用于运行燃料系统的方法、预输送泵和燃料系统与流程

1.本发明涉及一种用于运行燃料系统的方法，该燃料系统用于为内燃机供给低温燃料，尤其是天然气。本发明还涉及一种用于为内燃机供给低温燃料、尤其是天然气的燃料系统的预输送泵，以及一种具有根据本发明的预输送泵的燃料系统。


背景技术：

2.具有以天然气(natural gas＝ng)运行的内燃机的机动车通常具有用于储存燃料的专用罐，其设计用于储存呈液态形式的燃料(“液化天然气”＝lng)。这些罐是深冷储存器，它们充分绝热以储存呈液态形式的、本身气态的燃料。天然气的常见储存温度为
‑
110℃至
‑
160℃。通常，这些罐不具有自身冷却。然而，由于来自外部的热量输入，液态天然气可能蒸发，从而在罐中在液相上方形成气相。随着天然气的加热和蒸发，罐内的压力同时上升。因此，为了避免罐破裂，当达到预先给定的最大极限值时，来自气相的气体会经由安全阀被排放(“蒸腾出来”，英文：boil off)。从而在能量方面具有价值的燃料的一部分会丢失。同时，燃料系统的效率降低。此外，与此相关的甲烷排放导致环境污染。


技术实现要素：

3.本发明所基于的任务在于，更有效并且更环保地实现这种燃料系统的运行。
4.为了解决该任务，提出了具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求6的特征的预输送泵和具有权利要求12的特征的燃料系统。在相应的从属权利要求中可以获知本发明的有利扩展方案。
5.提出了一种用于运行燃料系统的方法，该燃料系统为内燃机供给低温燃料，尤其是天然气。在此方法中，燃料以液态形式储存在罐中，并借助预输送泵从罐中取走并且被供应给用于施加高压的高压泵。根据本发明，来自存在于罐中的液相的液态燃料和来自存在于罐中的气相的气态燃料经由分开的输送路径被供应给预输送泵。
6.在根据本发明的方法中，不仅液态燃料而且气态燃料借助预输送泵从罐中被取走并且被供应给用于施加高压的高压泵。因而，使存在于罐中的气体体积可被利用。这意味着，可以借助根据本发明的方法提高可利用的罐容量，这在用于为机动车的内燃机供给的燃料系统的情况下导致行驶里程提升。通过取走气态燃料，同时有效降低罐内的温度和压力，从而无需经由安全阀将气体排放到环境中。为此，在温度降低的情况下，液态的低温燃料具有较高的密度，从而既可以提高预输送泵的效率又可以提高高压泵的效率。通过利用存在于罐中的气体体积还可以减少燃料消耗。因此，借助所提出的方法，燃料系统不仅可以以更环保的方式而且可以更高效地运行。
7.此外，罐温度或罐压力的降低导致罐在其使用寿命期间的更小负载。此外，可以减少罐充注时间。这尤其在通过取走来自气相的气态燃料来将罐压力降低至低于充注站存储压力时适用。
8.根据本发明的一个优选实施方式，供应给预输送泵的气态燃料借助集成到预输送
泵中的气体压缩机首先被压缩到预输送水平，然后与液态燃料混合。通过先前将气态燃料压缩到预输送水平可以进一步优化连接在下游的高压泵的效率。
9.供应给预输送泵的液态燃料优选借助于至少一个集成到预输送泵中的流体工作机来输送。流体工作机可以集成到罐中，从而降低了燃料系统的空间需求。至少一个流体工作机例如可以是离心泵和/或侧通道泵。如果多个这样的泵相继连接，则可以实现包括至少一个第一泵级和第二泵级的多级式系统。以这种方式，可以进一步优化预输送泵的效率。此外，可以使用流体工作机的轴来驱动气体压缩机，从而可以再次提高预输送泵的效率或高效性。有利地，所述轴由电动机驱动，从而可以通过转速来调设预输送泵的的输送量。
10.还提出，借助至少一个切换阀控制来自气相的气态燃料的供应。借助切换阀，可以控制供应给气体压缩机的气体量。切换阀既可以实施为常开阀，也可以实施为常闭阀。有利地，至少一个切换阀集成到预输送泵中，尤其是集成到用于气态燃料的输送路径中。
