DE102016206845A1 - Motor vehicle with a pressure vessel for storing a fuel - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Druckbehälter 100 zur Speicherung eines Brennstoffs. Der Druckbehälter 100 weist einen Mittelbereich M zwischen seinen beiden Endbereichen E1, E2 mit einer geflochtenen und faserverstärkten Schicht 120 auf. Die faserverstärkte Schicht 120 im Mittelbereich M ist zumindest bereichsweise gegenüber anderen Bereichen des Druckbehälters 100 zurückversetzt ausgebildet. Der Druckbehälter 100 ist zumindest teilweise in einem Zentraltunnel 200 angeordnet oder bildet zumindest teilweise den Zentraltunnel 200 aus. Der Zentraltunnel 200 und/oder dessen Anbauten ragen in den zurückversetzten Bereich der faserverstärkten Schicht 120 hinein.The technology disclosed herein relates to a motor vehicle having a pressure vessel 100 for storing a fuel. The pressure vessel 100 has a central region M between its two end regions E1, E2 with a braided and fiber-reinforced layer 120. The fiber-reinforced layer 120 in the middle region M is designed to be set back at least in regions relative to other regions of the pressure vessel 100. The pressure vessel 100 is at least partially disposed in a central tunnel 200 or at least partially forms the central tunnel 200. The central tunnel 200 and / or its attachments protrude into the recessed area of the fiber reinforced layer 120.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Druckbehälter zur Speicherung eines Brennstoffs. Solche Druckbehälter sind i.d.R. zylinderförmig und haben Dom-Konturen, die im Wesentlichen Isotensoide beschreiben. Druckbehälter können vorteilhaft im Zentraltunnel von Fahrzeugen untergebracht werden. Solche Druckbehälter werden durch Faserwickeln hergestellt. Der Bauraum im Zentraltunnel wird an verschiedenen Stellen kritisch begrenzt. So begrenzen beispielsweise die aus Gründen der Ergonomie im Wesentlichen vorgegebenen Positionen des Gurtschlosses und des Fahrpedals den maximal möglichen Durchmesser eines zylinderförmigen Druckbehälters. Ein in Wickeltechnik hergestellter Druckbehälters mit variierenden Durchmessern hat den Nachteil, dass bei den kleineren Durchmessern, sich mehr Material anlagern wird als bei den großen Durchmessern. Diese ist jedoch genau gegensätzlich zu den Anforderungen, die sich aus der Festigkeit (z.B. Kesselformel) ergeben. Die gesteigerten Materialanlagerungen resultieren aus der Fadenführung bei der Wickeltechnik, die im Wesentlichen Geodäten folgen muss, um ein Abrutschen der Endlosfaserbündel ("rovings") zu verhindern. The technology disclosed herein relates to a motor vehicle having a pressure vessel for storing a fuel. Such pressure vessels are i.d.R. cylindrical and have dom-contours, which essentially describe isotensoid. Pressure vessels can be advantageously housed in the central tunnel of vehicles. Such pressure vessels are manufactured by fiber winding. The installation space in the central tunnel is critically limited at various points. For example, the positions of the buckle and the accelerator pedal which are essentially predetermined for reasons of ergonomics limit the maximum possible diameter of a cylindrical pressure vessel. A pressure vessel with varying diameters produced in winding technology has the disadvantage that, with the smaller diameters, more material will be deposited than with the larger diameters. However, this is exactly contrary to the requirements arising from the strength (e.g., kettle formula). The increased accumulation of material results from the thread guide in the winding technique, which must essentially follow geodesics to prevent roving of the continuous fiber bundles.

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. It is an object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate the disadvantages of the prior art solutions. Other objects arise from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims are preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft Kraftfahrzeug mit einem Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehältersysteme sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z.B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem max. Betriebsdruck (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. The technology disclosed herein relates to motor vehicles having a pressure vessel for storing fuel. The pressure vessel can be used in a motor vehicle, which is operated for example with compressed ("compressed natural gas" = CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen. Such a pressure vessel may be, for example, a cryogenic pressure vessel or a high-pressure gas vessel. High pressure gas container systems are designed to maintain fuel (e.g., hydrogen) at ambient temperatures substantially at a max. Operating pressure (also called maximum operating pressure or MOP) of about 350 barü (= overpressure relative to the atmospheric pressure), further preferably of about 500 barü and more preferably of about 700 barü store. The cryogenic pressure vessel may store fuel in the liquid or supercritical state.

