DE102008019594A1

DE102008019594A1 - Wärmeisolierter Behälter für kondensierte Gase

Info

Publication number: DE102008019594A1
Application number: DE102008019594A
Authority: DE
Inventors: Martin Derks; Oliver Dr. Kircher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-10-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen wärmeisolierten Behälter für kondensierte Gase für ein mit kryogen gespeichertem Kraftstoff betreibbares Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kryotank und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorik und einer Mess- und Steuereinrichtung für einen solchen Behälter. Die Erfindung sieht vor, dass ein wärmeisolierter Behälter zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere wärmeisolierter Kryotank für kondensierte Gase, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in mindestens einem Außenbehälter gehalten wird, wobei der Innenbehälter aufgebaut ist aus einer dichten Innenschicht, insbesondere aus Metall, außen umgeben von mindestens einer Verstärkungsschicht aus Fasermaterial, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Innenbehälter mit mindestens einem Sensor versehen ist, dessen Messwert als Eingangsgröße einer Mess- und Steuereinrichtung zugeführt wird, die in Abhängigkeit von mindestens einer weiteren Eingangsgröße der Mess- und Steuereinrichtung oder in Abhängigkeit mindestens eines in der Steuereinrichtung gespeicherten Grenzwerts mindestens eine Ausgangsgröße zur Überwachung und/oder Gewährleistung der Betriebssicherheit des Behälters und/oder zur Gewährleistung der Versorgung des Antriebsaggregats mit Betriebsmittel erzeugt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Monitoring des Betriebszustandes, der Betriebssicherheit ...

Description

Die Erfindung betrifft einen wärmeisolierten Behälter für kondensierte Gase für ein mit kryogen gespeichertem Kraftstoff betreibbares Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kryotank und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorik und einer Mess- und Steuereinrichtung für einen solchen Behälter nach dem Oberbegriff des ersten und dem Oberbegriff des elften Anspruchs.
Es ist bereits bekannt, Kraftfahrzeuge zum Beispiel mit Wasserstoff oder Erdgas anzutreiben und diesen Treibstoff als kryogenes oder kryogenes kondensiertes Gas in einem Behälter im Kraftfahrzeug zu speichern. Zur Speicherung von zum Beispiel kryogenem Wasserstoff oder ähnlicher Medien bei überkritischem Druck sind spezielle druckfeste Behälter notwendig, die aufgrund der tiefen Speichertemperaturen eine sehr gute Isolation besitzen sollten. Dabei ist bekannt, zur Vermeidung von Wärmeeintrag aus der Umgebung, doppelwandige, vakuumisolierte Behälter zu verwenden.
Diese Drucktanks bestehen vorzugsweise aus zwei Hüllen, wobei die innere Hülle, im Folgenden als Innenbehälter bezeichnet, die Drucklasten aufnimmt und die äußere Hülle, im Folgenden als Außenbehälter bezeichnet, die Ausbildung der Vakuumisolierung sicherstellt. Im Fahrzeugbau werden diese Kryotanks vorzugsweise zur Lagerung von Treibstoffen, wie Wasserstoff, bei kryogenen Temperaturen und Drücken oberhalb des kritischen Drucks des Treibstoffs verwendet, um gegenüber dem flüssigen, unterkritischen Aggregatzustand bzw. dem gasförmigem Aggregatzustand bei hohem Druck und Umgebungstemperatur des betreffenden Speichermediums die Speicherkapazität zu erhöhen. Der Druck kann darüber hinaus dazu verwendet werden, ein entsprechendes Antriebsaggregat mit verdichtetem warmem oder kaltem Wasserstoff zu versorgen, um dessen Effizienz im Vergleich zur Versorgung mit Niederdruck Wasserstoff zu verbessern. Zur Regelung des Kryotankdrucks kann in den Innenbehälter ein Kryotankwärmetauscher eingebaut sein, der aus einer Zweigleitung des Entnahmestrangs zwischen Innentank und Antriebsaggregat für die Rückführung von bereits angewärmtem Speichermedium besteht. Insbesondere soll dieser Wärmetauscher ein Absinken des Kryotankdruckes unter den minimalen Betriebsdruck, der durch die Art des Antriebsaggregats definiert ist, verhindern.
Durch die Speicherung von tiefkaltem, verflüssigtem Wasserstoff, als kondensiertes Gas kann infolge der hohen Energiedichte eine für Fahrzeuge vorteilhafte hohe Reichweite erzielt werden (gegenüber einer Speicherung von warmem, komprimiertem Wasserstoff-Gas). Die Energiedichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten Vorratsbehältern liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor.
Die DE 10 2005 005 941 A1 beschreibt ein solches Kraftfahrzeug mit einem Kryotank und einer Entnahmeeinrichtung für den kryogen gespeicherten Kraftstoff, die über eine zur Erhöhung der Sicherheit mit Druckluft spülbare Nebensystemkapsel mit einem Wasserstoffsensor verfügt.
Gerade bei der Lagerung von Treibstoffen unter hohem Druck, zum Beispiel bis zu 350 bar, kommt der Betriebssicherheit des Kryotanks eine hohe Bedeutung zu. Dies ist insbesondere der Fall, wenn, wie im Fahrzeugbau, der Kryotank in unmittelbarer Nähe von Personen betrieben wird. Schäden des Kryotanks, die ein unzulässiges Maß überschreiten, müssen frühzeitig erkannt werden. Schäden in der Struktur des Kryotanks können bereits bei der Fertigung des Kryotanks auftreten, während des Betriebs durch Ermüdungserscheinungen oder durch Sonderlastfälle hervorgerufen werden. Eine visuelle Inspektion der druckbelasteten, inneren Faserverbundstruktur ist aufgrund der schlechten Zugänglichkeit nur bedingt möglich.
Sensoren zur Erkennung von sicherheitsrelevanten Veränderungen bei technischen Anlagen sind aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt. So beschreibt die DE 695 13 281 T2 einen eingeschlossenen optischen Sensor zur Messung von Spannung und Temperatur mit einem einzigen Diffraktionsgitter. Es ist bekannt, solche optischen Fasersensoren in Verbundmaterialien oder -strukturen einzubetten, um dadurch die Möglichkeit der Spannungs- und/oder Temperaturmessung der Struktur zu erhalten.
