstoff-Fördereinrichtung
eine Druckkammer nachgeschaltet, in der mindestens ein Sensor zum
Erfassen eines Wasserstoff-Zufuhrparameters, insbesondere des Drucks
und/oder Massenstroms und/oder Volumenstromes sitzt. Über die Druckkammer
lassen sich Druckschwankungen ausgleichen, so daß der wasserstoffumsetzenden
Vorrichtung Wasserstoff mit annähernd
konstantem Druck zur Verfügung
gestellt werden kann bzw. die Gefahr einer Versuchsverfälschung
infolge von Druckschwankungen der Wasserstoff-Fördereinrichtung vermindert
wird.
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In einer weiteren, vorteilhaften
Ausgestaltungsform weist die Wasserstoff-Fördereinrichtung eine
der Druckkammer vorgeschaltete Wasserstoffeinspeisevorrichtung auf,
die der Wasserstoffeinspeisevorrichtung der wasserstoffumsetzenden
Vorrichtung nachgebildet ist. Dies erleichtert die Durchführung eines
verbrauchssynchronen Betriebs zwischen der Dosiereinrichtung und
der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung erheblich. Die Komponenten
auf Seiten der Dosiereinrichtung können durch entsprechende Serienkomponenten
der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung dargestellt werden. Im Hinblick auf
eine höhere
Genauigkeit werden vorzugsweise jedoch baugleiche Komponenten eingesetzt,
die zusätzlich
kalibriert sind.
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Für
eine besonders einfache Betriebsweise für die Untersuchung von Verbrennungskraftmaschinen
und ähnliche
Vorrichtungen kann die Wasserstoffeinspeisevorrichtung auf Seiten
der Dosiereinrichtung mit Einblaßventilen versehen sein, die
in die Druckkammer münden.
Diese Einblaßventile
werden über
die Steuereinrichtung mit den Steuersignalen der Wasserstoffeinspeisevorrichtung
der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung versorgt. Auf diese Weise läßt sich
ein verbrauchssynchroner Betrieb mit geringem Steuerungsaufwand
realisieren.
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Darüber hinaus kann in der Steuereinrichtung
eine Korrektur der Steuersignale für die Einblaßventile
dahingehend erfolgen, daß durch
eine Veränderung
der Einblaßzeiten
der Druck in der Druckkammer vergleichmäßigt wird. Damit werden Druckschwankungen,
die aus einem intermittierenden Betrieb der Einlaßventile
resultieren, verringert. Der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung
kann so die benötigte
Wasserstoffmenge mit einem gleichmäßigeren Druckniveau zur Verfügung gestellt
werden.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung weist die Wasserstoff-Fördereinrichtung
eine Pumpe und/oder einen Druckregler auf, die der Druckkammer und
einer gegebenenfalls vorhandenen Wasserstoffeinspeisevorrichtung
vorgeschaltet sind.
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Zur Erfassung etwaiger Leckagen der
Dosiereinrichtung selbst kann in vorteilhafter Ausgestaltung deren
Gehäuse
mit einem Inertgas, beispielsweise Helium oder Stickstoff, gefüllt sein,
das die weiteren Komponenten des Dosiersystems umgibt. In dem Gehäuse ist
ein Wasserstoffsensor angeordnet, der bei Feststellung eines bestimmten
Wasserstoffgehalts anspricht und ein Störungssignal erzeugt.
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Nachfolgend wird die Erfindung nun
anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Sicherheitssystems
nach der Erfindung in einer Einfachausführung, und in
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Sicherheitssystems
für einen
Prüfstand
für Wasserstoft-Verbrennungskraftmaschinen.
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Das erste Ausführungsbeispiel in 1 zeigt ein Sicherheitssystem 1 für den Betrieb
einer wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2, hier beispielhaft
einer Verbrennungskraftmaschine in einem geschlossenen Raum 3,
der Teil eines Motorenprüfstands
ist. Der Raum 3 verfügt über eine
Be- und Entlüftungsinfrastruktur 4 und 5,
die mit der Umgebungsluft kommuniziert. Außerhalb des Raums 3 befindet
sich weiterhin ein Wasserstoffvorrat 6 in Form eines Tanks zur
Versorgung der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2. Die
Emissionen der Vorrichtung 2 werden über eine Entsorgungsleitung 7 aus
dem Raum 3 abgeführt.
