Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brenngasversorgungseinrichtung sowie eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Brenngasversorgungseinrichtung.

Eine Brenngasversorgungseinrichtung, die dazu dient, ein Brenngas für einen Verbraucher an einem Brenngasversorgungspunkt bereitzustellen, weist typischerweise ein Brenngasreservoir auf, welches eingerichtet ist zur Speicherung von flüssigem Brenngas. Das Brenngas liegt dabei insbesondere in tiefkaltem Zustand und somit verflüssigt vor. Um an dem

Brenngasversorgungspunkt einen ausreichend hohen Versorgungsdruck bereitstellen zu können, ist es entweder nötig, das Brenngasreservoir insgesamt auf ein entsprechend hohes Druckniveau vorzuspannen, oder es muss eine Cryopumpe zur Verdichtung des tiefkalten Brenngases eingesetzt werden. Ein Vorspannen des Brenngasreservoirs auf einen hohen Druck ist aus Sicherheitsgründen problematisch, wobei ein erforderlicher Aufwand zur Gewährleistung einer hinreichenden Sicherheit mit steigender Tankgröße bis hin zu einem unzumutbaren Aufwand bei sehr großen Tanks ansteigt. Solch große Brenngasreservoire müssen dann aus Festigkeitsgründen auch sehr schwer und damit teuer ausgestaltet werden. Hinzu kommt die Problematik, dass bei einer starken Bewegung des Brenngasreservoirs die Gefahr eines Tankschwappens und die Gefahr besteht, dass das Druckniveau in dem Brenngasreservoir absinkt. Dies ist beispielsweise bei Marine- Anwendungen der Fall, insbesondere wenn schwerer Seegang herrscht. Cryopumpen werden insbesondere für höhere Versorgungsdrücke, typischerweise größer als 4,5 bar absolut, eingesetzt. Nachteilig hieran ist, dass solche Systeme sehr teuer sind, wobei die Größenordnung der Kosten für ein solches Cryopumpensystem leicht im Bereich der Kosten für eine

Brennkraftmaschine, welche mittels der Brenngasversorgungseinrichtung mit Brenngas versorgt werden soll, liegen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenngasversorgungseinrichtung und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welchen die genannten Nachteile nicht auftreten. Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Brenngasversorgungseinrichtung geschaffen wird, welche zur Bereitstellung eines Brenngases an einem Brenngasversorgungspunkt eingerichtet ist, wobei die Brenngasversorgungseinrichtung ein Brenngasreservoir aufweist, das eingerichtet ist zur Speicherung von flüssigem Brenngas, wobei das Brenngasreservoir mit einem ersten Versorgungspfad und mit einem zweiten Versorgungspfad fluidverbunden ist. Dabei weisen der erste Versorgungspfad und der zweite Versorgungspfad jeweils einen

Wärmeübertrager auf, insbesondere der erste Versorgungspfad einen ersten Wärmeübertrager und der zweite Versorgungspfad einen zweiten Wärmeübertrager, wobei jeder Wärmeübertrager eingerichtet ist, um flüssiges Brenngas zu verdampfen. Weiterhin weist die

Brenngasversorgungseinrichtung eine Ventileinrichtung auf, die eingerichtet ist, um

abwechselnd a) in einem ersten Betriebszustand den ersten Versorgungspfad mit dem

Brenngasversorgungspunkt zu verbinden und zugleich den zweiten Versorgungspfad zu sperren oder mit dem Brenngasreservoir zu verbinden, und b) in einem zweiten Betriebszustand den zweiten Versorgungspfad mit dem Brenngasversorgungspunkt zu verbinden und zugleich den ersten Versorgungspfad zu sperren oder mit dem Brenngasreservoir zu verbinden. Dadurch, dass die Versorgungspfade abwechselnd, insbesondere alternierend einmal mit dem

Brenngasversorgungspunkt und ein anderes Mal mit dem Brenngasreservoir verbunden oder gesperrt werden, ist es möglich, wechselweise in den Versorgungspfaden einen höheren Druck - insbesondere durch Verdampfen des Brenngases in dem jeweiligen Wärmeübertrager - zu erzeugen, und dann den Brenngasversorgungspunkt mit dem derart unter Druck vorgespannten Brenngas zu versorgen. Ist das Druckniveau in einem Versorgungspfad nicht mehr ausreichend, wird auf den anderen Versorgungspfad umgeschaltet, in dem zwischenzeitlich ein erhöhter Brenngasdruck durch Zuführung von Brenngas aus dem Brenngasreservoir und durch

Verdampfen des Brenngases in dem Wärmeübertrager erzeugt wurde. Es ist in diesem Fall nicht nötig, das Brenngasreservoir selbst auf ein für den Brenngasversorgungspunkt ausreichendes Druckniveau vorzuspannen, vielmehr kann das Brenngasreservoir ein niedrigeres Druckniveau aufweisen, insbesondere ein Druckniveau, welches gerade zur Speisung der Wärmeübertrager in den Versorgungspfaden ausreicht. Dies reduziert die Sicherheitsanforderungen und den Aufwand in der Auslegung des Brenngasreservoirs deutlich, was sich insbesondere positiv bei großen Brenngasreservoirs und/oder bei Marine- Anwendungen auswirkt. Weiterhin kann auf eine Cryopumpe verzichtet werden, weil der für den Brenngasversorgungspunkt nötige Druck abwechselnd in den Versorgungspfaden mittels der Wärmeübertrager erzeugt werden kann.

