DE102016107146A1 - Drucktank eines Tanksystems eines Kraftfahrzeuges mit einem mindestens einen beweglichen Leitungsabschnitt aufweisenden Befüllorgan - Google Patents

Drucktank eines Tanksystems eines Kraftfahrzeuges mit einem mindestens einen beweglichen Leitungsabschnitt aufweisenden Befüllorgan Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucktank (109) zur Speicherung eines Kraftstoffs unter Überdruck in flüssigem und/oder gasförmigen Aggregatzustand, mit wenigstens einer in einen Innenraum des Drucktanks (109) führenden Befüll-Leitung (11), über die der Drucktank (109) mit Kraftstoff befüllbar ist, wobei im Innenraum des Drucktanks (109) eine Einrichtung zur Lenkung eines Kraftstoffstrahls angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass die Befüll-Leitung (11) einen unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) mit einer Kraftstoff-Eintrittsöffnung (11-11) und einen gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) beweglichen Leitungsabschnitt (11-2) mit einer Austrittsöffnung (11-21) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drucktank zur Speicherung eines Kraftstoffs unter Überdruck in flüssigem und/oder gasförmigen Aggregatzustand mit wenigstens einer in einen Innenraum des Drucktanks führenden Befüll-Leitung, über die der Drucktank mit Kraftstoff befüllbar ist, wobei im Innenraum des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung eines Kraftstoffstrahls angeordnet ist.
  • Bei der Betankung von Kraftfahrzeugen mit Druckwasserstoff, die derzeit nach der Vorschrift SAE J2601 ausgelegt wird, wurde festgestellt, dass bei der Betankung in einem als Hochdruck-Gastank ausgeführten Gasspeicher, kurz Drucktank genannt, eine innerhalb des Drucktanks inhomogene Temperaturverteilung vorliegt.
  • Die Betankung erfolgt über eine Befüll-Leitung, wobei der Kraftstoffstrahl des Druckwasserstoffs in einem konstanten Winkel in den Drucktank einströmt. Diese Vorgehensweise sorgt nur bei einer bestimmten Einströmgeschwindigkeit für eine homogene Temperaturverteilung. Aufgrund der variablen Betankungsbedingungen ergeben sich unterschiedliche Einströmgeschwindigkeiten. Daher wird eine ungünstige Temperaturverteilung im Drucktank bewirkt, die vermieden werden soll. Es wurde sogar bei Untersuchungen zu der Temperaturverteilung im Drucktank festgestellt, dass beim Betanken durch Kompression des Wasserstoffs im Drucktank an Komponenten des Drucktanks lokale Temperaturspitzen entstehen können, die eine zulässige Auslegungstemperatur der Komponenten überschreiten. Diese Überschreitung kann mit der vorhandenen Sensorik nicht sicher erfasst werden. Als weitere zu beachtende variable Betankungsbedingungen die eine Temperaturverteilung beeinflussen können, werden ferner nur beispielsweise eine Abhängigkeit der Einströmgeschwindigkeit von einem Startdruck, einem Zieldruck, einer Druckrampe zwischen Startdruck und Zieldruck sowie eine Tankgröße genannt.
  • Aus dem Stand der Technik ist die Druckschrift DE 10 2014 210 902 A1 bekannt, die bereits eine Lösung zur Vermeidung von lokalen Temperaturspitzen bei der Betankung von Drucktanks anbietet. In der Druckschrift ist ein Drucktank zur Speicherung eines Kraftstoffs unter Überdruck in flüssigem und/oder gasförmigem Aggregatzustand vorgesehen, mit wenigstens einer in einen Innenraum des Drucktanks führenden Befüll-Leitung. Über die Befüll-Leitung erfolgt das Befüllen des Drucktanks mit wenigstens einem Kraftstoff-Befüllstrom, wobei im Innenraum des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung des Kraftstoff-Befüllstroms vorhanden ist, die diesen, örtlich gesehen, in verschiedene Drucktankbereiche lenkt, wobei die Einrichtung zur Lenkung des Kraftstoff-Befüllstroms ein Deckel am Ende der Befüll-Leitung ist, der so angebracht ist, dass er als zeitlich veränderliche Geometrie durch seinen sich verändernden Öffnungswinkel den Kraftstoff-Befüllstrom lenkt. Es wird somit eine variable Einströmung in den Drucktank durch einen Deckel realisiert, der am Ende der Befüll-Leitung im Drucktank sitzt.
  • In einer passiven Ausführungsvariante erfolgt die Steuerung des Öffnungswinkels des Deckels im Falle einer Betankung automatisch in Abhängigkeit von und aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Drucktanks und der Befüll-Leitung. In einer aktiven Ausführungsvariante wird der Deckel zur Lenkung des Fluidstroms angesteuert. Der Öffnungswinkel des Deckels kann somit durch die aktive Ansteuerung zur Strömungsbeeinflussung des Kraftstoff-Befüllstroms aktiv variiert werden. Außerdem ist der Öffnungswinkel in Abhängigkeit von einer Temperatur im Innenraum des Drucktanks oder in Abhängigkeit von einer Befüllungszeit aktiv variierbar.