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Wie 1 entnommen
werden kann, ist zwischen dem Wasserstoffvorrat 6 und der
wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2 eine Dosiereinrichtung 8 des
Sicherheitssystems 1 angeordnet, welche die gesamte Wasserstoffzufuhr
in den Raum 3 kontrolliert.
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Die Dosiereinrichtung 8 besitzt
ein gasdichtes Gehäuse 9,
in dem die weiteren Komponenten der Dosiereinrichtung angeordnet
sind, welche eine Durchführung
von Wasserstoff durch das Gehäuse 9 ermöglichen.
Dazu weist das Gehäuse 9 einem
Wasserstoffeinlaß 10 zur
Verbindung mit dem Wasserstoffvorrat 6 sowie einen Wasserstoffauslaß 11 zur Verbindung
mit der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2 auf.
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Zwischen Wasserstoffeinlaß 10 und
Wasserstoffauslaß 11 ist
in dem Gehäuse 9 eine
Wasserstoff-Fördereinrichtung 12 eingekoppelt,
die mittels einer Steuereinrichtung 13 verbrauchssynchron
mit der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2 betrieben wird.
Hierzu werden die gewünschten
Verbrauchsverläufe
der Vorrichtung 2 der Steuereinrichtung 13 zur
Verfügung
gestellt. Befindet sich letztere innerhalb des Gehäuses 9,
so sind an diesem geeignete Schnittstellen und elektrische Durchführungen
vorgesehen. Die Verbrauchsverläufe
lassen sich beispielsweise über
ein Rechnerprogramm bereitstellen. Es ist jedoch auch möglich, die
entsprechenden Informationen unmittelbar aus dem Steuersystem der wasserstoffumsetzenden
Vorrichtung 2 abzugreifen und, gegebenenfalls modifiziert
an die Steuereinrichtung 13 der Dosiereinrichtung 8 zu übertragen.
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Zur Regelung der Wasserstoffzufuhr
wird mittels eines Sensors 14 ein Wasserstoff-Zufuhrparameter zwischen
der Wasserstoff-Fördereinrichtung 12 und
der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2, d. h. auf der
Druckseite im Fördertrakt erfaßt. Dieser Parameter
wird in der Steuereinrichtung 13 mit einem korrespondierenden
verbrauchssynchronen Wert kontinuierlich oder mit hoher Frequenz
abgeglichen. Vorzugsweise erfolgt dies über den Druck. Es können jedoch
auch andere Parameter wie beispielsweise ein Volumenstrom oder Massenstrom
allein oder in Kombination miteinander zur Auswertung verwendet werden.
Damit läßt sich
die Wasserstoffzufuhr zügig an
den benötigten
Wasserstoffbedarf anpassen. Dies hat den Vorteil, daß stets
nur soviel Wasserstoff in den Raum 3 gefördert wird,
wie dort auch von der Vorrichtung 2 umgesetzt werden soll.
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Wird bei dem Abgleich festgestellt,
daß der erfaßte Wert
innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls um mehr als eine vorgegebene
Toleranz von dem korrespondierenden verbrauchssynchronen Wert abweicht,
so wird ein Störungssignal
generiert. Mit dem Störungssignal
kann dann die Unterbrechung der Wasserstoffzufuhr ausgelöst werden,
beispielsweise indem einfach die Pumpe 15 der Wasserstoff-Fördereinrichtung 12 abgeschaltet
wird. Möglich
ist auch die Anordnung eines zusätzlichen Abschaltventils,
das bei entsprechender Betätigung die
Wasserstoffzufuhrleitung hermetisch abdichtet.
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Da der Fördertrakt im Vergleich zu dem Raum 3 ein
lediglich sehr kleines Volumen aufweist, führen Diskrepanzen zwischen
der zuzuführenden Wasserstoffmenge
und der tatsächlich
verbrauchten Wasserstoffmenge zu einer schnell bemerkbaren Druckveränderung.
