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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Aufbereitung von kryogenem Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine,
wobei zumindest ein Teil des Kraftstoffs durch Hochdruckeinblasung
in den bereits verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum zur Verbrennung
zugeführt
wird und wobei der für
die Hochdruckeinblasung erforderliche Druck in einem Druckbehälter erzeugt
wird, in den letztlich aus einem Kryo-Tank kryogener Kraftstoff
eingeleitet wird, der darin erwärmt
wird. Zum technischen Umfeld wird neben der
DE 37 28 683 A1 auf die
DE 196 02 881 A1 verwiesen.
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In einer Brennkraftmaschine können zur
Erzeugung von mechanischer Energie bekanntlich nicht nur flüssige, insbesondere
aus Erdöl
gewonnene Kraftstoffe verbrannt werden, sondern bei geeigneter Auslegung
auch gasförmige
Kraftstoffe, wie Erdgas oder Wasserstoff o.ä.. Wegen des gegenüber flüssigen Kraftstoffen
geringeren spezifischen Energieinhalts solcher gasförmiger Kraftstoffe
werden diese in Kryotanks tiefkalt und dabei weitestgehend verflüssigt aufbewahrt
bzw. gespeichert. Angestrebt wird dabei, der Brennkraftmaschine
den Kraftstoff im gasförmigen
Aggregatzustand zumindest teilweise durch Hochdruckeinblasung in
den oder die bereits ein verdichtetes Gas enthaltenden Brennraum
bzw. Brennräume
zur Verbrennung zuzuführen,
da hierdurch die Gefahr von Rückzündungen
minimiert und die Leistungsdichte sowie der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
erhöht
werden können.
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Zur Umsetzung einer derartigen Hochdruckeinblasung
kann der Druck im kryogen gespeicherten Kraftstoff durch geeignete
Erwärmung
desselben erzeugt werden. Um hierfür nicht den vollständigen Kryo-Tank
als Hochdruckbehälter
auslegen zu müssen,
wird im bekannten Stand der Technik eine geringe Teilmenge von kryogenem
Kraftstoff aus dem Kryo-Tank in einen kleinen Druckbehälter umgefüllt und
dort geeignet erwärmt.
Der daraus entstehende Hochdruck-Kraftstoff wird dann für die Direkteinblasung
in die bereits verdichtetes Gas bzw. Luft-Kraftstoff-Gemisch enthaltenden
Brennkraftmaschinen-Brennräume
verwendet.
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Die Erwärmung des kryogenen Kraftstoffs
im Druckbehälter
kann bspw. durch Nutzung der Abwärme-
der Brennkraftmaschine oder durch Wärmeeinfall aus der Umgebung
erfolgen, so wie dies in der eingangs erstgenannten Schrift vorgeschlagen
ist, wobei dafür
Sorge zu tragen ist, dass eine ausreichende Wärmemenge in ausreichend kurzer
Zeit in den Druckbehälter
bzw. an das darin enthaltene bzw. darin eingeführte (kryogene) Kraftstoff-Gas abgegeben werden
kann. Schließlich
soll der gesamte Druckaufbau-Prozess
hinreichend schnell erfolgen, wobei der Druckbehälter selbst bzw. dessen Wände zur
Druckaufnahme ausreichend massiv gestaltet werden müssen, wodurch
jedoch ein einfacher Wärmeübergang
von außen
in den Innenraum des Behälters
erschwert wird.
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Eine besonders günstige Vorrichtung zur Erwärmung von
kryogenem Kraftstoff in einem Druckbehälter bzw. eine besonders günstige Vorrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der
vorliegenden Erfindung.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen,
dass der Druckbehälter
mit einem Wärmetauscher
versehen und in Form einer sog. Verdampfungsbirne ausgebildet ist,
die im wesentlichen ein Hüll-Rohr
aufweist, innerhalb dessen der durch zwei im wesentlichen konzentrisch
angeordnete Rohrstutzen, von denen der äußere mit Ausnahme von Verbindungsleitungen
endseitig geschlossen ist, gebildete Druckbehälter angeordnet ist, und wobei
der aus dem Kryo-Tank zugeführte
Kryo-Kraftstoff zunächst
in den Innenraum des inneren Rohrstutzens gelangt und von diesem
aus durch einen Ringspalt zwischen diesem und dem äußeren Rohrstutzen strömt, der
seinerseits außenseitig
vom innerhalb des Hüll-Rohres
geführten
warmen Medium umströmt
wird. Bevorzugt kann dabei als warmes Medium die stromauf des Wärmetauschers
in einer Aufladevorrichtung verdichtete und nach Verlassen des Wärmetauschers
der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft
verwendet werden. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt
der übrigen
Unteransprüche.
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Mit der vorgeschlagenen besonderen
Bauweise des Wärmetauschers
wird sowohl eine optimale Integration im Druckbehälter erzielt,
als auch der Tatsache Rechnung getragen, dass besondere Maßnahmen
zur Steigerung des Wärmeübergangs
zwischen dem Strom eines warmen Mediums und dem kalten, im Druckbehälter befindlichen
Kraftstoff-Gas wünschenswert
sind, da dessen Volumen im Vergleich zum Volumen eines beliebigen
verfügbaren warmen
Mediums sehr gering ist und ein unrealistisch großer Wärmetauscher
wünschenswerterweise vermieden
werden soll. In diesem Sinne wird vorgeschlagen, den Druckbehälter inklusive
des Wärmetauschers
als ein zusammenhängendes,
praktisch aus ineinander angeordneten, zum Teil endseitig geschlossenen
Rohren bzw. Rohrstutzen stutzen bestehendes System auszuführen, das
hier als Verdampfungsbirne bezeichnet wird. Der Druckbehälter wird
dabei durch einen sog. äußeren Rohrstutzen
gebildet, innerhalb dessen ein innerer Rohrstutzen angeordnet ist,
worauf im weiteren noch näher
eingegangen wird. Der äußere Rohrstutzen
bzw. Druckbehälter
ist weiterhin von einem sog. Hüll-Rohr
umgeben, welches das warme Medium führt, von dem Wärme an den
Druckbehälter
bzw. an das in diesem befindliche Kraftstoff-Gas abgegeben wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der innere Rohrstutzen, dessen eine Stirnseite mit einer Wand
versehen ist, die eine Eintrittsöffnung
für eine
Zufuhr-Leitung aufweist, über
die frischer Kraftstoff in den Innenraum dieses innern Rohrstutzens eingeleitet
werden kann, auf der anderen Seite offen und weist eine relativ
geringe Wandstärke
aufweisen, da dieser innere Rohrstutzen im Druckbehälter lediglich
Führungsaufgaben übernimmt
und keinen Druck aufnehmen muss. Der bereits genannte, den inneren Rohrstutzen
umschließende äußere Rohrstutzen
bildet nun den eigentlichen Druckbehälter und weist demzufolge eine
vergleichsweise große
Wandstärke auf,
um den in diesem Druckbehälter
entstehenden Hochdruck aufnehmen zu können. Die beiden Stirnseiten
dieses äußeren Rohrstutzens
sind geschlossen, mit Ausnahme von Übertrittsstellen für diverse, den
Kraftstoff geeignet führende
Leitungen, worauf an späterer
Stelle noch ausführlich
eingegangen wird. Dabei fungiert insbesondere ein bspw. ringförmiger Abschnitt
des zwischen dem äußeren Rohrstutzen
und dem inneren Rohrstutzen liegenden Raumes, der im Bereich der
geschlossenen Stirnseite des inneren Rohrstutzens liegt, als Druckbehälter zur
Aufnahme von Kraftstoff-Gas unter Hochdruck, wenngleich auch ein
Teil des im folgenden erläuterten
Wärmetauschers,
der durch den Ringspalt zwischen dem inneren Rohrstutzen und dem äußeren Rohrstutzen
gebildet wird, sowie der Innenraum des inneren Rohrstutzens, in
den zunächst
frischer Kraftstoff letztlich aus dem Kryo-Tank eingefüllt wird, ebenfalls
Bestandteile des Druckbehälters
sind.
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Ein weiter Teil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
wird durch den Raum zwischen dem äußeren Rohrstutzen und dem genannten
Hüll-Rohr gebildet,
durch welches das genannte warme Medium, mit Hilfe dessen der kryogene
Kraftstoff erwärmt werden
soll, hindurchgeführt
wird. Bevorzugt wird dieses warme Medium im Gegenstrom zum kalten Kraftstoff
geführt,
der – wie
bereits erwähnt – durch den
Ringspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrstutzen des Druckbehälters strömt. Nachdem
der Kraftstoff aus dem Innenraum des inneren Rohrstutzens im Bereich
von dessen offenem Ende in den genannten Ringspalt eintreten kann,
empfiehlt es sich zur Darstellung eines wirkungsgradoptimierten
Wärmetauschers
folglich, das warme Medium dort, wo der innere Rohrstutzen endseitig
geschlossen ist, in den Raum zwischen dem äußeren Rohrstutzen des Druckbehälters und
dem das warme Medium führenden
Hüll-Rohr
einzuführen.