11.作为进一步的措施提出，将在燃料系统中出现的泄漏量和/或回流量供应给预输送泵，所述泄漏量和/或回流量借助预输送泵被压缩并与吸入的液态燃料一起被供应给高压泵。因此，也可以利用这些气体量，从而进一步提高燃料系统的效率。此外，可以将罐中的温度进一步保持低，因为在燃料系统运行时出现的泄漏量和/或回流量不会像通常那样被引回到罐中，而是被供应给预输送泵。这意味着从外部的热量输入被减少。
12.供应给预输送泵的泄漏量和/或回流量尤其可以是高压泵的泄漏量和/或回流量。此外，它可以是用于燃料系统的气轨中的气体压力调节的气体压力调节器的回流量。在燃料系统中出现的泄漏量和/或回流量在它们被供应给预输送泵之前优选地被收集在缓冲存储器中。
13.为了解决开头提到的任务，还提出一种用于燃料系统的预输送泵，该燃料系统用于为内燃机供给低温燃料，尤其是天然气。预输送泵包括至少一个流体工作机，例如离心泵和/或侧通道泵，其可以经由第一输送路径被供给以液态低温燃料。根据本发明，在预输送泵中集成有气体压缩机，该气体压缩机包括至少一个能往复运动的气体压缩机活塞，该气体压缩机活塞用于限界出压力室，该压力室是与用于气态低温燃料的第二输送路径连接的或者能与其连接。
14.借助所提出的预输送泵，既可以将液态燃料又可以将气态燃料从罐中取走并供应给高压泵。因此，所提出的预输送泵能够实现根据本发明的上述方法。这意味着，借助所提出的预输送泵可以实现结合该方法先前已给出的优点，因此参考于此。
15.集成到所提出的预输送泵中的气体压缩机使得能够将所供应的气态燃料在该气态燃料与液态燃料一起被供应给用于施加高压的高压泵之前压缩到预输送压力水平。因此，预输送泵从高压泵获取压缩机功率。在将气态压缩燃料混合之前，优选将液态燃料借助至少一个流体工作机也带到预输送压力水平。
16.优选地，集成到预输送泵中的气体压缩机的至少一个可往复运动的气体压缩机活塞可以借助流体工作机的轴来驱动。这意味着，已经存在的驱动器具被用于驱动气体压缩机。以这种方式，可以进一步提高预输送泵的效率。此外，节省了安装空间和重量。流体工作机的轴优选地由电动机驱动。
17.此外，集成到预输送泵中的气体压缩机的至少一个可往复运动的气体压缩机活塞优选支撑在与该轴抗扭连接的凸轮盘上。以这种方式，可以将轴的旋转转换为至少一个气
体压缩机活塞的行程运动。
18.根据另一优选实施方式，集成到预输送泵中的气体压缩机的至少一个可往复运动的气体压缩机活塞支撑在与该轴抗扭连接的凸轮或偏心轮上。以这种方式，轴的旋转也被转换为至少一个气体压缩机活塞的行程运动，然而区别在于气体压缩机活塞不是平行于该轴的旋转轴线而是垂直于该轴的旋转轴线运动。因为凸轮或偏心轮需要径向支撑，而先前提及的凸轮盘导致气体压缩机活塞的轴向支撑。
19.此外，气体压缩机活塞可以通过曲柄传动机构与该轴作用连接。在这种情况下，气体压缩机活塞关于该轴又径向地定向。
20.还提出，在预输送泵中集成有混合腔，该混合腔布置在至少一个流体工作机的下游和气体压缩机的下游。气态压缩燃料可以在混合腔中与液态燃料混合。
21.替代地或补充地提出，在预输送泵中集成有流动调节器(perlator)和/或过滤器用于使气泡冷凝。流动调节器和/或过滤器促进混合的气态压缩燃料液化。气态压缩燃料的液化有助于提高高压泵的效率。优选地，流动调节器和/或过滤器布置在至少一个流体工作机的下游和气体压缩机的下游，进一步优选地，流动调节器和/或过滤器连接在混合腔的下游。以这种方式，借助预输送泵可以产生很大程度无气泡的预输送量并将其供应给高压泵。