Tritt beispielsweise an der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2 Leckage
auf, so fällt
der Druck im Fördertrakt
rasch unter sein aktuelles Soll-Minimum
ab. Wird hingegen die angelieferte Wasserstoffmenge von der Vorrichtung 2 nicht
in der beabsichtigten Weise verbraucht, weil beispielsweise eine
Störung
oder ein Defekt an derselben vorliegt, so steigt der Druck im Fördertrakt
sehr schnell über sein
aktuelles Soll-Maximum an.
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Dies wird von dem Sicherheitssystem 1 umgehend
und unabhängig
vom Wasserstoffdurchsatz erkannt, so daß rechtzeitig vor dem Erreichen
einer kritischen Wasserstoffkonzentration in dem Raum 3 abgeschaltet
werden kann. Auch Störungen
in der Dosiereinrichtung 8 lassen sich auf ähnliche
Weise erkennen. Geeignete Plausibilitätsprüfungen ermöglichen die Unterscheidung
zu Störungen
an der wasserstoffverbrauchenden Vorrichtung 2. Auf diese Weise
muß in
Fällen
untergeordneter Sicherheitsrelevanz nicht immer eine Abschaltung
der Wasserstoffzufuhr in den Raum 3 erfolgen. Vielmehr
können auch
weniger einschränkende
Maßnahmen,
wie beispielsweise eine Drosselung der Zufuhr vorgenommen oder auch
nur Fehlermeldungen ausgelöst
werden.
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Zur Erfassung von Leckagen von Komponenten
der Dosiereinrichtung 8 innerhalb des Gehäuses 9 dient
ein in diesem angeordneter Wasserstoffsensor 16, der bei
Feststellung eines bestimmten Wasserstoffgehalts anspricht und ein
Störungssignal erzeugt.
Dieses Störungssignal
kann ebenfalls in der Steuereinrichtung 13 verarbeitet
und zur Abschaltung der Wasserstoffzufuhr herangezogen werden. Im
Hinblick auf eine hohe Meßqualität ist das
Gehäuse 9 überdies
mit einem Inertgas gefüllt,
das die weiteren Komponenten des Dosiersystems umgibt.
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Prinzipiell kann die Dosiereinrichtung 8 an
einer beliebigen Stelle innerhalb oder außerhalb des Raums 3 angeordnet
werden, solange für
gasdichte Verbindungsleitungen zu dem Wasserstoffvorrat 6 bzw.
der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2 gesorgt wird.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Dosiereinrichtung 8 jedoch in die Wand des Prüfraums 3 eingebaut,
so daß diese
den Anschluß zu
dem Wasserstoffvorrat 6 mit absichert.
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In Abwandlung zu dem vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispiel
kann die Dosiereinrichtung 8 auch in das Wasserstoff-Kraftstoffversorgungssystem
einer wasserstoffbetriebenen Verbrennungskraftmaschine integriert
werden, wobei diese dann vorzugsweise in eine Sicherheitsummantelung
eines Flüssig-Wasserstofftanks
eingebaut wird.
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Das zweite Ausführungsbeispiel in 2 bezieht sich auf ein Sicherheitssystem 1 für eine Prüfzelle,
das hinsichtlich Einsatz und Verwendung dem ersten Ausführungsbeispiel
entspricht, sich von diesem jedoch in Bezug auf die Dosiereinrichtung
unterscheidet.
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Die Dosiereinrichtung 8' des zweiten
Ausführungsbeispiels
weist neben der Wasserstoff-Fördereinrichtung 12' in dem Gehäuse 9 zusätzlich eine nachgeschaltete
Druckkammer 20 auf, in der der Sensor 14 zum Erfassen
eines Wasserstoff-Zufuhrparameters, vorzugsweise des Drucks, angeordnet ist.
Alternativ oder ergänzend
können
auch hier der Massenstrom und/oder Volumenstrom des zugeführten Wasserstoffs
erfaßt
werden.
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Die Wasserstoff-Fördereinrichtung 12' umfaßt neben
einer Pumpe 15 und/oder einem Druckregler zusätzlich eine
der Druckkammer vorgeschaltete Wasserstoffeinspeisevorrichtung 21,
die der Wasserstoffeinspeisevorrichtung 22 der wasserstoffumsetzenden
Vorrichtung 2 nachgebildet ist. Die Wasserstoffeinspeisevorrichtung 21 weist
Einblaßventile 23 auf,
die in die Druckkammer 20 münden und die über die
Steuereinrichtung 13 mit den Steuersignalen der Wasserstoffeinspeisevorrichtung 22 der
wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2 versorgt werden.