Die bisher bekannte Überwachung von Wasserstoff führenden Komponenten von Kryotanks durch entsprechende Sensoren, um rechtzeitig für eine Belüftung sorgen zu können, hat den Nachteil, dass Undichtigkeiten im Kryogenspeicherbereich erst beim Austritt von Wasserstoff detektiert werden, um dann entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Außerdem kann ein solches Sicherheitssystem nicht für weitere Aufgaben im Rahmen der Kraftstoffversorgung mit einem kryogen gespeicherten Medium verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für diese genannten Nachteile Abhilfemaßnahmen aufzuzeigen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Die Erfindung sieht vor, dass ein wärmeisolierter Behälter zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere wärmeisolierter Kryotank für kryogene Gase, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kryogenen Gases, der wärmeisoliert in mindestens einem Außenbehälter gehalten wird, wobei der Innenbehälter aufgebaut ist aus einer dichten Innenschicht, insbesondere aus Metall, außen umgeben von mindestens einer Verstärkungsschicht aus Fasermaterial, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Innenbehälter mit mindestens einem Sensor versehen ist, dessen Messwert als Eingangsgröße einer Mess- und Steuereinrichtung zugeführt wird, die in Abhängigkeit von mindestens einer weiteren Eingangsgröße der Mess- und Steuereinrichtung oder in Abhängigkeit mindestens eines in der Steuereinrichtung gespeicherten Grenzwerts mindestens eine Ausgangsgröße zur Überwachung und/oder Gewährleistung der Betriebssicherheit des Behälters und/oder zur Gewährleistung der Versorgung des Antriebsaggregats mit Betriebsmittel erzeugt.
Das hat den Vorteil, dass eine im Kryotank integrierte Sensorik so angeordnet ist und über eine Mess- und Steuereinrichtung so betrieben wird, dass Schäden am Kryotank frühzeitig detektiert werden können, um das Langzeitverhalten abzusichern. Außerdem können durch die in die Kryotankstruktur integrierbare Sensorik folgende Funktionen am Kryotank ausgeführt werden: Gewährleistung der Betriebssicherheit, Messung der Ermüdung der Kryotankstruktur durch thermische und mechanische Wechselbelastungen, Ermittlung betriebsrelevanter Größen, Kontrolle der Fertigungsqualität und Aufheizen der Kryotankstruktur in betriebsrelevanten Situationen.
Die Erfindung betrifft vorteilhafterweise auch ein Verfahren zum Monitoring des Betriebszustandes, der Betriebssicherheit sowie der Fertigungsqualität eines Kryotanks, in dem kryogener Wasserstoff oder ein ähnliches Medium zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer Brennkraftmaschine und/oder einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, unter Drücken, die oberhalb des kritischen Drucks des betreffenden Mediums liegen, gespeichert werden kann.
Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Sensorik und einer Mess- und Steuereinrichtung eines wärmeisolierten Behälters zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines wärmeisolierten Kryotanks für kryogene Gase, ist dadurch gekennzeichnet, dass durch dieses Verfahren in einem ersten Schritt die Fertigungsqualität des wärmeisolierten Behälters kontrolliert und die Sensorik kalibriert wird und dass durch dieses in einem zweiten Schritt die Betriebssi cherheit des wärmeisolierten Behälters überwacht wird, indem betriebsrelevante Größen durch die Mess- und Steuereinheit ermittelt und überwacht werden, insbesondere die Ermüdung der Kryotankstruktur durch mechanische und thermische Wechselbelastungen und gleichzeitig die Versorgung des Antriebsaggregats mit Betriebsmittel sichergestellt wird, insbesondere durch eine Erwärmung der Kryotankstruktur in betriebsrelevanten Situationen durch die Sensorik.
Die Mess- und Steuereinrichtung ist einerseits mit der integrierten Sensorik und andererseits mit den Sicherheitseinrichtungen des Kryotanks und dem Motorsteuergerät des Fahrzeugs verbunden.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Außenseite des aus Metall, insbesondere aus einem metallischen Liner, bestehenden Innenbehälters zur Aufnahme von Innendrucklast mit mindestens zwei Verstärkungsschichten Faserverbundwerkstoff umwickelt ist, wovon mindestens eine Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material, insbesondere aus Glasfasern, besteht und diese Schicht mindestens die Sensoren enthält, die elektrisch isoliert verbaut werden müssen, insbesondere eine elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur, vorzugsweise aus elektrisch kontaktierten Karbonfasern.
Beim Einsatz des Kryotanks im Fahrzeugbau spielt sein Gewicht eine wichtige Rolle, so dass für die Ausführung Faserverbundwerkstoffe, vorzugsweise Fasern mit hohen spezifischen Festigkeiten zum Einsatz kommen. Um die Dichtigkeit sicherzustellen, werden die Faserverbundwerkstoffe auf metallische Liner gewickelt. Diese stehen mit dem kryogenen Treibstoff in Kontakt und verhindern die Diffusion von Treibstoff aus dem Innentank in den Vakuumraum.
Diese bevorzugte Ausführung der Erfindung hat den Vorteil, dass mögliche Rissbildungen im Innentank durch eine elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur großflächig überwacht werden können. Die netzartige Sensorstruktur ist aus einzelnen Sensorsträngen aufgebaut, die aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und an den Enden elektrisch kontaktiert sind. Die Sensorstränge umschlingen den Kryotank und sind so angeordnet, dass eine netzartige Struktur entsteht. Die Sensorstränge arbeiten nach dem ohmschen oder dem piezoresistiven Prinzip, so dass sich bei Längenänderungen durch Risse oder Ablösungen zwischen Liner und Faserverbundwerkstoff ihr elektrischer Widerstand ändert. Die Sensorstränge messen Veränderungen des Kryotanks in integraler Weise entlang ihrer Länge. Mit Hilfe des integralen Messverfahrens der netzartigen Sensorstruktur können vorteilhafterweise selbst relativ kleine, lokal begrenzte Schäden durch die Änderung des elektrischen Widerstandes detektiert werden. Die Sensorstruktur ist vorzugsweise so aufgebaut, dass die Bruchdehnung der Sensorstruktur geringer ist als die beim Versagen des Innentanks auftretenden Verformungen. Vor dem Versagen des Innentanks kommt es daher zum Bruch der netzartigen Sensorstruktur und zu einem hohen Anstieg des elektrischen Widerstandes. Da die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur nach dem ohmschen Prinzip arbeitet, ist der Energieeintrag beim Messvorgang grundsätzlich relativ hoch.
