DE102010023923B4

DE102010023923B4 - Druckgastank

Info

Publication number: DE102010023923B4
Application number: DE102010023923A
Authority: DE
Inventors: Stephan Schönen; Oleg Schelesnikow; Dr. Böke Johannes
Original assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: DE102010023923A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckgastank für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Druckbehälter (1) und einen Stutzen (7) zum Befüllen und Entfüllen des Druckbehälters. Der Druckbehälter besteht in seiner Außenhaut aus einem Liner (2) und einer dem Liner (2) umgebenden Außenhülle (3), wobei in dem Liner (2) Entlastungsprofilierungen (E) vorgesehen sind, zur Entlastung der Druckpulsation in radialer als auch axialer Richtung (RR, AR) des Druckbehälters.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckgastank für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Komprimiertes Erdgas (CNG-compressed natural gas) wird seit Jahren als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren im Straßenverkehr eingesetzt. Das Erdgas wird gasförmig mit Fülldrücken von bis zu 250 bar in druckfesten Behältern gespeichert. Die Behälter sind meist zylindrische Flaschen mit angeformten Endkappen welche das Gasventil zur Befüllung und Entnahme aufnehmen. Man unterscheidet zwischen den Bauarten Typ1, Typ2, Typ3 und Typ4. Die Bauart Typ1 verfügt über einen Zylinder aus Metall, meist Stahl. Für die Bauart Typ2 ist der Behälter zusätzlich mit einem Faserwerkstoff im zylindrischen Bereich umwickelt. Bei der Bauart Typ3 ist der gesamte metallische Zylinder mit Faserwerkstoff verstärkt. Die Bauart Typ4 besitzt dagegen einen Liner aus Kunststoff welcher vollständig mit einem Faserwerkstoff umhüllt ist.
Bei CNG-Tanks vom Typ 3 und 4 besteht eine Funktionstrennung zwischen Liner und Faserumwicklung. Die Faserumwicklung nimmt die durch den beaufschlagten Innendruck hervorgerufenen Kräfte auf während der Liner die Funktion der Permeationsunterbindung (Gasdichtigkeit) übernimmt. Der Traganteil des Liners wird meist gegenüber dem Traganteil der Faserumwicklung vernachlässigt.
Bedingt durch den beaufschlagten Innendruck erfährt der Tank eine Vergrößerung in Länge und Durchmesser. Die der Vergrößerung zugrunde liegenden Dehnungen im Werkstoff von Liner und Faserverstärkung sind durch die Steifigkeit der Faserumwicklung dominiert. Der Liner ist durch formschlüssige Kopplung dazu gezwungen, die gleichen Dehnungen wie die Faserumwicklung zu ertragen. Zur Erfüllung der Anforderungen an die ertragbare Schwingspielzahl bei zyklischer Druckschwellbelastung, entsprechend den Beladungs- und Entladungszyklen des Tanks, muss die Kombination aus Linerwerkstoff und Faserwicklungsdicke bzw. -steifigkeit entsprechend gewählt werden.
Aus der DE 2 223 852 A ist ein Druckkessel und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Hierbei wird eine Metallauskleidung mit einer Vielzahl von das Gehäuse bildenden, umwickelten Fadenschichten bedeckt. Die Anforderungen an eine ertragbare Schwingspielzahl bei zyklischer Druckschwellbelastung durch entsprechend über die Lebenszeit eines Kraftfahrzeugs auftretende Beladungs- und Entladungszyklen sind jedoch durch einen entsprechenden Druckkessel, bekannt aus der Luft und Raumfahrtindustrie, nur bedingt geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik bekannte Druckgastanks vom Typ 3 und Typ 4 produktionstechnisch zu verbessern, bei gleichzeitiger Erhöhung der Dauerhaltbarkeit.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Druckgastank für ein Kraftfahrzeug gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemäße Druckgastank für ein Kraftfahrzeug weist einen Druckbehälter und einen Stutzen zum Befüllen und Entfüllen des Druckbehälters auf. Der Druckbehälter ist dabei zweikomponentig aus einem Liner und einer dem Liner umgebenen Außenhülle aufgebaut. Der Liner kann hierbei im Rahmen der Erfindung aus einem metallischen Werkstoff oder aber auch aus einem Kunststoff hergestellt sein. Der Liner weist erfindungsgemäß eine Entlastungsprofilierung in Form mindestens einer Entlastungssicke auf. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass ein Spannungsverlauf im Werkstoff des Liners selber dahingehend optimiert ist, dass bei Ausdehnung bzw. Komprimierung des Liners oder des gesamten Druckgastankes ein optimierter Spannungsverlauf innerhalb des Liners selbst hergestellt ist. Die Langlebigkeit des Druckgastankes, insbesondere des Liners, wird dadurch erhöht. Insgesamt wird die Steifigkeit des Druckgastankes, insbesondere des Liners derart herabgesetzt, dass sie bei Druckschwellbelastungen die erforderliche Dichtigkeit und auch einen entsprechenden Berstdruck aufweist, gleichzeitig jedoch die Bewegungen, hervorgerufen durch Ausdehnen und Komprimieren, besonders in Hinsicht auf die Langlebigkeit kompensiert.
