DE102014213762A1

DE102014213762A1 - Tankeinrichtung, insbesondere in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014213762A1
Application number: DE102014213762.4A
Authority: DE
Inventors: Julius Basler; Andreas Pelger; Thomas Gruber; Hans-Ulrich Stahl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-02-18
Also published as: WO2016008741A1; US20170057340A1; US10967731B2; CN106232406A; CN106232406B; EP3169544A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankeinrichtung (10), insbesondere in einem Fahrzeug, mit einem Drucktank (12) zur Speicherung von Kraftstoff (14) und einer Kraftstoffleitung (16) zum Befüllen des Drucktanks (12), die sich von außerhalb des Drucktanks (12) durch eine Tanköffnung (18) bis zu einem freien Leitungsende (20) im Inneren des Drucktanks (12) erstreckt, wobei die Kraftstoffleitung (16) im Drucktank (12) wenigstens einen Leitungsauslass (28) aufweist, durch den Kraftstoff (14) aus der Kraftstoffleitung (16) in den Drucktank (12) strömen kann, und wobei die Kraftstoffleitung (16) zwischen der Tanköffnung (18) und dem freien Leitungsende (20) einen derart flexiblen Leitungsabschnitt (26) aufweist, dass sich der flexible Leitungsabschnitt (26) beim Befüllen des Drucktanks (12) bewegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tankeinrichtung, insbesondere in einem Fahrzeug, mit einem Drucktank zur Speicherung von Kraftstoff und einer Kraftstoffleitung zum Befüllen des Drucktanks, welche sich von außerhalb des Drucktanks durch eine Tanköffnung bis zu einem freien Leitungsende im Inneren des Drucktanks erstreckt, wobei die Kraftstoffleitung im Drucktank wenigstens einen Leitungsauslass aufweist, durch den Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung in den Drucktank strömen kann.
Derartige Tankeinrichtungen mit Drucktank kommen insbesondere bei Fahrzeugen zum Einsatz, welche mit gasförmigen Kraftstoffen wie Wasserstoff oder Erdgas angetrieben werden. Die Betankung wird in der Regel mit einem hohen Befülldruck durchgeführt, um die Betankungsdauer gering zu halten. Üblicherweise sind die Drucktanks als langgestreckte Zylinder ausgebildet und werden stirnseitig über eine Kraftstoffleitung betankt. Insbesondere bei sehr langen, zylindrischen Drucktanks mit geringem Zylinderquerschnitt entsteht in diesem Fall nur eine geringe Kraftstoffdurchmischung und die Befüllung des Drucktanks erfolgt im Wesentlichen axial geschichtet von „hinten nach vorne”. Dabei können sogenannte „Hotspots”, das heißt lokale Ansammlungen von durch Kompression stark erhitzten Gasvolumina entstehen.
Die Tankwand des Drucktanks wird aufgrund dieser Hotspots ungleichmäßig erwärmt, woraus punktuelle Überhitzungen und lokale Temperaturspannungen resultieren, welche schließlich zu einer Schädigung der Tankwand sowie einer verringerten Lebensdauer des Drucktanks führen können.
Infolge dieser bei der Betankung auftretenden Temperaturunterschiede im Drucktank sowie der üblicherweise temperaturabhängigen Berechnung des Füllstands, kann es außerdem zu einer unvollständigen Befüllung oder sogar einer unerwünschten Überfüllung des Drucktanks kommen.
