DE102010053891B4

DE102010053891B4 - In Schräglage befestigter Hochdruckbehälter

Info

Publication number: DE102010053891B4
Application number: DE102010053891.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Oelerich; Bryan J. Stewart; Mohsen D. Shabana; Steven P. Balgaard
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: DE102010053891A1; US20110138923A1; CN102092284A; CN102092284B; US7984653B2

Abstract

Befestigungssystem (10) für einen Druckbehälter (12) in einem Fahrzeug, welches umfasst: einen Druckbehälter (12) mit einer Längsachse (A); ein Halteband (14), das um den Druckbehälter (12) herum angeordnet ist; ein Trägerelement (16) mit einer darin ausgebildeten Durchbrechung (38), um das Halteband durch diese hindurch aufzunehmen und so das Trägerelement (16) an dem Druckbehälter (12) anzubringen; ein Befestigungselement (18), das mit dem Trägerelement (16) gekoppelt ist und so angepasst ist, dass es mit einem Befestigungspunkt koppelbar ist, um den Druckbehälter (12) anzubringen, wobei die Längsachse (A) des Druckbehälters (12) in einem schrägen Winkel relativ zu einer horizontalen Ebene und quer zur Fahrtrichtung angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Befestigungssystem für einen Druckbehälter in einem Fahrzeug und ein Verfahren zur Anbringung eines Druckbehälters in einem Fahrzeug. Sie bezieht sich dabei auf einen Druckbehälter zur Aufbewahrung eines Fluids. Im Spezielleren betrifft die Erfindung ein Befestigungssystem und ein Verfahren zur Befestigung des Druckbehälters in einem Fahrzeug.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mit dem Aufkommen von Niederflur-Nahverkehrsfahrzeugen, die mit alternativen Kraftstoffen, wie zum Beispiel mit komprimiertem Erdgas (CNG), flüssigem Erdgas (LNG) oder Wasserstoff betrieben werden, ist es notwendig geworden, Kraftstoffspeichereinrichtungen in Form von Druckbehältern an dem Fahrzeug anzubringen.
Um eine Fahr-Reichweite zu erzielen, die der eines Dieselfahrzeugs ähnlich ist, und um die Sicherheitsnormen in Verbindung mit alternativen Kraftstoffen einzuhalten, ist es notwendig, mehrere Druckbehälter zu verwenden. Im Sinne einer Gewichtsreduzierung solcher Kraftstoffspeichersysteme kommen leichtgewichtige Verbund-Druckbehälter und -Befestigungssysteme zum Einsatz.
Um sowohl in den U.S.A. als auch in Kanada den einschlägigen Zertifizierungsnormen ANSI/AGA NGV2 und CSA B51 zu entsprechen, müssen die Befestigungssysteme von ihrem Entwurf her so beschaffen sein, dass sie einer radialen und einer axialen Vergrößerung der Kraftstoffdruckbehälter infolge von deren Druckbeaufschlagung standhalten. Außerdem müssen Druckbehälter dynamischen Belastungen standhalten können. Die dynamischen Belastungen können als Mehrfache der Erdbeschleunigung angegeben sein. Die Belastbarkeitsauslegung ist von der Ausrichtung des Behälters abhängig. In Kanada, wo Druckbehälter gemäß der US 6,676,163 B2 typischerweise in Fahrtrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet sind, muss die entwurfsgemäße dynamische Belastbarkeit zumindest bei 20 g in der Längsrichtung des Fahrzeugs und bei 8 g in jeder anderen Richtung liegen. Diese Belastungen überlagern jene, die für den normalen Betrieb erforderlich sind, und sind im Allgemeinen strenger als jene in den U.S.A., wo die Behälter in derselben Richtung ausgerichtet sind. Weiterhin ist eine höchstzulässige Durchbiegung von 12,5 mm (0,5 Zoll) für Befestigungswinkel erforderlich, wenn der Test bei 8 g erfolgt. Wenn Druckbehälter gemäß der US 2009/0 134 192 A1 oder der US 2009/0 114 467 A1 quer zur Fahrtrichtung befestigt sind, wie dies in Europa und in Japan üblicherweise der Fall ist, liegen die derzeit gültigen Zusammenstoßbelastungen bei 100 g in allen Richtungen. Diese Normen ändern sich periodisch.