Insbesondere von Vorteil sind in diesem Zusammenhang weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die netzartige Sensorstruktur so aufgebaut ist, insbesondere durch Dreieckselemente, dass mindestens für einzelne Bereiche des Innenbehälters, über das ohmsche Prinzip, Risse und Schäden detektiert werden können, die eine Veränderung der Betriebsfestigkeit der Kryotankstruktur zur Folge haben.
Zusätzlich kann der Innenbehälter mit den Sensoren, die nach dem ohmschen Prinzip, insbesondere mit der netzartigen Sensorstruktur, arbeiten, aufheizbar sein. In diesem Betriebszustand ist der Kryotank nicht mit kryogenem Medium gefüllt und die Wärmeentwicklung über die netzartige Sensorstruktur wird zur Beschleunigung des Ausgasungsprozesses und zum Trocknen der Kryotankstruktur von Restmengen an Feuchtigkeit, die nach dem Fertigungsprozess verblieben sind, genutzt. Außerdem kann in besonderen Betriebszuständen, wie zum Beispiel Verladung zum Transport oder Entsorgung, die über die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur entwickelte Wärme dazu benutzt werden, das kryogene Medium und den Innentank unterstützend zu erwärmen. Dies geschieht unter Einhaltung entsprechender Sicherheitsvorschriften vorrangig in abgesicherten Bereichen. Bei mit kryogenem Medium gefülltem Innenbehälter kann die Sensorik als Heizelement zur Einbringung zusätzlicher Wärme in das Speichermedium für betriebsrelevante Situationen genutzt werden.
Des Weiteren können am Metall des und/oder im Innenbehälter und/oder in und/oder zwischen den Verstärkungsschichten aus Faserverbundwerkstoff weitere Sensoren eingebaut sein, insbesondere mindestens ein Dehnungsmessstreifen und/oder mindestens ein Drucksensor und/oder mindestens ein optischer Fasersensor, insbesondere ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor.
Vorteilhafterweise misst ein optischer Sensor vorrangig in Form eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors die Verformungen der Faserverbundstruktur der inneren Kryotankstruktur. Dieser optische Sensor umschlingt die Kryotankstruktur vorzugsweise in Längsrichtung und ist mit verschiedenen Messstellen zur Dehnungsmessung ausgestattet. Durch die Druckbelastung und die Abkühlung des Innentanks auf kryogene Temperaturen wird dieser verformt. Die Verformungen werden durch den optischen Sensor aufgenommen. Bei diesem optischen Sensor ist der Energieeintrag durch den Messvorgang deutlich geringer als bei der netzartigen Sensorstruktur. Zudem misst die optische Sensorik im Gegensatz zur netzartigen Sensorstruktur nicht integral, sondern punktförmig an den Stellen entlang der optischen Faser mit eingeprägtem Messgitter. Die Messgenauigkeit an der punktförmigen Messstelle ist deutlich höher als bei der netzartigen Sensorstruktur.
Ein oder mehrere optische Dehnungssensoren werden vorteilhafterweise verwendet, um die Temperatur des kryogenen Mediums zu ermitteln. Der optische Sensor in Form eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors ist auf der Innenseite des metallischen Liners so angeordnet, dass das Messgitter gegenüber den durch die Druckbelastung hervorgerufenen Verformungen entkoppelt ist. Die Verformung des Messgitters erfolgt nur durch die Temperatur des kryogenen Mediums. In Verbindung mit dem Druck im Kryotank kann über den Temperatursensor die Dichte des kryogenen Mediums im Kryotank ermittelt werden. Es können mehrere Temperatursensoren am Umfang angeordnet sein, um die mittlere Temperatur des kryogenen Mediums bei der Ausbildung von Schichten mit unterschiedlichen Temperaturen ermitteln zu können. Die Ausbildung von Schichten des kryogenen Mediums kann vorrangig bei stehendem Fahrzeug auftreten.
Des Weiteren kann die Vakuumisolierung zwischen den beiden Kryotankbehältern über einen Drucksensor kontrolliert werden. Bei Rissen im Liner und im umgebenen Faserverbundwerkstoff kann das Speichermedium austreten und zu einem Abbau des Vakuums führen.
Zudem wird ein Drucksensor zur Messung des Drucks im Kryotank verwendet. Dieser Sensor ist außerhalb der inneren Kryotankstruktur in der Befüll und/oder der Entnahmeleitung integriert.
Insbesondere, wenn alle Sensoren in oder an der Verstärkungsschicht aus elektrisch nicht leitendem Material oder am Metall des oder im Innenbehälter eingebaut sind, oder wenn die Verstärkungsschicht aus elektrisch nicht leitendem Material als erste Schicht außen auf das Metall des Innenbehälters aufgebracht ist, ist die Erfindung vorteilhaft ausgeführt bezüglich einer einfa chen, preiswerten Herstellung der Kryotanksensorik, mit deren Hilfe die Mess- und Steuereinrichtung aus der Eingangsgröße in mindestens einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs mindestens eine Ausganggröße erzeugen kann, vorzugsweise in den Betriebszuständen Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs und/oder Inspektion und/oder abgestelltes Kraftfahrzeug, insbesondere indem Messvorgänge impulsartig in größeren Zeitabständen durchgeführt werden, und/oder fahrendes Kraftfahrzeug und/oder Betankung des Kraftfahrzeugs mit kryogenem Medium.
Darüber hinaus können bei Erkennen einer Ermüdung oder einer Gefährdung die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen zum sicheren Betrieb des Kryotanks im Kraftfahrzeug über die Sensorik eingeleitet werden. Vorrangig sind hierbei die Einleitung akustischer und optischer Warnsignale und die Verhinderung weiterer Betankvorgänge zu sehen.
Im Folgenden wird erläutert, wie die Sensoren bei verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden. Die Kontrolle des Kryotanks und die Detektierung von Schäden erfolgt sowohl vor der Inbetriebnahme, während des Betriebs und bei entsprechend spezifizierten Inspektionen. Bei einer entsprechenden Gefährdung werden über die Mess- und Steuereinrichtung die Sicherheitseinrichtungen des Kryotanks ausgelöst. Vorrangig werden Personen durch akustische und optische Signale gewarnt und die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet.
