DE102015218232A1 - Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Temperatursensor im Absperrventil - Google Patents

Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Temperatursensor im Absperrventil Download PDF

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie umfasst ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug. Es umfasst einen Druckbehälter zur Speicherung eines Brennstoffs und ein Absperrventil. Das Absperrventil ist ausgebildet, den Durchfluss an Brennstoff zwischen dem Druckbehälter und einem Brennstoffverbraucher und/oder einer Betankungseinrichtung zu regulieren. Das Absperrventil umfasst einen Temperatursensor Th, wobei der Temperatursensor Th einen Messwert erfasst, der die Temperatur des Brennstoffs repräsentiert.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Temperatursensor im Absperrventil. Druckbehältersysteme mit einem Hochdruckgasbehälter oder mit einem kryogenen Druckbehälter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solcher kryogener Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z.B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff bzw. Brennstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z.B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
  • Aus der WO2014/060178 A1 ist ein Messfühler eines Temperatursensors bekannt, der die Temperatur des Behälterverschlusses als Referenz-Temperatur für die Temperatur des im Innenbehälter befindlichen Mediums möglichst fehlerfrei ermitteln kann. Es ist dabei vorgesehen, dass der Messfühler mittels eines figürlich nicht dargestellten Anpresselements, welches sich anderenends an einem Verschlussstopfen abstützt, gegen den Behälterverschluss gedrückt wird. Dieses Anpresselement kann durch eine geeignet gestaltete Leitung oder durch ein eigenständiges Federelement oder ähnliches gebildet sein.
  • Ferner offenbart die EP2339681 B1 ein Absperrventil eines kryogenen Druckbehältersystems.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug. Es umfasst einen Druckbehälter zur Speicherung eines Brennstoffs.
  • Das hier offenbarte Druckbehältersystem umfasst ferner ein (Behälter)Absperrventil. Das Absperrventil, auch shut-off-valve genannt, ist ausgebildet, den Durchfluss an Brennstoff zwischen dem Druckbehälter und einem Brennstoffverbraucher und/oder einer Betankungseinrichtung zu regulieren. In der Regel ist es als stromlos geschlossenes Ventil ausgebildet. Insbesondere kann das Absperrventil direkt an einem Ende des Druckbehälters vorgesehen sein. Insbesondere ist das Ventil bzw. Teile davon direkt mit der Druckbehälteröffnung verbunden. In der Regel ist das Absperrventil das erste Ventil, welches stromab vom Druck(innen)behälter angeordnet ist. Das Absperrventil ist ausgebildet, den Druckbehälter gegenüber sämtliche stromab angeordnete Bereichen abzusperren, die im Betrieb den Brennstoff führen.
  • Das Absperrventil umfasst einen Temperatursensor zur direkten oder indirekten Bestimmung der Temperatur des Brennstoffs. Der Temperatursensor erfasst einen Messwert, der die Temperatur des Brennstoffs repräsentiert. Mit anderen Worten misst der Temperatursensor eine Größe, aus der eine Regel- bzw. Steuereinheit dann die Temperatur des Brennstoffs im Absperrventil und gegebenenfalls auch im Druckbehälter berechnet.
  • Der Temperatursensor kann derart angeordnet sein, dass der Temperatursensor im eingebauten Zustand zumindest bereichsweise den durch das Absperrventil fließenden Brennstoff kontaktiert. Alternativ kann der Temperatursensor auch gekapselt sein. Beispielsweise können etwaige Temperaturabweichungen zwischen der Brennstofftemperatur und der Temperatur an der gekapselten Messstelle des Absperrventils durch Korrekturfaktoren kompensiert werden.
  • Der Temperatursensor ist zweckmäßig im Inneren des Gehäuses des Absperrventils angeordnet. Mit anderen Worten ist der Temperatursensor in einer solchen Ausgestaltung nicht auf der Außenseite des Absperrventils angeordnet. Somit lässt sich vorteilhaft die Temperatur des Brennstoffs in der Befüll-und Entnahmeleitung (nachstehend: BEL) genauer bestimmen.
  • Das Absperrventil kann einen Kolben zum Öffnen bzw. Schließen des Absperrventils umfassen. Vorteilhaft ist der Temperatursensor im Kolben angeordnet und besonders bevorzugt durch den Kolben herausgeführt. Besonders bevorzugt wird der Temperatursensor zumindest bereichsweise vom Brennstoff umströmt.
  • Der Temperatursensor kann mindestens eine Sensorleitung aufweisen. Zweckmäßig umfasst das Absperrventil mindestens eine Kolbenstange, die mit dem Kolben verbunden ist und diesen zwischen eine offene Stellung und einer geschlossenen Stellung verschieben kann. Die Sensorleitung kann durch die Kolbenstange geführt sein. Zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse des Absperrventils ist zweckmäßig eine Kolbendichtung angeordnet. Bei einer solchen Ausgestaltung können die Sensorleitungen aus dem Absperrventil herausgeführt werden, ohne dass weitere Dichtungen benötigt werden. Dies kann die Herstellungskosten reduzieren und die Brennstoffdichtigkeit erhöhen.
  • Der Druckbehälter eines solchen Druckbehältersystems kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein.
  • Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem Druck von über ca. 350 barü, ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern.
  • Ein kryogener Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i.d.R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 350 barü, bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum bzw. einen evakuierten Raum V mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig. Ein solcher kryogener Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter und einen Außenbehälter. Im Innenbehälter ist der Brennstoff gespeichert. Der Außenbehälter schließt den Druckbehälter nach außen hin ab. Zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter ist zumindest bereichsweise der evakuierte (Zwischen)Raum V angeordnet. Dieser Raum V ist zum größten Teil evakuiert. Der evakuierte Raum V stellt eine besonders gute Wärmeisolierung dar. Das Absperrventil ist ausgebildet, Brenngase abzusperren, das die in diesem Absatz genannte Temperatur und den in diesem Absatz genannten Druck aufweist.
  • Insbesondere kann der Aufbau und die Anordnung des hier offenbarten Druckbehältersystems genauso sein wie in der EP 2 339 681 B1 . Die Offenbarung der EP 2 339 681 B1
    • a) bezüglich des Aufbaus des Absperrventils (insbesondere der elektromagnetischer Aktuator 14 (Ansprüche 1 bis 5; 1), die mechanische Koppelung des Aktuators 14 an den Ventilkolben 4 / Ventilsitz 5 durch die Koppelstange 7 samt Isolierstücken 10, 35 und Ventilgehäuse 2 (vgl. 1; Absätze [0022] bis [0031]) und das Dichtungskonzept auf der Aktuatorseite mittels den Dichtungen 50, 51 (vgl. 1; Absätze [0022] bis [0031])); sowie
    • b) bezüglich der Anordnung des Absperrventils im Drucktanksystem (vgl. 1 bis 4)
  • wird hiermit durch Verweis hier mit in diese Anmeldung aufgenommen und ist Bestandteil der hier offenbarten Technologie. Bevorzugt ist die die dort gezeigte Einheit aus Kolbenstange und Kolben einteilig ausgebildet.
  • Insbesondere kann also
    • i) die hier offenbarte Koppelstange 82 (siehe unten),
    • ii) der hier offenbarte Kolben 84 (siehe unten), und
    • iii) das hier offenbarte Gehäuse
    so ausgeführt sein wie in der EP 2 339 681 B1 , wobei zweckmäßig Sensorleitungen zumindest bereichsweise durch die dort gezeigte Koppelstange verlaufen, die mit einen im Kolben angeordneten Temperatursensor verbunden sind. Vorteilhaft ist die Kolbenstange als Wärmeabbaustrecke ausgebildet.