Ferner ist ein modulares Konzept für eine Dachmontage unter Verwendung eines leichtgewichtigen Dachträger-Rahmens bekannt, der ausziehbar ist, um Platz für Druckbehälter mit unterschiedlicher Länge zu bieten. Der Anbau der Module an das Busdach erfolgt durch Befestigungswinkel, welche entlang der Länge der Module verfahren werden können, um mit den Dach-”Fixpunkten” oder der starren Rahmenstruktur übereinzustimmen. Der Modulrahmen umfasst eine Mehrzahl von Endelementen, die zwischen zwei Längsschienen angeordnet sind, und eine Mehrzahl von dachträgerähnlichen Zentralrahmenelementen, die parallel zu den Längsschienen angeordnet sind. Die Druckbehälter sind der Länge nach parallel zu den Zentralrahmenelementen positioniert, welche die Druckbehälter voneinander trennen und dem Modulrahmen Strukturfestigkeit verleihen.
Es sind auch andere Rahmen entworfen worden, um Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und Gewichtsbeschränkungen einzuhalten. Ein solcher bekannter Entwurf findet typischerweise für die Dachmontage bei Niederflurbussen mit einem Rahmenaufbau bestehend aus Endelementen und Querelementen Verwendung. Der Rahmen vertilgt entlang einem jeden Druckbehälter an zwei Stellen über Stahlbänder, wodurch jeder Druckbehälter in dem Rahmen festgeklemmt wird.
In dem weiter oben beschriebenen modularen Konzept für eine Dachmontage sind die Druckbehälter so positioniert, dass eine Längsachse in derselben Richtung ausgerichtet ist wie die Längsachse des Fahrzeugs. Bei anderen bekannten Rahmen sind die Druckbehälter mit ihrer Längsachse in einem Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Rahmenschienen und die Längsachse des Fahrzeugs ausgerichtet. Die Unterschiede bei der Ausrichtung der Druckbehälter sind kennzeichnend für die Unterschiede bei den herkömmlichen Befestigungspraktiken zwischen Nordamerika einerseits und Japan und Europa andererseits.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Befestigungssystem und ein Verfahren zum Befestigen eines Druckbehälters anzugeben, bei welchem durch das System und das Verfahren ein Fassungsvermögen des Behälters und eine Leistung bei dynamischen Belastungen maximiert werden.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend der vorliegenden Erfindung und übereinstimmend mit dieser ist ein Befestigungssystem und ein Verfahren zum Befestigen eines Druckbehälters offenbart, bei welchem durch das System und Verfahren ein Fassungsvermögen und eine Leistung bei dynamischen Belastungen des Behälters maximiert werden.
Die Erfindung umfasst ein Befestigungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung stellt außerdem Verfahren zur Befestigung eines Druckbehälters an einem Fahrzeug bereit, das die Merkmale des Anspruchs 8 umfasst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten, sowie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf einfache Weise aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Lichte der beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine rückwärtige Aufrissansicht eines Fahrzeugs mit einem Befestigungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Draufsicht auf das Befestigungssystem aus 1 ist; und
2a eine vergrößerte, fragmentarische Perspektivansicht eines Spannungsregelelements ist, welche durch den Kreis ”a” in 2 dargestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen es dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung zu realisieren und zu verwenden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren haben die vorgestellten Schritte Beispielcharakter und ist somit die Reihenfolge der Schritte weder eine Notwendigkeit noch von entscheidender Bedeutung.
1 veranschaulicht ein Befestigungssystem 10 für einen Druckbehälter 12 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ist das Befestigungssystem 10 hier hinter einem Rücksitz eines Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet. Es versteht sich jedoch, dass das Befestigungssystem 10 in jedem beliebigen Fahrzeug und an jeder beliebigen Stelle innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein kann. Das Befestigungssystem umfasst eine Mehrzahl von Haltebändern 14, eine Mehrzahl von Trägerelementen 16 und eine Mehrzahl von Befestigungselementen 18.
Der Druckbehälter 12 umfasst typischerweise eine Polymer-Innenauskleidung und einen gewickelten Außenmantel mit einer Außenfläche. Der gewickelte Außenmantel ist typischerweise durch ein Faserwickelverfahren gebildet und kann aus jedem beliebigen, herkömmlichen Material, wie beispielsweise einer Kohlenstofffaser, einer Glasfaser, einer Verbundfaser und einer Faser mit Kunstharzbeschichtung gebildet sein. Alternativ dazu kann der gewickelte Außenmantel aus einem beliebigen, formbaren Material, wie beispielsweise einem Metall und einem Kunststoff gebildet sein. Eine Behälteröffnung 19 ist typischerweise an einem Ende des Druckbehälters 12 ausgebildet und stellt einen Befestigungspunkt für eine Gebrauchsvorrichtung 20, wie beispielsweise eine Fluidsteuervorrichtung, ein Ventil, einen Regler und andere Einrichtungen, die daran angebracht sein können, bereit. Der Druckbehälter 12 kann so angepasst sein, dass er gasförmigen Wasserstoff zur Verwendung durch ein Brennstoffzellensystem (nicht gezeigt) speichert und bereitstellt. Es kann jedoch jedes beliebige Fluid in dem Druckbehälter 12 gespeichert werden.