Der Druckbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner ist der Hohlkörper, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein oder es kann auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein. The pressure vessel may include a liner. The liner is the hollow body in which the fuel is stored. The liner may for example be made of aluminum or steel or of their alloys. Further preferably, the liner may be made of a plastic or it may also be provided a linerless pressure vessel.

Der Druckbehälter umfasst mindestens eine geflochtene und faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise umgeben. Zweckmäßig erstreckt sich die faserverstärkte Schicht über den gesamten Mittelbereich bzw. Mantelbereich M und ragt in die Endbereich hinein, die hier auch als gewölbte Flächen, insbesondere Isotensoide, ausgebildet sind. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Als Verstärkungsfasern werden Endlosfasern eingesetzt, die durch Flechten aufgebracht werden bzw. wurden. The pressure vessel comprises at least one braided and fiber reinforced layer. The fiber-reinforced layer may surround a liner at least partially. Expediently, the fiber-reinforced layer extends over the entire middle region or jacket region M and projects into the end region, which are here also designed as curved surfaces, in particular isotensoids. The fiber reinforced layer is often referred to as a laminate or armor. Hereinafter, the term "fiber-reinforced layer" is usually used. As a fiber reinforced layer i.d.R. Fiber-reinforced plastics (also abbreviated to FVK or FKV), for example carbon fiber reinforced plastics (CFRP) and / or glass fiber reinforced plastics (GRP). The fiber-reinforced layer suitably comprises reinforcing fibers embedded in a plastic matrix. In particular, matrix material, type and proportion of reinforcing fibers and their orientation can be varied so that the desired mechanical and / or chemical properties are established. The reinforcing fibers used are endless fibers which have been applied by braiding.

Der Druckbehälter weist einen Mittelbereich M auf, der zwischen seinen beiden Endbereichen E1, E2 angeordnet ist. Die Endbereiche werden auch als Dome bezeichnet. Der Mittelbereich M ist in der Regel rotationssymmetrisch und zumindest abschnittsweise als zylindrische Mantelfläche ausgebildet. Der Mittelbereich weist zumindest bereichsweise eine geflochtene und faserverstärkte Schicht auf. The pressure vessel has a central region M, which is arranged between its two end regions E 1 , E 2 . The end regions are also referred to as domes. The middle region M is generally rotationally symmetrical and at least partially formed as a cylindrical lateral surface. The middle region has, at least in regions, a braided and fiber-reinforced layer.

Der Druckbehälter ist zumindest teilweise in einem Zentraltunnel des Kraftfahrzeuges angeordnet oder er bildet den Zentraltunnel aus. The pressure vessel is at least partially disposed in a central tunnel of the motor vehicle or it forms the central tunnel.

Die faserverstärkte Schicht ist im Mittelbereich M zumindest bereichsweise gegenüber anderen Bereichen des Druckbehälters zurückversetzt ausgebildet. Mit anderen Worten weisen z.B. bei einem rotationssymmetrischen Druckbehälter mit kreisrunden Querschnitten die zurückversetzten Bereiche des Mittelbereiches M einen geringeren Außendurchmesser auf als andere Bereiche. Insbesondere die Bereiche, die im montierten Zustand des Druckbehälters im Zentraltunnel nicht durchmesserkritisch sind. The fiber-reinforced layer is recessed in the middle region M, at least in regions, with respect to other regions of the pressure vessel. In other words, e.g. in a rotationally symmetrical pressure vessel with circular cross sections, the recessed areas of the central area M have a smaller outside diameter than other areas. In particular, the areas that are not diameter critical in the mounted state of the pressure vessel in the central tunnel.

Der Zentraltunnel und/oder dessen Anbauten ragen in den zurückversetzten Bereich der faserverstärkten Schicht hinein. The central tunnel and / or its extensions protrude into the recessed area of the fiber reinforced layer.

Der Mittelbereich M weist Bereiche mit unterschiedlichen Flechtwinkel und/oder Bindungsarten auf, insbesondere derart, dass sich im Mittelbereich M gleichmäßige bzw. gleichmäßigere Spannungen einstellen. Die verschiedenen Bindungsarten (z.B. Köper, Leinwand, etc.) sind beispielsweise in dem einleitenden Teil der DE 10 2007 063 052 A1 beschrieben. The middle region M has regions with different braiding angles and / or bonding types, in particular in such a way that uniform or more uniform stresses occur in the middle region M. The different types of binding (eg twill, canvas, etc.) are, for example, in the introductory part of DE 10 2007 063 052 A1 described.

Die Schichtdicke der faserverstärkten Schicht kann variiert werden, indem die Flechtrichtung umgekehrt wird. Im Mittenbereich M können in Bereichen mit konstantem Durchmesser Umfangslagen (engl. hoop layers) angeordnet sein. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters und sind in einem Winkel von nahe 90° zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert. Innerhalb einer Lage der faserverstärkten Schicht können Bereiche mit variierendem Druckbehälterdurchmesser geflochtene Bereiche sein und Bereiche mit konstantem Druckbehälterdurchmesser gewickelte Bereiche. The layer thickness of the fiber reinforced layer can be varied by reversing the braiding direction. In the middle region M, hoop layers can be arranged in areas of constant diameter. The circumferential positions extend in the circumferential direction U of the pressure vessel and are oriented at an angle of close to 90 ° to the pressure vessel longitudinal axis A-A. Within a layer of the fiber reinforced layer, regions of varying pressure vessel diameter may be braided regions and regions of constant pressure vessel diameter may be wound regions.

Mit anderen Worten werden die einzelnen Endlosfäden ineinander gewoben und damit gegenseitig verschränkt. Die Fadenführung ist hier vorteilhaft im Wesentlichen unabhängig von Geodäten. Durch die Variation des Flechtwinkels, der "Bindung" (Leinwand, Köper, etc.) und die Umkehrung der Flechtrichtung kann die Schichtdicke in weiten Grenzen variiert und optimal an die Festigkeitsanforderungen angepasst werden. Die Druckbehälterform mit variierenden Durchmessern im Mittelbereich ermöglicht die maximale Nutzung des Bauraums und die Berücksichtigung von Einschränkungen. Die Herstellung in Flechttechnik kann eine sehr fasereffiziente Ausnutzung und die optimale Anpassung an die Festigkeitsanforderungen ermöglichen. In other words, the individual filaments are woven into each other and thus interlocked. The thread guide is advantageous here essentially independent of geodesics. By varying the braiding angle, the "bond" (canvas, twill, etc.) and the reversal of the braiding, the layer thickness can be varied within wide limits and optimally adapted to the strength requirements. The pressure vessel shape with varying diameters in the middle area allows the maximum use of the installation space and the consideration of restrictions. The production in braiding technique can allow a very fiber-efficient utilization and optimal adaptation to the strength requirements.

Insgesamt kann sich ein bezüglich Fassungsvermögen und Materialaufwand optimierter Druckbehälter ergeben. Overall, a pressure vessel optimized with regard to capacity and cost of materials can result.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert. Die 1 zeigt den in den Zentraltunnel 200 verbauten Druckbehälter 100 in der Draufsicht. The technology disclosed here will now be described with reference to the schematic 1 explained. The 1 shows that in the central tunnel 200 built pressure vessel 100 in the plan view.

Der Druckbehälter 100 ist hier rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen Mittelbereich M auf, an den sich jeweils die Endbereiche E1, E2 anschließen. Der Mittelbereich M weist erste Bereiche Bvar,1, Bvar,2 mit variierenden Druckbehälterdurchmessern D und Bereiche Bkonst,1, Bkonst,2 mit konstantem Druckbehälterdurchmessern D auf. Der Flechtwinkel ist für die unterschiedlichen Bereiche unterschiedlich gewählt. Hier nicht dargestellt ist eine Ausführungsform, bei der auch die Bindungsart bzw. das Herstellverfahren für die verschiedenen Bereiche Bvar,1, Bvar,2, Bkonst,1, Bkonst,2 sich unterscheiden. Beispielsweise können die Bereiche mit variierendem Durchmesser Bvar,1, Bvar,2 geflochten sein wohingegen die Bereiche mit konstantem Durchmesser Bkonst,1, Bkonst,2 derselben Lage der faserverstärkten Schicht 120 als Umfangslagen gewickelt sind. The pressure vessel 100 is here rotationally symmetrical and has a central region M, to which in each case the end regions E 1 , E 2 connect. The middle region M has first regions B var, 1 , B var, 2 with varying pressure vessel diameters D and regions B const, 1 , B const, 2 with constant pressure vessel diameters D. The braiding angle is chosen differently for the different areas. Not shown here is an embodiment in which the binding type or the manufacturing method for the different areas B var, 1 , B var, 2 , B const, 1 , B const, 2 differ. For example, the areas of varying diameter B var, 1 , B var, 2 may be braided whereas the areas of constant diameter B const, 1 , B const, 2 are the same layer of the fiber reinforced layer 120 are wound as circumferential layers.

Der Zentraltunnel 200 und/oder dessen Anbauten (nicht gezeigt) ragen in den zurückversetzten Bereich Z der faserverstärkten Schicht 120 hinein. Der Zentraltunnel des Kraftfahrzeuges ist Bestandteil der Fahrzeugkarosserie und ist als solcher bekannt. Hier weist der Zentraltunnel 200 an beiden Seiten des Druckbehälters 100 vorspringende Bereiche auf, die in die zurückversetzten Bereiche des Druckbehälters 100 hinein ragen. Somit lässt sich besonders kompakt der Druckbehälter 100 in das Kraftfahrzeug integrieren und zeitgleich vergleichsweise viel Brennstoff speichern. The central tunnel 200 and / or its attachments (not shown) protrude into the recessed area Z of the fiber reinforced layer 120 into it. The central tunnel of the motor vehicle is part of the vehicle body and is known as such. Here is the central tunnel 200 on both sides of the pressure vessel 100 projecting areas in the recessed areas of the pressure vessel 100 protrude into it. Thus, the pressure vessel is particularly compact 100 integrate into the motor vehicle and at the same time store comparatively much fuel.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007063052 A1 [0010] DE 102007063052 A1 [0010]

Claims (5)

Kraftfahrzeug mit einem Druckbehälter (100) zur Speicherung eines Brennstoffs, – wobei der Druckbehälter (100) einen Mittelbereich (M) zwischen seinen beiden Endbereichen (E1, E2) mit einer geflochtenen und faserverstärkten Schicht (120) aufweist; – wobei die faserverstärkte Schicht (120) im Mittelbereich (M) zumindest bereichsweise gegenüber anderen Bereichen des Druckbehälters (100) zurückversetzt ausgebildet ist; – wobei der Druckbehälter (100) zumindest teilweise in einem Zentraltunnel (200) angeordnet ist oder den Zentraltunnel (200) ausbildet, und wobei der Zentraltunnel (200) und/oder dessen Anbauten in den zurückversetzten Bereich (Z) der faserverstärkten Schicht (120) hinein ragt/ragen. Motor vehicle with a pressure vessel ( 100 ) for storing a fuel, - the pressure vessel ( 100 ) has a middle region (M) between its two end regions (E 1 , E 2 ) with a braided and fiber-reinforced layer ( 120 ) having; - wherein the fiber-reinforced layer ( 120 ) in the middle region (M) at least in regions relative to other regions of the pressure vessel ( 100 ) is formed set back; - the pressure vessel ( 100 ) at least partially in a central tunnel ( 200 ) or the central tunnel ( 200 ) and the central tunnel ( 200 ) and / or its attachments in the set-back region (Z) of the fiber-reinforced layer ( 120 protrudes into it. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Mittelbereich (M) Bereiche mit unterschiedlichen Flechtwinkel und/oder Bindungsarten aufweist.  Motor vehicle according to claim 1, wherein the central region (M) has regions with different braiding angles and / or bonding types. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schichtdicke der faserverstärkten Schicht variiert wird, indem die Flechtrichtung umgekehrt wird.  A motor vehicle according to claim 1 or 2, wherein the layer thickness of the fiber reinforced layer is varied by reversing the braiding direction. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die faserverstärkte Schicht im Mittenbereich (M) in Bereichen (Bkonst,1, Bkonst,2) mit konstantem Druckbehälterdurchmesser (D) Umfangslagen aufweist. Motor vehicle according to one of the preceding claims, wherein the fiber-reinforced layer in the central region (M) in regions (B const, 1 , B const, 2 ) with constant pressure vessel diameter (D) has peripheral layers. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei innerhalb einer Lage der faserverstärkten Schicht (120) Bereiche (Bvar,1, Bvar,2) mit variierendem Druckbehälterdurchmesser (D) geflochtene Bereiche sind und Bereiche (Bkonst,1, Bkonst,2) mit konstantem Druckbehälterdurchmesser (D) gewickelte Bereiche sind. Motor vehicle according to one of the preceding claims, wherein within a layer of the fiber-reinforced layer ( 120 ) Ranges (B var, 1 , B var, 2 ) with varying pressure vessel diameter (D) are braided regions and regions (B const, 1 , B const, 2 ) are constant pressure vessel diameter (D) regions.
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