Der Liner weist erfindungsgemäß einen zylindrischen Abschnitt und einen an jedes Ende des zylindrischen Abschnitts sich angliedernden Endabschnitt auf, wobei eine Entlastungssicke im Bereich mindestens eines Endabschnitts angeordnet ist.
Eine weitere Entlastungssicke erstreckt sich im Rahmen der Erfindung auf dem zylindrischen Abschnitt in Richtung zur Längsachse. Hierunter ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass die Entlastungssicke einen Verlauf aufweisen, der in axialer Richtung zur Längsachse bzw. zu dem Druckbehälter verlaufen. Dies bietet insbesondere Vorteile bei der Ausdehnung in radialer Richtung zur Längsachse. Insgesamt ergeben sich dadurch die Vorteile, dass die Fügezonen, in Form von Schweißnähten oder ähnlichem, entlastet werden.
Vorzugsweise ist die Außenhülle aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Hier bietet es insbesondere die Möglichkeit, dass an verschiedenste Linergeometrien oder aber Druckgastankgeometrien der Faserverbundwerkstoff durch Wicklung angepasst werden kann und somit einen optimalen umgreifenden Sitz um den Liner realisiert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Entlastungsprofilierung in den Innenraum des Liners hin orientiert. Gerade unter den produktionstechnischen Aspekten des Liners bietet dies insbesondere den Vorteil, die Entlastungsprofilierung kostengünstig an dem Liner selbst herzustellen. Auch wird kein äußerer Bauraum des Druckgastankes verändert. Weiterhin entstehen keine Schwachstellen im Bereich der Außenhülle durch eine nach außen stehende Sicke.
Auch können im Rahmen der Erfindung die Entlastungsprofilierungen in einem Wechselspiel von aufeinander folgenden nach innen und nach außen gefolgten Profilierungen ausgebildet sein. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass die Entlastungsprofilierungen in der Art und Weise einer Ziehharmonika arbeiten. Eine nach innen oder außen umgestülpte Entlastungsprofilierung kann durch eine Kombination von nach innen und außen gerichteten Entlastungsprofilierungen in ihrer Ausdehnung der Höhe reduziert werden, beispielsweise um die Hälfte.
Vorzugsweise ist die Entlastungsprofilierung in Form einer umlaufenden Entlastungssicke ausgebildet. Die Entlastungssicke bietet den Vorteil, dass sie um den Druckgastank, der meist rotationssymmetrisch umlaufend ist, ausgebildet werden kann und somit den Spannungsverlauf innerhalb des Liners oder aber auch des Druckbehälters vollflächig über den Umfang reduziert.
Im Bereich des Übergangs von zylindrischem Abschnitt zu Endabschnitt ist bevorzugt eine Entlastungssicke angeordnet. Gerade hier treten durch Herstellungsverfahren oder aber auch durch die Geometrie selbst bedingt besonders hohe Spannungszustände innerhalb des Linerwerkstoffes auf. Durch die Entlastungssicke können diese Spannungszustände derart reduziert werden, dass sie grundsätzlich auf ein unterkritisches Niveau sinken. Auch können im Rahmen der Erfindung damit die Wanddicken des Liners bzw. des dem Liner umgebenden Außenhüllenwerkstoffes, bei gleicher Langlebigkeit und auch gleicher Berstdruckbeständigkeit reduziert werden.