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In den Raum 3 bzw. die Prüfzelle gelangt
der Wasserstoff ausschließlich
durch die Dosiereinrichtung 8', die somit im wesentlichen besteht
aus: der im einfachsten Fall mit der entsprechenden Serienkomponente
baugleichen Pumpe 15 und/oder einem Druckregler, der im
einfachsten Fall mit der entsprechenden Serienkomponente baugleichen,
hier aber kalibrierten Steuereinrichtung 13, im einfachsten
Fall mit den entsprechenden Serienkomponenten baugleichen, hier
aber kalibrierten Einblasventilen 23, der Druck- bzw. Einblaskammer 20 mit
dem kalibrierten Druckmeßaufnehmer 14 sowie
mit den entsprechenden Serienkomponenten baugleichen Einblasventil-Endstufen 24.
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Die Dosiereinrichtung 8' ist in ein
gasdichtes Gehäuse 9 mit
ebenfalls gasdicht ausgeführten
elektrischen Durchführungen
und Wasserstoffdurchführungen
eingebaut, das den Wasserstoffzuführanschluß in der Prüfzellenwand einschließt. Das
Gehäuse 9 kann
auch hier mit einem Inertgas wie z.B. Helium oder Stickstoff gefüllt und
einem Wasserstoffsensor 16 ausgestattet sein, der eine
eventuelle, u. U. ungefährliche
Undichtigkeit der Dosiereinrichtung 8' selbst detektiert und an die Steuereinrichtung 13 meldet.
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Nachfolgend sei nun kurz die Wirkungsweise des
zweiten Ausführungsbeispiels
erläutert.
Im Betrieb gelangt der Wasserstoff aus dem Raum 3 bzw. die
Prüfzelle versorgenden
Anschluß nicht über eine direkte
Leitung in das Kraftstoffversorgungssystem des Verbrennungsmotors
(wasserstoffumsetzende Vorrichtung 2), sondern zunächst in
die oben erläuterte
Dosiereinrichtung 8'.
Diese wirkt grundsätzlich identisch
zur motorischen Kraftstoffversorgung, d. h. der einströmende Wasserstoff
wird mittels der Pumpe 15 und eines Druckreglers auf den
Original-Raildruck am Motor verdichtet und den Einblasventilen 23 zugeführt. Der
Steuereinrichtung 13 werden die Original-Ansteuersignale
der Motor-Einblasventile, deren
Anzahl beispielsweise der Zylinderanzahl des Motors entspricht,
zugeleitet. Die Steuereinrichtung 13 erzeugt hieraus unter
Berücksichtigung
weiterer Meß-
und Überwachungsgrößen wie
z. B. des Einblaskammerdrucks die Eingangssignale für die Einblasventil-Endstufen 24,
die wiederum die Einblasventile 23 ansteuern.
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Die in der Anzahl und in der Menge
gleich und zeitlich synchron zu den Einblasventilen des Motors angesteuerten
Einblasventile 23 blasen Wasserstoff in die Druck- bzw.
Einblaskammer 20, von wo dieser über eine Leitung dem Kraftstoffversorgungssystem
des Motors zugeführt
wird. Der Einblaskammerdruck wird mittels des Drucksensors 14 erfaßt und in
einer Regelschleife durch Korrektur der Einblaszeiten konstant auf
z. B. 1,5 bar geregelt. Dabei wird die Einblaszeiten-Korrekturgröße auf einen
Wert begrenzt, der gerade ausreicht, um Toleranzen zwischen den
Einblasventilexemplaren des Motors auszugleichen.
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Eine angenommene Störung des
wasserstofführenden
Systems in dem Raum 3 oder der hier beschriebenen Dosiereinrichtung 8' mit sicherheitskritischer
Auswirkung hat eine Abweichung zwischen der von der Dosiereinrichtung 8' angebotenen
und der in den Raum 3 abfließenden Wasserstoffmenge zur
Folge, wodurch der überwachte
Einblaskammerdruck unverzüglich
seinen Toleranzbereich verläßt. Beispielsweise
sinkt bei Auftreten einer Leckage in dem Raum 3 bzw. der
Prüfzelle
der Einblaskammerdruck unter sein Minimum. Dies bewirkt das sofortige Abschalten
der Einblasventile 23 in der Dosiereinrichtung 8' und unterbindet
so die erläuterte
Wasserstoffzufuhr in den Raum 3 bzw. die Prüfzelle.