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Durch den besagten, relativ schmalen
Ringspalt strömt
somit das zunächst
kryogene Kraftstoff-Gas mit erhöhter
Geschwindigkeit und dadurch verbessertem Wärmeübergang hindurch, während es
gleichzeitig aufgewärmt
wird. Dadurch wird nur eine vergleichsweise kleine Wärmeübertragungsfläche benötigt, und
dennoch kann eine ausreichende Wärmemenge
von außen,
d.h. vom im Raum zwischen der Rohrhülle und dem äußeren Rohrstutzen geführten Strom
von warmem Medium durch die Rohr-Wand des äußeren Rohrstutzens hindurch
an das im Ringspalt geführte
Kraftstoff-„Gas" übertragen werden.
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Indem der Innenraum des inneren Rohrstutzens
wie beschrieben quasi als Einlaufvolumen fungiert und sozusagen
in das Zentrum des beschriebenen Wärmetauschers integriert ist,
ist die Nachförderung
von Kraftstoff in den genannten Ringspalt des Wärmetauschers sichergestellt.
Dies dank der Tatsache, dass nach einer Aufheizung des Kraftstoffs
im besagten Ringspalt der zentraler liegende, dünne und damit gut wärmeleitende
innere Rohrstutzen ebenfalls aufgeheizt wird. Dieser im wesentlichen
als Führungsrohr
fungierende Rohrstutzen heizt nun seinerseits das in seinem Innenraum
befindliche Kraftstoff-Gas auf, wodurch sich dessen Dichte verringert, so
dass hiermit der Weitertransport in und durch den eigentlichen Wärmetauscher,
nämlich
den besagten Ringspalt veranlasst wird.
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Die soweit vorgeschlagene Gestaltung
des Wärmetauschers
in Verbindung mit dem Druckbehälter
zeichnet sich zum einen durch geringen Platzbedarf aus, da eine
jeweils zu erhitzende Menge von kryogenem Kraftstoff zunächst im
zentralen Innenraum dieser sog. Verdampfungsbirne bzw. des inneren
Rohrstutzens gesammelt werden kann. Dabei lässt sich eine derartige Verdampfungsbirne
mit relativ geringem Gewicht bauen, denn es wird lediglich der sog. äußere Rohrstutzen
mit Hochdruck beaufschlagt. Ferner zeichnet sich dieses System durch hohe
Sicherheit aus, da ein Ausströmen
von Kraftstoff auch bei einer Verletzung des äußeren Rohrstutzens ausgeschlossen
ist. Im übrigen
wird jegliche Vereisung an der Außenfläche dieses Systems, die durch
die Außenseite
des sog. Hüll-Rohres
gebildet wird, vermieden, nachdem sich das kalte Medium im Zentrum
befindet und das warme Medium ringförmig um das kalte Medium herum
geführt
ist.
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Bislang wurde nur von einem einzigen
im besagten Hüll-Rohr
angeordnetem-Druckbehälter (bestehend
aus dem besagten äußeren und
inneren Rohrstutzen) gesprochen. In einem solchen Fall ist der äußere Rohrstutzen
bevorzugt konzentrisch innerhalb des Hüll-Rohres angeordnet. Abweichend hiervon
ist es jedoch auch möglich,
mehrere solche Druckbehälter
nebeneinander im Hüll-Rohr
anzuordnen, falls dies bspw. im Hinblick auf den zur Verfügung stehenden
Bauraum oder aus anderen Gründen
vorteilhaft ist. Durch eine derartige quasi parallele Anordnung
von Druckbehältern
kann nämlich
die Länge
der Rohrstutzen bei gleicher Wärmeübergangs-Kapazität verringert
werden.
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Zurückkommend auf den Aufbau des
eigentlichen Druckbehälters
in einer erfindungsgemäßen Verdampfungsbirne
kann, damit der besagte, einen Teil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
bildende Ringspalt, der ungünstigerweise
eine Drosselstelle darstellt, nicht ein erwünschtes schnelles Einfüllen des
Kraftstoff-Gases in den Druckbehälter
behindert, eine Bypass-Leitung
zu diesem genannten Ringspalt vorgesehen sein. Diese Bypassleitung
bildet somit einen Parallelzweig zum Ringspalt und verbindet das
freie Ende des inneren Rohrstutzens mit dem bereits genannten ringförmigen Abschnitt
des Druckbehälters,
so dass die durch den Wärmetauscher
gebildete Drosselstelle, bevorzugt durch ein Sperrventil gesteuert, überbrückt werden
kann. In anderen Worten ausgedrückt
verbindet diese Bypassleitung, in der ein Ventil zur gewünschten
Steuerung der einzelnen Kraftstoff-Ströme
vorgesehen sein kann, die beiden Enden des Druckbehälters miteinander.
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Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung wird vorgeschlagen, die Erwärmung des Kraftstoffs im Druckbehälter mittels
des geschilderten Wärmetauschers
dadurch zu bewerkstelligen, dass als warmes Medium die für die Brennkraftmaschine
bestimmte Verbrennungsluft im durch eine Aufladevorrichtung verdichteten
Zustand durch diesen Wärmetauscher
hindurchgeführt
wird. Eine solche Wärmequelle
zeichnet sich durch mehrere Vorteile aus. So wird der Verbrennungsluftstrom
für die Brennkraftmaschine
im genannten Wärmetauscher durch
den kalten Kraftstoff abgekühlt
und somit in seiner Dichte weiter gesteigert, woraus sich eine Füllungssteigerung
und somit eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine ergibt.
Dies ist zwar grundsätzlich
bereits bekannt, vgl. die eingangs bereits genannte
DE 196 02 881 A1 , jedoch
wird in diesem bekannten Stand der Technik kein stromauf des Wärmetauschers
in einer Aufladevorrichtung oder dgl. verdichteter bzw. komprimierter
Verbrennungsluftstrom als Wärmequelle
für den
Wärmetauscher
vorgeschlagen. Vielmehr wird dort der einfache, nicht verdichtete
Ansaugluftstrom der Brennkraftmaschine verwendet.
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Dieser hiermit vorliegende neue Vorschlag über eine
Verdichtung der Verbrennungsluft vor Einleitung in den Wärmetauscher
des Druckbehälters hat
demgegenüber
den Vorteil, dass es damit nicht mehr zu einem Ausfrieren der Luftfeuchtigkeit
im Wärmetauscher
kommen kann, weil der Verbrennungsluftstrom in der Aufladevorrichtung
erheblich erwärmt
wurde. Wird hingegen ein Luftstrom direkt aus der Umgebung durch
den Wärmetauscher
des besagten Druckbehälters
geleitet, wobei diesem Luftstrom eine erhebliche Wärmemenge
entzogen wird, so besteht eine hohe Vereisungsgefahr. Vorgeschlagen
wird somit, die zur Drucksteigerung des Wasserstoffs im Druckbehälter erforderliche
Wärme dem Verbrennungsluftstrom
der Brennkraftmaschine zu entnehmen und dabei – um eine Vereisung zu vermeiden
und eine erwünschte
hohe Leistungsdichte der Brennkraftmaschine zu erzielen – eine Aufladevorrichtung
für die
Brennkraftmaschine vorzusehen, durch die deren Verbrennungsluft
hindurchgeleitet wird. Bevorzugt kann es sich bei dieser Aufladevorrichtung
um einen mechanisch angetriebenen Kompressor oder dgl. handeln.
In diesem (bzw. allg. in der Aufladevorrichtung) wird die Temperatur
der Verbrennungsluft soweit gesteigert, dass auch nach Wärmeentzug
durch den kryogenen Kraftstoff kein Ausfrieren von Luftfeuchtigkeit
auftreten kann.
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Im übrigen ist die Verwendung eines
verdichteten Ansaugluft-Stromes für die Brennkraftmaschine als
Wärmequelle
für den
Wärmetauscher
gegenüber anderen
möglichen
Wärmequellen
auch insofern von Vorteil, als diese Wärmequelle sehr kurzfristig
zur Verfügung
steht und dabei ein relativ hohes Potential besitzt. Andere mögliche Wärmequellen,
wie bspw. das Kühlmittel
der Brennkraftmaschine, stünden
hingegen im Anschluss an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine
erst nach einer gewissen Zeit zur Verfügung.
