DE102014209912A1

DE102014209912A1 - Drucktank für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014209912A1
Application number: DE102014209912.9A
Authority: DE
Inventors: Julius Basler; Andreas Pelger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Nach der Erfindung ist ein Drucktank zur Speicherung eines Kraftstoffes unter Überdruck in flüssigem und/oder gasförmigem Aggregatzustand, mit wenigstens einer, in einen Innenraum des Drucktanks führenden Befüllleitung, wenigstens zum Befüllen des Drucktanks mit wenigstens einem Kraftstoff-Befülllstrom, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms vorhanden ist, die diesen, abhängig von einer weiteren Einflußgröße, in, örtlich gesehen, verschiedene Drucktankbereiche lenkt. Dabei kann die weitere Einflußgröße eine Temperatur des Kraftstoff-Befüllstroms oder eine zeitliche Abhängigkeit sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucktank zur Speicherung von Kraftstoff, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Wasserstoff ist bereits seit Jahren als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge bekannt. Zum Beispiel wird der Wasserstoff dafür gasförmig oder flüssig in einem Hochdruck-Gastank gespeichert, wie in der DE 10 2010 033 623 B4 beschrieben. Ausdrücklich wird auf diese Offenbarung von verschiedenen Gastanks Bezug genommen.
Zur Befüllung mit Wasserstoff besitzen diese Drucktanks eine Befüllleitung, die üblicherweise mittels eines Ventils verschließbar ist. Falls notwendig, ist eine thermische Isolation des Drucktanks entweder als Feststoff- oder als Vakuumisolierung ausgeführt. Bevorzugt sind Tankbehälter eingesetzt, die einen Nenndruck von 700 bar aufweisen, es kann jedoch auch ein Einsatz von Tankbehältern mit niedrigerem Nenndruck angezeigt sein. Alle diese Drucktanks sind nach dem Stand der Technik schichtweise aufgebaut und besitzen zum Beispiel als innere Schicht einen Liner aus Aluminium (Typ III) oder Kunststoff (Typ IV), verstärkt durch Wicklungen aus faserverstärktem Kunststoff, als äußere Schicht. Die zur Verstärkung verwendeten Fasern können aus Carbon, Glas, Aramid oder Kevlar bestehen. Vorzugsweise werden Carbonfasern verwendet und der damit verstärkte Kunststoff heißt abgekürzt CFK. Bedingt durch die CFK-Wickeltechnik und die kreiszylindrische Form, befindet sich eine Behälteröffnung zum Durchtritt von Leitungen, günstiger Weise in axialer Richtung verlaufend, in der Nähe der Kreiszylinder-Mittenachse oder deckungsgleich mit dieser. Deshalb liegt es nahe, den Kraftstoff in der Nähe der Tankmittenachse zu entnehmen und auch dort eine Befülleinrichtung zu platzieren.
Bei dieser Art der Befüllung, in Höhe der Tankmittenachse und besonders bei Drucktanks mit großem Längen-Durchmesser-Verhältnis und deshalb tendenziell schlechter Durchmischung, kann es an dem der Einfüllöffnung abgewandten Drucktankende beim Befüllen örtlich zu einer starken Erhitzung durch Kompression kommen. An einzelnen, besonders durch diese Erhitzung betroffenen Stellen, den so genannten Notspots, muss dann die entstehende Wärme zuverlässig abgeführt werden. Die DE 10 2010 033 956 B4 beschreibt eine Wärmeaufnahme- bzw. Wärmeübertragungsvorrichtung unter anderem für einen solchen Zweck bei einer Druckgasspeichervorrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, Hotspots auf einfachere und daher preiswertere Weise zu unterbinden.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung ist ein Drucktank zur Speicherung eines Kraftstoffes unter Überdruck in flüssigem und/oder gasförmigem Aggregatzustand, mit wenigstens einer, in einen Innenraum des Drucktanks führenden Befüllleitung, wenigstens zum Befüllen des Drucktanks mit wenigstens einem Kraftstoff-Befülllstrom, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms vorhanden ist, die diesen, abhängig von einer weiteren Einflußgröße, in, örtlich gesehen, verschiedene Drucktankbereiche lenkt. Dabei kann die weitere Einflußgröße eine Temperatur des Kraftstoff-Befüllstroms oder eine zeitliche Abhängigkeit sein.