Die Entlastungssicke erstreckt sich vorzugsweise um eine Längsachse des zylindrischen Abschnittes radial umlaufend. Dies bietet insbesondere aufgrund der zu erwartenden Längenänderung beim Befüllen und Entfüllen des Druckbehälters enorme Vorteile bezüglich des Spannungsverlaufes innerhalb des Werkstoffes des Liners. Die Dauerhaltbarkeit und auch die Druckdichtigkeit des CNG-Tanks werden somit erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Entlastungssicke rotationssymmetrisch um die Längsachse angeordnet, wobei die Entlastungssicke in eine Richtung orientiert ist und die Richtung in einem Winkel zur Längsachse angeordnet ist. Dies bedeutet, dass um die Längsachse des Druckgastankes, insbesondere die Längsachse des zylindrischen Abschnittes, rotationssymmetrisch eine Entlastungssicke angeordnet ist. Die Entlastungssicke ist dabei in Form eines nach innen gestülpten Körpers ausgebildet. Der Normalenvektor an der Spitze der Stülpung ist in eine Richtung orientiert, wobei zwischen der Längsachse und der Richtung ein Winkel angeordnet ist. Vorzugsweise ist dieser Winkel in einem Bereich zwischen 0 und 90° zur Längsachse ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist die Entlastungssicke schraubenförmig um die Längsachse angeordnet. Die Entlastungssicke ist somit an dem Liner ausgeprägt, ähnlich einem Gewindegang einer Schraube. Dies bietet wiederum insbesondere herstellungstechnische Vorteile, da mit einer Freiformmaschine die schraubenförmige Anordnung von außen gut herstellbar ist.
Vorzugsweise ist die Entlastungssicke im Bereich des Stutzens angeordnet, wobei die Entlastungssicke den Stutzen rotationssymmetrisch umgibt. Gerade im Bereich des Stutzens finden durch Druckpulsationen beim Beladen oder aber Entladen bzw. beim Befüllen oder aber Entfüllen des Druckbehälters auf die Anbindung Krafteinwirkungen statt. Diese Druckpulsationen wirken sich nachteilig auf die Langlebigkeit, insbesondere in der Anbindung des Stutzens an den Liner, aus. in Folge der Entlastungssicke im Bereich des Stutzens, wobei die Entlastungssicke den Stutzen rotationssymmetrisch umgibt bzw. rotationssymmetrisch Teil des Stutzens ist, findet hier eine besondere Entlastung statt, die wiederum die Langlebigkeit und auch Druckbeständigkeit erhöht.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante erstrecken sich die Entlastungssicken im zylindrischen Abschnitt in einem Winkel zur Längsachse. Insgesamt ergibt sich somit das Bild eines Spiralbohrers oder aber einer Reibahle, sodass eine Längenausdehnung in axialer Richtung und eine radiale Ausrichtung, hervorgerufen durch den Druck, durch eine Mischform der Entlastungssicken kompensiert werden.
Weiterhin erfolgt eine Entlastung der Anbindung des Stutzens an den Liner sowie eine Reduzierung der Dehnungen im gesamten Liner in Längsrichtung. Insgesamt ergeben sich weiterhin die Vorteile, dass ein geringeres Bauteilgewicht und ein geringerer Materialkosteneinsatz sich erfindungsgemäß besonders vorteilig auf die Konstruktionsvarianten auswirken. Im Rahmen der Erfindung können weiterhin mehrere Entlastungssicken auf dem Liner ausgebildet sein. Beispielsweise ist eine Kombination der Entlastungssicken im Bereich des Stutzens sowie im Übergangsbereich zwischen Endbereich und zylindrischem Abschnitt denkbar. Auch sind verschiedenste Kombinationen von Entlastungssicken, die sich radial rotationssymmetrisch auf dem Liner befinden oder aber auch axial in Längsrichtung der Längsachse des Liners erstrecken, möglich.
Im Rahmen der Erfindung kann die Entlastungsprofilierung auch als Noppe ausgebildet sein. Unter einer Noppe ist beispielsweise eine Oberfläche zu verstehen, die ähnlich der Oberfläche ähnlich eines Golfballs ist. Die Noppen bieten wiederum Vorteile, in dem sie herstellungstechnisch besonders leicht in den Liner einbringbar sind und weiterhin die sowohl in radialer als auch axialer Richtung auftretenden Ausdehnungen kombiniert kompensieren können.
