DE102016210731A1

DE102016210731A1 - Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe

Info

Publication number: DE102016210731A1
Application number: DE102016210731.3A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schnittger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21
Also published as: WO2017215819A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe (10) für kryogene Kraftstoffe (1), mit einem Pumpengehäuse (11), in dem ein Pumpenkolben (25) innerhalb eines Pumpenraums (30) hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei der Pumpenkolben (25) mittels einer Kolbenstange (26) mit einem Antrieb (40) für den Pumpenkolben (25) verbunden ist, wobei die Kolbenstange (26) innerhalb einer Ausnehmung (20) des Pumpengehäuses (11) angeordnet und mittels wenigstens einer Dichteinrichtung (63) abgedichtet ist, wobei die wenigstens eine Dichteinrichtung (63) dazu ausgebildet ist, ein Ausströmen von Kraftstoff (1) aus dem Pumpengehäuse (11) zumindest zu reduzieren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Förderpumpe ist aus der US 7,293,418 B2 bekannt. Die bekannte Förderpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass sie teilweise in einen Tankbehälter für den kryogenen Kraftstoff hineinragt. Hierzu durchquert die bekannte Förderpumpe eine Wand des Tankbehälters. Der außerhalb des Tankbehälters angeordnete Antrieb der Förderpumpe erfolgt beispielhaft über einen hydraulischen Antrieb. Dieser hydraulische Antrieb wirkt auf einen mit einer Kolbenstange verbundenen Pumpenkolben, der an der Saugseite der Förderpumpe innerhalb des Tankbehälters angeordnet ist. Mittels des Pumpenkolbens wird der kryogene Kraftstoff in einen Pumpenraum des Pumpengehäuses angesaugt und anschließend bei einer Bewegung des Pumpenkolbens in seine andere Bewegungsrichtung verdichtet und beispielsweise einer Heizeinrichtung unter Druckerhöhung zugeführt. Bei dem kryogenen Kraftstoff handelt es sich beispielsweise um Erdgas, das innerhalb des Tankbehälters auf eine Temperatur von beispielsweise weniger als –110°C herabgekühlt ist, damit das Erdgas in flüssiger Form in dem Tankbehälter gespeichert werden kann.
Charakteristisch für derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Förderpumpen ist es, dass die Kolbenstange üblicherweise über eine oder mehrere, in Achsrichtung der Kolbenstange hintereinander angeordnete Dichteinrichtungen abgedichtet ist. Mit diesen Dichteinrichtungen soll verhindert werden, dass der Kraftstoff entlang der Kolbenstange aus dem mit dem Kraftstoff gefüllten Bereich der Förderpumpe entweicht. Diese Dichteinrichtungen zeichnen sich jedoch auch dadurch aus, dass sie üblicherweise nicht zu 100% dicht sind. Infolge dessen entweicht Kraftstoff in die Umgebung, entweder direkt, oder z.B. über den Hydraulikkreislauf, der bei der eingangs erwähnten Förderpumpe dem Antrieb der Förderpumpe dient. Da aufgrund von gesetzlichen Vorgaben die zulässige Menge von Kraftstoff, der an die Umgebung gelangen darf, begrenzt ist, ist es wünschenswert, eine möglichst gute Abdichtung der Kolbenstange zum Pumpengehäuse hin zu bewirken, damit möglichst wenig Kraftstoff in die Umgebung gelangt.
Offenbarung der Erfindung
Die Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine optimierte Abdichtung der Kolbenstange gegenüber dem Pumpengehäuse erzielt wird. Dadurch lässt sich die Menge des über eine Dichteinrichtung an die Umgebung abgegebenen Kraftstoffs reduzieren bzw. im besten Fall eine vollständige Abdichtung der Kolbenstange ermöglichen, so dass kein Kraftstoff an die Umgebung abgegeben wird.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Dichteinrichtung derart auszubilden, dass durch ein unter Druck stehendes Medium ein Entweichen von Kraftstoff in Richtung der dem Pumpenkolben bzw. dem Pumpenraum abgewandten Seite der Kolbenstange reduziert wird. In konkreter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Dichteinrichtung einen radial zwischen der Kolbenstange und einer Ausnehmung des Pumpengehäuses angeordneten ersten Kolbenstangenraum aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein unter Druck stehendes Sperrmedium aufzunehmen. Hinsichtlich des Sperrmediums ist es wesentlich, dass als Sperrmedium ein Stoff bzw. ein Gas verwendet wird, das beim Entweichen in die Umgebung weniger klimaschädlich ist als der Kraftstoff. Gedacht ist hierbei insbesondere an die