Eine solche Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms hat den Vorteil, dass besonders bei charakteristischen Fahrzeugarchitekturen entstehende Nachteile für den Einbau und die Formgebung von Drucktanks, zum Beispiel bei einem im Mitteltunnel verbauten Drucktank mit einem extremen Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis, also lang und dünn, auf einfache Weise die Ausbildung von Hotspots beim Befüllen, also lokale Aufheizungen durch Kompression stark erhitzter Gasvolumina, vermieden werden können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass die Einrichtung zur Lenkung des Kraftstoff-Befüllstroms eine Vorrichtung ist, die aus wenigstens einem wenigstens teilweise beweglich im Innenraum des Drucktanks befindlichen Körper besteht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Körper an der Befüllleitung oder an einer Wand des Drucktanks befestigt ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform bildet der Körper eine Prallfläche, auf die der Befülllstrom des einströmenden Gases nach dem Verlassen der Befüllleitung auftrifft, wobei währenddessen wenigstens die Prallfläche bewegbar ist. Wenn dann der Körper wenigstens teilweise aus Bimetall so hergestellt und zur Befüllströmung gerichtet ist, dass eine Temperaturänderung wenigstens der Prallfläche wenigstens deren Anstellwinkel verändert wird auf einfache Weise eine Stratifikation im Drucktank durch eine temperaturabhängige Beuteilgeometrie vermieden, indem der Befüllstrom in von der Befüllleitung weiter entfernt liegende Drucktankbereiche geleitet wird, in der Weise, dass der Gas-Befüllstrom gezwungen wird, den Drucktank zu durchströmen. Dadurch wird das in den Drucktank einströmende Gas weit in Richtung des entfernten Tankendes bewegt, was eine gute Durchmischung an den Hotspots bewirkt.
Eine solche Vermeidung von Hotspots ermöglicht rasche Betankungen. Beim Befüllvorgang findet eine gute Durchmischung des Kraftstoffs statt und dadurch werden örtliche Temperaturspitzen an der Drucktankwand vermieden, die während des Füllvorgangs nach dem Stand der Technik ansonsten auftreten würden.
Für die Herstellung des Drucktanks ist es günstig, dass dieser im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse besitzt. Ebenso ist es für die Langlebigkeit des Drucktanks bezüglich Festigkeit und Dichtigkeit von Vorteil, dass dieser einen zylindrischen Mantel mit abgerundeten Stirnseiten besitzt und dass dessen Behälterwand aus wenigstens zwei Schichten besteht, aus einer wenigstens Dichtigkeit gewährleistenden Kunststoff- oder Metallinnenschicht und aus der wenigstens Festigkeit gewährleistenden Behälterwand aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere CFK, als Außenschicht. Dabei kann dann noch zusätzlich wenigstens eine weitere Behälterwandschicht, eine Super-Isolationsschicht, in der Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle, die Behälterwand aus faserverstärktem Kunststoff umgeben.
Wenigstens eine Befülleinrichtung für den zu speichernden Kraftstoff, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse verlaufende Öffnung des Drucktanks und eine von dieser Öffnung ausgehende, in den Innenraum des Drucktanks führende Befüllleitung für den Kraftstoff umfasst, begünstigt die Anwendung der Erfindung.
Der Drucktank eignet sich besonders für einen Einbau in ein Kraftfahrzeug als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats, insbesondere für gasförmigen Wasserstoff oder Wasserstoff im überkritischen oder flüssigen Aggregatzustand, oder für komprimiertes Erdgas oder Flüssigerdgas, CNG, LNG, oder für Autogas, LPG, oder für Biogas.