Weiterhin sind die Noppen symmetrisch oder aber asymmetrisch in Bereichen auf dem Liner angeordnet. Je nach gefordertem Festigkeitsprofil können Bereiche an dem Liner ausgebildet sein, die Noppen aufweisen, wobei die Noppen in einer versetzten oder aber symmetrischen Anordnung ausgebildet sind. Auch ist es unter Umständen vorstellbar, die Noppen stochastisch verteilt über einen Bereich anzuordnen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante im Falle der nach innen umgestellten Entlastungsprofilierung wird ein zwischen der Entlastungsprofilierung und der Außenhülle bestehender Hohlraum mit einem Medium ausgefüllt. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass der Druckgastank hierdurch, insbesondere im Bereich der Entlastungsprofilierung an einem Kollabieren gehindert wird. Auch unter fertigungstechnischen Aspekten im Falle der Umwicklung mit Faserwerkstoff zur Herstellung der Außenhülle, bietet dies insbesondere den Vorteil, dass eine glatte Oberfläche geschaffen ist, die umwickelt wird.
Bevorzugt ist das Medium ein elastisch verformbarer Werkstoff. Beispielsweise ist ein Gummiwerkstoff oder aber ein Kunststoffwerkstoff vorstellbar. Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass der Werkstoff ein Harz ist, das im Zuge der Faserumwicklung aufgetragen wird. Hierdurch ergeben sich wiederum besonders unter Kostenaspekten produktionstechnische Vorteile.
Gerade der elastisch verformbare Werkstoff bietet weiterhin den Vorteil, dass im Bereich der Entlastungsprofilierung eine Flexibilität geschaffen ist, die der Langlebigkeit bzw. Dehnbarkeit der erfindungsgemäßen Anordnung mit Entlastungsprofilierung besonders vorteilhaft entgegen kommt.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den schematischen Figurendarstellungen. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung, Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Druckgastankes und
2 eine weitere Detailschnittansicht eines erfindungsgemäßen Druckgastankes.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Merkmale dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckgastank, der in Kompositbauweise erstellt ist. Der Druckgastank weist einen Druckgasbehälter 1 auf, bestehend aus einem innenliegenden Liner 2 und einer den Liner 2 umgebenden Außenhülle 3.
Der Druckbehälter 1 ist insgesamt rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei sich ein zylindrischer Abschnitt 4 zum unteren Bildende hin fortsetzt und an dem oberen Bildende ein Endabschnitt 5 angeschlossen ist. Der Endabschnitt 5 ist im Wesentlichen halbkugelförmig ausgebildet. An der Spitze 6 des Endabschnittes 5 befindet sich ein Stutzen 7 zum Be- und Entfüllen des Druckbehälters 1. Der Stutzen 7 ist mit der Außenhülle 3 und dem Liner 2 gekoppelt, insbesondere mit dem Liner 2 gasdicht.
Der Liner 2 weist zwei Entlastungsprofilierungen E auf. Im Bereich des Stutzens 7 erstreckt sich eine Entlastungsprofilierung E in Gestalt einer ersten Entlastungssicke 9, die rotationssymmetrisch um die Längsachse 10 des Druckbehälters 1 um den Stutzen 7 ausgebildet ist. Die erste Entlastungssicke 9 ist damit mit ihrer Ausbauchung 11 in Richtung der Längsachse 10 orientiert. Insgesamt zeigt die Entlastungssicke 9 in den Innenraum 12 den Druckbehälter 1. Weiterhin ist eine Entlastungsprofilierung E in Form einer zweiten Entlastungssicke 13 im Bereich des zylindrischen Abschnittes 4 angeordnet. Bei der zweiten Entlastungssicke 13 zeigt die Ausbauchung 11 in Richtung zur Längsachse 10, sodass sich die Entlastungssicke 9 in radialer Richtung, bezogen auf die Längsachse 10, in den Innenraum 12 des Druckbehälters 1 erstreckt.