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Soweit wurde nun also erläutert, wie
aus einem Kryo-Tank entnommener kryogenen Kraftstoff quasi portioniert
in einem Druckbehälter
auf besonders günstige
Weise soweit erwärmt
werden kann, dass dieser Kraftstoff durch Hochdruckeinblasung in den
oder die bereits ein verdichtetes Gas enthaltende(n) Brennraum bzw.
Brennräume
einer Brennkraftmaschine eingeführt
werden kann. Dies funktioniert zeitlich jedoch nur solange, als
noch eine ausreichend große
Menge von Kraftstoff im Druckbehälter vorhanden
ist. Ist aus diesem jedoch eine gewisse Menge von Kraftstoff entnommen,
so fällt
zwangsläufig
der Druck in diesem Druckbehälter
soweit ab, dass eine Kraftstoff-Direkteinblasung unter Hochdruck
nicht mehr möglich
ist.
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Um dann den Druckbehälter von
neuem mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befüllen zu können und
anschließend
daran neuerlich Hochdruck in diesem Druckbehälter aufbauen zu können, sollte
im Hinblick auf hohe Effizienz zunächst der Druckbehälter im
wesentlichen entleert werden, d.h. es sollte der darin nach einer
Entnahme für
die Hochdruckeinblasung noch enthaltene und nurmehr unter verringertem
Druck vorliegende Kraftstoff zumindest in einem gewissen Umfang,
bevorzugt jedoch im wesentlichen vollständig, aus dem Druckbehälter entfernt
werden.
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In der eingangs genannten
DE 37 28 683 A1 ist
vorgeschlagen, diesen restlichen, nurmehr unter verringertem Druck
vorliegenden Kraftstoff aus dem Druckbehälter, der in der genannten
Schrift als Warmvergaser, bezeichnet ist, in einen Zwischenspeicher
zu leiten und aus diesem heraus der Brennkraftmaschine unter Niederdruck
zur Verbrennung zuzuführen,
insbesondere unter äußerer Gemischbildung.
Ebenso kann im übrigen
mit einer geringen Menge von Kraftstoff verfahren werden, die tiefkalt aus
dem Kryo-Tank entnommen wird um damit den Druckbehälter abzukühlen, ehe
eine Neubefüllung desselben
mit Kryokraftstoff erfolgt. Im übrigen
ist in der genannten
DE
37 28 683 A1 noch vorgeschlagen, mehrere solche Druckbehälter (bzw.
Warmvergaser) parallel angeordnet sowie mehrere Zwischenspeicher
vorzusehen, um den diskontinuierlichen Prozess der Hochdruck-Erzeugung in diesen
Druckbehältern
für die
Brennkraftmaschine quasi kontinuierlich gestalten zu können.
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Um jedoch im realen Betrieb einer
Brennkraftmaschine mit einer derartigen Aufbereitung von kryogenem
Kraftstoff die Gefahr der Bildung von Rückzündungen an der Brennkraftmaschine
bzw. in deren äußerem Gemischbildungssystem
praktisch auszuschließen,
sollte (bspw. im Fall von Wasserstoff als Kraftstoff) vor Beginn
der Verbrennung durch diese äußere Gemischbildung
nur ein sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet werden (bspw.
eine Luftzahl λ in
der Größenordnung λ = 2 aufweisend). Um
dann in den einzelnen Brennkraftmaschinen-Brennräumen ein im wesentlichen stöchiometrisches
Gemisch (in der Größenordnung λ = 1) zu
erhalten, sollte der hierfür
erforderliche Kraftstoff praktisch während der Verbrennung – also bei
maximalem Brennraumdruck – per
Hochdruck-Direkteinblasung in kurzer Zeit zur Verfügung gestellt
werden können.
Dabei kann also ebensoviel Kraftstoff für die Hochdruck-Direkteinblasung
benötigt
werden wie für die äußere Gemischbildung.
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Da dies mit dem in der genannten
DE 37 28 683 A1 beschriebenen
System jedoch bei weitem nicht erreicht werden kann, da beim in
der Praxis erforderlichen Abkühlen
der Druckbehälter
eine relativ große
Kraftstoffmenge unter Niederdruck anfällt, die praktisch nur für die äußere Gemischbildung
weiterverarbeitet werden kann, wird weiterhin vorgeschlagen, zwischen
dem Kryo-Tank und dem Druckbehälter
eine sog. Schleuse vorzusehen, in die zunächst über ein erstes Absperrventil
steuerbar eine gewisse Menge von kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank eingeleitet
wird. Dabei ist eine im wesentlichen vollständige Befüllung dieser Schleuse mit frischen Kraftstoff
aus dem Kryo-Tank anzustreben. Anschließend wird aus der Schleuse über ein
zweites Absperrventil steuerbar eine gewisse Menge (bevorzugt die
im wesentlichen vollständige
Menge) von kryogenem Kraftstoff in den Druckbehälter überführt, indem oder nachdem ein
Druckausgleich zwischen dem Druckbehälter und der Schleuse erfolgt
ist. Dabei wird als zumindest ein Teil, bevorzugt jedoch die im wesentlichen
vollständige
Menge des im Druckbehälter
nach Entnahme für
die Hochdruckeinblasung nurmehr unter verringertem Druck vorliegenden
Kraftstoff-Gases zurück
in die Schleuse eingeleitet. Dieses kann dann nachfolgend aus dieser
heraus zumindest teilweise der Brennkraftmaschine zur Verbrennung
zugeführt
werden, und zwar bevorzugt unter äußerer Gemischbildung und nicht
unter Hochdruckeinblasung, da der zur Verfügung stehende Kraftstoffdruck
hierfür
nicht ausreichend sein dürfte.
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Um diesen geschilderten Prozessablauf
für die
Brennkraftmaschine bzw. bezüglich
des Druckspeichers quasi kontinuierlich gestalten zu können, sollten
zumindest zwei derartige Schleusen zeitlich versetzt nebeneinander
betrieben werden. Solange aus der ersten Schleuse dann der Kraftstoff
der Brennkraftmaschine insbesondere zur äußeren Gemischbildung zugeführt wird,
kann die zweite Schleuse mit neuem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank
befüllt werden
und es kann dann dieser Kraftstoff aus der zweiten Schleuse in den
Druckspeicher bzw. in die erfindungsgemäße Verdampfungsbirne geleitet
werden. Dadurch wird dann die zweite Schleuse mit dem restlichen
Kraftstoff aus dem Druckspeicher befüllt, wonach aus dieser zweiten
Schleuse die Brennkraftmaschine mit Kraftstoff für die äußere Gemischbildung versorgt
wird. Während
dieser Zeit kann dann die erste Schleuse mit neuem Kraftstoff aus
dem Kryo-Tank befüllt
werden, und so fort.
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Vorgeschlagen wird also die Einführung zumindest
einer sog. Schleuse zusätzlich
zum Druckbehälter
bzw. zwischen diesem und dem eigentlichen Kryo-Tank. Vorgeschlagen
wird somit, zunächst
die Schleuse bzw. ein die sog. Schleuse bildendes Volumen mit kryogenem
Kraftstoff aus dem Kryo-Tank
zu befüllen.
Dies kann bspw. durch Schwerkraft, durch eine Druckdifferenz oder
durch eine Förderpumpe
erfolgen. Dabei soll die Schleuse bzw. das Schleusen-Volumen möglichst
vollständig
mit flüssigem Kraftstoff
befüllt
werden, damit nach dem Schließen der
Verbindung zwischen dem Kryo-Tank
und der Schleuse sowie dem Öffnen
der Verbindung zwischen der Schleuse und dem Druckbehälter der
sich dann einstellende Ausgleichsdruck möglichst wenig unter den vor
dem Öffnen
der Verbindung zur Schleuse im Druckbehälter herrschenden Druck abfällt. Dies
kann bspw. durch eine Entlüftungsleitung
von der Schleuse in den Kryo-Tank oder in die äußere Gemischbildung bzw. in
einen für
diese vorgesehenen Zwischenlagerungs-Behälter gewährleistet werden, wenn diese
Entlüftungsleitung
während
der Befüllung
des Schleusen-Volumens geöffnet
wird.