Im Folgenden wird die Erfindung mit den für deren Verständnis erforderlichen Merkmalen anhand von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt eines Drucktanks gemäß der Erfindung.
Ein Drucktank zur Speicherung von gasförmigem und/oder flüssigem komprimiertem Wasserstoff, zur Versorgung eines nicht dargestellten Verbrauchers, beispielsweise einer Brennkraftmaschine und/oder einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs mit Kraftstoff, besteht wenigstens aus einer Aussenwand 1 aus einem gasdichten Liner aus Aluminium, innerhalb dessen, im Drucktank-Innenraum 11, sich der komprimierte Wasserstoff befindet und aus einer den Liner umgebenden, dessen Festigkeit garantierenden, Schicht aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff, aufgebracht auf den Liner als CFK-Wicklung. In der Figur nicht gezeichnet sind weitere mögliche Wandschichten, zum Beispiel eine die CFK-Wicklung umgebende Super-Isolationsschicht, in der im Wesentlichen Vakuum vorlegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Aussenhülle.
Über eine Befüllleitung 4 wird der Drucktank mit möglichst kaltem Wasserstoff befüllt. Dazu eventuell nötige Ventile und Wärmetauscher und die Versorgungsleitungen hierzu sind nicht dargestellt. Die Befüllleitung 4 ist letztlich zur Befüllung des Drucktanks, aus diesem durch einen nicht gezeichneten Verschluss-Stopfen herausgeführt. Dieser Verschluss-Stopfen zum Verschluss einer Behälteröffnung zum Durchtritt von Leitungen, verläuft in axialer Richtung deckungsgleich mit einer Kreiszylinder-Mittenachse 15 des Drucktanks. Es liegt nahe, die Befüllleitung 4 dort aus dem Drucktank herauszuführen, da die CFK-Wicklungen vom Fertigungsprozess her so gelegt werden können, dass die Behälteröffnung diese dort nicht quer durchbrechen muss, sondern dass die CFK-Wicklungen um die Behälteröffnung, diese mit formend und verstärkend, herum gelegt werden können.
Da beim Befüllen mit komprimiertem Wasserstoff, durch Kompression entstehende Wärme zuverlässig im Drucktank-Innenraum 11 verteilt werden muss, trifft ein nicht gezeichneter, aus der Befüllleitung 4 an ihrem Ausströmende im Innenraum 11 des Drucktanks austretender Strahl von komprimiertem Wasserstoffgas auf eine gestrichelt gezeichnete Prallfläche 13 einer Einrichtung zur Lenkung eines Kraftstoff-Befüllstroms. Dies ist eine in den Drucktank eingebrachte, am Befüllrohr 4 befestigte Vorrichtung, die das einströmende Gas ablenkt. Diese Lösung verfolg den Ansatz, eine zeitlich veränderliche Geometrie in der Strömung eines Betankungsmassenstromes zu platzieren. Durch diese Maßnahme wird eine bessere Gasdurchmischung im Drucktank erreicht und die Stratifikation reduziert. Die in der relevanten Strömung befindlichen Körper 50, 51 bzw. 60, 61 sind Strömungsleitbleche aus Bimetall, deren Geometrieänderung auf einer Temperaturdifferenz beruht. Beispielsweise ist das Bimetall-Strömungsleitblech 50, 51 an der Ausströmöffnung der Befüllleitung 4 angebracht. Die Temperaturänderung, hervorgerufen durch die Kompression des einströmenden Wasserstoffs, bewirkt eine sich zeitlich ändernde Geometrie der Bimetall-Prallfläche 13 des Körpers 50 zum Körper 51 (gestrichelt gezeichnet) durch Verbiegen und beeinflusst somit die Strömungsrichtung und -geschwindigkeit des Befüllstroms während des Betankungsvorganges.