Insgesamt wird so ein pumpenloses Brenngasversorgungssystem mit einer thermischen

Druckerhöhungseinrichtung bereitgestellt, wobei sowohl das Vorspannen als auch die Förderung des Brenngases letztlich thermisch über die Wärmeübertrager geschieht.

Besonders bevorzugt ist die Brenngasversorgungseinrichtung frei von einer Cryopumpe, sie weist also bevorzugt keine Cryopumpe auf. Auf diese Weise kann die

Brenngasversorgungseinrichtung selbst kostengünstig und einfach ausgestaltet sein.

Unter einem Brenngas wird insbesondere ein unter Normalbedingungen, insbesondere also bei 1013 mbar absolut und bei 25 °C, gasförmiger Stoff verstanden, der brennbar ist. Das Brenngas ist bevorzugt geeignet, um eine Brennkraftmaschine mit dem Brenngas als Brennstoff zu betreiben. Besonders bevorzugt weist das Brenngas Methan auf oder besteht aus Methan. Das

Brenngas ist vorzugsweise unter Kühlung und/oder Druckerhöhung verflüssigbar und insoweit in einem Brenngasreservoir als flüssiges Brenngas speicherbar, insbesondere in einem tiefkalten Brenngasreservoir als tiefkaltes, flüssiges Brenngas. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Brenngas um Erdgas. Verflüssigtes Erdgas wird auch als liquefied natural gas (LNG) bezeichnet. Es ist in besonderer Weise zur Speicherung in flüssiger Form in einem

Brenngasreservoir und zum Betrieb von Brennkraftmaschinen geeignet.

Unter einem Brenngasversorgungspunkt wird insbesondere ein Ort der

Brenngasversorgungseinrichtung verstanden, an welchem das Brenngas mit einem zur

Versorgung eines Verbrauchers vorgesehenen Druckniveau vorliegt, und an welchem die Brenngasversorgungseinrichtung bevorzugt mit dem Verbraucher fluidverbunden ist. Der Brenngasversorgungspunkt kann mit einer Gasregelstrecke des Verbrauchers wirkverbunden sein, wobei dann der Brenngasdruck an dem Brenngasversorgungspunkt einem Eingangsdruck für die Gasregelstrecke entspricht, wobei der eigentliche Verbrauchsort des Verbrauchers, beispielsweise ein Brennraum einer Brennkraftmaschine oder ein Injektor, mit einem durch die Gasregelstrecke eingestellten, niedrigeren Druckniveau versorgt wird, als dies an dem

Brenngasversorgungspunkt herrscht. Die beiden Versorgungspfade sind vorzugsweise mit dem gleichen Brenngasversorgungspunkt fluidverbunden, sodass der Brenngasversorgungspunkt abwechselnd von dem einen Versorgungspfad und von dem anderen Versorgungspfad mit Brenngas versorgt werden kann.

Die Brenngasversorgungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, um das Brenngas an dem Brenngasversorgungspunkt oberhalb eines ersten Druckniveaus bereitzustellen. Dabei ist die Brenngasversorgungseinrichtung insbesondere eingerichtet um zu überwachen, dass der Druck an dem Brenngasversorgungspunkt nicht unter das erste Druckniveau sinkt. Das erste

Druckniveau ist vorzugsweise höher als ein Druck in dem Brenngasreservoir. Die

Druckerhöhung wird durch Verdampfen des Brenngases in den Wärmeübertragern bewirkt.

Unter einem Sperren eines Versorgungspfads wird insbesondere verstanden, dass dieser fluidisch sowohl von dem Brenngasversorgungspunkt als auch von dem Brenngasreservoir getrennt ist. Der Versorgungspfad ist in diesem Fall bevorzugt von seiner Umgebung vollständig separiert. Die Brenngasversorgungseinrichtung ist außerdem bevorzugt eingerichtet, um den ersten

Versorgungspfad von dem Brenngasreservoir zu trennen, wenn der erste Versorgungspfad mit dem Brenngasversorgungspunkt verbunden ist. Sie ist weiterhin bevorzugt eingerichtet, um den ersten Versorgungspfad von dem Brenngasversorgungspunkt zu trennen, wenn dieser mit dem Brenngasreservoir verbunden ist. Analog gilt genau das Gleiche bevorzugt für den zweiten Versorgungspfad.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brenngasversorgungseinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Brenngasreservoir ein erstes Speichervolumen für flüssiges Brenngas und ein zweites Speichervolumen für gasförmiges Brenngas, insbesondere als

Druckpolster für das erste Speichervolumen, aufweist. Dies entspricht einem für sich genommen bekannten Aufbau des Brenngasreservoirs, wobei das zweite Speichervolumen mithilfe des Druckpolsters vorgespannt werden kann. Hierzu ist bevorzugt eine Druckaufbaueinrichtung, die insbesondere einen Druckaufbauverdampfer aufweist, zwischen dem ersten Speichervolumen und dem zweiten Speichervolumen - insbesondere außerhalb des Brenngasreservoirs - vorgesehen, sodass mittels der Druckaufbaueinrichtung ein Druck in dem Druckpolster durch

Verdampfen von Brenngas eingestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist hierbei der Druck in dem ersten Speichervolumen und/oder in dem zweiten Speichervolumen regelbar. Das

Brenngasreservoir kann so bei einem vorbestimmten und insbesondere durch das Druckpolster definierten Druck gehalten werden. Das erste Speichervolumen und das zweite Speichervolumen sind in dem Brenngasreservoir vorzugsweise nur durch die Phasengrenze zwischen dem flüssigen Brenngas (Flüssigphase) und dem gasförmigen Brenngas (Gasphase) getrennt.