Die Haltebänder 14 sind um einen Umfang des Druckbehälters 12 herum angeordnet, um den Druckbehälter 12 an den Trägerelementen 16 anzubringen. Wie gezeigt, umfasst ein jedes der Haltebänder 14 ein Aufnahmeband 22, ein Spannband 24 und ein Spannungsregelelement 26.
Das Aufnahmeband 22 ist typischerweise aus Gummi geformt. Es können jedoch auch andere federnde Materialien verwendet werden. Das Aufnahmeband 22 ist um einen Umfang des Druckbehälters 12 herum angeordnet und passt sich im Wesentlichen einer Form des Druckbehälters 12 an. Durch das Aufnahmeband 22 wird berücksichtigt, dass der Druckbehälter 12 aufgrund von Druck- und Temperaturschwankungen eine Größenveränderung erfahren kann.
Das Spannband 24 ist um das Aufnahmeband 22 herum angeordnet, so dass das Aufnahmeband 22 zwischen dem Spannband 24 und dem Druckbehälter 12 angeordnet ist. Das Spannband 24 ist typischerweise aus einem Metall wie zum Beispiel Edelstahl geformt und ist einstellbar, um Druckbehälter mit unterschiedlichen Größen und Formen aufzunehmen.
Wie in 2a deutlicher gezeigt, umfasst jedes Ende des Spannbands 24 ein Kopplungsmerkmal 28, zur Aufnahme und Befestigung des Spannungsregelelements 26 an dem Spannband 24. Das Spannungsregelelement 26 ist mit dem Spannband 24 gekoppelt. Wie gezeigt, umfasst das Spannungsregelelement 26 eine erste Haltevorrichtung 30, eine zweite Haltevorrichtung 32, einen Schraubenbolzen 34 und eine Mutter 35. Eine jede der Haltevorrichtungen 30, 32 hat einen zylindrischen Körper mit einer durch diesen hindurch ausgebildeten Durchbrechung 37, um den Schraubenbolzen 34 aufzunehmen. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Formen verwendet werden können. Es versteht sich weiterhin, dass auch andere Mittel zum Koppeln von gegenüberliegenden Enden des Spannbands 24 verwendet werden können.
Die erste Haltevorrichtung 30 ist in einem der Kopplungsmerkmale 28 des Spannbands 24 angeordnet. Die zweite Haltevorrichtung 32 ist in einem anderen der Kopplungsmerkmale 28 des Spannbands 24 angeordnet, um das Koppeln der gegenüberliegenden Enden des Spannbands 24 zu erleichtern. Der Schraubenbolzen 34 ist durch die Durchbrechungen 37 hindurch verlaufend angeordnet, die in einer jeden der Haltevorrichtungen 30, 32 ausgebildet sind. Die Mutter 35 ist an dem Schraubenbolzen 34 angeordnet, und steht mit dem darauf ausgebildeten Gewinde in Eingriff. Es versteht sich, dass eine Drehung der Mutter 35 bewirkt, dass sich die Mutter 35 entlang einer Länge des Schraubenbolzens 34 bewegt und dadurch die zweite Haltevorrichtung 32 zu der ersten Haltevorrichtung 30 hin drückt. Folglich wird das Spannband 24 gestrafft und übt dadurch eine Druckkraft auf den Druckbehälter 12 aus. Es versteht sich, dass eine Spannung und ein Umfang der Spannbänder 24 einstellbar sind, um einer Expansion oder einer Kontraktion des Druckbehälters 12 Rechnung zu tragen.
