DE19602881A1

DE19602881A1 - Verfahren zum Versorgen eines Fahrzeugs mit einem Kryokraftstoff-/Luftgemisch

Info

Publication number: DE19602881A1
Application number: DE19602881A
Authority: DE
Inventors: Friedel Michel
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1997-07-31

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen eines Fahrzeugs mit einem Kryokraftstoff-/Luftgemisch nach dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Kryokraftstoffe werden zunehmend als Energieträger zum Antreiben von Fahrzeugen wie Lastkraftwagen, Bussen oder Personenkraftwagen ein gesetzt. Als Kryokraftstoffe dienen dabei zum Beispiel Flüssigerdgas (LNG = Liquefied Natural Gas) oder Flüssigwasserstoff. Die flüssige Speicherung der Kryokraftstoffe, zum Beispiel bei -161°C (Erdgas) oder -250°C (Wasserstoff), erfolgt aus Gründen der Speicherkapazität. Mit der Speicherung in flüssiger Form werden die Reichweiten von konven tionellen Kraftstoffen erzielt. Die im Kryokraftstoffbehälter gespeicherten flüssigen Kryokraftstoffe werden dem Verbrennungsraum des Fahrzeug motors als Gas zugeführt. Die Verdampfung des flüssigen Kryokrafttoffs erfolgt dabei in Wärmetauschern, denen das Motorkühlwasser als Wär meträger zugeführt wird (DE-A1 43 20 556, DE 195 06 487).

Die verdampften gasförmigen Kryokraftstoffe wie Wasserstoff oder Erd gas haben eine geringere Dichte als flüssige Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel. Daher verringert sich bei gleichem Volumen des Verbrennungs raumes für gasförmige Kryokraftstoffe gegenüber flüssigen Kraftstoffen die gesamte reaktionsfähige Masse des Kryokraftstoff-/Luftgemisches und damit auch die Leistung des Fahrzeugmotors. Für den Kryokraftstoff Wasserstoff besteht zusätzlich die Gefahr "klopfender" Verbrennung, da Wasserstoff sehr reaktionsfreudig ist. Um die Verbrennungsgeschwin digkeit des Wasserstoff-/Luftgemisches zu begrenzen, wird der Anteil des Wasserstoffs am Wasserstoff-/Luftgemisch verringert. Es wird ein mageres Gemisch (λ< 1) eingestellt. Damit verringert sich die Leistung des Fahrzeugmotors zusätzlich.

Bekannt ist, bei konventionellen Kraftstoffen die Leistung des Verbren nungsmotors durch Aufladung der Verbrennungsluft zu erhöhen. Mit der Aufladung der Verbrennungsluft erhöht sich auch ihre Temperatur, wo durch sich der Wirkungsgrad der Aufladung in erheblichem Umfang ver ringert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor die Leistung zu erhöhen.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird in einfachster Weise eine Erhöhung der Lei stung des Verbrennungsmotors erzielt, weil durch Wärmeaustausch und/oder Mischung des Kryokraftstoffs mit der auf Umgebungstempera tur befindlichen Luft, diese abgekühlt wird. Dabei erhöht sich die Luft dichte um bis zu 40% und damit das gesamte in einen Verbrennungs raum einströmende reaktionsfähige Kryokraftstoff-/Luftgemisch. Durch die Abkühlung der Verbrennungsluft wird der Verbrennungsablauf ver bessert, da die Verbrennungsgeschwindigkeit bei tieferen Temperaturen abnimmt. Damit verringert sich die Klopfneigung für gasförmige Kraft stoffe. Bei gasförmigen Kryokraftstoffen mit hoher Verbrennungsge schwindigkeit, wie zum Beispiel Wasserstoff, kann durch die Abkühlung der Verbrennungsluft ein fetteres Kryokraftstoff-/Luftgemisch, das näher am stöchiometrischen Mischungsverhältnis liegt eingesetzt werden.

Die Erfindung führt bei gleicher Leistung des Verbrennungsmotors zu geringeren Abmessungen. Durch Absenken der Verbrennungstempera tur werden geringere Emissionswerte, insbesondere für Stickoxyde, er reicht.