Die Ventileinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um dann, wenn einer der Versorgungspfade mit dem Brenngasversorgungspunkt verbunden ist, den anderen, nicht mit dem

Brenngasversorgungspunkt verbundenen Versorgungspfad c) mit dem zweiten Speichervolumen zu verbinden, d) mit dem ersten Speichervolumen zu verbinden, und e) zu sperren. Auf diese Weise ist es möglich, den nicht mit dem Brenngasversorgungspunkt verbundenen

Versorgungspfad insbesondere zuerst mit dem zweiten Speichervolumen zu verbinden, um den Versorgungspfad zu dem zweiten Speichervolumen hin druckzuentlasten und insoweit ein Nachströmen von flüssigem Brenngas zu ermöglichen, diesen dann mit dem ersten

Speichervolumen zu verbinden, damit flüssiges Brenngas aus dem ersten Speichervolumen in den Versorgungspfad nachströmen kann, und anschließend den Versorgungspfad zu sperren - insbesondere nämlich sowohl gegenüber dem Brenngasversorgungspunkt als auch gegenüber dem Brenngasreservoir, um mittels des Wärmeübertragers in dem Versorgungspfad das in dem Wärmeübertrager vorliegende, flüssige Brenngas zu verdampfen und damit den Druck in dem Versorgungspfad zu erhöhen.

Der andere, nicht mit dem Brenngasversorgungspunkt verbundene Versorgungspfad wird also bevorzugt zuerst mit dem zweiten Speichervolumen verbunden und damit druckentlastet, dann mit dem ersten Speichervolumen verbunden und mit flüssigem Brenngas beschickt, und dann anschließend gesperrt, wobei das flüssige Brenngas in dem Versorgungspfad durch den

Wärmeübertrager verdampft wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen gegenüber dem Druckniveau des Brenngasreservoirs erhöhten Brenngasdruck in dem Versorgungspfad bereitzustellen. Sinkt dann das Druckniveau in dem mit dem Brenngasversorgungspunkt verbundenen Versorgungspfad und zugleich an dem Brenngasversorgungspunkt auf oder unter ein bestimmtes Niveau, kann dieser Versorgungspfad von dem Brenngasversorgungspunkt getrennt werden, und der andere Versorgungspfad kann mit dem Brenngasversorgungspunkt verbunden werden, sodass wieder ein erhöhter Brenngasdruck zur Versorgung des Brenngasversorgungspunkts zur Verfügung steht. Es kann nun der eine, zuvor mit dem Brenngasversorgungspunkt verbundene, nun aber von diesem getrennte

Versorgungspfad - wie zuvor für den anderen Versorgungspfad beschrieben - zunächst mit dem zweiten Speichervolumen verbunden werden, dann mit dem ersten Speichervolumen verbunden werden, und schließlich gesperrt werden. Diese Schritte können alternierend durchgeführt werden, um abwechselnd aus dem ersten und zweiten Versorgungspfad ein ausreichend hohes Druckniveau an dem Brenngasversorgungspunkt bereitzustellen. Insgesamt weist die Ventileinrichtung bevorzugt folgende Schaltzustände auf: Einen ersten Schaltzustand, in dem der erste Versorgungspfad mit dem ersten Speichervolumen in

Fluidverbindung ist, wobei der zweite Versorgungspfad mit dem Brenngasversorgungspunkt in Fluidverbindung ist. In diesem Fall fließt flüssiges Brenngas aus dem ersten Speichervolumen in den ersten Versorgungspfad, wobei der Brenngasversorgungspunkt aus dem zweiten

Versorgungspfad gespeist wird.

In einem zweiten Schaltzustand ist der erste Versorgungspfad gesperrt, und der zweite

Versorgungspfad ist weiterhin mit dem Brenngasversorgungspunkt in Fluidverbindung. Der Brenngasversorgungspunkt wird also weiterhin aus dem zweiten Versorgungspfad gespeist, wobei in dem ersten, gesperrten Versorgungspfad mittels des Wärmeübertragers flüssiges Brenngas verdampft und unter Druck gespannt wird.

In einem dritten Schaltzustand ist der erste Versorgungspfad mit dem Brenngasversorgungspunkt in Fluidverbindung, wobei der zweite Versorgungspfad mit dem zweiten Speichervolumen in Fluidverbindung ist. In diesem Fall wird nunmehr der Brenngasversorgungspunkt aus dem ersten Versorgungspfad gespeist, wobei der zweite Versorgungspfad zu dem Druckpolster hin druckentlastet wird, sodass er ein gleiches Druckniveau aufweist wie das Brenngasreservoir, sodass in einem nächsten Schritt flüssiges Brenngas aus dem Brenngasreservoir in den zweiten Versorgungspfad nachströmen kann.