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Vorteilhafterweise steigt in der
Schleuse die Temperatur des eingeführten Kraftstoffs während des besagten
Druckausgleichs (zwischen dem Druckbehälter und der Schleuse bei geöffneter
Verbindung zwischen diesen beiden) nur leicht an. Der besondere
Vorteil dieser Schleuse besteht jedoch darin, dass zum Abkühlen der
Schleuse nach einer Entleerung und vor einer Neubefüllung derselben
nur eine äußerst geringe
Menge von kryogenem Kraftstoff benötigt wird. Tatsächlich wird
nämlich
die Temperatur der Schleuse aufgrund der Tatsache, dass in dieser – anders
als im Druckbehälter,
in dem wie erläutert
zur Druckerhöhung
des Kraftstoffs diesem eine erhebliche Wärmemenge zugeführt wird – keine
nennenswerte Wärmezufuhr
von außen
erfolgt, bei jeder Kraftstoff-Durchleitung lediglich geringfügig erhöht. Auch
entstehen beim Befüllen
der Schleuse aus dem Kryo-Tank nur' geringe Abdampfverluste im kryogenen
Kraftstoff, die sich demzufolge (bei geöffneter Verbindung zum Kryo-Tank)
praktisch nicht negativ auf den Kryo-Tank (nämlich im Sinne einer Drucksteigerung
in diesem) auswirken können.
All diese Vorteile ergeben sich daraus, dass das strömungstechnisch
an den Kryo-Tank angrenzende Schleusen-Volumen selbst nicht beheizt
wird, sondern über
dem gesamten Verfahrensprozess vergleichsweise kalt bleibt. Negative
Auswirkungen der zur Druckerhöhung
erfolgenden Wärmezufuhr
im sich an die Schleuse anschließenden Druckbehälter auf
den Kryo-Tank werden somit im wesentlichen vermieden.
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Nachdem das Schleusenvolumen mit
frischem kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank befällt ist,
wird im nächsten
Verfahrensschritt dieser kalte Kraftstoff aus der Schleuse – wie bereits
erläutert – in den
besagten Druckbehälter
umgefüllt,
um dort dann zur Druckerhöhung
geeignet erwärmt
zu werden. Wenn bzw. nachdem zwischen dem Schleusenvolumen und diesem
Druckbehälter
keine Druckdifferenz bzw. kein positives Druckgefälle herrscht,
muss hierfür
eine geeignete Treibkraft bereitgestellt werden, was grundsätzlich auf
verschiedene Arten möglich
ist.
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Bspw. kann hierfür die Schwerkraft zu Hilfe genommen
werden, insbesondere da sich die Dichte des in der Schleuse befindlichen
Kraftstoffes wesentlich von der Dichte des sich aus einem vorhergehenden
Prozess-Schritt noch in dem Druckbehälter befindlichen Kraftstoffs
unterscheidet. Wenn nun nach erfolgten Drucklausgleich zwischen
der Schleuse und dem Druckbehälter
die Schwerkraft als sog. Treibkraft zum Überführen von Kraftstoff aus der Schleuse
in den Druckbehälter
verwendet wird, so ist es hierfür
erforderlich, dass sich die Schleuse geodätisch oberhalb des Druckbehälters befindet.
Insbesondere wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung
von kryogenem Kraftstoff für
eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug untergebracht werden
soll, das von dieser Brennkraftmaschine angetrieben wird, so kann
es dann erforderlich sein, die Schleuse zumindest' teilweise oberhalb
des Fahrzeug-Kryo-Tanks anzuordnen. Insbesondere in diesem Falle
kann eine geeignete fremdkraftangetriebene Fördervorrichtung vorgesehen
sein, die kroygenen Kraftstoff aus dem Kryo-Tank in die Schleuse
fördert.
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Eine hiervon abweichende Ausgestaltung wird
im weiteren unter Bezugnahme auf die beigefügte 1, in der eine Prinzip-Anordnung eines Kryo-Tanks mit einem Druckbehälter und
einer zwischengeschalteten Schleuse dargestellt ist, erläutert.
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In der Prinzipdarstellung nach 1 ist mit der Bezugsziffer 11 ein
Kryo-Tank bezeichnet, in dem unter Umgebungsbedingungen gasförmig vorliegender
Kraftstoff (bspw. Wasserstoff) zum Betrieb einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine tiefkalt (und somit im wesentlichen flüssig) gespeichert
ist. Von diesem Kryo-Tank 11 führen eine erste Leitung 12,
in der sich ein erstes Absperrventil 12a befindet, sowie eine
zweite Leitung 13, in der ein zweites Absperrventil 13a vorgesehen
ist, zu einer sog. Schleuse 14, die ein gegenüber dem
Kryo-Tank 11 erheblich geringeres Volumen bildet und in dem
bzw. der aus dem Kryo-Tank 11 entnommener Kraftstoff zwischengespeichert
werden kann.
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Aus der Schleuse 14 führt eine
erste als Versorgungsleitung 15 bezeichnete Leitung zu
einer (in 1 nicht dargestellten)
Brennkraftmaschine, genauer zu einer (in 1 ebenfalls nicht dargestellten) äußeren Gemischbildung
derselben, in welcher unter Niederdruck aus der Schleuse 14 entnommener Kraftstoff
mit Ansaugluft für
die Brennkraftmaschine vermengt wird, ehe das so entstandene Luft-Kraftstoff-Gemisch
den Brennräumen
der Brennkraftmaschine zur Verdichtung und darauf folgenden Verbrennung
zugeführt
wird. Auf diese Kraftstoffentnahme und Gemischbildung unter Niederdruck
wird an späterer
Stelle noch näher
eingegangen.
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Aus der Schleuse 14 führt eine
weitere, als Entnahmeleitung 16 bezeichnete Leitung, in
der ein Absperrventil 16a vorgesehen ist, zu einem Druckbehälter 17,
in dem ein Wärmetauscher 18 vorgesehen ist
bzw. der entsprechend der Erläuterung
an späterer
Stelle mit einem Wärmetauscher 18 zusammenwirkt.
Zwischen diesem Druckbehälter 17 und
der Schleuse 14 ist noch eine Rückführleitung 19 vorgesehen,
in der sich neben einem Absperrventil 19a ein Kompressor 19b befindet.
Aus dem Druckbehälter 17 führt ferner
eine zweite Versorgungsleitung 20 zur (in 1 nicht dargestellten) Brennkraftmaschine,
wobei über
diese zweite Versorgungsleitung 20 die Brennkraftmaschine
den Kraftstoff unter Hochdruck für
eine Hochdruckeinblasung in ihren bzw. ihre bereits verdichtetes
Gas enthaltenden Brennraum bzw. Brennräume erhält.
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Eingangs bereits erläutert wurde,
dass der Hochdruck für
die genannte Kraftstoff-Hochdruckeinblasung durch Erhitzung des
Kraftstoffes erzeugt wird, und zwar im Druckbehälter 17 mittels des
Wärmetauschers 18.
Ebenfalls bereits erläutert
wurde der Vorteil der Schleuse 14, nämlich dass in dieser nahezu
keine Erwärmung
des eingebrachten Kraftstoffs stattfindet, so dass sich auch keine
negativen Auswirkungen durch die für die Druckerzeugung erforderliche
Erhitzung des Kraftstoffs (im Druckbehälter 17) auf den Kryo-Tank 11 bzw.
den darin befindlichen Kraftstoff einstellen.
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Wie weiterhin bereits erläutert wurde,
wird zunächst
die (aufgrund eines vorangegangenen Prozess-Schrittes zumindest
teilweise entleerte) Schleuse 14 über die Leitung 13 bei
geöffnetem
Absperrventil 13a mit Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 im
wesentlichen vollständig
befällt.
Gleichzeitig wird das sich zunächst
noch in der Schleuse 14 befindende warme und auf Tankdruck
entspannte Kraftstoff-Gas über
die erste Leitung 12 zumindest teilweise in den Kryo-Tank 11 überführt.
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Nach vollständigem Neu-Befüllen der Schleuse 14 wird
das Absperrventil 13a geschlossen und das Absperrventil 16a geöffnet, so
dass sich zunächst
ein Druckausgleich einstellt zwischen dem zunächst relativ geringen Druck
in der Schleuse 14 und dem noch relativ hohen, jedoch für eine Hochdruckeinblasung
in die Brennkraftmaschinen-Brennräume nicht mehr ausreichendem
Druck im Druckbehälter 17.
Dann gilt es, den Kraftstoff aus der Schleuse 14 durch
die Entnahmeleitung 16 in den Druckbehälter 17, der im wesentlichen
das gleiche Volumen wie die Schleuse aufweisen kann, im wesentlichen
vollständig
zu überführen, wozu
jedoch eine treibende Kraft erforderlich ist, da zwischen dem Schleusenvolumen 14 und
diesem Druckbehälter 17 keine
Druckdifferenz vorliegt. Als genannte treibende Kraft kann nun der
in der Rückführleitung 19 vorgesehene
Kompressor 19b oder eine andere geeignete Fördervorrichtung
fungieren, indem dieser (bzw. diese) bei geöffnetem Absperrventil 19a eine
gewisse Menge von Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 in die Schleuse 14 fördert, was
zur Folge hat, dass aus dieser frischer Kraftstoff über die
Leitung 16 in den Druckbehälter 17 gelangt.
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Alternativ (und somit abweichend
von der Darstellung in 1)
kann jedoch auch der Kompressor 19b kaltes Kraftstoff-Gas
aus der Schleuse 14 in den Druckbehälter pumpen 17 und es wird
dann als Folge warmes Kraftstoff-Gas aus dem Druckbehälter 17 in
die Schleuse 14 gefüllt.
Dieser eben genannte Vorschlag funktioniert etwas langsamer auch ohne
Kompressor bzw. ohne eigenständige
Fördervorrichtung
analog einer Druckaufbauschleife. Im übrigen kann sich der Druckbehälter 17 geodätisch unterhalb
der Schleuse 14 befinden, so dass beim Öffnen der entsprechenden Verbindungsleitungen
auch ohne Kompressor bzw. Fördervorrichtung
der kalte Kraftstoff aus der Schleuse 14 unter Schwerkrafteinfluss
nach unten in den Druckbehälter 17 fließen und der
warme Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 nach oben
in das Schleusenvolumen 14 steigen wird.
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Noch eine weitere Möglichkeit
zum Fördern von
kaltem Kraftstoff aus der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17 besteht
darin, aus einer zusätzlichen
(in 1 nicht dargestellten)
Druckkammer eine geringe Menge von warmen Hochdruckkraftstoff in
die Schleuse 14 einzuleiten. Dieser wird den kalten Kraftstoff
in der Schleuse 14 erwärmen,
wodurch sich dort ein leichter Überdruck
aufbaut. Dadurch wird der kalte Kraftstoff aus der Schleuse 14 (über die
Entnahmeleitung 16) in den Druckbehälter 17 gedrückt. Da sich
beim Druckausgleich der Druck im Druckbehälter 17 absenkt, reicht
es aus, die zusätzliche
Druckkammer bspw. über
ein Rückschlagventil
mit Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 zu
versorgen. Vorstellbar ist auch, eine solche zusätzliche Druckkammer zum Starten
oder Beschleunigen einer im vorhergehenden Absatz genannten Druckaufbauschleife
zu verwenden.
-
Nun sei also auf eine der beschriebenen
Arten der Druckbehälter 17 mit
zunächst
kaltem Kraftstoff aus der Schleuse 14 vollständig befüllt, wonach sämtliche
Leitungen 16, 19 und 20, die in den Druckbehälter 17 hinein
bzw. aus diesem herausführen, durch
Schließen
der jeweiligen Absperrventile 16a, 19a usw. verschlossen
bzw. gesperrt sind. Durch geeignete Wärmezu fuhr mittels des Wärmetauschers 18,
worauf an späterer
Stelle noch näher
eingegangen wird, kann nun der Kraftstoff im Druckbehälter 17 stark
erwärmt
bzw. erhitzt werden, wodurch sich im Druckbehälter 17 ein für eine Hochdruckeinblasung in
die Brennkraftmaschinen-Brennräume
ausreichend hoher Kraftstoffdruck aufbaut. Eben unter diesem Hochdruck
kann anschließend
Kraftstoff über die
zweite Versorgungsleitung 20 der Brennkraftmaschine zur
Verbrennung zugeführt
werden, und zwar – wie
gesagt – zur
Hochdruckeinblasung direkt in deren Brennräume, die bereits zumindest
teilweise verdichtetes Gas enthalten, d.h. unter innerer Gemischbildung.
-
Diese genannte Entnahme von Kraftstoff
unter Hochdruck aus dem Druckbehälter
17 kann
solange erfolgen, bis aufgrund der Entnahme und der daraus resultierenden
Druckverringerung im Druckbehälter
17 in
diesem kein für
eine Hochdruckeinblasung ausreichender Druck mehr herrscht. Weiterer Kraftstoff
zur Hochdruckeinblasung kann somit diesem Druckbehälter
17 nicht
mehr entnommen werden, wenngleich sich noch eine gewisse Menge von Kraftstoff
im Druckbehälter
17 befindet,
allerdings unter niedrigerem Druck. Um dann die Hochdruckeinblasung
von Kraftstoff in die Bennkraftmaschine weiter durchführen zu
können,
kann somit auf einen anderen, dem figürlich dargestellten Druckbehälter
17 parallel
geschalteten Druckbehälter
zugegriffen werden, so wie dies grundsätzlich bspw. aus der bereits mehrfach
genannten
DE 37 28
683 A1 bekannt ist.
-
Um den teilweise entleerten Druckbehälter 17 selbst
wieder für
die Hochdruckeinblasung verfügbar
zu machen, muss in diesen frischer Kraftstoff letztlich aus dem
Kryo-Tank 11 eingefüllt
werden. Dies kann wie weiter oben bereits beschrieben erfolgen,
nämlich
indem bspw. bevorzugt mittels des Kompressors 19b zumindest
ein Teil des noch im Druckbehälter 17 befindlichen,
erwärmten
Kraftstoff-Gases in die mit frischem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 befüllte Schleuse 14 gefördert wird,
woraufhin aus dieser – wie
bereits beschrieben wurde über
die Entnahmeleitung 16 bei geöffnetem Absperrventil 16a – frisches,
tiefkaltes Kraftstoff-Gas in den Druckbehälter 17 strömt.
-
Nachdem nun auf diese oder eine ähnliche weiter
oben ebenfalls bereits beschriebene Weise der Druckbehälter 17 erneut
mit frischem kalten Kraftstoff aus dem Kryotank befällt ist,
setzt sich der geschilderte Prozess wie bereits beschrieben fort. Noch
nicht beschrieben wurde jedoch, wie die Schleuse 14, in
der sich gemäß der bisherigen
Schilderung gegenüber
dem kryogenen Kraftstoff relativ warmer gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckbehälter 17 befindet,
auf eine Neubefüllung
mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank vorbereitet wird. Hierfür wird nun
der zunächst
in der Schleuse 14 befindliche, relativ warme gasförmige und
dabei unter einem etwas niedrigeren, d.h. für eine Hochdruckeinblasung in
die Brennkraftmaschinen-Brennräume nicht
mehr ausreichendem Druck stehende Kraftstoff über die Versorgungsleitung 15 letztlich
der Brennkraftmaschine quasi unter Niederdruck zur Verbrennung zugeführt, und
zwar bevorzugt unter äußerer Gemischbildung.
Dabei kann – wie
bereits erwähnt
wurde – durchaus
zunächst
eine Zwischenspeicherung in einem hierfür vorgesehenen Zwischenlagerungs-Behälter, der
jedoch in der Figur nicht dargestellt ist, erfolgen.
-
Im übrigen kann auch ein Teil des
aus dem Druckbehälter 17 nach
Entnahme für
die Hochdruckeinblasung nurmehr unter verringertem Druck vorliegenden
und in die Schleuse 14 eingeleiteten Kraftstoff-Gases aus
dieser heraus zumindest teilweise in den Kryo-Tank 11 zurückgeführt werden,
und zwar bevorzugt in zeitlicher Übereinstimmung mit einem Umfüllen von
frischem kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 in die
Schleuse 14. Während
für letzteres – wie bereits
erläutert – die Leitung 13 mit
dem Absperrventil 13a vorgesehen ist, erfolgt erstgenanntes über die
Leitung 12 bei geöffnetem
Absperrventil 12a. Im übrigen
kann ein geringer Teil von frisch aus dem Kryo-Tank 11 entnommenem
Kraftstoff zunächst zur Kühlung der
Schleuse 14 verwendet und sodann aus dieser über die
erste Versorgungsleitung 15 abgeführt werden, wobei zum Abkühlen der
Schleuse 14 nur eine vergleichsweise geringe Menge von
kryogenem Kraftstoff benötigt
wird, da die Temperatur der Schleuse 14 bzw. deren Wandtemperatur
aufgrund der Tatsache, dass diese keinen Wärmetauscher enthält, im geschilderten
Prozessablauf lediglich geringfügig
erhöht
wird.
-
Auf dem Weg zur äußeren Gemischbildung kann der
relativ, d.h. gegenüber
kryogenem Kraftstoff zwar warme, absolut betrachtet jedoch immer
noch kühle
Kraftstoff im übrigen
einen Wärmetauscher durchlaufen, über welchen
die von der Brennkraftmaschine angesaugte Verbrennungsluft gekühlt und
der Kraftstoff erwärmt
wird, so wie dies bspw. in der
DE 196 02 881 A1 beschrieben ist. Ein solcher
Wärmetauscher
kann somit in der ersten Versorgungsleitung
15 vorgesehen
sein. Jedoch ist es auch möglich, dass
das Kraftstoffgas kalt in das äußere Gemischbildungssystem
eingeführt
wird.