Bei abgestelltem Fahrzeug wird die Kryotankstruktur vorrangig nur durch die optischen Sensoren kontrolliert. Bei diesem Messvorgang über optische Sensoren wird die Wärmemenge, die in das Kryotanksystem durch den Messvorgang eingetragen wird, gering gehalten. Hierdurch wird der Verlust an Treibstoff durch den über die eingetragene Wärme aufgebauten Druck und daraus resultierendem frühzeitigen Abblasen minimiert. Wird über die optischen Sensoren eine unzulässig hohe Verformung des Kryotanks detektiert, werden weitere notwendige Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet. Bei abgestelltem Fahrzeug kann die Füllmenge des Kryotanks durch die Verformung des Kryotanks, den ermittelten Druck im Kryotank und die Temperatur des kryogenen Mediums in festen Zeitabständen ermittelt werden. Die Füllmenge wird dem Nutzer bei der nächsten Inbetriebnahme des Fahrzeugs mitgeteilt.
Die Erfindung sieht vor, dass die Kryotankstruktur vor jeder Betankung sowohl über die optischen Sensoren als auch über die ohmschen Sensoren überprüft wird. Zusätzlich wird die Qualität des Vakuums zwischen dem Innen- und Außenbehälter über einen Drucksensor kontrolliert. Wird eine zu hohe Rissdichte, eine unzulässig hohe Rissdichte oder ein Verlust des Vakuums detektiert, wird der Betankungsvorgang gestoppt, akustische und optische Warnsignale betätigt und weitere Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet.
Die Erfindung sieht außerdem vor, dass die integrierte Sensorik so betrieben wird, dass der Wärmeeintrag bei abgestelltem Fahrzeug ein gewisses Maß nicht überschreitet, um einen beschleunigten Druckanstieg durch die eingebrachte Wärme und ein daraus resultierendes frühzeitiges Abblasen zu verhindern. Hierzu kann die integrierte Sensorik impulsartig betrieben und über die Mess- und Steuereinheit zeitlich getaktet werden. Durch die Integration der elektrisch kontaktierten, netzartigen Struktur in der Nähe des metallischen Liners kann die beim Messen entwickelte Wärme bei Betrieb des Fahrzeuges jedoch genutzt werden, neben des als Zweigleitung zur Einbringung von Wärme ausgeführten Kryotankwärmetauschers zusätzliche Wärme in das kryogene Medium einzubringen, um den notwendigen Betriebsdruck unterstützend aufzubauen bzw. oberhalb eines gewissen Mindestdruckes zu halten.
Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass vor dem Einbau des Kryotanks ins Fahrzeug mit Hilfe der integrierten Sensorik seine Fertigungsqualität überprüft wird. Hierzu wird der Kryotank bei normalen Umweltbedingungen mit einem Referenzdruck befüllt und die Verformungen des Innentanks gemessen. Die gemessenen Verformungen müssen innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegen. Diese Vorgehensweise wird auch bei der Kontrolle des Kryotanks im Rahmen der Inspektionszyklen angewendet. Liegen die ermittelten Messwerte bei Referenzdruck nicht im Rahmen des festgelegten Toleranzbereichs ist die Betriebssicherheit des Kryotanks nicht mehr gegeben und der Kryotank ist auszutauschen.
Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuereinrichtung aus der Eingangsgröße die Temperatur und die Dichte des kryogenen Mediums ermittelt und diese als Ausganggrößen der Motorsteuerung zur Optimierung des Verbrennungsprozesses übermittelt.
Wenn die integrierte Sensorik so angeordnet ist und so betrieben werden kann, dass beim Betrieb des Fahrzeugs betriebsrelevante Größen ermittelt und eingestellt werden können, vorzugsweise der Betriebsdruck im Kryotank, die Temperatur des kryogenen Mediums und die Dichte des kryogenen Mediums, hat das den Vorteil, dass die ermittelten Größen an die Regel- und Steuereinheiten des Kraftfahrzeugs übermittelt werden können. Der Druck im Kryotank stellt eine wichtige Regelgröße dar, da er zum Transport des Mediums an das Antriebsaggregat und zum Befüllen der Brennkammer benutzt wird. Der Druck im Kryotank wird über einen Drucksensor ermittelt. Ebenso stellt die Dichte des Mediums eine wichtige Kenngröße bei der Bildung des optimalen Gemisches für den Verbrennungsprozess dar. Zur Ermittlung der Dichte des kryogenen Mediums im Fahrbetrieb werden der Druck im Kryotank und die Temperatur des Mediums ermittelt und über die Mess- und Steuereinrichtung die Dichte berechnet und dem Motorsteuergerät mitgeteilt.
Eine vorteilhaftte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Innenbehälters angeordnete Temperatursensoren der Mess- und Steuereinrichtung Eingangsgrößen übermitteln, aus denen eine vorliegende Schichtung des kryogenen Mediums mit unterschiedlichen Temperaturzonen ermittelt werden kann.
Durch die beschriebene Erfindung können Treibstoffe wie Wasserstoff oder ähnliche Speichermedien unter Druck bei Umgebungstemperaturen oder kryogenen Bedingungen betriebssicher in automotiven Fahrzeug-Kryotanks gelagert werden. Schäden des Kryotanks, die bei der Fertigung oder im Betrieb auftreten und die ein unzulässiges Maß überschreiten, können dadurch frühzeitig erkannt werden. Die bei druckbelasteten Komponenten, insbesondere bei Einsatz von Faserverbundstrukturen, üblicherweise in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführenden visuellen Inspektionen sind aufgrund der schlechten Zugänglichkeit dieser Komponenten nur bedingt oder gar nicht möglich. Die Erfindung beschreibt eine zuverlässige, in regelmäßigen Zeitabständen durchführbare Methode zur Inspektion der inneren Kryotankstruktur, die mit anderen Methoden nur bedingt oder gar nicht zugänglich ist. Ohne eine wie in der Erfindung beschriebenen Überwachungsfunktion muss die innere Kryotankstruktur für die Speicherung von Treibstoffen unter Druck mit einem höheren als für den Betrieb des Kryotanks bestimmten Sicherheitsfaktor ausgelegt werden, um einen sicheren Betrieb über die gesamte Lebensdauer garantieren zu können. Bei der Auslegung auf die gleiche Lebensdauer führt der Einsatz der beschriebenen Erfindung somit zu einer Reduzierung der Material-(und insbesondere der Faser)kosten bei der Herstellung der inneren Kryotankstruktur. Damit verbunden ist eine Reduktion des Volumens und des Gewichtes des Kryotanksystems, zwei entscheidende Faktoren für einen effizienten Betrieb zukünftiger mit Wasserstoff betriebener Fahrzeuge.