In einem vierten Schaltzustand ist weiterhin der erste Versorgungspfad mit dem

Brenngasversorgungspunkt fluidverbunden. Zugleich ist der zweite Versorgungspfad mit dem ersten Speichervolumen in Fluidverbindung. Auf diese Weise wird der

Brenngasversorgungspunkt aus dem ersten Versorgungspfad gespeist, wobei flüssiges Brenngas aus dem ersten Speichervolumen in den zweiten Versorgungspfad strömen kann. Dabei strömt es insbesondere in dessen Wärmeübertrager.

In einem fünften Betriebszustand ist weiterhin der Brenngasversorgungspunkt mit dem ersten Versorgungspfad in Fluidverbindung und wird aus diesem gespeist, wobei der zweite Versorgungspfad gesperrt ist. Dabei wird mittels des Wärmeübertragers in dem zweiten Versorgungspfad flüssiges Brenngas verdampft und so unter Druck gespannt.

In einem sechsten Schaltzustand ist schließlich der zweite Versorgungspfad wieder mit dem Brenngasversorgungspunkt in Fluidverbindung, wobei zugleich der erste Versorgungspfad mit dem zweiten Speichervolumen in Fluidverbindung ist, sodass er zu dem Druckpolster hin druckentlastet wird.

An den sechsten Schaltzustand schließt sich bevorzugt der erste Schaltzustand wieder an, sodass insgesamt eine zyklische Abfolge der hier einzeln beschriebenen sechs Schaltzustände realisiert wird. Es wird deutlich, dass dabei in alternierender Weise der Brenngasversorgungspunkt stets mit unter erhöhtem Druck vorgespanntem Brenngas aus einem der beiden Versorgungspfade versorgt wird, wobei in dem anderen Versorgungspfad Maßnahmen getroffen werden, um das erhöhte Druckniveau wieder aufzubauen. Es bedarf daher weder einer Cryopumpe, noch muss das Brenngasreservoir selbst auf dem für den Brenngasversorgungspunkt vorgesehenen

Druckniveau gehalten werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung für jeden Versorgungspfad jeweils ein erstes Schaltventil in einer ersten Fluidverbindung zwischen dem ersten Speichervolumen und dem Wärmeübertrager, und ein zweites Schaltventil in einer zweiten Fluidverbindung zwischen dem Wärmeübertrager und dem Brenngasversorgungspunkt aufweist. Die erste Fluidverbindung erstreckt sich dabei von dem ersten Speichervolumen zu einem Einlass des Wärmeübertragers. Die zweite Fluidverbindung erstreckt sich von einem Auslass des Wärmeübertragers zu dem Brenngasversorgungspunkt. Mittels der Schaltventile ist es möglich, den Versorgungspfad entweder mit dem Brenngasreservoir oder mit dem

Brenngasversorgungspunkt fluidzuverbinden, oder den Versorgungspfad zu sperren, indem entweder jeweils eines der beiden Schaltventile geöffnet und das andere geschlossen wird, oder indem beide Schaltventile geschlossen werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung für jeden Versorgungspfad jeweils ein drittes Schaltventil in einer dritten Fluidverbindung zwischen dem Wärmeübertrager und dem zweiten Speichervolumen aufweist. Die dritte Fluidverbindung erstreckt sich vorzugsweise ausgehend von einem Mündungspunkt aus der zweiten

Fluidverbindung stromabwärts des Auslasses des Wärmeübertragers und stromaufwärts des zweiten Schaltventils zu einer Mündung in das zweite Speichervolumen. Mittels des dritten Schaltventils ist es demnach möglich, den Versorgungspfad zu dem zweiten Speichervolumen hin druckzuentlasten, wobei dieser zugleich sowohl von dem ersten Speichervolumen als auch von dem Brenngasversorgungspunkt getrennt werden kann, indem nämlich das erste Schaltventil und das zweite Schaltventil geschlossen werden, wobei jedoch das dritte Schaltventil geöffnet wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Brenngasversorgungspunkt, dem ersten Versorgungspfad und/oder dem zweiten Versorgungspfad jeweils ein Pufferbehälter zugeordnet ist/sind. Besonders bevorzugt ist dem ersten Versorgungspfad ein erster

Pufferbehälter zugeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist dem zweiten Versorgungspfad ein zweiter Pufferbehälter zugeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist dem Brenngasversorgungspunkt ein dritter Pufferbehälter zugeordnet. Der wenigstens eine Pufferbehälter dient dazu, unter Druck gespanntes Brenngas zu speichern und ein Puffervolumen bereitzustellen, insbesondere um einen eingestellten Druck über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten oder zumindest langsam absinken lassen zu können. Auf diese Weise kann abhängig von den Volumina der

Pufferbehälter eine Schaltfrequenz zwischen den verschiedenen Schaltzuständen bestimmt werden, wobei das Volumen des wenigstens einen Pufferbehälters insbesondere bestimmt, wie lange es bei einem bestimmten Brenngasabfluss von dem Brenngasversorgungspunkt zu einem Verbraucher dauert, bis das Druckniveau an dem Brenngasversorgungspunkt ausgehend von einem in einem der Versorgungspfade eingestellten, erhöhten Druckniveau auf das erste

Druckniveau abgesunken ist.