Zur Lösung der obengenannten Probleme ist natürlich denkbar, das Fahrzeug langsamer zu betanken und auf einen entsprechenden Temperaturausgleich zu warten. Dies würde jedoch zu einer erheblich verlängerten Tankdauer führen und dementsprechend beim Nutzer des Fahrzeugs auf wenig Akzeptanz stoßen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Tankeinrichtung in einem Fahrzeug zu schaffen, die eine rasche Betankung bei guter Gasdurchmischung und gleichmäßiger Temperaturverteilung im Drucktank ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Tankeinrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Kraftstoffleitung zwischen der Tanköffnung und dem freien Leitungsende einen derart flexiblen Leitungsabschnitt aufweist, dass sich der flexible Leitungsabschnitt beim Befüllen des Drucktanks bewegt. Diese Dynamik der Kraftstoffleitung innerhalb des Drucktanks führt bei der Befüllung des Drucktanks zu einer erheblich verbesserten Durchmischung des Kraftstoffs und damit zu einer besonders gleichmäßigen Temperaturverteilung im Drucktank. Unerwünschte „Hotspots” sowie deren negative Begleiterscheinungen werden auf diese Weise einfach und preiswert verhindert.
In einer Ausführungsform der Tankeinrichtung ist am Rand der Tanköffnung ein festes Lager für die Kraftstoffleitung ausgebildet, wobei sich die Kraftstoffleitung ausgehend von diesem Lager ungestützt, das heißt ohne weitere Befestigung oder Lagerung, in den Drucktank erstreckt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Kraftstoffleitung an diesem Lager fest eingespannt ist und frei in den Drucktank auskragt.
Der flexible Leitungsabschnitt weist bevorzugt das freie Leitungsende und wenigstens einen Leitungsauslass auf. Somit erzeugt der in den Drucktank ausströmende Kraftstoff einen Impuls, der den flexiblen Leitungsabschnitt in Bewegung setzt.
Aufgrund des geringen Herstellungs- und Montageaufwands ist der flexible Leitungsabschnitt vorzugsweise durch ein Schlauchstück gebildet.
Der flexible Leitungsabschnitt erstreckt sich gemäß einer Ausführungsform der Tankeinrichtung von der Tanköffnung bis zum Leitungsende.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist die Kraftstoffleitung einen im Wesentlichen starren Leitungsabschnitt auf, der sich von außerhalb des Drucktanks durch die Tanköffnung bis zu einer Kopplungsstelle erstreckt, an welcher der flexible Leitungsabschnitt angeschlossen ist.
Der flexible Leitungsabschnitt erstreckt sich in dieser Ausführungsform der Tankeinrichtung vorzugsweise von der Kopplungsstelle bis zum Leitungsende.
Vorzugsweise ist der Drucktank ein im Wesentlichen zylindrischer Drucktank, wobei die Tanköffnung an einer Stirnseite des Drucktanks vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist der Drucktank ein kreiszylindrisch ausgebildet und weist ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von wenigstens 3:1, insbesondere wenigstens 5:1 auf.
Bevorzugt ist die Tanköffnung an der Stirnseite des Drucktanks im Wesentlichen mittig angeordnet, wobei sich insbesondere eine Längsachse des Drucktanks durch die Tanköffnung erstrecken kann. Infolge dieser weitgehend mittigen Tanköffnung ist die Bewegungsfreiheit des flexiblen Leitungsabschnitts in radialer Richtung nicht eingeschränkt, sodass sich eine besonders gute Durchmischung und gleichmäßige Temperaturverteilung des Kraftstoffs im Drucktank einstellen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Tankeinrichtung ist am flexiblen Leitungsabschnitt ein elastischer Prallkörper befestigt, der in Kontakt mit einer Tankwand des Drucktanks gelangen kann. Dieser elastische Prallkörper ist beispielsweise nach Art eines Gummiballs ausgebildet und sorgt beim Anprall an die Tankwand für einen zusätzlichen Impuls und damit eine noch dynamischere Bewegung des flexiblen Leitungsabschnitts. Je dynamischer sich der flexible Leitungsabschnitt im Drucktank bewegt, desto besser durchmischt sich der Kraftstoff beim Befüllen des Drucktanks und desto gleichmäßiger ist die Temperaturverteilung innerhalb des Drucktanks.