-
Insgesamt wird im soweit beschriebenen Prozess
versucht, den kalten gasförmigen
Kraftstoff aus der Schleuse 14 schnell in den Druckbehälter 17 zu
füllen
und dabei die Schleuse 14 mit warmem Kraftstoff-Gas aus
dem Druckbehälter 17 zu
befüllen. Zum
Entleeren der Schleuse 14 kann dann einfach die Verbindungs-Leitung 12 zum
Kryo-Tank 11 bzw. das in dieser vorgesehene Absperrventil 12a geöffnet werden.
Da der hierdurch entstehende Druckanstieg im Kryo-Tank 11 mittels äußerer Gemischbildung
der Brennkraftmaschine allerdings nur teilweise abgebaut werden
kann, ist es günstiger,
die Schleuse 14 direkt in die äußere Gemischbildung der Brennkraftmaschine
oder in einen dieser äußeren Gemischbildung
vorgelagerten Zwischenlagerungs-Behälter (der dann über die äußere Gemischbildung
entleert wird) zu entleeren. Grundsätzlich sollen die geschilderten
Vorgänge
möglichst
schnell erfolgen, damit die Wände
der Schleuse 14 möglichst
wenig Wärme aus
dem aus dem Druckbehälter 17 eingeführten, relativ
warmen Kraftstoff-Gas aufnehmen. Auf die beschriebene Weise kann der
Wärmeeintrag
in den Kryo-Tank 11 auch beim Spülen der Schleuse 14 gering
gehalten werden, so dass die hierbei auftretende Druckerhöhung im
Kryo-Tank 11 durch eine nachfolgende Flüssigentnahme von kryogenem
Kraftstoff in die Schleuse 14 hinein kompensiert werden
kann.
-
Was die Anordnung der Schleuse 14 insbesondere
in Relation zum Kryo-Tank 11 betrifft,
so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schleuse 14 – so wie
dies in der beigefügten 2 dargestellt ist – in Form
eines geodätisch
zumindest teilweise unterhalb des Kryo-Tanks 11 angeordneten
und im wesentlichen von dessen Isolationsstruktur umhüllten Volumens
ausgebildet ist. In dieser 2,
die lediglich prinzipiell eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und dabei auch einen bevorzugten Druckbehälter 17 in erfindungsgemäßer Bauweise
zeigt, auf dessen Aufbau an späterer
Stelle noch näher
eingegangen wird, sind für
die bisher bereits in Verbindung mit 1 erläuterten
Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
-
So erkennt man in 2 einen Eckbereich des Kryo-Tanks 11,
der – wie üblich – nach außen hin von
einer geeigneten Isolationsstruktur 21 umhüllt ist, um
den eingefüllten
kryogenen Kraftstoff zeitlich möglichst
lange tiefgekühlt
zu halten. Wie ersichtlich ist die vorhergehend in ihrer Funktion
ausführlich
erläuterte
Schleuse 14 in die Isolationsstruktur 21 des Kryo-Tanks 11 eingebunden,
d.h. ebenfalls von dieser umhüllt,
soweit es sich um freie Außenseiten
der Schleuse 14 handelt. Insgesamt kann somit die Schleuse 14 in
die Isolationsstruktur 21 des Kryo-Tanks 11 integriert
sein, wodurch sich ein besonders einfacher Aufbau ergibt. Jedoch
sollte sich stets zwischen der Schleuse 14 und dem Kryo-Tank 11 eine
Isolationsschicht befinden. Nicht figürlich dargestellt ist im übrigen eine
weitere Schleuse, die – wie
weiter oben erläutert
wurde – neben
der ersten Schleuse zeitlich versetzt betrieben wird.
-
Wie weiter ersichtlich ist, ist die
Schleuse 14 zumindest teilweise bzw. im wesentlichen unterhalb des
Kryo-Tanks 11 angeordnet, wodurch zum Befüllen der
Schleuse 14 mit kryogenem Kraftstoff aus dem Kryo-Tank 11 einfach
das Absperrventil 13a, das sich hier ebenso wie die Leitung 13 innerhalb
des Kryo-Tanks 11 befindet, geöffnet werden muss. Unter Schwerkrafteinfluss
kann dann Kraftstoff 11 aus dem Kryo-Tank 11 in
das Schleusen-Volumen 14 gelangen, wobei das zunächst in
der Schleuse 14 befindliche Kraftstoff-Gas über die
erste Leitung 12 bei geöffnetem
Absperrventil 12a in den Kryo-Tank 11 überführt wird.
Im übrigen
kann es notwendig sein, dass mehrere Schleusen parallel und phasenverschoben betrieben
werden, um einen kontinuierlichen Betrieb der Brennkraftmaschine
zu ermöglichen,
d.h. eine kontinuierliche Versorgung derselben mit Kraftstoff für eine Hochdruckeinblasung
sicherzustellen. Wie bereits erwähnt
wurde, können – was so
figürlich nicht
dargestellt ist – auch
mehrere (zumindest zwei) zueinander phasenverschoben betriebene
Druckbehälter
erforderlich sein, ggf. auch mehrere der fakultativ genannten Druckkammern.
-
In 2 ist
neben dem Druckbehälter 17, der
sich durch eine besondere, eingangs bereits als erfindungswesentlich
dargestellte und an späterer Stelle
noch ausführlich
erläuterte
Bauart auszeichnet, und den bereits in Verbindung mit 1 erläuterten Leitungen 12, 13, 15, 16 und 20 eine
Brennkraftmaschine 22 vereinfacht dargestellt. Von dieser Brennkraftmaschine 22 der
Hubkolbenbauart ist ein vereinfachter Schnitt durch deren Gehäuse 22a gezeigt,
innerhalb dessen in bekannter Weise ein Kolben 22b geführt ist,
oberhalb dessen sich ein Brennraum 22c befindet. Über einen
Einlasskanal 22d kann in diesen Brennraum 22c Verbrennungsluft oder
ein brennbares Gemisch eingeleitet werden und über einen Auslasskanal 22e kann
das nach der Verbrennung verbleibende Abgas aus dem Brennraum 22c abgeführt werden.
Kraftstoff, der zusammen mit der Verbrennungsluft im Brennraum 22c verbrannt wird,
kann entweder über
eine Hochdruckeinblasung direkt in den bereits ein verdichtetes
Gas enthaltenden Brennraum 22c eingeleitet werden, und
zwar über
eine mit einem geeigneten Einblase-Ventil 20a versehene
Versorgungsleitung 20, die bereits bei 1 erwähnt
und dort als zweite Versorgungsleitung 20 bezeichnet wurde.
Ebenfalls bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnt wurde
eine erste Versorgungsleitung 15, über die eine äußere Gemischbildung
für die
Brennkraftmaschine 22 mit Kraftstoff versorgt wird, was
hier in 2 vereinfacht durch
ein Ventil 15a für äußere Gemischbildung
dargestellt ist, das in eine der Brennkraftmaschine 22 zugeordnete
Ansaugluftleitung 23 mündet,
die ihrerseits in den bereits genannten Einlasskanal 22d der Brennkraftmaschine 22 mündet.
-
In Verbindung mit 1 bzw. den weiteren obigen Erläuterungen
wurde bereits ein Wärmetauscher 18 genannt,
der mit dem Druckbehälter 17 zusammenwirkt,
um durch Wärmezufuhr
an das im Druckbehälter 17 befindliche
zunächst
noch tiefkalte Kraftstoff-Gas dieses zu erwärmen und somit im Druckbehälter 17 den
gewünschten
Hochdruck aufzubauen, so dass für
das Hochdruck-Einblase-Ventil 20a Kraftstoff unter ausreichendem
Hochdruck zur Verfügung
steht. Auch in 2 ist
dieser Wärmetauscher 18 dargestellt,
wobei auf den hier gezeigten Aufbau des Druckbehälters 17 in seinem
Zusammenwirken mit dem Wärmetauscher 18 bereits
eingangs eingegangen wurde und an späterer Stelle noch detailliert
eingegangen wird.