22.优选地，在预输送泵中集成有至少一个切换阀，借助该切换阀可以控制来自气相的气态燃料到至少一个压力室中的供应。切换阀例如可以实施为可切换的止回阀，该止回阀在接通(zugeschaltet)时能够实现在至少一个压力室中的压力建立。为了接通止回阀，优选地对切换阀通电。在该切换位态中，通过止回阀既可以吸入来自气相的气态燃料也可以将其压缩。在没有通电的情况下，切换阀还优选地占据这样的位态，在该位态中，至少一个压力室与气相的流动连接存在于两个流动方向上。到达至少一个压力室中的燃料因此可以简单地被再次推出，从而不存在有从气相中取走的气态燃料借助集成的气体压缩机被压缩并且与液态燃料混合。
23.在本发明的扩展构型中提出，在预输送泵中集成有至少一个另外的输送路径用于接收燃料系统的泄漏量和/或回流量。因此，也可以利用在燃料系统中出现的泄漏量和/或回流量。因为泄漏量和/或回流量不再如通常情况那样被引回到罐中，因此同时可以减少到罐中的热量输入。
24.供应给预输送泵的泄漏量和/或回流量优选类似于从气相中取走的气态燃料地首先借助集成到预输送泵中的气体压缩机被压缩，然后与液态燃料混合。
25.这意味着，泄漏量和/或回流量经由至少一个另外的输送路径也被供应给压缩机的压力室。为此，至少一个另外的输送路径可以附接到该输送路径上，通过该输送路径从罐的气相中取走气态燃料(主输送路径)。然后通过设置在主输送路径中的切换阀实现到压力室中的导入。替代地，至少一个另外的输送路径可以经由至少一个另外的切换阀直接附接到气体压缩机的压力室上。
26.此外提出的用于为内燃机供给低温燃料、尤其是天然气的燃料系统包括用于储存呈液态形式的低温燃料的罐，用于对燃料施加高压的高压泵和根据本发明的预输送泵，借助该预输送泵可以将来自罐的燃料供应给高压泵。由于根据本发明的预输送泵，所提出的燃料系统可以用于执行根据本发明的上述方法或按照根据本发明的上述方法来运行。因此，借助所提出的燃料系统也可以实现结合上述方法所描述的优点。在这方面，这里也可以
参考相应的描述。
27.为了执行上根据本发明的上述方法，所提出的燃料系统的预输送泵以这样的方式连与罐连接，使得第一输送路径附接到存在于罐中的液相上并且第二输送路径附接到存在于罐中的燃料的气相上。为此，预输送泵优选地布置在罐中。该布置尤其可以在罐底部附近进行，使得预输送泵主要被液态燃料包围。然后可以通过抽吸管(sauglanze)将预输送泵连接到气相上。
28.还提出，预输送泵是通过至少一个回流管路与高压泵连接的或可以通过至少一个回流管路与高压泵连接。通过至少一个回流管路可以将在高压泵中出现的泄漏量和/或回流量供应给预输送泵，从而不必将所述泄漏量和/或回流量引回到罐中，由此减少了到罐中的热量输入。预输送泵与回流管路的连接优选通过一个另外的输送路径进行，该另外的输送路径进一步优选在切换阀的上游通到用于气态燃料的第二输送路径中。然而，回流管路也可以通过一个另外的切换阀直接附接到气体压缩机的压力室上。
29.替代地或附加地提出，预输送泵是通过至少一个回流管路与缓冲存储器连接的或可以通过至少一个回流管路与缓冲存储器连接。泄漏量和/或回流量可以在其被供应给预输送泵之前首先收集在缓冲存储器中。回流量尤其可以来自气体压力调节器，借助该气体压力调节器可以调节燃料系统的气轨中的压力。因此，也可以利用所述回流量。来自缓冲存储器的泄漏量和/或回流量优选地也通过切换阀被导入气体压缩机的压力室中。在此可以涉及集成到主输送路径中的切换阀或涉及一个附加的切换阀。
附图说明
30.下面，根据附图更详细地解释本发明的优选实施方式。在附图中：
31.图1示出根据本发明的燃料系统的示意性纵截面，该燃料系统具有根据第一实施方式的根据本发明的预输送泵；
32.图2示出图1的放大局部用于示出在吸入气态燃料时的预输送泵；
33.图3示出图1的放大局部用于示出在压缩气态燃料时的预输送泵；
34.图4示出根据第二优选实施方式的根据本发明的预输送泵的示意性纵截面；
35.图5示出根据第三优选实施方式的根据本发明的预输送泵的示意性纵截面；
36.图6示出根据第四优选实施方式的根据本发明的预输送泵的示意性纵截面；
37.图7示出在吸入燃料时的、图6的预输送泵的示意性纵截面；