Die den Versorgungspfaden zugeordneten Pufferbehälter sind vorzugsweise jeweils

stromabwärts des Wärmeübertragers und bevorzugt stromaufwärts der Mündung des dritten Fluidpfads in den zweiten Fluidpfad angeordnet. Der dritte Pufferbehälter ist vorzugsweise stromabwärts einer Zusammenführung der Versorgungspfade in einem gemeinsamen

Leitungsabschnitt des Brenngasversorgungspunkts angeordnet. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung abhängig von einem Druck in dem Pufferbehälter, welcher dem Brenngasversorgungspunkt zugeordnet ist, schaltbar ist. Dabei wird insbesondere stets dann die Fluidverbindung des

Brenngasversorgungspunkts zwischen einem der Versorgungspfade und dem anderen

Versorgungspfad umgeschaltet, wenn das Druckniveau in dem Pufferbehälter ein vorbestimmtes Schaltdruckniveau erreicht oder unterschreitet. Dabei liegt das vorbestimmte Schaltdruckniveau bevorzugt etwas oberhalb des ersten Druckniveaus, welches an dem Brenngasversorgungspunkt nicht unterschritten werden soll. Zum Schalten der Schaltzustände des anderen

Versorgungspfads während der Fluidverbindung des einen Versorgungspfads mit dem

Brenngasversorgungspunkt wird vorzugsweise eine Prognose bezüglich des Verlaufs des Drucks in dem dritten Pufferbehälter herangezogen. Insbesondere wird bevorzugt der andere

Versorgungspfad so rechtzeitig gesperrt, dass in ausreichender Zeit vor dem Umschalten der Fluidverbindung auf den anderen Versorgungspfad in diesem ein ausreichend hoher

Brenngasdruck durch den Wärmeübertrager aufgebaut werden kann. Zur Prognose des Drucks in dem dritten Pufferbehälter wird vorzugsweise eine zeitliche Ableitung dieses Drucks

herangezogen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die

Brenngasversorgungseinrichtung eingerichtet ist, um den Wärmeübertrager eines

Versorgungspfads zu aktivieren, wenn der Versorgungspfad gesperrt ist, und um den

Wärmeübertrager des Versorgungspfads ansonsten, das heißt in allen anderen Schaltzuständen oder Betriebszuständen des Versorgungspfads oder der Ventileinrichtung, zu deaktivieren.

Vorzugsweise gilt dies für jeden Wärmeübertrager jedes Versorgungspfads der

Brenngasversorgungseinrichtung. Diese Ausgestaltung ist besonders ökonomisch, da die Wärmeübertrager nur dann aktiviert werden, wenn tatsächlich in den Versorgungspfaden flüssiges Brenngas verdampft werden soll. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die

Wärmeübertrager dann deaktiviert sind, wenn der entsprechende Versorgungspfad mit dem ersten Speichervolumen des Brenngasreservoirs in Fluidverbindung ist, um keine überflüssige Wärme in das tiefkalte Brenngasreservoir einzutragen. Weiterhin würde ein mit aktiviertem Wärmeübertrager in dem Versorgungspfad notwendigerweise entstehender Druck durch

Verdampfen des Brenngases auch ein Nachfließen von flüssigem Brenngas aus dem

Brenngasreservoir behindern oder zumindest verzögern.

Die Wärmeübertrager sind daher bevorzugt schaltbar ausgebildet, wobei sie angeschaltet werden können, wenn flüssiges Brenngas in den Wärmeübertragern verdampft werden soll, wobei sie ansonsten abgeschaltet werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Kühleinrichtung in den dritten Fluidverbindungen angeordnet ist. Mittels einer solchen Kühleinrichtung kann das zu dem Druckpolster hin druckentlastete, gasförmige Brenngas gekühlt werden, um einen zusätzlichen Wärmeeintrag in das Brenngasreservoir zu verringern oder zu verhindern. Das gasförmige Brenngas, welches in das Druckpolster zurückgeführt werden soll, ist nämlich beim Verlassen der Versorgungspfade trotz des Kühlungseffekts durch die Entspannung der

Druckentlastung wärmer als das Temperaturniveaus des tierkalten Brenngasreservoirs.

Besonders bevorzugt werden die den Versorgungspfaden zugeordneten dritten Fluidpfade zusammengeführt in einen gemeinsamen Leitungsabschnitt, der sie mit dem zweiten

Speichervolumen verbindet, wobei in besonders ökonomischer Weise eine Kühleinrichtung in dem gemeinsamen Leitungsabschnitt vorgesehen sein kann.

Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche eine Brenngasversorgungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen

Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei ergeben sich in Zusammenhang mit der

Brennkraftmaschine die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der

Brenngasversorgungseinrichtung erläutert wurden.

Ein Motorblock der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise mit dem Brenngasversorgungspunkt der Brenngasversorgungseinrichtung verbunden. Insbesondere ist es möglich, dass zwischen dem Brenngasversorgungspunkt und dem Motorblock eine Gasregelstrecke angeordnet ist.

Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer

Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb,

Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der

Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einer Brenngasversorgungseinrichtung, und

Figur 2 eine schematische, diagrammatische Darstellung der Funktionsweise der

Brenngasversorgungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einer

Brenngasversorgungseinrichtung 3, die eingerichtet ist zur Bereitstellung eines Brenngases oberhalb eines ersten Druckniveaus an einem Brenngasversorgungspunkt 5. Mit dem

Brenngasversorgungspunkt 5 ist eine Gasregelstrecke 7 verbunden, mit welcher wiederum ein Motorblock 9 verbunden ist. Über die Gasregelstrecke 7 kann dem Motorblock 9 von der Brenngasversorgungseinrichtung 3 bereitgestelltes Brenngas zugeführt werden. Dabei wird das Brenngas durch die Brenngasversorgungseinrichtung 3 der Gasregelstrecke 7 an dem

Brenngasversorgungspunkt 5 mit einem Druck oberhalb des ersten Druckniveaus bereitgestellt, wobei die Gasregelstrecke 7 dazu dient, den Druck in geregelter Weise auf einen vorbestimmten Eingangsdruck für den Motorblock 9 zu reduzieren.

Die Brennkraftversorgungseinrichtung 3 weist ein Brenngasreservoir 11 auf, das eingerichtet ist zur Speicherung von flüssigem Brenngas, insbesondere zur Speicherung von tiefkaltem, flüssigem Brenngas, insbesondere von verflüssigtem Erdgas (LNG). Das Brenngasreservoir 11 ist mit einem ersten Versorgungspfad 13 und mit einem zweiten Versorgungspfad 15 fluidverbunden. Der erste Versorgungspfad 13 weist einen ersten

Wärmeübertrager 17 auf, und der zweite Versorgungspfad 15 weist einen zweiten

Wärmeübertrager 19 auf. Die Wärmeübertrager 17, 19 sind eingerichtet zum Verdampfen von flüssigem Brenngas.

Es ist eine Ventileinrichtung 21 vorgesehen, die eingerichtet ist, um abwechselnd den ersten Versorgungspfad 13 mit dem Brenngasversorgungspunkt 5 zu verbinden und zugleich den zweiten Versorgungspfad 15 zu sperren oder mit dem Brenngasreservoir 1 1 zu verbinden, und den zweiten Versorgungspfad 15 mit dem Brenngasversorgungspunkt 5 zu verbinden und zugleich den ersten Versorgungspfad 13 zu sperren oder mit dem Brenngasreservoir 11 zu verbinden.

Das Brenngasreservoir 1 1 weist ein erstes Speichervolumen 23 für flüssiges Brenngas sowie ein zweites Speichervolumen 25 für gasförmiges Brenngas, insbesondere als Druckpolster für das erste Speichervolumen 23, auf. Das erste Speichervolumen 23 und das zweite Speichervolumen 25 sind in dem Brenngasreservoir 11 vorzugsweise nur durch die Phasengrenze zwischen dem flüssigen Brenngas (Flüssigphase) und dem gasförmigen Brenngas (Gasphase) getrennt. Die Ventileinrichtung 21 ist eingerichtet, um dann, wenn einer der Versorgungspfade 13, 15 mit dem Brenngasversorgungspfad 5 verbunden ist, den anderen Versorgungspfad 15, 13 mit dem zweiten Speichervolumen 25 zu verbinden, ihn danach mit dem ersten Speichervolumen 23 zu verbinden, und ihn anschließend zu sperren. Die Ventileinrichtung 21 weist hierfür in jedem Versorgungspfad ein erstes Schaltventil auf, nämlich in dem ersten Versorgungspfad 13 ein erstes Schaltventil A.13 und in dem zweiten Versorgungspfad 15 ein erstes Schaltventil A.15. Die ersten Schaltventile A.13, A.15 sind jeweils in ersten Fluidpfaden 27.13, 27.15 angeordnet, welche den Versorgungspfaden 13, 15 zugeordnet sind, und welche jeweils das erste Speichervolumen 23 mit jeweils einem Eingang der Wärmeübertrager 17, 19 verbinden.

Die Ventileinrichtung 21 weist außerdem in jedem der Versorgungspfade 13, 15 ein zweites Schaltventil B.13, B.15 auf, wobei diese zweiten Schaltventile B.13, B.15 jeweils in zweiten Fluidpfaden 29.13, 29.15 angeordnet sind, welche jeweils einen Ausgang der Wärmeübertrager 17, 19 mit dem Brenngasversorgungspunkt 5 verbinden.

Weiterhin weist die Ventileinrichtung 21 für jeden der Versorgungspfade 13, 15 ein drittes Schaltventil C.13, C.15 auf, welches jeweils in einem dritten Fluidpfad 31.13, 31.15 angeordnet ist, wobei sich die dritten Fluidpfade 31.13, 31.15 jeweils ausgehend von jeweils einer Mündung in die zweiten Fluidpfade 29.13, 29.15 zu dem zweiten Speichervolumen 25 erstrecken. Dabei münden die dritten Fluidpfade 31.13, 31.15 jeweils stromabwärts der Ausgänge der

Wärmeübertrager 17.19 und stromaufwärts der zweiten Schaltventile B.13, B.15 in die zweiten Fluidpfade 29.13, 29.15. Die dritten Fluidpfade 31.13, 31.15 werden zusammengeführt zu einem gemeinsamen Leitungsabschnitt 33, durch den sie gemeinsam verlaufen, wobei der gemeinsame Leitungsabschnitt 33 in das zweite Speichervolumen 25 mündet. In dem gemeinsamen

Leitungsabschnitt 33 ist eine Kühleinrichtung 35 zur Kühlung des den gemeinsamen

Leitungsabschnitt 33 durchströmenden Brenngases angeordnet.