  • Nachteilig ist, dass am Ende der Befüll-Leitung zur passiven oder aktiven Beeinflussung der beim Betanken entstehenden Strömungsgeometrie des Kraftstoffstrahls des Druckwasserstoffs in den Drucktank ein zusätzliches deckelartiges Element benötigt wird. Das zusätzliche deckelartige Element am Ende der Befüll-Leitung hat ferner den Nachteil, dass der Kraftstoffstrahl des Druckwasserstoffs auf das deckelartige Element aufprallt, um es zu lenken beziehungsweise umzulenken. Dabei sorgt die derart bewirkte Umlenkung über das deckelartige Element für große lokale Verwirbelungen an der Einlassöffnung am Ende der in den Drucktank ragenden Befüll-Leitung, wodurch die gezielte Beeinflussung der Strömungsgeometrie des Kraftstoffstrahls beim Betanken des Drucktanks mit Druckwasserstoff erschwert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömungsgeometrie eines Kraftstoffstrahls beim Betanken eines Drucktanks mit Druckwasserstoff auf andere die Nachteile vermeidende Weise zu beeinflussen.
  • Ausgangspunkt ist ein Drucktank zur Speicherung eines Kraftstoffs unter Überdruck in flüssigem und/oder gasförmigen Aggregatzustand, mit wenigstens einer in einen Innenraum des Drucktanks führenden Befüll-Leitung, über die der Drucktank mit Kraftstoff befüllbar ist, wobei im Innenraum des Drucktanks eine Einrichtung zur Lenkung eines Kraftstoffstrahls angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Befüll-Leitung einen unbeweglichen Leitungsabschnitt mit einer Kraftstoff-Eintrittsöffnung und einen gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt beweglichen Leitungsabschnitt mit einer Austrittsöffnung umfasst.
  • Durch die Möglichkeit der Ausrichtung des beweglichen Leitungsabschnitts gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt kann eine präzise Ausrichtung des Kraftstoffstrahls in den Drucktank-Innenraum erfolgen. Insbesondere kann gegenüber der herkömmlichen Lösung mit einem deckelartigen Element, bei der ein diffuses Strömungsbild aus mehreren undefinierten Kraftstoffstrahlen entsteht, eine präzise Ausrichtung des in den Drucktank-Innenraum eindringenden Kraftstoffstrahls erfolgen. Auf lokale Temperaturspitzen innerhalb des Drucktank-Innenraums kann somit eindeutiger und gezielter reagiert werden, worin ein vorteilhafter Effekt der Erfindung zu sehen ist. Bei der herkömmlichen Lösung mit dem deckelartigen Element sorgt das deckelartige Element am Ende der Befüll-Leitung für lokale Verwirbelungen an der Austrittsöffnung der Befüll-Leitung in den Drucktank, wodurch die gezielte Lenkung des Fluids erschwert wird. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Lösung kein deckelartiges Element benötigt, werden die lokalen Verwirbelungen vermieden und der in den Drucktank-Innenraum eintretende Kraftstoffstrahl kann in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen variiert werden, wie nachfolgend detailliert erörtert wird.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Befüll-Leitung vollständig oder teilweise in ein Befüllorgan des Drucktanks integriert ist.
  • Das Befüllorgan umfasst erfindungsgemäß zumindest den unbeweglichen und den beweglichen Leitungsabschnitt. Der unbewegliche Leitungsabschnitts ist bevorzugt als eine Art Betankungs-Ventil ausgebildet, welches ein erstes Kupplungsteil einer Schnellkupplung darstellt. Dieses erste Kupplungsteil der Schnellkupplung korrespondiert mit einem zweiten Kupplungsteil eines Pistolenstutzens einer Zapfpistole.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei einer Betankung des Drucktanks eine gasdichte Kupplung zwischen Pistolenstutzen und unbeweglichem Leitungsabschnitt des Befüllorgans.
  • Ist der bewegliche Leitungsabschnitt Teil des Betankungs-Ventiles, so sind der unbewegliche Leitungsabschnitt und der bewegliche Leitungsabschnitt integraler Bestandteil des Ventiles des Befüllorgans. Bei dieser Ausgestaltung ist das Befüllorgan besonders kompakt ausgebildet und erfordert innerhalb des Drucktank-Innenraumes nur einen geringen Bauraum.
  • In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schließt der bewegliche Leitungsabschnitt an das Betankungs-Ventil an, so dass der bewegliche Leitungsabschnitt nicht integraler Bestandteil des Betankungs-Ventiles ist. Bei dieser Ausgestaltung entstehen durch die separate Ausgestaltung des beweglichen Leitungsabschnitts Vorteile hinsichtlich der Vereinfachung der Konstruktion des Befüllorgans und eine erhöhte Variabilität hinsichtlich der Freiheitsgrade der Bewegungen des beweglichen Leitungsabschnitts gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt.
  • Bevorzugt ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der bewegliche Leitungsabschnitt gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt in wenigstens einer Raumrichtung beweglich angeordnet ist, wobei mindestens ein in mindestens einer der Raumrichtungen vorgebbarer Eintrittswinkel des Kraftstoffstrahls des Kraftstoffs variierbar ist, der als Winkel zwischen den Längsmittelachsen des unbeweglichen Leitungsabschnitts und des beweglichen Leitungsabschnitts definiert ist. Wie bereits erwähnt, ist es von besonderem Vorteil, dass der Eintrittswinkel des Kraftstoffstrahls genau einstellbar und variierbar ist, wodurch zusätzlich die Möglichkeit entsteht, dass der Eintrittswinkel des Kraftstoffstrahls über eine Betätigung mittels eines Antriebes ansteuerbar ist, wie im Beschreibungsteil näher erläutert ist. Eine solche gezielte Ansteuerung ist bei der herkömmlichen Lösung nicht möglich, wie noch verdeutlicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der mindestens eine in mindestens einer der Raumrichtungen vorgebbaren Eintrittswinkel in Abhängigkeit a) einer Lage der Längsmittelachse des unbeweglichen Leitungsabschnitts gegenüber einer Lage der Längsmittelachse des Drucktanks und/oder b) einer Größe des Drucktanks vorgegeben und variiert wird. Die Variation des Eintrittswinkels in Abhängigkeit von diesen genannten Randbedingungen erfolgt generell. Diese Parameter müssen nicht messtechnisch erfasst werden, da von vornherein bekannt ist, in welcher Lage sich die Längsmittelachse des unbeweglichen Leitungsabschnitts gegenüber der Längsmittelachse des Drucktanks befindet, so dass auch klar ist, in welcher Lage sich der bewegliche Leitungsabschnitt in einer vorgegebenen Ausgangsposition gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt beziehungsweise gegenüber den Wandungen des Drucktanks befindet.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Drucktank oder mit dem Drucktank-Innenraum in Verbindung stehende Bauteile mindestens einen Innen-Temperatursensor aufweist/aufweisen.
  • Mindestens ein Innen-Temperatursensor wird an exponierter Stelle im Drucktank-Innenraum angeordnet, um Temperaturspitzen zu ermitteln. Ist durch die geometrische Ausgestaltung des Drucktanks zu erwarten, dass mehrere Bereiche im Drucktank-Innenraum hinsichtlich entstehender Temperaturspitzen gefährdet sind, so werden vorzugsweise mehrere-Temperatursensoren im gefährdeten Bereichen angeordnet, die in den gefährdeten Bereichen die jeweiligen Temperaturen im Drucktank-Innenraum ermitteln können.
  • Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Drucktank oder mit dem Drucktank-Innenraum in Verbindung stehende Bauteile mindestens einen Innen-Drucksensor aufweist/aufweisen.
  • Durch die Anordnung eines Innen-Drucksensors zur Ermittlung des Innendruckes des Drucktank-Innenraumes ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der mindestens eine in mindestens einer der Raumrichtungen vorgebbare Eintrittswinkel in Abhängigkeit c) von einem im Drucktank herrschenden Startdruck und/oder d) von einem im Drucktank herrschenden Zieldruck und/oder e) einer Druckrampe im Drucktank zwischen Startdruck und Zieldruck und/oder f) einer Starttemperatur im Drucktank vorgegeben und variiert wird. Über die Auswertung der Druckrampe ist es außerdem möglich, die Einströmgeschwindigkeit des Kraftstoffs zu ermitteln, so dass g) auch in Abhängigkeit der Einströmgeschwindigkeit eine Variation des vorgebbaren Eintrittswinkels möglich ist. Ein separates Messgerät zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs kann somit entfallen, wobei eine Anordnung eines solchen Geschwindigkeits-Messgerätes durch die Erfindung nicht ausgeschlossen wird. Es wird deutlich, dass eine Ansteuerung und Ausrichtung des beweglichen Leitungsabschnitts und damit des Kraftstoffstrahls innerhalb des Drucktank-Innenraums in vorteilhafter Weise unter Berücksichtigung mindestens einer der Randbedingungen wesentlich präziser möglich ist als bisher.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der mindestens eine in mindestens einer der Raumrichtungen vorgebbare Eintrittswinkel vor dem Betankungsvorgang oder während eines Betankungsvorganges variierbar ist, wobei im Anwendungsfall der Variation während des Betankungsvorganges vorgesehen ist, dass der Eintrittswinkel während des Betankungsvorganges diskontinuierlich oder kontinuierlich variiert wird.
  • In einigen Anwendungsfällen reicht es beispielsweise aus, dass der Eintrittswinkel vor dem Betankungsvorgang festgelegt und variiert wird. Der Eintrittswinkel braucht dann gegebenenfalls während des Betankungsvorgangs nicht mehr verändert zu werden.
  • In anderen Anwendungsfällen wird der Eintrittswinkel erst nach Beginn des Betankungsvorganges diskontinuierlich oder kontinuierlich in Abhängigkeit der Randbedingungen verändert.
  • Schließlich gibt es Anwendungsfälle, bei denen der Eintrittswinkel vor dem Betankungsvorgang variabel eingestellt wird und auch während des Betankungsvorganges diskontinuierlich oder kontinuierlich verändert wird.