38.图8示出在压缩燃料时的、图6的预输送泵的示意性纵截面；
39.图9示出根据第五优选实施方式的根据本发明的预输送泵的示意性纵截面。
具体实施方式
40.图1中示意性示出的根据本发明的燃料系统用于为内燃机供给低温燃料，尤其是天然气。为此，该系统包括罐1，燃料以液态形式储存在该罐中。因此在罐1中存在燃料的液相6。由于从外部的热量输入，液态燃料的一部分随时间蒸发并在罐1中在液相上方形成气相7。为了减少从外部的热量输入，罐1被绝缘件32包围。
41.经由接收在罐1中的预输送泵2，在燃料系统运行时，来自存在于罐1中的液相6的液态燃料和来自存在于罐1中的气相7的气态燃料都被取走并且供应给用于施加高压的高
压泵3。从而，存在于罐1中的气体体积也被利用。从气相7中取走的燃料在其与液态燃料混合之前借助集成到预输送泵2中的气体压缩机8被压缩。
42.如尤其从图2和图3可以看出，图1中所示的燃料系统的气体压缩机8具有可往复运动的气体压缩机活塞13，该气体压缩机活塞限界出压力室15。压力室15可以通过输送路径5和集成到输送路径5中的切换阀11与存在于罐1中的气相7连接，从而可以将气态燃料供应给压力室15。气体压缩机活塞13在此期间向左运动(见图2)。接下来，通过气体压缩机活塞13的向右运动压缩存在于压力室15中的气态燃料(见图3)。气体压缩机活塞13的往复运动借助轴10和与轴10抗扭连接的凸轮盘17来引起，气体压缩机活塞13通过滚子28轴向支撑在凸轮盘17上。弹簧29将气体压缩机活塞13保持与凸轮盘17贴靠。为了实现抗扭转，气体压缩机活塞13也可以通过一个另外的滚子28支撑在壳体侧。轴10通过两个轴承27可旋转地受支承。
43.从气相7中取走的压缩燃料从压力腔15通过止回阀31被导入混合腔18中。在那里该压缩燃料与从液相6中取走的液态燃料混合。
44.液态燃料经由侧向布置的输送路径4到达预输送泵2中。液态燃料的输送借助两个流体工作机9或两个泵级来实现。第一流体工作机9实施为离心泵9.1。连接在下游的第二流体工作机9是侧通道泵9.2。两个流体工作机9借助上述轴10被驱动。轴10的旋转运动借助电动机26来引起。
45.在流动通过两个流体工作机9或泵级之后，液态燃料经由止回阀30也到达混合腔18中。连接在混合腔18下游的过滤器19使包含在燃料中的气泡冷凝。只有这样，燃料才会离开预输送泵2。
46.在图4和图5中可以看到根据本发明的预输送泵2的改型，其与图1至图3的预输送泵的不同之处主要在于，气体压缩机8具有两个气体压缩机活塞13、14。每个气体压缩机活塞13、14限界出一个压力室15、16，该压力室可以通过切换阀11、12被充注以来自罐1的气相7的气态燃料。在图4的实施方式中，对两个压力室15、16的充注通过共同的切换阀11进行。在图5的实施方式中，每个压力室15、16配属有一个切换阀11、12，从而压力室15、16中的压力建立可以在时间上错开地进行。在这里，两个气体压缩机活塞13、14的驱动借助与轴10抗扭连接的凸轮盘17来引起，两个气体压缩机活塞分别通过滚子28支撑在凸轮盘17上。每个气体压缩机活塞13、14通过弹簧29抵着凸轮盘17轴向预紧，从而在轴10或凸轮盘17旋转时所述气体压缩机活塞往复运动。
47.在图4的实施例中，两个气体压缩机活塞13、14相同地、即沿相同方向运动。这导致必须由轴承27接收的力矩被减少。即，轴承27的负载减小。
48.在图5的实施例中，两个气体压缩机活塞13、14相反地、即沿相反方向运动。以此方式，实现了更均匀的气体混合。
49.另一实施例示在图6至8中示出。集成到预输送泵2中的气体压缩机8具有气体压缩机活塞13，该气体压缩机活塞径向支撑在与轴10抗扭连接的凸轮46上。该支撑借助滚子28进行。为了使滚子28保持与凸轮46接触，该滚子借助弹簧29在朝着凸轮46的方向上预紧。在当前情况下，气体压缩机8布置在罐1之外，但是在所有侧面都被绝缘件32'包围。因此，罐容积不会由于气体压缩机8而变小。此外，预输送泵2的结构相应于图1至图3的上述预输送泵2的结构，从而就此可以参考。尤其地，图6至图8的预输送泵2还具有两级式流体工作机9，其