Ein ähnlicher Effekt ist durch den Körper 60, 61 zu erreichen, der im Tankinneren 11 angebracht ist und deshalb nicht direkt die Ausströmrichtung, sondern Strömungsturbulenzen im Tankinneren 11 entsprechend beeinflusst. Dargestellt ist die temperaturbedingte Formänderung der Körper 50 zu 51 bzw. 60 zu 61 durch den veränderbaren Verlauf von deren Prallflächen 13 durchgezogen gezeichnet, kalt, als Körper 50 bzw. 60 und gestrichelt, wärmer, als Körper 51 bzw. 61.
Dies führt zu einer besseren Durchmischung des Wasserstoffs. Die Entstehung von Hotspots, also lokal heißere Gasvolumen an einzelnen Stellen des Drucktanks, wird dadurch vermieden.
Die Figur zeigt auch noch schematisch eine Befestigungseinrichtung des Drucktanks in einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug. Mittels eines linken und eines rechten Tragarms 2, 3 ist der Drucktank unter Zwischenschaltung eines Dehnungsausgleichs 5 im rechten Tragarm 3 im Kraftfahrzeug so aufgehängt, dass er im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse 15 besitzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010033623 B4 [0002]
DE 102010033956 B4 [0004]

Claims

Drucktank zur Speicherung eines Kraftstoffes unter Überdruck in flüssigem beziehungsweise gasförmigem Aggregatzustand, mit wenigstens einer, in einen Innenraum (11) des Drucktanks führenden Befüllleitung (4), wenigstens zum Befüllen des Drucktanks mit wenigstens einem Kraftstoff-Befüllstrom, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (11) des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms vorhanden ist, die diesen, abhängig von einer weiteren Einflußgröße, in, örtlich gesehen, verschiedene Drucktankbereiche lenkt.
Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einflußgröße eine Temperatur des Kraftstoff-Befüllstroms oder eine zeitliche Abhängigkeit ist.
Drucktank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Lenkung des Kraftstoff-Befüllstroms eine Vorrichtung ist, die aus wenigstens einem wenigstens teilweise beweglich im Innenraum (11) des Drucktanks befindlichen Körper (50, 51, 60, 61) besteht.
Drucktank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (50, 51, 60, 61) an der Befüllleitung (4) oder an einer Wand des Drucktanks befestigt ist.
Drucktank nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (50, 51, 60, 61) eine Prallfläche (13) bildet, auf die der Befüllstrom des einströmenden Gases nach dem Verlassen der Befüllleitung (4) auftrifft, wobei währenddessen wenigstens die Prallfläche (13) bewegbar ist.
Drucktank nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (50, 51, 60, 61) wenigstens teilweise aus Bimetall so hergestellt und zum Befüllstrom gerichtet ist, dass eine Temperaturänderung wenigstens der Prallfläche (13) wenigstens deren Anstellwinkel zum Befüllstrom verändert.
Drucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen zylindrischen Mantel mit abgerundeten Stirnseiten besitzt.
Drucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse (15) besitzt.
Drucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens aus einer wenigstens Festigkeit herstellenden Behälterwand (1) aus faserverstärktem Kunststoff mit wenigstens einer Befülleinrichtung für den zu speichernden Kraftstoff besteht, die wenigstens eine zentrisch entlang der Zylinderlängsachse (15) verlaufende Öffnung des Drucktanks und eine von dieser Öffnung ausgehende, in den Innenraum (11) des Drucktanks führende Befüllleitung (4) für den Kraftstoff umfasst.
Drucktank nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Behälterwand (1) aus wenigstens zwei Schichten besteht, aus einer wenigstens Dichtigkeit gewährleistenden Innenschicht und aus der wenigstens Festigkeit gewährleistenden Behälterwand aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere CFK, als Außenschicht.
Drucktank nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Behälterwandschicht, eine Super-Isolationsschicht, in der Vakuum vorliegt, sowie eine dieses Vakuum einschließende Außenhülle, die Behälterwand aus faserverstärktem Kunststoff umgibt.
Drucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Speicher für ein Betriebsmittel in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist.