DE102013015229A1

DE102013015229A1 - Tankanlage für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Tankanlage

Info

Publication number: DE102013015229A1
Application number: DE201310015229
Authority: DE
Inventors: Vitali Hein; Michael Spruth
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankanlage für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Behältnis zum Speichern des gasförmigen Kraftstoffs, mit wenigstens einem in einer Tankmulde angeordneten Tankstutzen, über welchen das Behältnis mit gasförmigem Kraftstoff zu befüllen ist, mit wenigstens einer Klappe, welche zwischen einer zumindest einen Teilbereich der Tankmulde abdeckenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung bewegbar ist und mit wenigstens einer Ventileinrichtung, welche zwischen einer ein Ausströmen von gasförmigem Kraftstoff aus dem Behältnis verhindernden Sperrstellung und wenigstens einer ein Befüllen des Behältnisses ermöglichenden Freigabestellung verstellbar ist, wobei eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Offenstellung der Klappe und wenigstens ein Stellglied zum Verstellen der Ventileinrichtung aus der Sperrstellung in die Freigabestellung in Abhängigkeit von der erfassten Offenstellung der Klappe vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tankanlage für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Tankanlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.
Derartige Tankanlagen für mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschinen sowie Verfahren zum Betreiben solcher Tankanlagen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die Verbrennungskraftmaschine dient dabei zum Antreiben des Kraftwagens. Als gasförmiger Kraftstoff wird beispielsweise CNG (Compressed Natural Gas) verwendet, welches üblicherweise auch als Erdgas bezeichnet wird.
Die Tankanlage dient dabei zum Speichern und zum Mitführen des gasförmigen Kraftstoffs mit dem Kraftwagen. Hierzu umfasst die Tankanlage wenigstens ein Behältnis zum Speichern des gasförmigen Kraftstoffs. Der gasförmige Kraftstoff muss nicht notwendigerweise auch in gasförmigem Zustand in dem Behältnis vorliegen. Es kann vorgesehen sein, dass der gasförmige Kraftstoff zumindest teilweise in flüssigem Zustand in dem Behältnis gespeichert werden kann. Zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine in ihrem gefeuerten Betrieb wird der gasförmige Kraftstoff aus dem Behältnis abgeführt und in gasförmigem Zustand in wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeblasen.
Die Tankanlage umfasst darüber hinaus einen Tankstutzen, über welchen das Behältnis mit gasförmigem Kraftstoff zu befüllen, d. h. zu betanken ist. Mit anderen Worten kann über den Tankstutzen das Behältnis betankt werden. Der Tankstutzen ist dabei in einer Tankmulde der Tankanlage angeordnet.
Ferner umfasst die Tankanlage auch eine Klappe, welche üblicherweise auch als Tankklappe bezeichnet wird. Die Klappe ist zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar, insbesondere verschwenkbar. In der Schließstellung ist zumindest ein Teilbereich der Tankmulde durch die Klappe abgedeckt. In der Offenstellung ist der Teilbereich freigegeben.
Darüber hinaus umfasst die Tankanlage eine Ventileinrichtung. Die Ventileinrichtung ist zwischen einer Sperrstellung und wenigstens einer Freigabestellung verstellbar. In der Sperrstellung wird mittels der Ventileinrichtung optional vermieden, dass Gas über den Tankstutzen in das Behältnis einströmen kann. Ferner wird vermieden, dass gasförmiger Kraftstoff aus dem Behältnis ausströmen kann. In der Freigabestellung ermöglicht die Ventileinrichtung ein Befüllen des Behältnisses mit gasförmigem Kraftstoff.
Zur Realisierung dieser Funktion umfasst die Ventileinrichtung üblicherweise eine Art Rückschlagventil, welches beim Betanken, d. h. beim Befüllen des Behältnisses durch einen Betankungsdruck des in das Behältnis einzufüllenden, gasförmigen Kraftstoffs zumindest im Wesentlichen passiv geöffnet, insbesondere aufgedrückt wird. Wird das Betanken beendet, so wird das Ventil beispielsweise mittels einer Feder wieder geschlossen, so dass dadurch die Ventileinrichtung in ihre Sperrstellung verstellt wird.
Üblicherweise sind bei einer solchen Ventileinrichtung zwei weitere Funktionen vorgesehen. Eine dieser Funktionen ist eine Handabsperrung, so dass ein unerwünschtes Strömen des gasförmigen Kraftstoffs manuell vermieden werden kann. Eine weitere Funktion der Ventileinrichtung ist die Darstellung eines elektrischen Ventils, welches zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit dem gasförmigen Kraftstoff aus dem Behältnis aktiv und insbesondere elektrisch angesteuert wird. Die Ventileinrichtung ist aufgrund dessen, dass die genannten drei Funktionen dargestellt werden müssen, besonders aufwendig und somit nur kostenintensiv herzustellen.
