DE102014210902B4

DE102014210902B4 - Drucktank

Info

Publication number: DE102014210902B4
Application number: DE102014210902.7A
Authority: DE
Inventors: Julius Basler; Andreas Pelger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2034-06-07
Also published as: DE102014210902A1

Abstract

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, wobei im Innenraum (11) des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms vorhanden ist, die diesen, örtlich gesehen, in verschiedene Drucktankbereiche lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms ein Deckel (50) am Ende der Befüllleitung (4) ist, der so angebracht ist, dass er als zeitlich veränderliche Geometrie durch seinen sich verändernden Öffnungswinkel (52) den Kraftstoff-Befüllstrom lenkt.

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. Die Druckschrift DE 10 2007 063 630 A1 zeigt Stand der Technik.
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 dieser 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 Hotspots, muss dann die entstehende Wärme zuverlässig abgeführt werden. Die DE10 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, wobei im Innenraum des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befülllstroms vorhanden ist, die diesen, örtlich gesehen, in verschiedene Drucktankbereiche lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms ein Deckel am Ende der Befüllleitung ist, der so angebracht ist, dass er als zeitlich veränderliche Geometrie durch seinen sich verändernden Öffnungswinkel den Kraftstoff-Befüllstrom lenkt.
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.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Öffnungswinkel des Deckels in Abhängigkeit von und aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Drucktanks und der Befüllleitung variiert. Alternativ dazu kann der Öffnungswinkel des Deckels auch durch eine aktive Ansteuerung zur Strömungsbeinflussung des Kraftstoff-Befüllstroms variiert werden. Wenn dann der Öffnungswinkel des Deckels noch abhängig von einer weiteren Einflußgröße, nämlich von einer Temperatur im Innenraum des Drucktanks oder von einer Befüllungszeit variiert wird, hat das den Vorteil, dass auf einfache Weise eine bessere Gasdurchmischung im Druckbehälter erreicht und die Stratifikation reduziert wird. Durch diese Maßnahme ändert sich die Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit, wobei eine Zu- und/oder Abschaltung unterschiedlicher Strömungspfade abhängig von verschiedenen erwähnten Einflussgrößen ebenfalls denkbar ist.
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 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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 vorliegt, 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 einen in zwei verschiedenen Auslenkwinkeln, durchgezogen und gestrichelt, gezeichneten Deckel 50, 51 einer Einrichtung zur Lenkung eines Kraftstoff-Befüllstroms. Diese lenkt den Kraftstoff-Befüllstrom, örtlich gesehen, in verschiedene Drucktankbereiche, wozu der Deckel 50, 51 drehbeweglich am Ende der Befüllleitung 4 angebracht ist und so als zeitlich veränderliche Geometrie dem Kraftstoff-Befüllstrom mit sich veränderndem Öffnungswinkel im Wege steht. Angedeutet dargestellt durch einen Doppelpfeil 52 zwischen den beiden gezeichneten Einzelpositionen des Deckels 50, 51. Die jeweilige Position des Deckels 50, 51, also auch der Öffnungswinkel 52 des Deckels 50, 51 ergibt sich im Falle einer Betankung automatisch in Abhängigkeit von und aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 11 des Drucktanks und der Befüllleitung 4.
Alternativ dazu kann der Öffnungswinkel 52 des Deckels 50, 51 auch durch eine aktive Ansteuerung zur Strömungsbeinflussung des Kraftstoff-Befüllstroms variiert werden, zum Beispiel durch einen nicht gezeichneten Stellmotor nach dem Stand der Technik zwischen dem Deckel 50, 51 und der Befüllleitung 4, angesteuert von einer sich außerhalb des Drucktanks befindlichen Steuer- bzw. Regeleinrichtung. In diesem Fall ist es einfach möglich, den Öffnungswinkel 52 des Deckels 50, 51 abhängig von einer weiteren Einflußgröße, zum Beispiel von einer Temperatur im Innenraum 11 des Drucktanks oder von einer Befüllungszeit zu variieren.
Der in den Drucktank eingebrachte, am Befülllrohr 4 drehbar befestigte Deckel 50, 51, der das einströmende Gas ablenkt, verfolgt den Ansatz, eine zeitlich veränderliche Geometrie in der Strömung des Befüllstroms zu platzieren. Durch diese Maßnahme wird über eine Beeinflussung der Strömungsrichtung und -geschwindigkeit des Befüllstroms während des Betankungsvorganges.eine bessere Gasdurchmischung im Drucktank erreicht und die Stratifikation reduziert, was eine Entstehung von Hotspots, also lokal heißeren Gasvolumen an einzelnen Stellen des Drucktanks, verhindert.
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.

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, wobei im Innenraum (11) des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms vorhanden ist, die diesen, örtlich gesehen, in verschiedene Drucktankbereiche lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Lenkung des Kraftsoff-Befüllstroms ein Deckel (50) am Ende der Befüllleitung (4) ist, der so angebracht ist, dass er als zeitlich veränderliche Geometrie durch seinen sich verändernden Öffnungswinkel (52) den Kraftstoff-Befüllstrom lenkt.
Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (52) des Deckels (50) in Abhängigkeit von und aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum (11) des Drucktanks und der Befüllleitung (4) variiert.
Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (52) des Deckels (50) durch eine aktive Ansteuerung zur Strömungsbeeinflussung des Kraftstoff-Befüllstroms variiert wird.
Drucktank nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (52) des Deckels (50) abhängig von einer weiteren Einflußgröße, nämlich von einer Temperatur im Innenraum (11) des Drucktanks oder von einer Befüllungszeit variiert wird.
Drucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen zylindrischen Mantel mit abgerundeten Stirnseiten besitzt.
Drucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Betriebszustand eine horizontal verlaufende Zylinderlängsachse (15) besitzt.
Drucktank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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 7, 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 7 oder 8, 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.