Darüber hinaus kann die in der Erfindung beschriebene Sensorik zur Überwachung und Steuerung wichtiger Regelgrößen für den effizienten Betrieb des Kryotanksystems sowie des Antriebsaggregats genutzt werden. Bei verbrennungsmotorischen Antriebskonzepten spielt die Dichte des in die Brennkammer eingespritzten Wasserstoffs eine wichtige Rolle für dessen Effizienz. Dabei ist die Dichte des Wasserstoffs durch die Parameter Druck und Temperatur bestimmt. Für die Messung der Temperatur des Speichermediums im Kryotank und die Regelung der Temperatur in der Vorlaufleitung hin zum Antriebsaggregat kommen die erfindungsgemäßen optischen Sensoren zum Einsatz.
Weiterhin können die auf dem ohmschen Messprinzip beruhenden Sensoren in den beschriebenen betriebsrelevanten Situationen neben dem für diesen Zweck vorgesehenen Kryotankwärmetauscher zur Erwärmung des Speichermediums und des InnenKryotanks beitragen. Bei einer längeren Volllastfahrt des Fahrzeugs kann je nach unterem Betriebsdruck des Antriebskonzeptes über den Kryotankwärmetauscher alleine nicht schnell genug ausreichend Wärme eingetragen werden, um in allen folgenden Betriebssituationen ohne eine entsprechende Vorhalteregelung des Kryotankwärmetauschers einerseits den für den Antrieb minimalen Betriebsdruck und andererseits eine nicht zu große im Kryotank verbleibende Wasserstoff Restmenge bei reduzierter Druckbereitstellung sicherzustellen. Durch die Nutzung der ohmschen Sensoren als zusätzliches Heizelement in diesen Betriebssituationen, kann die nur bei reduzierter Druckbereitstellung nutzbare Wasserstoff Restmenge reduziert werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreibt die nachfolgende Beschreibung mit der zugehörigen Zeichnung. Es zeigen:
1: einen Teilschnitt durch einen Kryotank im Wandungsbereich, mit integrierter, erfindungsgemäßer Sensorik,
2: eine schematische Darstellung von Komponenten zum erfindungsgemäßen Betrieb des Kryotanks, mit integrierter Sensorik,
3: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Kontrolle des Kryotanks und zur Sicherstellung der Betriebsfestigkeit bei einer Inspektion mit Hilfe der integrierten Sensorik,
4: eine räumliche schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante zur Anordnung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren zur Temperaturmessung und zur Anordnung einer elektrisch kontaktierten, netzartigen Sensorstruktur und
5: eine typische Kennlinie, entstanden bei der Detektion von Mikrorissen, aufgrund der Änderung des elektrischen Widerstandes der netzartigen Sensorstruktur.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, besteht ein Kryotank aus zwei ineinander liegenden Behältern, einem Innenbehälter 1 und einem Außenbehälter 2. Der Außenbehälter 2 ist vorzugsweise aus einer Edelstahl- oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Der Innenbehälter 1 besteht innen aus einem metallischen Liner 1a, der mit Faserverbundwerkstoff 1b, 1c umwickelt ist. Der Raum 7 zwischen den Behältern 1, 2 ist evakuiert. Ein kryogenes Medium 11 wird unter Druck im Innenbehälter 1 gelagert und ist gegenüber der Umwelt durch das Vakuum im Raum 7 thermisch isoliert.
Der Faserverbundwerkstoff 1b, 1c besteht aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Faserverstärkungen und Faserorientierungen. Eine erste Schicht bildet ein Faserverbundwerkstoff 1b mit einer Verstärkung aus Glasfasern, in die eine elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 integriert ist. Die zweite Schicht bildet ein Faserverbundwerkstoff 1c mit einer Verstärkung aus Carbonfasern. Da die erste Schicht mit Glasfasern elektrisch nicht leitend ist, wird die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 gegenüber dem metallischen Liner 1a und der Schicht aus Carbonfasern elektrisch isoliert. Zudem werden durch die erste Schicht mit Glasfasern, thermische Spannungen, die sich aus den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem metallischen Liner 1a und der zweiten Schicht aus Carbonfasern ergeben, abgebaut, da Glasfasern eine geringere Steifigkeit als Carbonfasern haben.
Die in der Schicht mit Glasfasern elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 dient zur Überwachung der Bildung von Rissen im Liner 1a und zur Überwachung der Entstehung von Ablösungen zwischen dem Liner 1a und dem Faserverbundwerkstoff 1c. Hierzu ist die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 aus einzelnen Sensorsträngen aufgebaut, die aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und an den Enden elektrisch kontaktiert sind. Die Sensorstränge umschlingen den Innenbehälter 1 des Kryotanks und sind so angeordnet, dass eine netzartige Struktur entsteht. Die Sensorstränge können Veränderungen des Innenbehälters 1 in integraler Weise entlang ihrer Länge messen. Sie arbeiten nach dem ohmschen oder dem piezoresistiven Prinzip, so dass sich bei einer Längenänderung ihr elektrischer Widerstand ändert. Schäden in Form von Rissen im Liner 1a oder im Faserverbundwerkstoff 1b, 1c führen zu einer lokal begrenzten Zunahme der Dehnung. Diese Zunahme kann über die Sensorstränge der netzartigen Sensorstruktur 3 detektiert werden, wie 5 zeigt. Hierzu ist die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 nach 2 mit einer Mess- und Steuereinrichtung 6 verbunden. Mit Hilfe eines integralen Messverfahrens der netzartigen Sensorstruktur 3 können relativ kleine, lokal begrenzte Schäden detektiert werden. Außerdem ermöglicht die netzartige Sensorstruktur 3 die großflächige Überwachung der Oberfläche des Innenbehälters 1 des Kryotanks.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass, neben der elektrisch kontaktierten, netzartigen Sensorstruktur 3, optische Sensoren in Form von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 4 zur Überwachung des Innenbehälters 1 des Kryotanks benutzt werden. Dieser optische Sensor umschlingt die Faserverbundstruktur 1c des Innenbehälters 1 vorzugsweise in Längsrichtung und ist mit verschiedenen Messstellen 4a zur Dehnungsmessung ausgestattet. Durch die Druckbelastung und die Abkühlung des Innenbehälters 1 auf kryogene Temperaturen wird dieser verformt. Die Verformungen werden durch den optischen Sensor 4 an den verschiedenen Messstellen 4a aufgenommen. Hierzu ist der optische Sensor 4 mit der Mess- und Steuereinrichtung 6 verbunden. Über die Mess- und Steuereinrichtung 6 wird zum Auslesen der einzelnen Messstellen 4a Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge eingelesen und die Lichtbeugung an den einzelnen Messstellen 4a durch die Dehnung des jeweiligen Beugungsgitters aufgezeichnet. Die Faser 4 zum Transport des Lichts kann aus Glas oder aus einem polymeren Werkstoff sein.