Die DE 10 2011 113 452 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Befüllung eines Kunststoff-Gastanks eines Kraftfahrzeugs, umfassend Mittel zur Begrenzung des Drucks des in den Gastank einströmenden Gases. Dabei ist es vorgesehen, dass die Mittel dazu ausgebildet sind, den Gasdruck bei einem Betanken innerhalb eines begrenzten, mit der Betankung beginnenden Zeitraums auf einen im Vergleich zu einem späteren Betankungsdruck reduzierten Druck zu begrenzen.
Der DE 10 2011 121 467 A1 ist ein Druckrückhalteventil mit integriertem Ventil als bekannt zu entnehmen. Das Druckrückhalteventil umfasst ein Gehäuse, einen Außenkolben, der in dem Gehäuse positioniert ist, eine Hauptdichtung zwischen dem Außenkolben und dem Gehäuse und einen Innenkolben, der in dem Außenkolben positioniert ist, wobei der Innenkolben eine Bohrung aufweist, die ein Ventil enthält. Ferner ist eine Feder zwischen dem Gehäuse und einem Oberteil des Außenkolbens vorgesehen. Das Druckrückhalteventil weist auch eine Umgebungsbohrung in dem Gehäuse oberhalb der Hauptdichtung auf. Darüber hinaus ist ein Auslass in dem Gehäuse unterhalb der Hauptdichtung vorgesehen. Schließlich ist eine Gefäßverbindung in dem Gehäuse benachbart der Bohrung des Innenkolbens vorgesehen.
Aus der DE 10 2011 075 302 A1 ist ein Gasspeicher, insbesondere Brennstoffgasspeicher, bekannt. Der Gasspeicher umfasst einen Gasbehälter, wobei der Gasbehälter ein Gasspeichervolumen, ein Verdrängermittelvolumen, ein zwischen dem Gasspeichervolumen und dem Verdrangermittelvolumen angeordnetes Trennelement und einen Gasein- und/oder Auslass zur Gasentnahme und/oder Gasbefüllung des Gasspeichervolumens umfasst. Die Größe des Gasspeichervolumens und die Größe des Verdrängermittelvolumens sind unter Positionsänderung des Trennelements veränderbar, wobei die Größe des Gasspeichervolumens reziprok zur Größe des Verdrangermittelvolumens veränderbar ist. Das Verdrangermittelvolumen ist zur Aufnahme eines Verdrängermittels, welches unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Verdrängervolumens einen flüssig-gasförmig oder fest-gasförmig Phasenwechsel vollzieht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tankanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Tankanlage der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein einfacherer Aufbau der Ventileinrichtung realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Tankanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Tankanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein einfacherer Aufbau der Ventileinrichtung realisieren lässt, sind erfindungsgemäß eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Offenstellung der Klappe und wenigstens ein Stellglied vorgesehen. Das Stellglied dient zum Verstellen der Ventileinrichtung aus der Sperrstellung in die Freigabestellung in Abhängigkeit von der erfassten Offenstellung der Klappe. Mit anderen Worten, wird mittels der Erfassungseinrichtung erfasst, dass die Klappe aus ihrer Schließstellung in ihre Offenstellung bewegt wird bzw. dass sich die Klappe in ihrer Offenstellung befindet, so wird zumindest in Abhängigkeit von diesem Erfassen Offenstellung der Klappe die Ventileinrichtung aus ihrer Sperrstellung in ihre Freigabestellung bewegt. Somit kann die eingangs genannte Funktion der Ventileinrichtung, bei welcher beim Befüllen des Behältnisses ein Ventilelement nach Art eines Rückschlagventils zumindest im Wesentlichen passiv geöffnet wird, entfallen bzw. durch das Öffnen der Ventileinrichtung mittels des Stellglieds ersetzt werden.
Dieses Stellglied, mittels welchem die Ventileinrichtung geöffnet wird, um eine Betankung des Behältnisses zu ermöglichen, kann in einem gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auch dazu genutzt werden, eine Strömung des gasförmigen Kraftstoffes vom Behältnis in die Verbrennungskraftmaschine zu steuern bzw. zu regeln, d. h. einzustellen. Hierdurch ist eine Funktionsintegration geschaffen, im Rahmen derer dem Stellglied wenigstens zwei Funktionen zukommen. In der Folge lässt sich der Aufbau der Ventileinrichtung vereinfachen, so dass die Ventileinrichtung zeit- und kostengünstiger hergestellt werden kann. Es ist nämlich nicht vorgesehen und nicht erforderlich, zwei voneinander getrennte, unabhängige Funktionalitäten der Ventileinrichtung vorzusehen, da das Stellglied sowohl zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff als auch zum Ermöglichen der Betankung des Behältnisses genutzt werden kann.