  • Ausschlaggebend sind dabei die genannten Randbedingungen a) bis g), wobei ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass es sich hier nur um eine beispielhafte Nennung von Randbedingungen handelt. Die Aufnahme von weiteren Randbedingungen in den Variationsmodus zur Ansteuerung des beweglichen Leitungsabschnitts gegenüber dem beweglichen Leitungsabschnitt ist in vorteilhafter Weise möglich.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, zwischen dem unbeweglichen Leitungsabschnitt und dem beweglichen Leitungsabschnitt ein Gelenk mit einer Durchgangsöffnung als Durchgang für den Kraftstoff anzuordnen, so dass der Kraftstoff über die Eintrittsöffnung des unbeweglichen Abschnitts durch den unbeweglichen Abschnitt, anschließend durch die Durchgangsöffnung des Gelenkes, und anschließend durch den beweglichen Abschnitt zur Austrittsöffnung des beweglichen Abschnitts in den Drucktank strömt. Ein Ausführungsbeispiel mit einem Gelenk, welches beispielsweise als kugelförmiger Gelenkkörper ausgebildet ist, ist im Beschreibungsteil detailliert erläutert.
  • Ferner ist im Beschreibungsteil detailliert erläutert, dass sich der Drucktank dadurch auszeichnet, dass das Gelenk mittels mindestens einem Zahnriemenantrieb oder mindestens einem Zahnradgetriebe angetrieben wird, wodurch die Bewegung des beweglichen Leitungsabschnitts gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt in mindestens einer der Raumrichtungen bewirkt wird. Die im Beschreibungsteil erläuterte Ausgestaltung betrifft eine eindimensionale Bewegung des beweglichen Leitungsabschnitts gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt mittels eines kugelförmigen Gelenkkörpers zwischen den beiden Leitungsabschnitten über einen Zahnriemenantrieb.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Tanksystem, welches mindestens einen über mindestens ein Befüllorgan mit einem Kraftstoff befüllbaren Drucktank und mindestens einen Verbraucher umfasst,
  • 2 eine schnittartige Seitenansicht des Drucktanks und des zugehörigen Befüllorgans in einer y/z-Schnittebene,
  • 3 eine schnittartige Seitenansicht des Befüllorgans in der y/z-Schnittebene, analog zu der y/z-Schnittebene der 2,
  • 4 eine gegenüber der 3 um 90° um die Y-Achse des Befüllorgans gedrehte schnittartige Draufsicht auf das Befüllorgan in x/y-Schnittebene, und
  • 5 eine schnittartige Seitenansicht eines Aufnahmeelementes des Befüllorgans in einer y/z-Schnittebene, analog zu einer der y/z-Schnittebenen der 3.
  • 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100 mit einem in 1 hinter einer Tankklappe 101 liegenden Befüllorgan 10 (vergleiche 2). Das Befüllorgan 10 weist eine verschließbare Öffnung auf, die den Zugang zu einem Drucktank 109 ermöglicht.
  • Das Befüllorgan 10 und der Drucktank 109 eignen sich zur Speicherung eines Kraftstoffs in flüssigem beziehungsweise gasförmigem Aggregatzustand.
  • Das Befüllorgan 10 und der Drucktank 109 eignen sich besonders für einen Einbau in das Kraftfahrzeug 100 als Speicher für ein Antriebsaggregat, insbesondere für gasförmigen Wasserstoff oder Wasserstoff im überkritischen oder flüssigen Aggregatzustand oder für komprimiertes Erdgas oder Flüssigerdgas, CNG, LNG oder Autogas, LPG oder für Biogas.
  • Das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 100 umfasst eine Kraftstoff-Verbindungsleitung 300 zwischen dem Drucktank 109 und einem Verbraucher 200. Wird in dem Drucktank 109 gasförmiger und/oder flüssiger komprimierter Wasserstoff gespeichert, so kann damit der Verbraucher 200 über die Kraftstoff-Verbindungsleitung 300 versorgt werden, wobei der Verbraucher 200 beispielsweise eine Wasserstoff verbrauchende Brennkraftmaschine und/oder eine Brennstoffzelle des Kraftfahrzeuges 100 ist.
  • Nachfolgend wird ohne Beschränkung auf andere Kraftstoffarten von gasförmigem und/oder flüssigem komprimierten Wasserstoff, kurz Druckwasserstoff genannt, ausgegangen, der dem Drucktank 109 über einen Zapfpistolenanschluss zuführbar ist. Für den Zapfpistolenanschluss zur Betankung eines Drucktanks 109 mit unter Druck stehendem Wasserstoff gilt derzeit die ISO-Norm 17268:2012.
  • Der Druckwasserstoff wird bei der Betankung mittels des Pistolenstutzens der Zapfpistole in die verschließbare Öffnung, insbesondere des Zapfpistolenanschluss, des Befüllorgans 10 eingebracht.
  • Gemäß der 2 umfasst das Befüllorgan 10 eine Befüll-Leitung 11, die vorzugsweise in ein in der Karosserie des Fahrzeuges 100 angeordnetes Ventil (in 2 nicht dargestellt) als erstes Kupplungsteil einer Schnellkupplung integriert ist, wobei der Pistolenstutzen der Zapfpistole das zweite Kupplungsteil der Schnellkupplung ausbildet. Bei einer Betankung werden somit der Zapfpistolenanschluss der Befüll-Leitung 11 und Pistolenstutzen miteinander gasdicht gekuppelt.
  • Die Befüll-Leitung 11 kann wie erwähnt in der ersten Ausführungsform vollständig in das Druckventil integriert sein, indem sie beispielsweise in dem Ventilkörper des Druckventils ausgebildet ist.
  • Die Befüll-Leitung 11 kann in einer zweiten Ausführungsform auch über den Ventilkörper des Druckventils hinausgehen, wie in 2 verdeutlicht wird.
  • Ausgehend von der Befüll-Leitung 11 besteht die Grundidee darin, dass der Einlasswinkel des Druckwasserstoffs vor und/oder während einer Befüllung des Drucktanks 109 variiert wird.
  • Gemäß 2 ist die Befüll-Leitung 11 in ihrem Einbauzustand im Kraftfahrzeug 100 in einer vorgebbaren Raumrichtung x, y, z, hier beispielsweise in y-Richtung ausgerichtet.
  • Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Einlasswinkel des Druckwasserstoffs in Abhängigkeit der Einströmgeschwindigkeit und/oder eines Startdrucks und/oder eines Zieldrucks und/oder einer Druckrampe zwischen Startdruck und Zieldruck sowie in Abhängigkeit der Tankgröße variiert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Druck im Drucktank 109 über ein Druckmessgerät P kontinuierlich gemessen wird, um den Startdruck P1 und den Zieldruck P2 zu ermitteln. Der jeweilige Druck P1, P2 des Drucksensors P wird dabei entweder direkt im Drucktank 109 oder an in einem anderen Bauteil des mit dem Drucktank 109 in Verbindung stehenden Tanksystems des Kraftfahrzeuges 100 gemessen.
  • In vorteilhafter Weise wird erreicht, dass die Strömungsgeometrie des in den Drucktank 109 eintretenden nicht näher dargestellten Kraftstoffstrahls nicht durch ein Prallelement in der Art eines deckelartigen Elementes oder dergleichen in der Befüll-Leitung bewirkt wird, sondern abweichend vom Stand der Technik ist die Befüll-Leitung 11 relativ zu dem ortsfesten Drucktank 109 beweglich und wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit der beispielhaft genannten Parameter ausgerichtet.
  • Dazu muss die Befüll-Leitung 11 in geeigneter Weise ausgebildet sein, wie nachfolgend detailliert erläutert wird.
  • Die Befüll-Leitung 11 umfasst einen unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 mit einer Kraftstoff-Einströmöffnung 11-11 (Eintrittsöffnung des Kraftstoffs) und einen beweglichen Leitungsabschnitt 11-2 mit einer Kraftstoff-Ausströmöffnung 11-21 (Austrittsöffnung des Kraftstoffs). Der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 schließt in Strömungsrichtung des jeweiligen Kraftstoffmediums gesehen an den unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 an. Die Strömungsrichtung ist mit dem Pfeil innerhalb des unbeweglichen Leitungsabschnitts 11-1 gekennzeichnet.
  • Durch den in 2 gezeigten eindimensionalen Schnitt, der in der beispielhaft definierten y/z-Ebene liegt, wird verdeutlicht, dass der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 über ein Gelenk 12 gegenüber dem sich beispielhaft in y-Richtung erstreckenden unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 in der y/z-Ebene nach oben in +z-Richtung beziehungsweise nach unten in der –z-Richtung beweglich ist, wie anhand des Winkels αyz verdeutlicht wird. Der Winkel αyz ist definiert als Winkel zwischen den Längsmittelachsen des unbeweglichen Leitungsabschnitts 11-1 und des beweglichen Leitungsabschnitts 11-2.
  • Vor und/oder während der Betankung wird der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 über das Gelenk 12 gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 unter vorgebbarer Veränderung des Winkels αyz innerhalb des Drucktanks 109 bewegt, wodurch die durch Kompression entstehende Wärme innerhalb des Drucktanks 109 im Drucktank-Innenraum verteilt wird, wodurch sichergestellt ist, dass im Drucktank-Innenraum keine Temperaturspitzen auftreten.
  • Durch die entsprechende Ausrichtung des beweglichen Leitungsabschnitts 11-2 kann gegenüber der Auslenkung des Kraftstoffstrahls an einem deckelartigen Element gemäß der Druckschrift DE 10 2014 210 902 A1 eine präzisere, das heißt, definiertere Ausrichtung des Kraftstoffstrahls innerhalb des Drucktank-Innenraumes des Drucktanks 109 bewirkt werden.
  • Durch diese Erläuterungen wird deutlich, dass die erfindungsgemäße Idee darin besteht, vor und/oder während der Betankung in Abhängigkeit der genannten Parameter den Kraftstoff-Einströmwinkel αyz gegenüber einer gemäß dem Ausführungsbeispiel beispielhaft definierten Achse, insbesondere einer Mittelachse YM des Drucktanks 109 zu verändern.
  • Gemäß der Darstellung in 2 liegt der unbewegliche Leitungsabschnitts 11-1 beispielsweise auf der Mittelachse YM des Drucktanks 109. Im Ausführungsbeispiel wurde die Längsmittelachse des Drucktanks 109 als Basis gewährt.
  • Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf, dass der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 nur in einer Raumrichtung z gemäß 2 in +z-Richtung oder –z-Richtung innerhalb der y/z-Ebene beweglich ist.
  • Es ist nämlich auch vorgesehen, dass der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 über das Gelenk 12 gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 auch in einer x/y-Ebene beweglich ist.
  • Dadurch ist es möglich, den beweglichen Leitungsabschnitt 11-2 erfindungsgemäß in einem vorgebbaren in 2 nicht dargestellten Winkel in +x-Richtung oder in –x-Richtung innerhalb der x/y-Ebene variabel einzustellen. Der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 kann somit auch vor und/oder während der Betankung in Abhängigkeit der genannten Parameter in einer weiteren Raumrichtung x gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 bewegt werden.
  • Außerdem kann noch optional vorgesehen sein, dass das Gelenk 12 zwischen dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 und dem beweglichen Leitungsabschnitt 11-2 auf der beispielhaft definierten Y-Achse in y-Richtung, also in Längsrichtung des unbeweglichen Leitungsabschnitts 11-1, in +y-Richtung oder –y-Richtung beweglich angeordnet ist, so dass der Kraftstoffstrahl auf den Drucktank-Innenraum des Drucktanks 109 bezogen mit einer unterschiedlichen Eindringtiefe in den Drucktank-Innenraum eindringt. Die Strömungsgeometrie des Kraftstoffstrahls kann also in Abhängigkeit der genannten Parameter in einer weiteren Raumrichtung y beeinflusst werden. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich während der Betankung darauf Einfluss zu nehmen, wie weit der Kraftstoffstrahl ausgehend von der Kraftstoff-Austrittsöffnung 11-21 des beweglichen Leitungsabschnitts 11-2 in den Drucktank-Innenraum des Drucktanks 109 eindringt, wodurch die durch die Kompression entstehenden Wärmespitzen in Bereichen des Drucktanks 109 ebenfalls beeinflusst, insbesondere vermieden werden können.
  • Durch die Beschreibung wird deutlich, dass der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 erfindungsgemäß gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 innerhalb des Druckraum-Innenraumes des Drucktanks 109 in mindestens einer Raumrichtung x, y, z beweglich angeordnet ist.
  • Somit ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, um den Einlasswinkel des Kraftstoffstrahls des Kraftstoffstroms in den Drucktank-Innenraum bezogen auf die beispielhaft definierte Y-Achse variabel zu gestalten.
  • Zusammenfassung eindimensionaler Ausgestaltungen:
  • Gemäß einer ersten Ausführungsvariante erfolgt eine Ausgestaltung, bei der der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 in +/–z-Richtung möglich ist. Eine solche Ausführungsvariante wird im Detail anhand der 3 bis 5 nachfolgend noch näher erläutert.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante erfolgt eine Ausgestaltung, bei der der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 in +/–x-Richtung möglich ist.
  • Gemäß einer dritten Ausführungsvariante erfolgt eine Ausgestaltung, bei der der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 in +/–y-Richtung möglich ist.
  • Zusammenfassung zweidimensionaler Ausgestaltungen:
  • Bei zweidimensionalen Ausgestaltungen kommen wahlweise zwei der zuvor genannten Ausführungsvarianten in Kombination zur Anwendung.
  • Zusammenfassung dreidimensionaler Ausgestaltungen:
  • Bei einer dreidimensionalen Ausgestaltung kommen alle zuvor genannten drei Ausführungsvarianten in Kombination zur Anwendung.
  • Nachfolgend wird die erste Ausführungsvariante in einer eindimensionalen Ausgestaltung detailliert anhand der 3 bis 5 in einer Zusammenschau erläutert.
  • Die 3 zeigt eine schnittartige Seitenansicht des erfindungsgemäßen Befüllorgans 11 in y/z-Schnittebenen, analog zu der y/z-Schnittebene der 2, jedoch mit dem beweglichen Leitungsabschnitt 11-2 in einer Position bei der die Längsmittelachse des beweglichen Leistungsabschnitts 11-2 mit der Längsmittelachse des unbeweglichen Leitungsabschnitts 11-1 übereinstimmt.
  • Die 4 zeigt eine gegenüber der 3 um 90° um die Y-Achse des Befüllorgans 11 gedrehte schnittartige Draufsicht des erfindungsgemäßen Befüllorgans 11 in x/y-Schnittebene.
  • Gemäß der 3 ist das Gelenk 12 als ein kugelförmiger Gelenkkörper 12K mit einer Durchgangsöffnung 12-1 ausgebildet. Ein Kugelgelenk als Gelenkkörper 12K vereinfacht in vorteilhafter Weise die Beweglichkeit des Gelenkkörpers 12K hinsichtlich der möglichen realisierbaren Freiheitsgrade und Abdichtung des beweglichen Gelenkkörpers 12K gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1.
  • Ein Bereich einer Mantelfläche des Gelenkkörpers 12K und die Innenseite und/oder die Stirnseite des unbeweglichen Leitungsabschnitts 11-1 bilden einen Dichtsitz. Es ist vorgesehen, dass der unbewegliche Leitungsabschnitt 11-1 Aufnahmeelemente, insbesondere Führungsnuten 11-1A (vergleiche 5) umfasst.
  • Ferner ist vorgesehen, dass der Gelenkkörper 12K Führungselemente 12K-1 umfasst, die im Zusammenbauzustand drehbar in den Führungsnuten 11-1A unter Bildung des Dichtsitzes aufgenommen werden.