Bevorzugt ist der elastische Prallkörper in dieser Ausführungsform der Tankeinrichtung am freien Leitungsende der Kraftstoffleitung befestigt. Auf diese Weise gelangt der Prallkörper besonders einfach in Kontakt mit der Tankwand und kann dementsprechend für eine besonders hohe Dynamik des flexiblen Leitungsabschnitts beim Befüllen des Drucktanks sorgen.
Vorzugsweise umschließt der elastische Prallkörper die Kraftstoffleitung, sodass der Impuls des Prallkörpers weitgehend unabhängig von der Anprallrichtung ist. Ferner kann der elastische Prallkörper verhindern, dass das freie Leitungsende an der Tankwand anschlägt und diese unter Umständen beschädigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Tankeinrichtung ist der Drucktank ein Wasserstofftank zur Speicherung von Wasserstoff. Als Kraftstoff können neben Wasserstoff jedoch auch andere, insbesondere gasförmige Kraftstoffe wie Erdgas zum Einsatz kommen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Skizze der erfindungsgemäßen Tankeinrichtung in einem Fahrzeug, und
2 einen schematischen Detailausschnitt II der Tankeinrichtung gemäß 1.
Die 1 zeigt eine Tankeinrichtung 10 in einem Fahrzeug, welche einen Drucktank 12 zum Speichern von Kraftstoff 14 und eine Kraftstoffleitung 16 zum Befüllen des Drucktanks 12 aufweist, wobei sich die Kraftstoffleitung 16 von außerhalb des Drucktanks 12 durch eine Tanköffnung 18 bis zu einem freien Leitungsende 20 im Inneren des Drucktanks 12 erstreckt.
Der Drucktank 12 ist im vorliegenden Fall ein zylindrischer, insbesondere kreiszylindrischer Drucktank 12 mit einer Längsachse A, wobei die Tanköffnung 18 an einer Stirnseite 22 des Drucktanks 12 vorgesehen ist.
Als Kraftstofftanks in Fahrzeugen kommen zumeist langgestreckte Drucktanks 12 zum Einsatz, deren Länge L erheblich größer ist als ihr Durchmesser D. Die im Rahmen dieser Anmeldung beschriebene Tankeinrichtung 10 hat sich insbesondere bei Drucktanks 12 mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von L:D > 3:1 als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei das Länge/Durchmesser-Verhältnis gemäß 1 bei L:D ≈ 5:1 liegt.
Zur Befestigung des Drucktanks 12 im Fahrzeug sind gemäß 1 zwei stirnseitige Tanklager 24 angedeutet, durch die der Drucktank 12 fest mit einer Karosserie des Fahrzeugs verbunden ist.
Als Kraftstoff 14 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel der Tankeinrichtung 10 Wasserstoff verwendet, sodass der Drucktank 12 ein Wasserstofftank zur Speicherung von Wasserstoff ist. Alternativ ist jedoch auch die Verwendung anderer, insbesondere gasförmiger Kraftstoffe 14 wie z. B. Erdgas denkbar.
Die 2 zeigt einen Detailausschnitt II der Tankeinrichtung 10 gemäß 1 im Bereich der Kraftstoffleitung 16.
Dabei wird deutlich, dass die Kraftstoffleitung 16 zwischen der Tanköffnung 18 und dem freien Leitungsende 20 einen flexiblen Leitungsabschnitt 26 aufweist, wobei sich dieser Leitungsabschnitt 26 aufgrund seiner Flexibilität beim Befüllen des Drucktanks 12 mit Kraftstoff 14 bewegt.
Aufgrund der Bewegung des flexiblen Leitungsabschnitts 26 entsteht beim Befüllen des Drucktanks 12 eine gute Kraftstoffdurchmischung, sodass sich im Drucktank 12 eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt und lokale Temperaturspitzen (sogenannte „Hotspots”) vermieden werden.