Dem ersten Versorgungspfad 13 ist ein erster Pufferbehälter 37 zugeordnet, in dem ein erster Druck pl herrscht. Dem zweiten Versorgungspfad 15 ist ein zweiter Pufferbehälter 39 zugeordnet, indem ein zweiter Druck p2 herrscht. Die Pufferbehälter 37, 39 sind in den

Versorgungspfaden 13, 15 jeweils stromabwärts der Ausgänge der Wärmeübertrager 17, 19 und bevorzugt stromaufwärts der Mündungen der dritten Fluidpfade 31.13, 31.15 angeordnet.

Dem Brenngasversorgungspunkt 5 ist ein dritter Pufferbehälter 41 zugeordnet, in dem ein dritter Druck p3 herrscht. Die Drücke pl, p2, p3 sind zeitlich variabel. Vorzugsweise ist zumindest dem dritten

Pufferbehälter 41 ein Drucksensor zugeordnet, welcher den Druck in dem dritten Pufferbehälter 41 überwacht. Zusätzlich ist es möglich, dass wenigstens einem der ersten und zweiten

Pufferbehälter 37, 39, besonders bevorzugt beiden Pufferbehältern 37, 39 jeweils ein

Drucksensor zugeordnet ist.

Die Ventileinrichtung 21 wird vorzugsweise abhängig von dem Druck p3 in dem dritten

Pufferbehälter 41 geschaltet, wobei insbesondere auch eine Prognose über die zukünftige Entwicklung des Drucks p3 in das Schaltverhalten der Ventileinrichtung 21 einbezogen wird. Die Ventileinrichtung 21 weist bevorzugt eine nicht dargestellte Steuereinrichtung auf, welche einerseits mit dem Drucksensor und andererseits mit den Schaltventilen wirkverbunden ist, sodass mittels der Steuereinrichtung die Schaltventile abhängig von dem durch den Drucksensor erfassten Druck schaltbar sind.

Fig. 2 zeigt eine diagrammatische Funktionsweise der Brennkraftversorgungseinrichtung 3. Dabei sind hier in drei untereinander dargestellten Diagrammen die Drücke pl, p2 und p3 gegen die Zeit t aufgetragen.

In einem mit Tl bezeichneten Zeitintervall befindet sich die Ventileinrichtung 21 in einem ersten Schaltzustand, in welchem in dem ersten Versorgungspfad 13 das erste Schaltventil A.13 geöffnet, das zweite Schaltventil B.13 geschlossen und das dritte Schaltventil C.13 geschlossen sind. In dem zweiten Versorgungspfad sind das erste Schaltventil A.15 geschlossen, das zweite Schaltventil B.15 geöffnet, und das dritte Schaltventil C.15 geschlossen. In diesem Fall fließt flüssiges Brenngas aus dem ersten Speichervolumen 23 in den ersten Wärmeübertrager 17, wobei zugleich der Brenngasversorgungspunkt 5 und damit auch die Gasregelstrecke 7 aus dem zweiten Versorgungspfad 15 mit gasförmigem Brenngas versorgt wird. Der erste Druck pl liegt dabei auf dem Niveau des Drucks p _R in dem Brenngasreservoir 11 , sodass flüssiges Brenngas insbesondere gravitationsgetrieben nachströmen kann. Die Drücke p2, p3 in dem zweiten

Versorgungspfad 15 und im Brenngasversorgungspunkt 5 sind identisch und fallen mit der Zeit t, weil Brenngas in die Gasregelstrecke 7 abgeführt wird. Dabei wird bevorzugt anhand der Rate, mit welcher die Drücke p2, p3 - insbesondere der Druck p3 - mit der Zeit t absinkt, eine

Prognose getroffen, wann der Druck p3 voraussichtlich ein erstes, vorbestimmtes Druckniveau p _n erreichen wird. Rechtzeitig vorher wird die Ventileinrichtung 21 in einen zweiten

Schaltzustand geschaltet, welcher in einem zweiten Zeitintervall T2 vorliegt.

In diesem zweiten Schaltzustand sind alle Schaltventile A.13, B.13, C.13 des ersten

Versorgungspfads 13 geschlossen, wobei in dem zweiten Versorgungspfad wiederum nur das zweite Schaltventil B.15 geöffnet und alle anderen Schaltventile geschlossen sind. Der

Brenngasversorgungspunkt 5 und damit die Gasregelstrecke 7 werden also weiterhin aus dem zweiten Versorgungspfad 15 versorgt, was auch an den unverändert fallenden Drücken p2, p3 erkennbar ist. In dem ersten Versorgungspfad wird der erste Wärmeübertrager 17 aktiviert, wodurch flüssiges Brenngas verdampft wird, und ein Druckaufbau erfolgt.