Unter Kryokraftstoff werden alle Kraftstoffe verstanden, deren Siede punkt unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, zum Beispiel Wasser stoff, Erdgas, Methan, Ethen, Ethan und dergleichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Luftkühlung durch Wärmeaustausch mit dem Kryokraftstoff

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Luftkühlung durch Mischung mit dem Kryokraftstoff

Kryokraftstoffe für den Antrieb von Verbrennungsmotoren von Fahrzeu gen werden in doppelwandig isolierten Kryotanks in flüssiger Form ge speichert, zum Beispiel Wasserstoff bei -250°C, Erdgas (CH₄) bei -161°C. Die in flüssiger Form gespeicherten Kryokraftstoffe werden dem Verbrennungsraum gasförmig unter Beimischung von Luft zuge führt. Bei der Verdampfung und Erwärmung auf Umgebungsbedingun gen, beispielsweise 15°C, wird dem Kryokraftstoff die in ihm enthaltene hohe Energie entzogen, zum Beispiel bei Wasserstoff ca. 4.288 kJ/kg, bei Erdgas (CH₄) ca. 888 kJ/kg.

Mit diesem Kältepotential des flüssigen Kryokraftstoffes wird direkt oder indirekt die zur Verbrennung benötigte Luft abgekühlt. Das Kältepoten tial kann je nach gewünschter Lufttemperatur teilweise oder vollständig zur Abkühlung der Verbrennungsluft genutzt werden. Durch die Abküh lung der Luft wird deren Dichte und damit die genannte reaktionsfähige Kryokraftstoff-/Luftgemischmasse, die in den diskreten Verbrennungs raum einströmt, erhöht. Die Verbrennung des kälteren Kryokraftstoff- /Luftgemisches senkt die Klopfneigung. Das Mischungsverhältnis des Kryokraftstoff-/Luftgemisches, zum Beispiel für den Kryokraftstoff Was serstoff, kann näher am stöchiometrischen Mischungsverhältnis einge stellt dem Verbrennungsraum zugeführt werden. Dies steigert neben der Kryoaufladung (Dichteerhöhung der Verbrennungsluft aufgrund einer Temperatursenkung) die Motorleistung eines Fahrzeuges zusätzlich.

Ausführungsbeispiel 1

In Fig. 1 ist die indirekte Abkühlung der Luft schematisch dargestellt. Mit 10 ist die Zuführleitung der Luft, mit 11 die Zuführleitung des flüs sigen Kryokraftstoffes, zum Beispiel Wasserstoff (H₂), und mit 13 der Wärmetauscher bezeichnet. Dem Wärmetauscher wird über Leitung 10 auf Umgebungstemperatur befindliche oder durch Aufladung erwärmte Luft als Wärmemittel zugeführt, welche über Leitung 14 aus dem Wär metauscher 13 austritt. Im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom zu der Luft wird über die Leitung 11 dem Wärmetauscher 13 der flüssige Kryokraft stoff, zum Beispiel Wasserstoff, zugeführt. Der verflüssigte kryogene Kraftstoff durchströmt den Wärmetauscher 13 und wird unter Wärme aufnahme aus der Luft verdampft. Die Verbrennungsluft kühlt dabei in Abhängigkeit von ihrer Anfangstemperatur um bis zu 150K ab, bei spielsweise bei einer Anfangstemperatur von 25°C um bis zu 90K.

Die Luftdichte erhöht sich dabei um ca. 40%. Selbstverständlich ist es auch möglich, dem flüssigen Kryokraftstoff einen Teil seines Kältepo tentials mittels eines separaten Wärmetauschers vor oder nach dem Wärmetauscher 13 zu entziehen, um so die Luftabkühlung zu steuern. Die maximal mögliche Abkühlung der Luft ist geringer, wenn das Kryo kraftstoff-/Luftgemisch, zum Beispiel im Teillastbereich, magerer einge stellt wird. Bei einer Anfangstemperatur der Verbrennungsluft von 25°C und einem Wert von zum Beispiel λ=2,0 beträgt die maximale mögliche Luftabkühlung ca. 40K, was einer Dichteerhöhung von ca. 16% ent spricht.