Ein weiterer Faser-Bragg-Gitter-Sensor 5 zur Messung der Temperatur des kryogenen Mediums ist auf einem Balken 5b aufgeklebt, der nur an einem Ende mit dem metallischen Liner 1a verbunden ist. Die Verformungen des Kryotanks durch den Innendruck werden so nicht auf das Messgitter des Faser-Bragg-Gitter-Sensors 5 übertragen. Die Verschiebung des Messgitters wird durch die thermische Ausdehnung des Balkens 5b bestimmt. Der Faser-Bragg-Gitter-Sensor 5 ist vorzugsweise mit einer Abdeckung 5c geschützt, um Schäden durch Bewegungen des kryogenen Mediums zu verhindern.
Zusätzlich zeigt 2, dass im Kryotanksystem zwei Drucksensoren 10a, 10b Anwendung finden. Der Druck des kryogenen Mediums im Innenbehälter 1 wird durch den Drucksensor 10a, der in der Druckleitung zum Antriebsag gregat integriert ist, gemessen. Undichtigkeiten des Liners 1a und der Faserverbundwerkstoffe 1b, 1c in Form von Mikrorissen haben ein Austreten von kryogenem Medium zur Folge und führen zu einem Verlust des Vakuums im Raum 7 zwischen Innenbehälter 1 und Außenbehälter 2. Der Druckanstieg kann von dem Drucksensor 10b erfasst werden, der in den Außenbehälter 2 integriert ist.
Die Mess- und Steuereinrichtung 6 des Kryotanks ist einerseits mit der Motorsteuerung und andererseits mit den Sicherheitseinrichtungen des Kryotanks gekoppelt. Als Sicherheitseinrichtung ist vorrangig ein Ventil 8a vorgesehen, über das der Druck im Kryotank schnell abgebaut werden kann. Weitere Sicherheitseinrichtungen sind akustische und optische Warnsysteme, hier durch Lautsprecher 9a und Warnlampe 9b dargestellt.
Die Mess- und Steuereinrichtung 6 steuert die Messvorgänge impulsartig, wenn das Fahrzeug abgestellt ist, um den Wärmeeintrag bei den Messungen gering zu halten. Hierdurch werden ein beschleunigter Druckanstieg im Kryotank und ein daraus resultierendes frühzeitiges Abblasen verhindert. Die Mess- und Steuereinrichtung 6 wird hierzu durch einen Controller zeitlich getaktet. Dabei wird der Wärmeeintrag durch die Sensorik deutlich erhöht, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist oder wenn sich kein kryogenes Medium im Kryotank befindet. Dies betrifft vorzugsweise die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3, die bei dieser Betriebsart als Heizelement genutzt wird. Durch die Integration der elektrisch kontaktierten, netzartigen Sensorstruktur 3 in der Nähe des metallischen Liners 1a, kann die entwickelte Wärme genutzt werden, die Faserverbundwerkstoffe 1b und 1c und den Liner 1a zu erwärmen. Die Wärmeentwicklung kann im Betrieb zur Unterstützung der Einbringung von Wärme in das kryogene Medium zur Druckhaltung genutzt werden. Ebenso kann die Wärmeentwicklung genutzt werden, den Ausgasungsvorgang der Schichten von Faserverbundwerkstoffen 1b, 1c vor der Inbetriebnahme des Kryotanks zu beschleunigen.
Im Folgenden wird der Betrieb der Sensorik in verschiedenen Betriebsphasen des Kryotanks erläutert.
Vor der Inbetriebnahme des Kryotanks wird dessen Fertigungsqualität mit Hilfe der Sensorik überprüft und gleichzeitig das Überwachungssystem kalibriert. Hierzu wird der Kryotank bei normalen Umweltbedingungen mit einem Inertgas befüllt und ein Referenzdruck eingestellt, wodurch Verformungen des Kryotanks auftreten, die über die Sensorik, das heißt über die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 und die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 4, erfasst werden. Liegen die Messsignale innerhalb einer spezifizierten Toleranz kann die Fertigungsqualität des Kryotanks als ausreichend bewertet werden und eine Freigabe erfolgen. Die gemessenen Verformungen bei Referenzdruck werden in die Mess- und Steuereinrichtung eingelesen und abgespeichert. Die Sensorik wird bei diesem Vorgang kalibriert.
Nach einer vorbestimmten Betriebszeit wird dann der Kryotank mit dem gleichen Verfahren inspiziert, das bei der Überprüfung der Fertigungsqualität angewendet wurde. Durch mögliche Schäden in der Kryotankstruktur, wie Risse oder Ablösungen, ergeben sich Differenzen zwischen den einzelnen Messungen, die einen vorher spezifizierten Schwellwert nicht überschreiten dürfen. Diese Kontrollmessungen werden vorzugsweise bei der Inspektion des Fahrzeugs in der Werkstatt durchgeführt.
3 zeigt hierzu den prinzipiellen Aufbau. Die Inspektion erfolgt unter normalen Umweltbedingungen mit Hilfe eines Messwagens 12. In den Messwagen 12 ist eine Druckanlage 12a integriert, mit der der Referenzdruck aufgebracht werden kann. Zudem ist in den Messwagen 12 eine Steuerelektronik 12b eingebaut, die mit der Mess- und Steuereinrichtung 6 des Kryotanks verbunden wird. So können, nachdem der Referenzdruck durch die Druckanlage 12a aufgebracht wurde, die Verformungen der Sensorik über die Mess- und Steuereinrichtung 6 erfasst und an die Steuerelektronik des Messwagens 12b übermittelt werden. Mögliche Schäden im Innenbehälter 1 führen dann zu einer Veränderung gegenüber dem Verformungsverhalten, das bei der Inbetriebnahme des Kryotanks auftrat. Überschreiten die Veränderungen einen festgelegten Schwellwert, muss der Kryotank ausgewechselt werden.