具有一个离心泵9.1作为第一级并且具有一个侧通道泵9.2作为第二级。此外，在预输送泵2中集成有混合腔18，在该混合腔中接收有过滤器19。输送管路43将预输送泵2与高压泵3连接。集成到预输送泵2中的气体压缩机8的作用方式也相应于图1至图3的气体压缩机8的作用方式。
50.在图7中，示出在抽吸阶段期间的气体压缩机8。即，气体压缩机活塞13实施抽吸行程。为此，该气体压缩机活塞向下运动。在此，因为压力室15通过切换阀11和输送路径5连接到气相7上，所以压力室15中的容积变大并且充注有来自存在于罐1中的气相7的气态燃料。
51.如果接下来在输送阶段中气体压缩机活塞13又向上运动，则存在于压力室15中的燃料被压缩并通过止回阀31被供应给混合腔18。在图1中示出了输送阶段中的预输送泵2。在混合腔18中，来自压力室15的、被压缩到预输送压力的气态燃料与液态燃料混合，该液态燃料先前借助流体工作机9已被压缩到预输送压力。通过接收在混合腔18中的过滤器19，预先压缩的燃料然后被导入输送管路43中，该输送管路将预输送泵2与高压泵3连接。
52.在图1中示出经由输送管路43与预输送泵2连接的高压泵3。在此，高压泵3的结构相应于图1中的高压泵3的结构，从而下面结合图1对高压泵3进行描述。
53.如从图1可以看出，燃料借助预输送泵2，具体地与气体压缩机8是具有一个还是具有多个气体压缩机活塞13、14无关地，通过输送管路43被供应给高压泵3的输送区域44。从那里，燃料通过入口阀45到达压缩室42中，该压缩室由高压泵3的可往复运动的泵活塞41限界。在另一端，泵活塞限界驱动室37，该驱动室被泵活塞41划分成第一腔37.1和第二腔37.2。这些腔与阀36的切换位态有关地能够交替地与液压回路33的高压管路34或低压管路35连接，从而泵活塞41由此可以往复运动。如果泵活塞41向下运动，则存在于压缩室42中的燃料被施加以高压。如果泵活塞41向上运动，则压缩室42通过入口阀45被重新充注以燃料。
54.在高压泵3运行时，出现泄漏量，所述泄漏量通常被引回到罐1中。然而，在图1(或图9)中示例性示出的燃料系统中，所述泄漏量不是被引回到罐1中，而是通过回流管路22被供应给预输送泵2。回流管路22通到输送路径20中，该输送路径又在切换阀11的上游通到输送路径5中。因此，高压泵3的泄漏量也可以被压缩，与液态燃料混合并且接下来被供应给用于施加高压的高压泵3。因此所述泄漏量被利用。
55.同样情况适用于集成到高压泵3中的低压存储器38的泄漏量。该低压存储器是可选的。然而，如果存在低压存储器，则该低压存储器的由活塞39限界的弹簧室40也可以连接到回流管路22上。
56.还可选地，在预输送泵2中可以集成有另外的输送路径21，预输送泵2可以通过该输送路径与回流管路23连接，缓冲存储器24附接到该回流管路上。在燃料系统运行中出现的泄漏量和/或回流量可以首先被收集在缓冲存储器24中。为此，优选在输送路径21中布置有切换阀25，从而仅当切换阀25打开的情况下才将燃料从缓冲存储器24供应给预输送泵2。在缓冲存储器24中，尤其可以收集气体压力调节器(未示出)的回流量用于燃料系统的气轨(未示出)中的压力调节。
57.在图1中，缓冲存储器24通过切换阀25和输送路径21连接到输送路径5上。在图9中，缓冲存储器24通过切换阀25和输送路径21直接附接到气体压缩机8的压力室15上。图9中示出的附接类型也可以转用到图1的实施方式上。此外，类似于图9中示出的缓冲存储器24，回流管路22也可以通过单独的切换阀(未示出)直接附接到气体压缩机8的压力室15上。