Die Kraftstoffleitung 16 weist im Drucktank 12 wenigstens einen Leitungsauslass 28 auf, durch welchen Kraftstoff 14 aus der Kraftstoffleitung 16 in den Drucktank 12 strömen kann. Gemäß 2 weist der flexible Leitungsabschnitt 26 sowohl das Leitungsende 20 als auch zwei Leitungsauslässe 28 auf, wobei ein Leitungsauslass 28 unmittelbar am axialen Leitungsende 20 und der andere Leitungsauslass 28 in der Umfangswand des flexiblen Leitungsabschnitts 26 vorgesehen ist. Der Leitungsauslass 28 in der Umfangswand sorgt dabei für eine besonders hohe Dynamik des flexiblen Leitungsabschnitts 26 beim Befüllen des Drucktanks 12 mit Kraftstoff 14.
Die Kraftstoffdurchmischung im Drucktank 12 resultiert dabei einerseits unmittelbar aus der Bewegung des flexiblen Leitungsabschnitts 26, durch die im Drucktank 12 befindlicher Kraftstoff 14 verwirbelt wird, sowie andererseits aus einer permanenten Positionsänderung des Leitungsauslasses 28 und einer damit einhergehenden, permanenten Änderung der Ausströmrichtung des Kraftstoffs 14 in den Drucktank 12.
Am Rand der Tanköffnung 18 ist ein festes Lager 30 für die Kraftstoffleitung 16 ausgebildet, wobei sich die Kraftstoffleitung 16 ausgehend von diesem festen Lager 30 ungestützt, das heißt ohne weitere Befestigung oder Lagerung am Drucktank 12, in den Drucktank 12 erstreckt. Die Kraftstoffleitung 16 ist somit am Lager 30 fest eingespannt und kragt frei in den Drucktank 12 aus.
Dabei weist die Kraftstoffleitung 16 einen im Wesentlichen starren Leitungsabschnitt 32 auf, der sich von außerhalb des Drucktanks 12 durch die Tanköffnung 18 bis zu einer Kopplungsstelle 34 erstreckt, an welcher der flexible Leitungsabschnitt 26 angeschlossen ist. Im vorliegenden Fall erstreckt sich der flexible Leitungsabschnitt 26 von dieser Kopplungsstelle 34 bis zum freien Leitungsende 20 der Kraftstoffleitung 16.
Gemäß 2 ist der flexible Leitungsabschnitt 26 durch ein Schlauchstück gebildet, welches auf ein axiales Ende 36 des starren Leitungsabschnitts 32 gesteckt und mit einem Klemmring 38 am starren Leitungsabschnitt 32 befestigt ist.
Gemäß einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsvariante wäre auch denkbar, dass sich der flexible Leitungsabschnitt 26 unmittelbar von der Tanköffnung 18 bis zum freien Leitungsende 20 erstreckt, sodass die Kopplungsstelle 34 direkt am festen Lager 30 der Kraftstoffleitung 16 ausgebildet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Tankeinrichtung 10 ist die Tanköffnung 18 an der Stirnseite 22 des Drucktanks 12 mittig angeordnet, sodass sich die Längsachse A des zylindrischen Drucktanks 12 durch die Tanköffnung 18 erstreckt. Aufgrund dieser mittigen Anordnung weist der flexible Leitungsabschnitt 26 bzw. das freie Leitungsende 20 der Kraftstoffleitung 16 eine große Bewegungsfreiheit in radialer Richtung auf.
Um die Dynamik des flexiblen Leitungsabschnitts 26 zu erhöhen, ist gemäß 2 am flexiblen Leitungsabschnitt 26, konkret am freien Leitungsende 20 der Kraftstoffleitung 16, ein elastischer Prallkörper 40 befestigt, der in Kontakt mit einer Tankwand 42 des Drucktanks 12 gelangen kann.