Des Weiteren wird die integrierte Sensorik genutzt, die Sicherheit des Kryotanks über die Mess- und Steuereinrichtung 6 auch bei abgestelltem Fahrzeug zu kontrollieren. Hierbei wird die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 nicht in Betrieb genommen, um den Wärmeeintrag und somit die Erwärmung des kryogenen Mediums gering zu halten. Bei abgestelltem Fahrzeug wird die Kryotankstruktur vorrangig nur durch die optischen Sensoren 4, 5 kontrolliert. Bei diesem Messvorgang über diese Sensoren 4, 5 wird die Wärmemenge, die durch den Messvorgang in das Kryotanksystem eingetragen wird, gering gehalten. Hierdurch wird der Verlust an Treibstoff über den durch die eingetragene Wärme aufgebauten Druck und daraus resultierendem frühzeitigen Abblasen minimiert. Die Überwachung der Faserverbundstruktur des Innenbehälters 1 erfolgt durch die optischen Sensoren 4, 5 und den Drucksensor 10a zur Messung des Drucks im Kryotank. Diese Sensoren 4, 5, 10a werden auch bei abgestelltem Fahrzeug über die Mess- und Steuereinrichtung 6 in definierten Zeitabständen betrieben. Da die Verformungen des Kryotanks von seinem momentanen Betriebsdruck abhängig sind, wird der Betriebsdruck durch die Druckmessvorrichtung 10a ermittelt und mit den aufgenommenen Messsignalen der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 4 verglichen. Wird bei abgestelltem Fahrzeug eine im Verhältnis zum wirkenden Innendruck zu hohe Verformung des Kryotanks gemessen, werden weitere notwendige Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet. Diese können darin bestehen, das entweder das Sicherheitsventil 8a geöffnet und der Druck im Kryotank durch das ausströmende kryogene Medium abgebaut oder eine weitere Betankung verhindert wird.
Bei abgestelltem Fahrzeug kann die Füllmenge des Kryotanks in festen Zeitabständen über die Verformung des Innenbehälters 1, den dort herrschenden Druck und die Temperatur des kryogenen Mediums im Innenbehälter 1 ermittelt werden. Die Ermittlung der Temperatur und der Verformung bzw. der Volumenänderung des Innenbehälters 1 erfolgt über die optischen Sensoren 4 mit geringem Wärmeeintrag. Der Druck wird über den Sensor 10a in der Zuleitung, außerhalb des Kryotanks, ermittelt. In Abhängigkeit von der Dichte des kryogenen Mediums führt die Füllmenge durch das Eigengewicht zu einer zusätzlichen Verformung des Innenbehälters 1. Die Füllmenge ergibt sich, wenn die Verformung des Innenbehälters 1 durch den Druck von der gemessenen Verformung subtrahiert wird. Die mit dieser Methodik ermittelte Füllmenge wird dem Fahrzeugfahrer bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs und in regelmäßigen Abständen während des Betriebs mitgeteilt.
Der Innenbehälter 1 wird auch vor Freigabe einer Betankung sowohl über die optischen 4, 5 als auch über die ohmschen Sensoren 3 überprüft. Hierzu wird die Änderung des elektrischen Widerstandes der elektrisch kontaktierten, netzartigen Sensorstruktur 3 des Innenbehälters 1 in Verbindung mit dem ermittelten Druck und der ermittelten Temperatur verglichen. Aufgrund des integralen Messverfahrens der netzarigen Sensorstruktur 3 wird der gesamte Innenbehälter 1 hinsichtlich Rissbildung kontrolliert. Hat die Rissgröße einen kritischen Wert erreicht, wird über eine optische Anzeige 9b angezeigt, dass der Kryotank zu inspizieren ist. Zudem wird über den Drucksensor 10b am Außenbehälter 2 die Qualität des Vakuums im Raum 7 kontrolliert. Eine Undichtigkeit des metallischen Liners 1a führt zum Ausströmen des Mediums und zu einem Verlust des Vakuums. In diesem Fall werden die akustischen 9a und optischen 9b Warnsignale betätigt und weitere Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet. Diese können der Druckabbau im Innenbehälter 1 durch das Sicherheitsventil 8a oder die Verhinderung jeder weiteren Betankung des Fahrzeugs sein.
Zusätzlich wird die Sensorik des Kryotanks auch während der Fahrt zur Optimierung des Verbrennungsvorgangs im Antriebsaggregat genutzt.
So wird im Fahrbetrieb die Betriebssicherheit des Kryotanks durch die Sensorik gewährleistet, indem die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 pulsartig betrieben wird, um die Verformungen des Innenbehälters 1 durch den Betriebsdruck zu überwachen. Die hierbei eingebrachte Wärme kann zusätzlich zur Erwärmung des kryogenen Mediums 11 genutzt werden. Der Druck im Innenbehälter 1 wird über den Drucksensor 10a gemessen. Ergeben sich unzulässig hohe Abweichungen zwischen Betriebsdruck und Verformung werden entsprechende optische und akustische Alarmsignale 9a, 9b ausgegeben, die den Fahrer veranlassen sollen, das Fahrzeug an einer verkehrssicheren Stelle abzustellen und eine weitere Betankung wird verhindert. Tritt innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls ein weiterer Anstieg auf, kann über die Mess- und Steuereinrichtung 6 das Sicherheitsventil 8a betätigt werden um den Druck im Innenbehälter 1 abzubauen.
In besonderen Betriebszuständen (Verladung zum Transport, Entsorgung) kann die über die elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur 3 entwickelte Wärme dazu benutzt werden, das kryogene Medium 11 und den Innenbehälter 1 zu erwärmen. Dies geschieht unter Einhaltung entsprechender Sicherheitsvorschriften in abgesicherten Bereichen.
4 zeigt eine weitere Anordnung von Sensoren 5 zur Messung von Temperaturen bei kryogenen Medien, die bei Lagerung eine Schichtung S1, S2, S3 mit unterschiedlicher Temperaturverteilung ausbilden. Es sind mehrere Temperatursensoren 5 am Innenumfang des Innenbehälters 1 angeordnet, um die mittlere Temperatur des kryogenen Mediums ermitteln zu können. Die Ausbildung von Schichten S1, S2, S3 des kryogenen Mediums kann vorrangig bei stehendem Fahrzeug auftreten.
Des Weiteren wird in 4 eine andere Anordnung der netzartigen Sensorstruktur 3 gezeigt. Einzelne Sensorstränge 3 sind dreiecksförmig auf dem zylindrischen Innenbehälter 1 abgelegt. Die einzelnen Sensorstränge 3 werden an ihren Enden mit elektrischer Kontaktierung über Verbindungselemente 3a zu einer netzartigen Sensorstruktur 3 verbunden. Die einzelnen Elemente werden über Zuleitungen 3b mit der Mess- und Steuereinrichtung 6 verbunden. Durch diese Anordnung können, je nach Bedarf, einzelne Bereiche des zylindrischen Innenbehälters 1 überwacht werden.