Dieses Verfahren ist deshalb für aufgeladene Motoren mit Qualitätsrege lung besonders geeignet, da sich bei diesen die Ladeluft im Vollastbe reich stärker erwärmt als im Teillastbereich. Der verdampfte Kryokraft stoff tritt als Gas aus dem Wärmetauscher 13 aus. Über Leitung 15 wird der gasförmige Kryokraftstoff einer Kryokrnftstofl-Durchflußregeleinheit 16 zugeführt, welche den Anteil des Kryokraftstoffes an dem Kryokraft stoff-/Luftgemisch regelt. Über Leitung 17 wird der gasförmige Kryo kraftstoff einem Mischer 18 zugeführt. In dem mit der Leitung 14 ver bundenen Mischer 18 wird das homogene brennfähige Gemisch aus Kryokraftstoff und abgekühlter Luft hergestellt, bevor es in den Verbren nungsraum 19 eines Motors strömt.

Ausführungsbeispiel 2

In Fig. 2 ist die direkte Abkühlung der Luft schematisch dargestellt, wobei die Bezugsziffern der Fig. 1 für gleiche Bauteile der Fig. 2 bei behalten wurden. Mit der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung wird die Temperatur der Luft, durch Wärmetausch und Vermischung der Luft mit dem kalten, flüssigen Kryokraftstoff abgesenkt. Der flüssige Kryokraft stoff, zum Beispiel Wasserstoff, strömt über Leitung 11 und die tieftem peraturbeständige Kryokraftstoff- Durchflußregeleinheit 16 zu dem Mi scher 18. Mit einer Vestäubungseinrichtung 20 wird der flüssige Kryo kraftstoff in den Mischer 18 eingedüst. Über Leitung 10 wird dem Mi scher 18 Luft zugeführt. Im direkten Wärmetausch zwischen der Luft und dem flüssigen Kryokraftstoff verdampfen die Flüssigkeitströpfchen des Kryokraftstoffes in der Luft. Das gegenüber der ursprünglichen Lufttemperatur bis zu 150K abgekühlte Kryokraftstoff-/Luftgemisch wird dem Verbrennungsraum 19 des Motors zugeführt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dem Kryokraftstoff einen Teil seines Kältepotentials mittels eines separaten Wärmetauschers zu entziehen, um so die Luftabkühlung zu steuern. Zur Vereinfachung der Durchflußregelung kann zum Beispiel bei Wasserstoff ein Vorverdampfer eingesetzt wer den, um in der Durchflußregeleinheit 16 eine 2-Phasen-Strömung zu vermeiden.

Verfahren und Daten am Beispiel des Kryokraftstoffes Wasserstoff

Für die stöchiometrische Verbrennung von Wasserstoff gilt:
1 kmol H₂ + 1/2 kmol O₂ = 1 kmol H₂O
oder
1 kg H₂ + 8 kgO₂ = 9 kg H₂O

Da der Sauerstoffgehalt der Luft etwa 21 Volumen-% beträgt, gilt auch:
(Massenanteile O₂ = 23,122% N₂ = 75,537%)
1 kg H₂ + 8 kg O₂ + 0,755/0,231* 8 kg N₂ = 9 kg H₂O + 0,755/0,231* 8 kg N₂
1 kg H₂ + 34,1 kg Luft = 9 kg H₂O + 26,1 kg N₂

Das stöchiometrische H₂/Luft-Verhältnis beträgt demnach ungefähr 1/34,1 = 0,02933 kg H₂ pro kg Luft.

Durch Wärmetausch oder Mischung des kryogenen Wasserstoffs mit der ca 25°C warmen Luft kann die max. mögliche Luftabkühlung verein facht folgendermaßen bestimmt werden:

Die Luftdichte erhöht sich dabei um ca. 40%.

Claims

1. Verfahren zum Versorgen eines Fahrzeugmotors mit einem Kryokraftstoff-/Luftgemisch gekennzeichnet durch die Temperaturabsenkung der Luft mittels des Kryokraftstoffes.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Siedepunkt des Kryokraftstoffes unterhalb der Um gebungsluft liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Kryokraftstoff tiefkalt verflüssigtes Erdgas oder Wasserstoff ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Luft flüssiger und/oder kalter gasförmiger Kryokraftstoff zugemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Luft im Wärmeaustausch mit dem Kryokraftstoff abgesenkt wird.