Die erste Entlastungssicke 9 und zweite Entlastungssicke 13 weisen jeweils einen Hohlraum 14 zwischen dem Liner 2 und der Außenhülle 3 auf. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, den Hohlraum 14 mit einem hier nicht näher dargestellten Medium, beispielsweise einer Gummimasse oder aber auch einem Harz auszufüllen, sodass eine Kollabierung der ersten Entlastungssicke 9 bzw. zweiten Entlastungssicke 13 nach außen bzw. in Richtung der Außenhülle 3 vermieden wird.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckgastanks ohne umlaufende Kanten von Detaildarstellungen. Hierbei ist der Druckbehälter 1 wiederum zweiteilig aufgebaut, bestehend aus dem innenliegenden Liner 2 und einer den Liner 2 umgebenden Außenhülle 3. Der Liner 2 weist in 2 drei Entlastungsprofilierungen E in Form von drei Entlastungssicken 9, 13 und 15 auf. Im Bereich der ersten Entlastungssicke 9, der zweiten Entlastungssicke 13 und der dritten Entlastungssicke 15 ist wiederum ein Hohlraum 14 ausgebildet, wobei der Hohlraum 14 sich rotationssymmetrisch um die Längsachse 10 zwischen der Außenhülle 3 und dem Liner 2 erstreckt. Der Hohlraum 14 kann dabei ebenfalls erfindungsgemäß mit einem hier nicht näher dargestellten Medium, beispielsweise einer Gummimasse oder aber auch einem Harz ausgefüllt sein, sodass eine Kollabierung der Entlastungsprofilierungen E in Form der Entlastungssicken 9, 13 und 15 in radialer Richtung RR nach außen oder aber in axialer Richtung AR nach außen vermieden wird.
Weiterhin ist die dritte Entlastungsprofilierung E in Form der dritten Entlastungssicke 15 eingezeichnet, wobei die dritte Entlastungssicke 15 sich ebenfalls in den Innenraum 12 des Druckbehälters 1 hin orientiert. Die Ausbauchung 11 der dritten Entlastungssicke 15 erstreckt sich jedoch in einem Winkel α zur Längsachse 10 des Druckbehälters 1, so dass hier eine Kombination aus Längenausgleich in axialer Richtung AR und Druckausgleich in radialer Richtung RR durch die dritte Entlastungssicke 15 sichergestellt ist.

Claims

Druckgastank für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Druckbehälter (1) und einen Stutzen (7) zum Befüllen und Entfüllen des Druckbehälters, wobei der Druckbehälter einen Liner (2) und eine den Liner (2) umgebende Außenhülle (3) aufweist, wobei der Liner (2) eine Entlastungsprofilierung (E) aufweist, und die Entlastungsprofilierung (E) als mindestens eine Entlastungssicke ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Liner (2) einen zylindrischen Abschnitt (4) und an jedem Ende des zylindrischen Abschnittes (4) einen Endabschnitt (5) aufweist, wobei eine Entlastungssicke im Bereich mindestens eines Endabschnittes (5) angeordnet ist und eine Entlastungssicke sich im zylindrischen Abschnitt (4) in Richtung zur Längsachse (10) erstreckt.
Druckgastank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (3) aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist.
Druckgastank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Entlastungsprofilierung (E) in den Innenraum des Liners (2) orientiert ist.
Druckgastank nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungsprofilierung (E) in Form einer umlaufenden Entlastungssicke (9) ausgebildet ist.
Druckgastank nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungssicke (9) sich um die Längsachse (10) des zylindrischen Abschnittes (4) radial umlaufend erstreckt.
Druckgastank nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungssicke (9) rotationssymmetrisch um die Längsachse (10) angeordnet ist, wobei die Entlastungssicke (9) in eine Richtung orientiert ist und die Richtung in einem Winkel (α) zur Längsachse angeordnet ist.
Druckgastank nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungssicke (9) schraubenförmig um die Längsachse (10) angeordnet ist.
Druckgastank nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungssicke (9) im Bereich des Stutzens (7) angeordnet ist, wobei die Entlastungssicke (9) den Stutzen (7) rotationssymmetrisch umgibt.
Druckgastank nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungssicke (9) sich im zylindrischen Abschnitt (4) in einem Winkel (α) zur Längsachse (10) erstreckt.
Druckgastank nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlastungsprofilierung als Noppe ausgebildet ist.
Druckgastank nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Noppen symmetrisch oder aber asymmetrisch in Bereichen auf der inneren Hülle angeordnet sind.
Druckgastank nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Entlastungsprofilierung (E) und der Außenhülle (3) bestehender Hohlraum (14) mit einem Medium ausgefüllt ist.
Druckgastank nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein elastisch verformbarer Werkstoff ist.