  • Ein anderer Bereich der Mantelfläche des Gelenkkörpers 12K und die Innenseite und/oder die Stirnseite des beweglichen Leitungsabschnitts 11-2 sind fest und somit dichtend mit dem beweglichen Leitungsabschnitt 11-2 verbunden.
  • Der Druckwasserstoff strömt somit während der Betankung vom unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 durch die Durchgangsöffnung 12-1 in den beweglichen Leitungsabschnitt 11-2 und von dort in den Drucktank-Innenraum.
  • Dabei ist konstruktiv eine präzise eindimensionale Ansteuerung des Gelenkkörpers 12K durch einen Antrieb, insbesondere einen Motor, insbesondere einen Servomotor 16 vorgesehen.
  • Der Servomotor 16 weist eine sich in x-Richtung erstreckende Welle 16-2 (vergleiche 4) auf, auf der eine erste Zahnriemenscheibe 16-1 angeordnet ist.
  • Mindestens ein Führungselement 12K-1 des Gelenkkörpers 12 ist ebenfalls mit einer auf einer Achse X liegenden Zahnriemenscheibe, die nachfolgend als zweite Zahnriemenscheibe 12-2 bezeichnet wird, fest verbunden.
  • Zwischen den beiden Zahnriemenscheiben 16-1 und 12-2 ist ein Zahnriemen 20 angeordnet, so dass ein Zahnriemenantrieb ausgebildet ist. Über den Zahnriemenantrieb kann der bewegliche Leitungsabschnitt 11-2 gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1 im Ausführungsbeispiel in +/–z-Richtung gemäß 3 nach oben und unten, um den vorgebbaren Winkel αyz bewegt werden.
  • Der Servomotor 16 ist über mindestens eine elektrische Verbindungsleitung 17 mit einer Steuerelektronik 18 eines Steuergerätes verbunden.
  • Die Steuerelektronik 18 verwendet als Steuerungsgrößen mindestens eines der folgenden Signale zur Steuerung des beweglichen Leitungsabschnitts 11-2 gegen dem unbeweglichen Leitungsabschnitt 11-1, die durch den Drucksensor P und/oder durch mindestens einen Temperatursensor T, der einen Temperaturanstieg zwischen einer Anfangstemperatur T1 und einer maximal zulässigen Temperatur Tmax signalisiert, gemessen werden:
    • • Startdruck P1 im Drucktank 109
    • • Zieldruck P2 im Drucktank 109
    • • Druckrampe zwischen P1 und P2 im Drucktank 109
    • • Temperatur Tmax im Drucktank 109
  • Der jeweilige Druck P1, P2 des Drucksensors P wird dabei entweder direkt im Drucktank 109 oder in einem anderen Bauteil des mit dem Drucktank 109 in Verbindung stehenden Tanksystems des Kraftfahrzeuges 100 gemessen.
  • Der mindestens eine Temperatursensor T zur Ermittlung der maximal zulässigen Temperatur Tmax (vergleiche 2) wird dabei an einer Position im Drucktank 109 angeordnet, in der eine Temperaturspitze innerhalb des Drucktank-Innenraumes des Drucktanks 109 erwartet wird.
  • Aufgrund der Kenntnisse über die physikalischen Bedingungen des Kraftstoff-Fluidstroms, insbesondere des Druckwasserstoffs eines typischen Betankungsvorganges und der ermittelten Werte, kann der Winkel αyz über die Steuerelektronik 18 vor und/oder während der Betankung diskontinuierlich oder kontinuierlich angepasst werden.
  • Alternativ kann anstatt des Zahnriemenantriebs auch ein Zahnradgetriebe eingesetzt werden.
  • Vervollständigend wird noch darauf hingewiesen, dass der unbewegliche Leitungsabschnitt 11-1 gegenüber einer Wandung des Drucktanks 109, wie in 2 dargestellt ist, nur beispielsweise orthogonal zur Wandung des Drucktanks 109 angeordnet ist. Es versteht sich, dass der unbewegliche Leitungsabschnitt 11-1 gegenüber der Wandung nicht zwischen einem Winkel von 90° angeordnet werden muss. Bei einer gegenüber der Darstellung in den Figuren veränderten Anordnung des unbeweglichen Leitungsabschnitts 11-1 hinsichtlich des Winkels gegenüber der Wandung des Drucktanks verschieben sich die beispielhaft dargestellten beziehungsweise beschriebenen Koordinatenangaben entsprechend.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kraftfahrzeug
    101
    Tankklappe
    109
    Drucktank
    200
    Verbraucher
    300
    Kraftstoff-Verbindungsleitung
    10
    Befüllorgan
    11
    Befüll-Leitung
    11-1
    unbeweglicher Leitungsabschnitt
    11-11
    Eintrittsöffnung/Einströmöffnung
    11-1A
    Aufnahmeelement/e
    11-2
    beweglicher Leitungsabschnitt
    11-21
    Austrittsöffnung/Ausströmöffnung
    12
    Gelenk
    12-1
    Durchgangsöffnung
    12K
    kugelförmiger Gelenkkörper
    12K-1
    Führungselement/e
    12-2
    zweite Zahnriemenscheibe
    16
    Antrieb
    16-1
    erste Zahnriemenscheibe
    16-2
    Welle
    17
    Verbindungsleitung
    18
    Steuerelektronik
    19
    Steuergerät
    20
    Zahnriemen
    P
    Drucksensor
    P1
    Startdruck
    P2
    Zieldruck
    T
    Temperatursensor
    T1
    Starttemperatur
    Tmax
    maximal zulässige Temperatur
    x, y, z
    Raumrichtungen
    αyz
    Winkel in einer y/z-Ebene
    Y
    Achse in Raumrichtung y
    X
    Achse in Raumrichtung x
    YM
    Mittelachse Drucktank 109
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014210902 A1 [0004, 0052]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • SAE J2601 [0002]
    • ISO-Norm 17268:2012 [0039]

Claims (12)

  1. Drucktank (109) zur Speicherung eines Kraftstoffs unter Überdruck in flüssigem und/oder gasförmigem Aggregatzustand, mit wenigstens einer in einen Innenraum des Drucktanks (109) führenden Befüll-Leitung (11), über die der Drucktank (109) mit Kraftstoff befüllbar ist, wobei im Innenraum des Drucktanks (109) eine Einrichtung zur Lenkung eines Kraftstoffstrahls angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüll-Leitung (11) einen unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) mit einer Kraftstoff-Eintrittsöffnung (11-11) und einen gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) beweglichen Leitungsabschnitt (11-2) mit einer Austrittsöffnung (11-21) umfasst.