Wird die angelieferte Wasserstoffmenge in dem Raum 3 bzw. in
der Prüfzelle
nicht vollständig
abgenommen, weil etwa eine Störung
oder ein Defekt der wasserstoffumsetzenden Vorrichtung 2 bzw.
des Motors vorliegt, so steigt der Einblaskammerdruck über sein Maximum
und veranlaßt,
obwohl weniger sicherheitskritisch, die Abschaltung der Wasserstoffzufuhr.
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Das Volumen der Druck- bzw. Einblaskammer 20 einschließlich der
Leitungen zum und am Motor kann sehr gering, z. B. 2 1, sein. Da
die Reaktionsdauer der Einblaskammerdruckmeßstelle auf einen störungsbedingten
Druckabfall unter den tolerierten Wert im ms-Bereich, d.h. um etwa
zwei Größenordnungen
kleiner als die Prüfzellenwasserstoffsensorik ist,
beschränkt
sich die im Störungsfall
in den Raum 3 bzw. die Prüfzelle eingebrachte Wasserstoffmenge auf
den Einblaskammerinhalt. Bei einer Wasserstoffmolmasse von 2 g und
einem Molvolumen von 22,4 l (unter Normaldruck und bei Raumtemperatur)
sind unter Berücksichtigung
der Gasgleichung p x V=const. in der Druck- bzw. Einblaskammer 20 mit
einem angenommenen Volumen von 2 l bei einem angenommenen Druck
von 1,5 bar etwa 0,13 g Wasserstoff vorhanden, was nochmals etwa
um eine Größenordnung
unterhalb des im allgemeinen gültigen Grenzwerts
liegt.
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Die hier dargestellte Wirkungsweise
gewährleistet
einen gegen einen Wasserstoffaustritt abgesicherten Betrieb von
Wasserstoff-Verbrennungskraftmaschinen
beliebiger Leistung in einer mit dieser verbrauchssynchronen Wasserstoffdosierung
ausgestatteten Prüfzelle.
Eine Überwachung
der Wasserstoffkonzentration in der Prüfzelle bleibt als zusätzliche
Sicherheitsstufe weiterhin sinnvoll, kommt aber mit der Ansprechverzögerung heute
verfügbarer Sensorik
aus, ohne daß der
Wasserstoffmassenstrom in die Prüfzelle
limitiert werden müßte.
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Die Anwendung der beschriebenen Sicherheitskonzepte
bleibt nicht auf den stationären
Wasserstoffmotorenprüfstand
beschränkt.
Denkbar ist beispielsweise auch die Integration einer verbrauchssynchronen
Dosiereinrichtung in das Wasserstoff-Kraftstoffversorgungssystem
eines jeden mit einem Wasserstoffmotor betriebenen Kraftfahrzeugs, um
dessen Betriebssicherheit in geschlossenen oder teilgeschlossenen
Räumen
wie z.B. Tiefgaragen und Tunnels zu gewährleisten, oder um überhaupt
erst eine diese Bereiche einschließende Betriebserlaubnis zu
erwirken.
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Im Kraftfahrzeug kann das System
als verbrauchssynchrone Dosierpumpe innerhalb der Sicherheitsummantelung
eines Flüssigwasserstofftanks
angeordnet sein, so daß diesen
ohnehin bereits abgesicherten Bereich nur diejenige Wasserstoffmenge
verlassen kann, die vom Motor verarbeitet wird. Da im Kraftfahrzeug
auch weitere Aspekte der Betriebssicherheit, die insbesondere die
Motorleistungsverfügbarkeit
im Straßenverkehr
betreffen, zu beachten sind, empfiehlt sich ein geeignetes Sensorsystem
zur Erkennung wasserstoffsicherheitskritischer Umgebungsbereiche,
das die Sicherheitsfunktion der fahrzeuginternen Dosiereinrichtung
aktiviert, bzw. auch wieder deaktiviert.