Im Vergleich zum Stand der Technik ist es somit möglich, eine Ventilstufe der Ventileinrichtung einzusparen. Daraus resultieren geringere Systemkosten sowie eine geringere Anfälligkeit bezüglich Strömungsgeräuschen. Ferner kann die mechanische und hydraulische Komplexität der Ventileinrichtung und somit der Tankanlage insgesamt reduziert werden.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Tankanlage, wobei es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass mittels einer Erfassungseinrichtung eine Bewegung der Klappe aus der Schließstellung in die Offenstellung erfasst wird, und wobei die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Bewegung der Klappe mittels wenigstens eines Stellglieds aus der Sperrstellung in die Freigabestellung verstellt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Tankanlage sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Vorzugsweise ist das Stellglied als elektrisches Stellglied ausgebildet. Hierdurch kann nicht nur die Ventileinrichtung in ihre Freigabestellung verstellt werden, sondern ferner ist es möglich, die Strömung des gasförmigen Kraftstoffs vom Behältnis der Verbrennungskraftmaschine besonders präzise und bedarfsgerecht einstellen zu können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben einer Tankanlage für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, wobei mittels einer Erfassungseinrichtung eine Bewegung einer Klappe aus einer Schließstellung in eine Offenstellung erfasst wird, und wobei eine Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Bewegung der Klappe mittels wenigstens eines Stellglieds aus einer Sperrstellung in eine Freigabestellung verstellt wird.
Die Fig. dient zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben einer Tankanlage für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und dient zum Antreiben des beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagens.
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst Brennräume in Form von Zylindern, in welche während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine der gasförmige Kraftstoff eingeblasen wird. Zum Speichern und Mitführen des gasförmigen Kraftstoffs umfasst der Kraftwagen eine Tankanlage. Die Tankanlage umfasst wenigstens ein Behältnis in Form eines Gastanks, insbesondere eines Druckgastanks, mittels welchem der gasförmige Kraftstoff gespeichert wird. In seinem im Gastank aufgenommenen Zustand ist der Kraftstoff zumindest teilweise in flüssigem Zustand gespeichert.
Die Tankanlage umfasst auch wenigstens einen Tankstutzen, der in einer Tankmulde der Tankanlage angeordnet ist. Die Tankmulde ist beispielsweise durch die Karosserie des Kraftwagens gebildet. Über den Tankstutzen kann der Gastank mit gasförmigem Kraftstoff befüllt, d. h. betankt werden. Darüber hinaus ist wenigstens eine Klappe vorgesehen, welche zwischen zumindest einer einen Teilbereich der Tankmulde abdeckenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigegebenen Offenstellung bewegbar ist. Die Klappe wird üblicherweise auch als Tankklappe bezeichnet.
Darüber hinaus ist wenigstens eine Ventileinrichtung vorgesehen. Die Ventileinrichtung ist zwischen einer ein Einströmen von Gas über den Tankstutzen in den Gastank und ein Ausströmen von gasförmigem Kraftstoff aus dem Gastank verhindernden Sperrstellung und wenigstens einer das Befüllen des Gastanks ermöglichenden Freigabestellung verstellbar.
Im Rahmen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass wenigstens eine Recheneinrichtung, beispielsweise ein Steuergerät, des Kraftwagens nach einem Abstellen des Kraftwagens und insbesondere nach einer Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine zumindest zeitweise noch aktiv ist. Ferner ist wenigstens ein Erfassungselement einer Erfassungseinrichtung vorgesehen. Mittels des Erfassungselements wird erfasst, ob sich die Klappe in ihrer Schließstellung oder in ihrer Offenstellung befindet. Die Erfassungseinrichtung ist mit dem Steuergerät gekoppelt, so dass ein von der Erfassungseinrichtung bereitgestelltes und die Stellung der Klappe charakterisierendes Signal von dem Steuergerät empfangen werden kann.
Ferner umfasst die Tankanlage wenigstens einen Drucksensor, mittels welchem ein Betankungsdruck erfassbar ist. Mit anderen Worten kann mittels des Drucksensors erfasst werden, ob an den Tankstutzen ein Betankungsschlauch, über den gasförmiger Kraftstoff in den Gastank von einem bezogen auf den Kraftwagen externen Tank eingefüllt werden kann, angeschlossen ist.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird mittels des Erfassungselements erfasst, dass die Klappe geöffnet wird bzw. sich in ihrer Offenstellung befindet. Dies wird über das Signal an das Steuergerät übermittelt. In einem zweiten optionalen Schritt S2 des Verfahrens wird mittels des Drucksensors erfasst, dass der Betankungsschlauch zum Befüllen des Gastanks des Kraftwagens mit gasförmigem Kraftstoff angeschlossen ist. Hierzu wird mittels des Drucksensors der Betankungsdruck gemessen, der über den Betankungsschlauch und den Tankstutzen am Drucksensor, insbesondere im bzw. am Gastank, anliegt. Auch dies wird über ein entsprechendes Signal an das Steuergerät übermittelt.