Die Trägerelemente 16 umfassen jeweils einen Grundkörper 36 mit einer Mehrzahl von Durchbrechungen 38 zur Aufnahme der Haltebänder 14. In der gezeigten Ausführungsform ist jeweils ein Aufnahmekissen 40 zwischen dem Grundkörper 36 eines jeden der Trägerelemente 16 und dem Druckbehälter 12 angeordnet. Der Grundkörper 36 ist typischerweise aus einem Metall gebildet und ist mit den Befestigungselementen 18 gekoppelt, um den Druckbehälter 12 an dem Fahrzeug anzubringen. Durch die Aufnahmekissen 40 wird der Druckbehälter 12 an den Trägerelementen 16 angebracht und es wird dabei berücksichtigt, dass sich der Druckbehälter 12 bedingt durch Druck- und Temperaturschwankungen in der Größe verändert.
Die Befestigungselemente 18 sind zwischen den Trägerelementen 16 und einem Befestigungspunkt des Fahrzeugs angeordnet, um einen gewünschten Speicherwinkel oder Anlagewinkel des Druckbehälters 12 bereitzustellen. Bei dem Befestigungspunkt kann es sich um einen Rahmen des Fahrzeugs handeln. Ein jedes der Befestigungselemente 18 umfasst ein erstes Ende 42 und ein zweites Ende 44. Wie gezeigt, ist das erste Ende 42 eines jeden Befestigungselements mit dem Befestigungspunkt des Fahrzeugs gekoppelt. Das zweite Ende 44 eines jeden der Befestigungselemente 18 ist abgeschrägt und mit zumindest einem der Trägerelemente 16 gekoppelt. Wie gezeigt, weist ein jedes der Befestigungselemente 18 eine vorbestimmte Länge auf, um den Druckbehälter 12 in einem vorbestimmten Winkel relativ zu einer horizontalen Ebene anzubringen. Der Abschrägungswinkel an einem jeden der zweiten Enden 44 der Befestigungselemente 18 ist ebenfalls vorbestimmt, um eine kollineare Befestigungsfläche für die Trägerelemente 18 bereitzustellen. Es versteht sich, dass durch Verändern der relativen Längen eines jeden der Befestigungselemente 18 und des Abschrägungswinkels von deren zweiten Enden 44 der Anlagewinkel des Druckbehälters 12 verändert werden kann. Es versteht sich weiterhin, dass die Enden 42, 44 der Befestigungselemente 18 jeden beliebigen Winkel aufweisen können.
Bei der Verwendung sind die Trägerelemente 16 benachbart zu dem geformten Druckbehälter 12 angeordnet. Die Haltebänder 14 sind durch die in den Trägerelementen 16 ausgebildeten Durchbrechungen 38 hindurch und um den Umfang des Druckbehälters 12 herum verlaufend angeordnet. Die Spannungsregelelemente 26 werden so eingestellt, dass sie den Umfang und den Durchmesser der Haltebänder 14 verändern und daher die Trägerelemente 16 an einer Außenfläche des Druckbehälters 12 anbringen. Der Druckbehälter 12 wird daraufhin in einem Fahrzeug befestigt, in welchem die Befestigungselemente 18 an einem Rahmen von diesem angebracht sind. Im Speziellen sind die Trägerelemente 16 dergestalt mit den Befestigungselementen 18 gekoppelt, dass der Druckbehälter 12 in einer Speicherposition angebracht ist, die einen vorbestimmten Anlagewinkel aufweist. Der Anlagewinkel ist ein nicht-horizontaler Winkel, bei welchem eine Längsachse A des Druckbehälters 12 in einem schrägen Winkel relativ zu einer horizontalen Ebene angeordnet ist, die im Allgemeinen parallel zu einem ebenen Untergrund verläuft. Im Gegensatz zu derzeit in Gebrauch befindlichen Speicherbehältern ist der Druckbehälter 12 nicht der Länge oder der Quere nach in Bezug auf eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs sondern in einem Winkel relativ zu der horizontalen Ebene und, in manchen Ausführungsformen, zu einem Rahmen des Fahrzeugs befestigt.
Ein Speicher-Fassungsvermögen eines auf herkömmliche Weise befestigten Druckbehälters ist durch einen Rahmen oder eine starre Struktur des Fahrzeugs in Längs- und in Querrichtung begrenzt. Durch das Befestigungssystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Speicher-Fassungsvermögen des Druckbehälters 12 maximiert, da eine Länge des Druckbehälters 12 maximierbar ist. Durch das Befestigen des Druckbehälters 12 entlang einer Längsachse, die in Bezug auf die horizontale Ebene schräg verläuft, kann der Druckbehälter 12 im Hinblick auf eine maximale Ausnutzung eines verfügbaren Packraums konstruiert werden.