-
Der Übersichtlichkeit halber ist
in 2 eine ebenfalls
bereits weiter oben erwähnte
Aufladevorrichtung für
den der Brennkraftmaschine 22 zugeführten Verbrennungsluftstrom
nicht dargestellt, mit der dieser verdichtet und dabei erwärmt wird
und somit gesteigert Wärme
an den kryogenen Kraftstoff im Druckbehälter 17 abgeben kann,
weshalb sich diese Aufladevorrichtung stromauf eines sog. Einlaufstutzens 18a des
Wärmetauschers 18 befindet,
durch den der Verbrennungsluftstrom für die Brennkraftmaschine 22 in
den Wärmetauscher 18 eingeleitet
wird. In diesem in 2 dargestellten
Einlaufstutzen 18a ist die Strömungsrichtung des für die Brennkraftmaschine
vorgesehenen Verbrennungsluftstromes durch Pfeile 24 dargestellt,
wobei im weiteren für
diesen Verbrennungsluftstrom selbst auch die Bezugsziffer 24 verwendet
wird. Wie ersichtlich gelangt dieser Verbrennungsluftstrom 24 nach
Austritt aus dem Wärmetauscher 18 in
die bereits genannte Ansaugluftleitung 23, die zur Brennkraftmaschine 22 bzw. deren
Einlasskanal 22d (bzw. im üblichen Fall einer mehrzylindrigen
Hubkolben-Brennkraftmaschine zu deren Einlasskanälen) führt.
-
Bereits erläutert wurde die besondere Bauweise
des Wärmetauschers 18,
die nun aus der Darstellung nach 2 – wenngleich
abstrakt – noch besser
hervorgeht, wobei sowohl auf eine optimale Integration im Druckbehälter 17 Wert
gelegt wird, als auch der Tatsache Rechnung getragen wird, dass
besondere Maßnahmen
zur Steigerung des Wärmeübergangs
zwischen dem Verbrennungsluftstrom 24 und dem kalten, im
Druckbehälter 17 befindlichen Kraftstoff-Gas
gewünscht
sind. Wie ersichtlich ist daher der Druckbehälter 17 inklusive
des Wärmetauschers 18 als
ein zusammenhängendes,
hier aus zwei konzentrischen, zum Teil endseitig geschlossenen Rohrstutzen 25a, 25b,
sowie einem konzentrisch hierzu angeordneten äußeren Hüll-Rohr 25c bestehendes
System ausgeführt,
das auch als Verdampfungsbirne 25 bezeichnet wird, und
das/die in 2 in einem
Längsschnitt
dargestellt ist. 3 zeigt
perspektivisch einen Querschnitt durch diese Verdampfungsbirne 25.
-
Wie aus 3 hervorgeht, weist der innere Rohrstutzen 25a,
dessen in 2 linke Stirnseite
mit Ausnahme einer Eintrittsöffnung
für die
Entnahmeleitung 16, über
die frischer Kraftstoff aus der Schleuse 14 in den Innenraum 26 des
inneren Rohrstutzens 25a eingeleitet werden kann, geschlossen
ist, eine relativ geringe Wandstärke
auf, da dieser innere Rohrstutzen 25a lediglich Führungsaufgaben übernimmt
und keinen Druck aufnehmen muss. Dabei ist das Volumen des Innenraumes 26 so
dimensioniert, dass das aus der Schleuse 14 bei geöffnetem
Absperrventil 16a austretende kryogene Kraftstoff-Gas vollständig aufgenommen
werden kann.
-
Der den inneren Rohrstutzen 25a umschließende sog. äußere Rohrstutzen 25b bildet
den eigentlichen Druckbehälter 17 und
weist demzufolge eine vergleichsweise große Wandstärke auf, um den in diesem Druckbehälter entstehenden
Hochdruck aufnehmen zu können.
Die beiden Stirnseiten dieses mittleren Rohrstutzens 25b sind
geschlossen, mit Ausnahme einer Übertrittsstelle
für eine
noch zu erläuternde
Bypassleitung 27 in der in 2 rechtsseitigen
Stirnwand 25b',
sowie mit Ausnahme von Übertrittstellen
für die
zweite Versorgungsleitung 20 und die Rückführleitung 19 in der
in 2 linksseitigen Stirnwand 25b'' des Rohrstutzens 25b.
Ferner ist in der linksseitigen Stirnwand 25b'' noch eine Durchtrittsöffnung für die bereits
genannte, in den Innenraum 26 des innersten Rohrstutzens 25a mündende Entnahmeleitung 16 vorgesehen.
Weiterhin mündet
in den diese Entnahmeleitung 16 ringförmig umgebenden und durch den
mittleren Rohrstutzen 25b begrenzten Abschnitt 17' des Druckbehälters 17 nahe der
linksseitigen Stirnwand 25b'' dieses Druckbehälters 17 bzw.
dieses Rohrstutzens 25b die soeben genannte (und später noch
erläuterte)
Bypassleitung 27 sowie eine später noch erläuterte Neben-Rückführleitung 30.
-
Dabei fungiert insbesondere der soeben
genannte ringförmige
Abschnitt 17' des
Druckbehälters 17,
der bei der Darstellung nach 2 linksseitig
von der Stirnwand 25b",
außenseitig
vom äußeren Rohrstutzen 25b und
rechtsseitig von der linken geschlossenen Stirnseite des inneren
Rohrstutzens 25a begrenzt wird, als Druckbehälter zur
Aufnahme von Kraftstoff-Gas unter Hochdruck, wenngleich der im folgenden
erläuterte
Wärmetauscher 18,
der durch einen Ringspalt 28 zwischen dem inneren Rohrstutzen 25a und
dem äußeren Rohrstutzen 25b gebildet wird,
teilweise, sowie der genannte Innenraum 26 des inneren
Rohrstutzens 25a ebenfalls Bestandteile des Druckbehälters 17 sind.
-
Wie aus 2 hervorgeht, mündet linksseitig in einen Ringraum 29 der
Verdampfungsbirne 25, dessen Innenwand von der Außenseite
des äußeren Rohrstutzens 25b und
dessen Außenwand
von der Innenseite des Hüll-Rohres 25c gebildet
wird, der bereits genannte Einlaufstutzen 18a des Wärmetauschers 18,
so dass in diesen Ringraum 29 der danach über die
Ansaugluftleitung 23 der Brennkraftmaschine 22 zugeführte Verbrennungsluftstrom 24 eingeleitet
wird. Rechtsseitig in 2 schließt sich demzufolge über einen
geeignet gestalteten Auslaufbereich an diesen Ringraum 29 die
genannte Ansaugluftleitung 23 an. Der zwischen dem Einlaufstutzen 18a und
dem genannten Auslaufbereich bzw. dem Beginn der Ansaugluftleitung 23 liegende
Bereich des Ringraumes 29 kann somit den ersten Teil des
Wärmetauschers 18 bilden, über den
das im Druckbehälter 17 befindliche
Kraftstoff-Gas erwärmt wird.
Der damit zusammenwirkende zweite Teil dieses Wärmetauscher 18 wird
im wesentlichen durch den bereits genannten, relativ schmalen Ringspalt 28 gebildet,
der sich zwischen dem inneren Rohrstutzen 25a und dem äußeren Rohrstutzen 25b befindet
und in den nahe der rechtsseitigen Stirnwand 25b' kryogenes Kraftstoff-Gas
aus dem Innenraum 26 des inneren Rohrstutzens 25a einströmen kann.
-
Durch den besagten, relativ schmalen
Ringspalt 28 strömt
das kryogene Kraftstoff-Gas mit erhöhter Geschwindigkeit und dadurch
verbessertem Wärmeübergang
hindurch, während
es gleichzeitig aufgewärmt
wird. Dadurch wird nur eine vergleichsweise kleine Wärmeübertragungsfläche benötigt, und
dennoch kann eine ausreichende Wärmemenge
von außen,
d.h. vom im Ringraum 29 geführten Verbrennungsluftstrom 24 durch
die Rohr-Wand des mittleren Rohrstutzens 25b hindurch an
das im Ringspalt 28 geführte
Kraftstoff-Gas übertragen
werden.
-
Damit dieser Ringspalt 28,
der ungünstigerweise
eine Drosselstelle bildet, nicht ein erwünschtes schnelles Einfüllen des
Kraftstoff-Gases in den Druckbehälter 17 behindert,
ist die bereits kurz erwähnte
Bypass-Leitung 27 vorgesehen, die einen Parallelzweig zum
Ringspalt 28 bildet und die das rechtsseitige freie Ende
des inneren Rohrstutzens 25a mit dem bereits erläuterten
ringförmigen
Abschnitt 17' des
Druckbehälters 17 (nahe
der Stirnwand 25b'' liegend) verbindet
und so die durch den Wärmetauscher 18 gebildete
Drosselstelle durch ein Sperrventil 27a gesteuert überbrücken kann.
Aus diesem genannten ringförmigen
Abschnitt 17' des Druckbehälters 17 wird
im übrigen über die
zweite Versorgungsleitung 20 der über das Einblase-Ventil 20a der
Brennkraftmaschine in Form von Hochdruckeinblasung zuzuführende Kraftstoff
entnommen.