  2. Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der unbewegliche Leitungsabschnitt (11-1) und der bewegliche Leitungsabschnitt (11-2) der Befüll-Leitung (11) vollständig oder teilweise in ein Betankungs-Ventil des Befüllorgans (10) des Drucktanks (109) integriert sind.
  3. Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Leitungsabschnitt (11-2) gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) in wenigstens einer Raumrichtung (x, y, z) beweglich angeordnet ist, wobei mindestens ein in mindestens einer der Raumrichtungen (x, y, z) vorgebbarer Eintrittswinkel (αyz) des Kraftstoffstrahls des Kraftstoffs variierbar ist, der als Winkel zwischen den Längsmittelachsen des unbeweglichen Leitungsabschnitts (11-1) und des beweglichen Leitungsabschnitts (11-2) definiert ist.
  4. Drucktank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine in mindestens einer der Raumrichtungen (x, y, z) vorgebbare Eintrittswinkel (αyz) in Abhängigkeit • einer Lage einer Längsmittelachse des unbeweglichen Leitungsabschnitts (11-1) gegenüber einer Lage einer Längsmittelachse (YM) des Drucktanks (109), und/oder • einer Größe des Drucktanks (109) und/oder • einer Einströmgeschwindigkeit des Kraftstoffs vorgegeben und variiert wird.
  5. Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (109) oder mit dem Drucktank-Innenraum in Verbindung stehende Bauteile mindestens einen Innen-Drucksensor (P) und/oder mindestens einen Innen-Temperatursensor (T) aufweist/aufweisen.
  6. Drucktank nach den Ansprüchen 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine in mindestens einer der Raumrichtungen (x, y, z) vorgebbare Eintrittswinkel (αyz) in Abhängigkeit • von einem im Drucktank (109) herrschenden Startdruck (P1) und/oder • von einem im Drucktank (109) herrschenden Zieldruck (P2) und/oder • einer Druckrampe im Drucktank (109) zwischen Startdruck (P1) und Zieldruck (2) und/oder • einer Starttemperatur (T1) im Drucktank (109) und/oder • einer Einströmgeschwindigkeit des Kraftstoffs vorgegeben und variiert wird.
  7. Drucktank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine in mindestens einer der Raumrichtungen (x, y, z) vorgebbare Eintrittswinkel (αyz) vor einem Betankungsvorgang und/oder während eines Betankungsvorgangs diskontinuierlich oder kontinuierlich variierbar ist.
  8. Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) und dem beweglichen Leitungsabschnitt (11-2) ein Gelenk (12) mit einer Durchgangsöffnung (12-1) als Durchgang für den Kraftstoff angeordnet ist, so dass der Kraftstoff über die Eintrittsöffnung (11-11) des unbeweglichen Abschnitts (11-1) durch den unbeweglichen Abschnitt (11-1), anschließend durch die Durchgangsöffnung (12-1) des Gelenkes (12), und anschließend durch den beweglichen Abschnitt (11-2) zu der Austrittsöffnung (11-21) des beweglichen Abschnitts (11-2) in den Drucktank (109) strömt.
  9. Drucktank nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (12) als kugelförmiger Gelenkkörper (12K) mit der Durchgangsöffnung (12-1) als Durchgang für den Kraftstoff ausgebildet ist.
  10. Drucktank nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des Gelenkes (12) eine Bewegung des beweglichen Leitungsabschnitts (11-2) gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) in mindestens einer der Raumrichtungen (x, y, z) erlaubt.
  11. Drucktank nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (12) mittels mindestens einem Zahnriemenantrieb oder mindestens einem Zahnradgetriebe angetrieben wird, wodurch die Bewegung des beweglichen Leitungsabschnitts (11-2) gegenüber dem unbeweglichen Leitungsabschnitt (11-1) in mindestens einer der Raumrichtungen (x, y, z) bewirkt wird.
  12. Kraftfahrzeug (100), gekennzeichnet durch einen Drucktank (109) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11.
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