Das Steuergerät empfängt die Signale und steuert ein elektrisches Stellglied der Tankanlage in einem dritten Schritt S3 des Verfahrens derart an, dass die Ventileinrichtung mittels des elektrischen Stellglieds elektrisch aktiv aus der Sperrstellung in die Freigabestellung verstellt wird. Mit anderen Worten wird bei dem Verfahren mittels der Erfassungseinrichtung eine Bewegung der Klappe aus der Schließstellung in die Offenstellung bzw. die Offenstellung der Klappe erfasst, wobei die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Bewegung bzw. in Abhängigkeit von der erfassten Offenstellung der Klappe mittels wenigstens eines elektrischen Stellglieds aus der Sperrstellung in die Freigabestellung verstellt wird. Dann ist es möglich, den bezogen auf den Kraftwagen internen Gastank mit gasförmigem Kraftstoff aus dem externen Tank über den angeschlossenen Betankungsschlauch zu befüllen, d. h. die Betankung durchzuführen.
Als das Stellglied umfasst die Ventileinrichtung beispielsweise ein elektrisches Ventil, das zum Betanken des Gastanks aktiv angesteuert wird. Vorzugsweise wird das elektrische Ventil in einem gefeuerten Betrieb auch dazu verwendet, der Verbrennungskraftmaschine den gasförmigen Kraftstoff aus dem Gastank zuzuführen bzw. eine der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Menge des gasförmigen Kraftstoffs aus dem Gastank einzustellen. Dadurch weist das elektrische Ventil eine Doppelfunktion auf. Vorzugsweise umfasst die Tankanlage auch eine manuelle Absperrmöglichkeit. Zwei dieser drei Funktionen (manuelle Absperrbarkeit, Versorgung der Verbrennungskraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff und Ermöglichen der Betankung) werden dabei durch das elektrische Ventil erfüllt. Dadurch kann ein besonders einfacher und somit kostengünstiger Aufbau der Ventileinrichtung bzw. der Tankanlage insgesamt realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011113452 A1 [0009]
DE 102011121467 A1 [0010]
DE 102011075302 A1 [0011]

Claims

Tankanlage für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Behältnis zum Speichern des gasförmigen Kraftstoffs, mit wenigstens einem in einer Tankmulde angeordneten Tankstutzen, über welchen das Behältnis mit gasförmigem Kraftstoff zu befüllen ist, mit wenigstens einer Klappe, welche zwischen einer zumindest einen Teilbereich der Tankmulde abdeckenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung bewegbar ist und mit wenigstens einer Ventileinrichtung, welche zwischen einer ein Ausströmen von gasförmigem Kraftstoff aus dem Behältnis verhindernden Sperrstellung und wenigstens einer ein Befüllen des Behältnisses ermöglichenden Freigabestellung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Offenstellung der Klappe und wenigstens ein Stellglied zum Verstellen der Ventileinrichtung aus der Sperrstellung in die Freigabestellung in Abhängigkeit von der erfassten Offenstellung der Klappe vorgesehen sind.
Tankanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied als elektrisches Stellglied ausgebildet ist.
Tankanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sperrstellung der Ventileinrichtung ein Einströmen von Gas über den Tankstutzen in das Behältnis verhindert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Tankanlage für eine mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Behältnis zum Speichern des gasförmigen Kraftstoffs, mit wenigstens einem in einer Tankmulde angeordneten Tankstutzen, über welchen das Behältnis mit gasförmigem Kraftstoff zu befüllen ist, mit wenigstens einer Klappe, welche zwischen einer zumindest einen Teilbereich der Tankmulde abdeckenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung bewegbar ist und mit wenigstens einer Ventileinrichtung, welche zwischen einer ein Ausströmen von gasförmigen Kraftstoff aus dem Behältnis verhindernden Sperrstellung und wenigstens einer ein Befüllen des Behältnisses ermöglichenden Freigabestellung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Erfassungseinrichtung eine Bewegung der Klappe aus der Schließstellung in die Offenstellung erfasst wird, wobei die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Bewegung der Klappe mittels wenigstens eines Stellglieds aus der Sperrstellung in die Freigabestellung verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sperrstellung der Ventileinrichtung ein Einströmen von Gas über den Tankstutzen in das Behältnis verhindert wird.