  • Der Temperatursensor bzw. das Absperrventil kann im Außenbereich U angeordnet sein, der besonders bevorzugt direkt an der Stelle angeordnet ist, in der die BEL aus dem evakuierten Raum V bzw. aus den Außenbehälter austritt. Der Temperatursensor ist also bevorzugt nicht im schwer zugänglichen evakuierten Raum V (= Primärvakuum) angeordnet. Bevorzugt ist der Temperatursensor bzw. das Absperrventil gegenüber der Umgebung wärmeisoliert ausgebildet bzw. von einer Wärmeisolation umgeben. Die Wärmeisolation ist dabei kein Bestandteil des evakuierten Raumes V. Das Absperrventil könnte bevorzugt auch außerhalb des Außenbehälters und unmittelbar benachbart bzw. angrenzend zum Außenbehälter vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist das Absperrventil bzw. der Temperatursensor in einem weiteren Vakuum bzw. Sekundärvakuum angeordnet. Mit anderen Worten kann die Wärmeisolation als Sekundärvakuum ausgebildet sein.
  • Die Wärmeisolation, insbesondere das Sekundärvakuum, kann als reversibel wiederverschließbare Wärmeisolation ausgebildet sein, insbesondere derart, dass dabei der evakuierte Raum V zwischen Innenbehälter und Außenbehälter nicht erneut evakuiert werden muss. Dazu kann beispielsweise der evakuierte Raum V separat vom Sekundärvakuum ausgebildet sein.
  • Bevorzugt wird zur Innenbehältertemperaturbestimmung die Temperatur des zu- und/oder abgeführten Brennstoffs an der BEL bestimmt. Über eine Modellbildung kann dann die Behälterinnentemperatur ermittelt bzw. approximiert werden, wobei zweckmäßig der Temperatureintrag in den Innenbehälter berücksichtigt wird. Der Temperatureintrag und die Isolationsgüte können nach vorbekannten Methoden, wie sie beispielsweise in der hiermit durch Bezug mit aufgenommenen deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 102015203702 gezeigt sind. Unter Berücksichtigung weiterer Parameter, wie beispielsweise dem Innenbehälterdruck, kann dann die Füllmasse des Innenbehälters bestimmt werden.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der sehr schematischen 1 erläutert.
  • In der 1 ist ein kryogener Druckbehälter 40 gezeigt, der hier über zwei Aufhängungen 50 an der Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) befestigt ist. Der Druckbehälter 40 umfasst einen Innenbehälter 10 und einen Außenbehälter 30. Der Innenbehälter 10 ist im Inneren des Außenbehälters 30 angeordnet. Zwischen dem Innenbehälter 10 und dem Außenbehälter 30 ist ein evakuierter Raum V angeordnet. Der Innenbehälter 10 ist hier nur an seinen beiden Enden mit dem Außenbehälter 30 verbunden. Die BEL 60 verbindet das Innere des Innenbehälters 10 mit der Umgebung. Insbesondere verzweigt sich die BEL in einen Strömungspfad zu einem Brennstoffverbraucher (z.B. einer Brennstoffzelle oder einer Brennkraftmaschine) und einen Strömungspfad zu einer Betankungsschnittstelle (Verzweigung nicht gezeigt). Der Temperatursensor Th und das Absperrventil 80 sind hier in der Wärmeisolation 70 angeordnet, die hier als Sekundärvakuum 70 ausgebildet ist. Bevorzugt kann das Absperrventil 80 samt Temperatursensor Th unmittelbar am Ausgang des Außenbehälters 30 angeordnet sein. Alternativ kann der Temperatursensor Th auch in einem Abstand zum Primärvakuumausgang im Sekundärvakuum 70 angeordnet sein, wobei der Abstand zweckmäßig so gewählt ist, dass der in der Zuleitung zum Vakuumausgang stattfindende Wärmeeintrag die Bestimmung der Innenbehältertemperatur nicht oder nur in einem vernachlässigbarem Umfang beeinflusst. Das Absperrventil 80 umfasst eine Kolbenstange 82, die aus dem Sekundärvakuum 70 herausgeführt ist. Innerhalb dieser Kolbenstange 82 sind die Sensorleitungen (nicht dargestellt) angeordnet, die den im Kolben 84 angeordneten Temperatursensor Th mit einer nicht dargestellten Regel- bzw. Steuereinheit verbinden. Vorteilhaft kann mit dieser Lösung auf einfache Art und Weise die Temperatur des Brennstoffs ermittelt werden. Der Temperatursensor kann vergleichsweise einfach ausgetauscht werden, ohne dass dazu das Primärvakuum gebrochen werden muss. Ferner lässt sich bei der hier gezeigten Ausführung das Herausführen der Sensorleitungen ohne zusätzliche Dichtungen erzielen.