Der elastische Prallkörper 40 ist insbesondere sphärisch ausgebildet, zum Beispiel als Gummiball, und umschließt die Kraftstoffleitung 16. Auf diese Weise erhöht der elastische Prallkörper 40 nicht nur die Dynamik im flexiblen Leitungsabschnitt 26 beim Betanken des Fahrzeugs, sondern verhindert auch, dass das freie Leitungsende 20 an der Tankwand 42 des Drucktanks 12 anschlägt und diese unter Umständen beschädigt.
Beim Befüllen des Drucktanks 12 mit Kraftstoff 14 ergibt sich durch die freie, unkontrollierte Bewegung des flexiblen Leitungsabschnitts 26 eine gute Kraftstoffdurchmischung und damit eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung im Drucktank 12. Folglich verhindert die beschriebene Tankeinrichtung 10 sowohl eine aus Temperaturspannungen resultierende Beschädigung der Tankwand 42 als auch eine aus lokalen Temperaturunterschieden resultierende, unzutreffende Berechnung des Füllstands im Drucktank 12. Eine Reduktion des Befülldrucks, welche zu einer unerwünschten Verlängerung der Tankdauer führen würde, ist dabei nicht notwendig.

Claims

Tankeinrichtung, insbesondere in einem Fahrzeug, mit einem Drucktank (12) zur Speicherung von Kraftstoff (14) und einer Kraftstoffleitung (16) zum Befüllen des Drucktanks (12), welche sich von außerhalb des Drucktanks (12) durch eine Tanköffnung (18) im Drucktank (12) bis zu einem freien Leitungsende (20) im Inneren des Drucktanks (12) erstreckt, wobei die Kraftstoffleitung (16) im Drucktank (12) wenigstens einen Leitungsauslass (28) aufweist, durch den Kraftstoff (14) aus der Kraftstoffleitung (16) in den Drucktank (12) strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffleitung (16) zwischen der Tanköffnung (18) und dem freien Leitungsende (20) einen derart flexiblen Leitungsabschnitt (26) aufweist, dass sich der flexible Leitungsabschnitt (26) beim Befüllen des Drucktanks (12) bewegt.
Tankeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Rand der Tanköffnung (18) ein festes Lager (30) für die Kraftstoffleitung (16) ausgebildet ist, wobei sich die Kraftstoffleitung (16) ausgehend von diesem Lager (30) ungestützt in den Drucktank (12) erstreckt.
Tankeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Leitungsabschnitt (26) das freie Leitungsende (20) und wenigstens einen Leitungsauslass (28) aufweist.
Tankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Leitungsabschnitt (26) durch ein Schlauchstück gebildet ist.
Tankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der flexible Leitungsabschnitt (26) von der Tanköffnung (18) bis zum freien Leitungsende (20) erstreckt.
Tankeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffleitung (16) einen im Wesentlichen starren Leitungsabschnitt (32) aufweist, der sich von außerhalb des Drucktanks (12) durch die Tanköffnung (18) bis zu einer Kopplungsstelle (34) erstreckt, an welcher der flexible Leitungsabschnitt (26) angeschlossen ist.
Tankeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der flexible Leitungsabschnitt (26) von der Kopplungsstelle (34) bis zum freien Leitungsende (20) erstreckt.
Tankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (12) ein im Wesentlichen zylindrischer Drucktank (12) ist, wobei die Tanköffnung (18) an einer Stirnseite (22) des Drucktanks (12) vorgesehen ist.
Tankeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tanköffnung (18) an der Stirnseite (22) des Drucktanks (12) im Wesentlichen mittig angeordnet ist.
Tankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am flexiblen Leitungsabschnitt (26) ein elastischer Prallkörper (40) befestigt ist, der in Kontakt mit einer Tankwand (42) des Drucktanks (12) gelangen kann.
Tankeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Prallkörper (40) am freien Leitungsende (20) der Kraftstoffleitung (16) befestigt ist.
Tankeinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Prallkörper (40) die Kraftstoffleitung (16) umschließt.
Tankeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (12) ein Wasserstofftank zur Speicherung von Wasserstoff ist.