Auf ähnliche Weise wird die Leistung bei dynamischen Belastungen (z. B. verbesserte Belastungsabführung) maximiert, da sich die Behälteröffnung 19 nicht in direkter Ausrichtung mit einem Abschnitt des Fahrzeugrahmens befindet. Durch den Anlagewinkel des Druckbehälters 12 wird ein Raum benachbart zu den an der Behälteröffnung 19 befestigten Gebrauchsvorrichtungen 20 maximiert, wodurch ein Maximum an Montageoptionen ermöglicht wird. Beispielsweise könnte sich der Druckbehälter 12 ausdehnen und könnte dennoch während der Anbringung und des Zusammenbaus durch eine Längsschiene des Fahrzeugs hindurchgeführt werden. Als weiteres Beispiel wird durch das Befestigungssystem 10 mit einem schrägen Anlagewinkel des Druckbehälters relativ zu einer horizontalen Ebene ein masseneffizientes Seitenverhältnis des Druckbehälters 12 maximiert.

Claims

Befestigungssystem (10) für einen Druckbehälter (12) in einem Fahrzeug, welches umfasst: einen Druckbehälter (12) mit einer Längsachse (A); ein Halteband (14), das um den Druckbehälter (12) herum angeordnet ist; ein Trägerelement (16) mit einer darin ausgebildeten Durchbrechung (38), um das Halteband durch diese hindurch aufzunehmen und so das Trägerelement (16) an dem Druckbehälter (12) anzubringen; ein Befestigungselement (18), das mit dem Trägerelement (16) gekoppelt ist und so angepasst ist, dass es mit einem Befestigungspunkt koppelbar ist, um den Druckbehälter (12) anzubringen, wobei die Längsachse (A) des Druckbehälters (12) in einem schrägen Winkel relativ zu einer horizontalen Ebene und quer zur Fahrtrichtung angeordnet ist.
Befestigungssystem nach Anspruch 1, wobei das Halteband (14) ein Spannungsregelelement (26) umfasst, das mit einem Spannband (24) gekoppelt ist, um den Druckbehälter (12) anzubringen.
Befestigungssystem nach Anspruch 2, wobei das Halteband (14) ein Aufnahmeband (22) umfasst, das zwischen dem Spannband (24) und dem Druckbehälter (12) angeordnet ist, wobei das Aufnahmeband (22) eine Position des Haltebands (14) relativ zu dem Druckbehälter (12) sichert und dabei gleichzeitig eine Expansion und eine Kontraktion des Druckbehälters (12) berücksichtigt.
Befestigungssystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Aufnahmekissen (40), das zwischen dem Trägerelement (16) und dem Druckbehälter (12) angeordnet ist, wobei das Aufnahmekissen (40) eine Position des Trägerelements (16) relativ zu dem Druckbehälter (12) sichert und dabei gleichzeitig eine Expansion und eine Kontraktion des Druckbehälters (12) berücksichtigt.
Befestigungssystem nach Anspruch 1, wobei das Befestigungselement (18) ein erstes Ende (42), das mit dem Befestigungspunkt gekoppelt ist, und ein zweites Ende (44), das mit dem Trägerelement (16) gekoppelt ist, aufweist, und wobei das erste und/oder das zweite Ende (42, 44) in einem vorbestimmten Winkel abgeschrägt sind/ist.
Befestigungssystem nach Anspruch 1, wobei das Befestigungssystem (10) in einem Fahrzeug angeordnet ist und der Befestigungspunkt ein Rahmen des Fahrzeugs ist.
Befestigungssystem nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von Befestigungselementen (18), die mit dem Trägerelement (16) gekoppelt sind und wobei jedes Befestigungselement (18) so angepasst ist, dass es mit einem Befestigungspunkt koppelbar ist, um den Druckbehälter (12) anzubringen.
Verfahren zur Anbringung eines Druckbehälters (12) in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass ein Druckbehälter (12) mit einer Längsachse (A) bereitgestellt wird; ein Befestigungselement (18) bereitgestellt wird, das an einem Befestigungspunkt des Fahrzeugs angebracht ist; ein Trägerelement (16) an dem Druckbehälter (12) angebracht wird; und das Trägerelement (16) mit dem Befestigungselement (18) gekoppelt wird, um den Druckbehälter (12) anzubringen, wobei die Längsachse (A) des Druckbehälters (12) in einem schrägen Winkel relativ zu einer horizontalen Ebene und quer zur Fahrtrichtung angeordnet wird.