5 zeigt die Zunahme des elektrischen Widerstandes der elektrisch kontaktierten, netzartigen Sensorstruktur 3 als Funktion der Rissdichte im Liner 1a bzw. im Faserverbundwerkstoff 1b, 1c. Die Risse führen zu einer lokal begrenzten Dehnungszunahme und somit zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes im Sensornetz 3, die über die Mess- und Steuereinrichtung 6 erfasst werden kann. Bei steigender Rissdichte nimmt der elektrische Widerstand stark zu. Die Sensorstruktur 3 ist so aufgebaut, dass ihr Dehnungsvermögen kleiner ist als das Dehnungsniveau, das beim Versagen des Innenbehälters 1 auftritt. Daher kommt es vor dessen Versagen zu einem Versagen der netzartigen Sensorstruktur 3 und so zu einer gleichsam unendlich hohen Widerstandsänderung, aufgrund der Unterbrechung des elektrischen Leiters.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005005941 A1 [0005]
- DE 69513281 T2 [0007]

Claims

Wärmeisolierter Behälter zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere wärmeisolierter Kryotank für kryogene Gase, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (1) zur Aufnahme eines kryogenen Gases, der wärmeisoliert in mindestens einem Außenbehälter (2) gehalten wird, wobei der Innenbehälter (1) aufgebaut ist aus einer dichten Innenschicht (1a), insbesondere aus Metall, außen umgeben von mindestens einer Verstärkungsschicht aus Fasermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (1) mit mindestens einem Sensor versehen ist, dessen Messwert als Eingangsgröße einer Mess- und Steuereinrichtung (6) zugeführt wird, die in Abhängigkeit von mindestens einer weiteren Eingangsgröße der Mess- und Steuereinrichtung (6) oder in Abhängigkeit mindestens eines in der Mess- und Steuereinrichtung (6) gespeicherten Grenzwerts mindestens eine Ausgangsgröße zur Überwachung und/oder Gewährleistung der Betriebssicherheit des Behälters und/oder zur Gewährleistung der Versorgung des Antriebsaggregats mit Betriebsmittel erzeugt.
Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Innenbehälters (1) aus Metall, insbesondere aus einem metallischen Liner (1a), zur Aufnahme von Innendrucklast mit mindestens zwei Verstärkungsschichten aus Faserverbundwerkstoff (1b, 1c) umwickelt ist, wovon mindestens eine Schicht (1b) aus elektrisch nicht leitendem Material, insbesondere aus Glasfasern, besteht und diese Schicht (1b) mindestens die Sensoren enthält, die elektrisch isoliert verbaut werden müssen, insbesondere eine elektrisch kontaktierte, netzartige Sensorstruktur (3), vorzugsweise aus elektrisch kontaktierten Karbonfasern.
Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Sensorstruktur (3) so aufgebaut ist, insbesondere durch Dreieckselemente, dass mindestens für einzelne Bereiche des Innenbehälters (1), über das ohmsche Prinzip, Risse und Schäden detektiert werden können, die eine Veränderung der Betriebsfestigkeit der Kryotankstruktur zur Folge haben.
Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (1) mit den Sensoren, die nach dem ohmschen Prinzip, insbesondere mit der netzartigen Sensorstruktur (3), arbeiten, aufheizbar ist.
Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Metall des und/oder im Innenbehälter (1) und/oder in und/oder zwischen den Verstärkungsschichten aus Faserverbundwerkstoff (1b, 1c) weitere Sensoren eingebaut sind, insbesondere mindestens ein Dehnungsmessstreifen und/oder mindestens ein Drucksensor (10a, 10b) und/oder mindestens ein optischer Fasersensor (4, 5), insbesondere ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor (4).
Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensoren in oder an der Verstärkungsschicht (1b) aus elektrisch nicht leitendem Material oder am Metall des oder im Innenbehälter (1) eingebaut sind.
Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (1b) aus elektrisch nicht leitendem Material als erste Schicht außen auf das Metall des Innenbehälters (1) aufgebracht ist.
Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuereinrichtung (6) aus der Eingangsgröße in mindestens einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs mindestens eine Ausganggröße erzeugt, vorzugsweise in den Betriebszuständen Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs und/oder Inspektion und/oder abgestelltes Kraftfahrzeug, insbesondere indem Messvorgänge impulsartig in größeren Zeitabständen durchgeführt werden, und/oder fahrendes Kraftfahrzeug und/oder Betankung des Kraftfahrzeugs mit kryogenem Medium (11).
Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuereinrichtung (6) aus der Eingangsgröße die Temperatur und die Dichte des kryogenen Mediums (11) ermittelt und diese als Ausganggrößen der Motorsteuerung zur Optimierung des Verbrennungsprozesses übermittelt.
Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Innenbehälters (1) angeordnete Temperatursensoren (5) der Mess- und Steuereinrichtung (6) Eingangsgrößen übermitteln, aus denen eine vorliegende Schichtung (S1, S2, S3) des kryogenen Mediums (11) mit unterschiedlichen Temperaturzonen ermittelt werden kann.
Verfahren zum Betreiben einer Sensorik und einer Mess- und Steuereinrichtung (6) eines wärmeisolierten Behälters zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines wärmeisolierten Kryotanks für kryogene Gase, dadurch gekennzeichnet, dass durch dieses Verfahren in einem ersten Schritt die Fertigungsqualität des wärmeisolierten Behälters kontrolliert und die Sensorik kalibriert wird und dass durch dieses in einem zweiten Schritt die Betriebssicherheit des wärmeiso lierten Behälters überwacht wird, indem betriebsrelevante Größen durch die Mess- und Steuereinrichtung (6) ermittelt und überwacht werden, insbesondere die Ermüdung der Kryotankstruktur durch mechanische und thermische Wechselbelastungen und gleichzeitig die Versorgung des Antriebsaggregats mit Betriebsmittel sichergestellt wird, insbesondere durch eine Erwärmung der Kryotankstruktur in betriebsrelevanten Situationen durch die Sensorik.
Verfahren zum Betreiben einer Sensorik und einer Mess- und Steuereinrichtung (6) nach Anspruch 11 eines wärmeisolierten Behälters nach einem der Ansprüche 1 bis 10.