-
Indem der Innenraum 26 des
inneren Rohrstutzens 25a quasi als Einlaufvolumen fungiert
und sozusagen in das Zentrum beschriebenen Wärmetauschers 18 integriert
ist, ist die Nachförderung
von Kraftstoff in den Ringspalt, 28 des Wärmetauschers 18 sichergestellt.
Dies dank der Tatsache, dass nach einer Aufheizung des Kraftstoffs
im Ringspalt 28 der zentraler liegende, dünne und
damit gut wärmeleitende
innere Rohrstutzen 25a ebenfalls aufgeheizt wird. Dieser
im wesentlichen als Führungsrohr
fungierende Rohrstutzen 25a heizt nun seinerseits das im
Innenraum 26 befindliche Kraftstoff-Gas auf, wodurch sich
dessen Dichte verringert und so der Weitertransport in und durch
den eigentlichen Wärmetauscher 18,
nämlich
den Ringspalt 28 veranlasst wird. Dabei strömt vorteilhafterweise
(wie aus 2 ersichtlich ist)
das zu erwärmende
Kraftstoff-Gas in entgegengesetzter Richtung zum abzukühlenden,
durch den Ringraum 29 geführten Verbrennungsluftstrom 24, was
einen guten Wärmetauscher-Wirkungsgrad
zur Folge hat, wobei noch erwähnt
sei, dass die Wandstärke
des äußeren Hüll-Rohres 25c relativ
gering sein kann, nachdem dort nur ein geringer Überdruck, nämlich der durch die vorgeschaltete
Aufladevorrichtung erzeugte Druck im Verbrennungsluftstrom 24 vorliegt.
-
Die soweit vorgeschlagene Gestaltung
des Wärmetauschers 18 in
Verbindung mit dem Druckbehälter 17 zeichnet
sich zum einen durch geringen Platzbedarf aus, u.a. indem der Inhalt
des Schleusen-Volumens 14 im zentralen Innenraum 26 dieser sog.
Verdampfungsbirne 25 gesammelt werden kann. Ferner lässt sich
diese Verdampfungsbirne 25 mit relativ geringem Gewicht
bauen, denn es wird nur der äußere Rohrstutzen 25b mit
Hochdruck beaufschlagt. Dabei ermöglicht die Bypassleitung 27 eine schnelle,
ungedrosselte Umfüllung
des Inhalts der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17,
wobei sich gleichzeitig ein guter Wärmeübergang auch zum Kraftstoff-Gas
aufgrund des engen Ringspalts 28 einstellt. Das System
zeichnet sich ferner durch hohe Sicherheit aus, da ein Ausströmen von
Kraftstoff auch bei einer Verletzung des Hüll-Rohres 25c ausgeschlossen
ist. Im übrigen
wird jegliche Vereisung an der System-Außenfläche vermieden, nachdem das kalte
Medium im Zentrum und das warme Medium ringförmig um das kalte Medium herum
geführt
ist, wobei vorteilhafterweise praktisch die gesamte Kryokälte zur
Kühlung
des Verbrennungsluftstromes 24 der Brennkraftmaschine 22 verwendet
werden kann.
-
In 2 ist
im übrigen
eine andere Variante zur Bildung eines treibenden Gefälles zwischen
der Schleuse 14 und dem Druckbehälter 17 dargestellt als
in 1, wenngleich die
in 2 dargestellte Variante
im Zusammenhang mit der Beschreibung zu 1 bereits erwähnt wurde. Wie 2 zeigt ist nämlich in einer bzw. der weiter
oben bereits genannten, vom Druckbehälter 17 abgehenden
Neben-Rückführleitung 30 (stromab
eines selbstverständlich
erforderlichen Absperrventils 30a) eine Druckkammer 31 vorgesehen,
die ihrerseits über
ein weiteres Absperrventil 31a von der Rückführleitung 19 getrennt
werden kann. In dieser Druckkammer 31 kann eine geringe
Menge von warmen Hochdruck-Kraftstoff zunächst gespeichert und bei einem gewünschten Überführen von
kryogenem Kraftstoff aus der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17 in
die Schleuse 14 eingeleitet werden, und zwar bei geöffneten
Absperrventil 31a. Dort in der Schleuse 14 wird dieser
warme Hochdruck-Kraftstoff den in der Schleuse 14 vorhandenen
kryogenen Kraftstoff geringfügig
erwärmen,
wodurch sich ein leichter Überdruck aufbaut.
Dadurch wird der kalte Kraftstoff aus der Schleuse 14 über die
Entnahmeleitung 16 in den Druckbehälter 17 gedrückt.
-
In diesem Zusammenhag nochmals auf
die Schleuse 14 sowie deren Funktion zurückkommend ermöglicht diese,
das Verhältnis
der Kraftstoffmenge, die der Brennkraftmaschine durch Hochdruck-Einblasung
zugeführt
werden kann, zu derjenigen Kraftstoffmenge, die unter Niederdruck
der äußeren Gemischbildung
zugeführt
werden muss, deutlich zu steigern, woraus auch eine Wirkungsgradsteigerung der
Brennkraftmaschine resultiert. In gleicher Richtung wirkt der Einsatz
des verdichteten Verbrennungsluftstromes 24 als Wärmequelle
für den
im Druckbehälter
zu erwärmenden
Kraftstoff, da durch die damit verbundene Abkühlung der Brennkraftmaschinen-Verbrennungsluft
die Brennraumfüllung
weiter erhöht
wird. Vorteilhaft ist ferner, dass für Druckerzeugung im Druckbehälter 17 keine
Nutzleistung benötigt
wird. Als funktionale Vorteile sind zu nennen, dass eine Beheizung
des Druckbehälters 17 beim Umfüllen des
kryogenen Gases von der Schleuse 14 in den Druckbehälter 17 nicht
unterbrochen werden muss, was eine kontinuierliche Wärmezufuhr
und somit auch eine kontinuierliche Kühlung des Verbrennungsluftstromes 24 der
Brennkraftmaschine ermöglicht.
Ferner ist lediglich ein einziger Wärmetauscher 18 zur
Beheizung des kryogenen Kraftstoff-Gases erforderlich, da die Hochdruckerzeugung
an nur einer Stelle erfolgen kann und der Hochdruck ohne wesentlichen
Verlust auch auf ggf. mehrfach vorhandene Schleusen übertragen
werden kann. Damit hält sich
der apparative Aufwand in Grenzen, wobei noch darauf hingewiesen
sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details auch abweichend von
obigen Erläuterungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
-
- 11
- Kryo-Tank
- 12
- erste
Leitung, mit Absperrventil 12a
- 13
- zweite
Leitung, mit Absperrventil 13a
- 14
- Schleuse
/ Schleusen-Volumen
- 15
- erste
Versorgungsleitung
- 15a
- Ventil
für äußere Gemischbildung
- 16
- Entnahmeleitung,
mit Absperrventil 16a
- 17
- Druckbehälter
- 17'
- ringförmiger Abschnitt
(von 17)
- 18
- Wärmetauscher
- 18a
- Einlaufstutzen
(von 18)
- 19
- Rückführleitung,
mit Absperrventil 19a
- 19b
- Kompressor
- 20
- zweite
Versorgungsleitung
- 20a
- Einbase-Ventil
/ Hochdruck-Einblase-Ventil
- 21
- Isolationsstruktur
(des Kryo-Tanks 11)
- 22
- Brennkraftmaschine
- 22a
- Gehäuse (von 22)
- 22b
- Kolben
(von 22)
- 22c
- Brennraum
(von 22)
- 22d
- Einlasskanal
- 22e
- Auslasskanal
- 23
- Ansaugluftleitung
(für 22,
in 22d mündend)
- 24
- Verbrennungsluftstrom
bzw. dessen Strömungsrichtung
- 25
- Verdampfungsbirne
- 25a
- innerer,
linksseitig geschlossener, rechtsseitig offener Rohrstutzen
- 25b
- äußerer, den
Druckbehälter 17 bildender Rohrstutzen
- 25b'
- rechtsseitige
(in Fig. 2) Stirnwand
des Rohrstutzens 25b
- 25b''
- linksseitige
(in Fig. 2) Stirnwand
des Rohrstutzens 25b
- 25c
- Hüll-Rohr
(den Verbrennungsluftstrom 24 führend)
- 26
- Innenraum
des Rohrstutzens 25a
- 27
- Bypassleitung
mit Sperrventil 27a
- 28
- Ringspalt
zwischen 25a und 25b
- 29
- Ringraum
zwischen 25b und 25c
- 30
- Neben-Rückführleitung,
mit Absperrventil 30a
- 31
- Druckkammer,
mit Absperrventil 31a