  • Das Risiko für Undichtigkeiten bei der Durchführung der Sensorkabel ist deutlich verringert bzw. eliminiert. Da der Druckbehälter sowieso über ein Ventil abgesperrt werden muss, kann im Absperrventil bzw. in dessen Ventilkörper ein Temperatursensor integriert werden. Da vom Ventilkörper zur Umgebung sowieso schon eine Dichtungsstelle existiert, kann diese mitgenutzt werden. Die Temperaturmessung an der Stelle ist im Falle einer Entnahme aus dem Druckbehälter die genaueste Stelle zur Bestimmung der Brennstoff-Temperatur, da dort das Medium in jedem Fall vorbeiströmt. Für die Befüllung kann die Temperaturbestimmung über ein Modell erfolgen. Der Temperatursensor kann beispielsweise über den Tausch des Ventilsitzes getauscht werden, was für den Servicefall zu berücksichtigen wäre.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Auch wenn in der 1 ein kryogenes Druckbehältersystem gezeigt ist, ist die Lehre der hier offenbarten Technologie gleichsam auf einen Hochdruckgasbehälter anwendbar. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1546601 B1 [0001]
    • WO 2014/060178 A1 [0002]
    • EP 2339681 B1 [0003, 0015, 0015, 0017, 0017, 0017, 0017]
    • DE 102015203702 [0020]

Claims (8)

  1. Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend: – einen Druckbehälter (40) zur Speicherung eines Brennstoffs; und – ein Absperrventil (80), wobei das Absperrventil (80) ausgebildet ist, den Durchfluss an Brennstoff zwischen dem Druckbehälter (40) und einem Brennstoffverbraucher und/oder einer Betankungseinrichtung zu regulieren; dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (80) einen Temperatursensor (Th) umfasst, wobei der Temperatursensor (Th) einen Messwert erfasst, der die Temperatur des Brennstoffs repräsentiert.
  2. Druckbehältersystem nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (Th) derart angeordnet ist, dass der Temperatursensor (Th) im eingebauten Zustand zumindest bereichsweise den Brennstoff kontaktiert.
  3. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Temperatursensor (Th) im Inneren eines Gehäuses des Absperrventils angeordnet ist.
  4. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Absperrventil einen Kolben (84) umfasst, und wobei der Temperatursensor (Th) im Kolben (84) angeordnet ist.
  5. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Temperatursensor (Th) mindestens eine Sensorleitung aufweist, wobei das Absperrventil mindestens eine Kolbenstange (82) aufweist, und wobei die Sensorleitung durch die Kolbenstange (82) geführt ist.
  6. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Druckbehälter (40) aufweist: einen Innenbehälter (10) und einen Außenbehälter (30), wobei zwischen dem Innenbehälter (10) und dem Außenbehälter (30) zumindest bereichsweise ein evakuierter Raum (V) angeordnet ist; – einen außerhalb des Außenbehälters (30) angeordneten Außenbereich (U); wobei der Temperatursensor (Th) im Außenbereich (U) angeordnet ist.
  7. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Temperatursensor (Th) außerhalb des Außenbehälters (30) unmittelbar benachbart zum Außenbehälter (30) vorgesehen ist.
  8. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Temperatursensor (Th) in einem Sekundärvakuum (70) vorgesehen ist.
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