Kurz bevor der dritte Druck p3 das erste Druckniveau p„ erreicht, wird die Ventileinrichtung 21 umgeschaltet in einen dritten Schaltzustand T3. In diesem dritten Schaltzustand sind in dem ersten Versorgungspfad 13 das erste Schaltventil A.13 geschlossen, das zweite Schaltventil B.13 geöffnet, und das dritte Schaltventil C.13 geschlossen. In dem zweiten Versorgungspfad sind das erste Schaltventil A.15 und das zweite Schaltventil B.15 geschlossen, wobei das dritte

Schaltventil C.15 geöffnet ist. Der Brenngasversorgungspunkt 5 wird nun aus dem ersten Versorgungspfad gespeist, weshalb der Druck p3 schlagartig beim Umschalten in den dritten

Schaltzustand T3 auf das Druckniveau des ersten Drucks pl steigt, wobei beide dann gemeinsam und synchron aufgrund der Versorgung der Gasregelstrecke 7 mit Brenngas absinken. Der zweite Versorgungspfad 15 wird dagegen über den dritten Fluidpfad 31.15 und das dritte Schaltventil C.15 zu dem zweiten Speichervolumen 25 hin druckentlastet, sodass der Druck hier auf das Druckniveau des Brenngasreservoirs 1 1 PR absinkt.

Ist dieses Druckniveau PR erreicht, wird die Ventileinrichtung 21 in einen vierten Schaltzustand T4 geschaltet. In diesem sind in dem ersten Versorgungspfad 13 wiederum das erste Schaltventil A.13 geschlossen, das zweite Schaltventil B.13 geöffnet und das dritte Schaltventil C.13 geschlossen, sodass der Brenngasversorgungspunkt 5 weiterhin aus dem ersten Versorgungspfad 13 versorgt wird. In dem zweiten Versorgungspfad 15 ist nun das erste Schaltventil A.15 geöffnet, während das zweite Schaltventil B.15 und das dritte Schaltventil C.15 geschlossen sind. Es strömt also flüssiges Brenngas aus dem Brenngasreservoir 1 1 , konkret aus dem ersten Speichervolumen 23, in den zweiten Wärmeübertrager 19, wobei dies insbesondere

gravitationsgetrieben möglich ist, weil das Brenngasreservoir 1 1 und der zweite

Versorgungspfad 15 das gleiche Druckniveau p _R aufweisen.

Wiederum rechtzeitig, bevor der dritte Druck p3 das vorbestimmte erste Druckniveau p _n erreicht, wird die Ventileinrichtung 21 in einen fünften Schaltzustand T5 geschaltet. In diesem fünften Schaltzustand sind in dem ersten Versorgungspfad 13 das erste Schaltventil A.13 geschlossen, das zweite Schaltventil B.13 geöffnet, und das dritte Schaltventil C.13 geschlossen, sodass der Brenngasversorgungspunkt 5 weiterhin aus dem ersten Versorgungspfad 13 versorgt wird. In dem zweiten Versorgungspfad 15 sind jetzt alle Schaltventile A.15, B.15, C.15 geschlossen, und der zweite Wärmeübertrager 19 wird aktiviert, sodass in dem zweiten Versorgungspfad 15 ein Druckaufbau erfolgt.

Kurz bevor der Druck p3 das vorbestimmte, erste Druckniveau p _n erreicht, wird die

Ventileinrichtung 21 in einen sechsten Schaltzustand T6 geschaltet. In diesem sind in dem ersten Versorgungspfad 13 das erste Schaltventil A.13 und das zweite Schaltventil B.13 geschlossen, wobei das dritte Schaltventil C.13 geöffnet ist. Der erste Versorgungspfad 13 wird nun also über den dritten Fluidpfad 31.13 und das dritte Schaltventil C.13 zu dem Druckpolster 25 hin entlastet, wodurch der Druck auf das Druckniveau PR des Brenngasreservoirs 11 absinkt.

Zugleich wird nun der Brenngasversorgungspunkt 5 wieder aus dem zweiten Versorgungspfad 15 gespeist, in welchem das erste Schaltventil A.15 geschlossen, das zweite Schaltventil B.15 geöffnet und das dritte Schaltventil C.15 geschlossen sind.

An den sechsten Schaltzustand T6 schließt sich nun wiederum der erste Schaltzustand Tl an, und es ergibt sich insgesamt eine zyklische Abfolge der hier beschrieben sechs Schaltzustände.

Auf diese Weise ist es möglich, den Druck p3 in dem Brenngasversorgungspunkt 5 und insbesondere in dem diesem zugeordneten Pufferbehälter 41, stets oberhalb des ersten, vorbestimmten Druckniveaus p _n und insbesondere oberhalb des Druckniveaus PR des

Brenngasreservoirs 11 zu halten.

Dies ist ohne Pumpe möglich, vielmehr ergibt sich die Druckerhöhung über das Druckniveau P _R des Brenngasreservoirs hinaus ausschließlich durch das abwechselnde Schalten der

Versorgungspfade 13, 15 und der Zufuhr thermischer Energie in den Wärmeübertragern 17, 19.

Es ist somit möglich, das Brenngasreservoir 1 1 auf einem niedrigeren Druckniveau p _R zu halten, als es für die Brenngasversorgung eines Verbrauchers, hier der Gasregelstrecke 7

beziehungsweise dem Motorblock 9, nötig ist. Insgesamt ergeben sich so mittels der Brenngasversorgungseinrichtung 3 und der

Brennkraftmaschine 1 reduzierte Kosten für das Brenngasreservoir 1 1 und eine Reduktion des Gewichts des Brenngasreservoirs 1 1. Eine Cryopumpe kann entfallen, und es ist eine Sicherheit gegenüber einem Druckeinbruch bei Tankschwappen gegeben, sodass die hier vorgeschlagene Brenngasversorgungseinrichtung 3 besonders geeignet ist für Marine- Anwendungen.