Verwendung von Stickstoff oder ähnlichen Gasen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Um einerseits ein Entweichen einer gewissen Menge von Sperrmedium aus dem Pumpengehäuse zu erlauben, ohne dass dadurch die Wirkung der erfindungsgemäßen Dichteinrichtung reduziert wird, und andererseits auch über einen längeren Zeitraum bzw. eine längere Betriebsdauer der Förderpumpe die benötigte Abdichtwirkung bzw. Sperrwirkung der Dichteinrichtung zu gewährleisten, ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass der erste Kolbenstangenraum über eine Anschlussleitung Verbindung mit einem Speicherbehälter für das Sperrmedium hat. Dabei ermöglicht es die Anschlussleitung beispielsweise, den Speicherbehälter für das Sperrmedium in einem von der Förderpumpe relativ weit entfernt angeordneten, und insbesondere gut zugänglichen Bereich anzuordnen, der es ermöglicht, beispielsweie ein Nachfüllen von Sperrmedium in den Speicherbehälter möglichst einfach ermöglichen zu können. Auch ist es bei einer derartigen Ausgestaltung beispielsweise möglich, den Speicherbehälter in Form einer Gaspatrone auszubilden, die über einen entsprechenden Anschlussflansch beispielsweise an der Anschlussleitung austauschbar befestigt ist.
Um insbesondere auch ein Entweichen von flüssigen, gasförmigen oder zweiphasigen Bestandteilen des Kraftstoffs zu vermeiden, die über eine Hydraulikdichtung aus dem Pumpenraum in die Ausnehmung gelangen, ist es in einer weiteren bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Förderpumpe vorgesehen, dass sich an den ersten Kolbenstangenraum auf der dem Kolbenraum zugewandten Seite ein zweiter Kolbenstangenraum anschließt, der über eine Verbindungsleitung zum Druckausgleich mit einem Innentank verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung oberhalb des Füllpegels mit dem flüssigen Kraftstoff mündet.
Um die einzelnen Kolbenstangenräume zu definieren bzw. voneinander örtlich zu trennen und zwischen diesen sowie anderen Bereichen der Förderpumpe zusätzliche Abdichtmöglichkeiten auszubilden, ist es vorgesehen, dass zwischen den beiden Kolbenstangenräumen ein weiterer Kolbenstangenraum angeordnet ist, der in axialer Richtung von zwei Dichtungen begrenzt ist. Um ein Eindringen von gasförmigen Bestandteilen des Kraftstoffs in den ersten Kolbenstangenraum zu verhindern, ist es vorgesehen, dass der Druck des Sperrmediums zumindest beim Betrieb der Förderpumpe im ersten Kolbenstangenraum größer ist als der Druck der gasförmigen Bestandteile des Kraftstoffs im zweiten Kolbenstangenraum.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 eine Systemdarstellung eines Kraftstofffördersystems mit einer Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe und
2 einen Teilbereich der Förderpumpe gemäß 1 in vergrößerter Darstellung.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein Kraftstofffördersystem 100 für kryogenen Kraftstoff 1 dargestellt. Bei dem Kraftstoff 1 handelt es sich insbesondere um Erdgas und das Kraftstofffördersystem 100 findet bevorzugt Verwendung bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen.
Das Kraftstofffördersystem 100 weist einen Tankbehälter 5 auf, der der Speicherung des auf eine Temperatur von beispielsweise –110°C oder weniger herabgekühlten, verflüssigten Kraftstoffs 1 dient. Hierzu weist der Tankbehälter 5 einen Innentank 6 auf, der von einer Außenhülle 7 unter Ausbildung eines Zwischenraums 8 umgeben ist. Der Zwischenraum 8 ist üblicherweise evakuiert, um einen Wärmeübergang bzw. Wärmeeintrag von der Umgebung in den herabgekühlten Kraftstoff 1 zu verhindern. Innerhalb des Tankbehälters 5, insbesondere innerhalb des Innentanks 6, reicht der flüssige Anteil des Kraftstoffs 1 bis zu einem Füllpegel 9. Oberhalb des Füllpegels 9 ist der Kraftstoff 1 in seiner gasförmigen Phase vorhanden.
In den Tankbehälter 5 bzw. dessen Innentank 6 und seiner Außenhülle 7 ragt eine Förderpumpe 10 hinein, die ein Pumpengehäuse 11 aufweist. Das Pumpengehäuse 11 ist gegenüber dem Tankbehälter 5 in dem Bereich, in dem das Pumpengehäuse 11 die Wand des Tankbehälters 5 durchsetzt, abgedichtet angeordnet. Während die Saugseite der Förderpumpe 10 sich innerhalb des Tankbehälters 5, insbesondere unterhalb des Füllpegels 9 befindet, ist die Druckseite der Förderpumpe 10 außerhalb des Tankbehälters 5 mit einer Heizeinrichtung 15 verbunden. Die Heizeinrichtung 15 dient in an sich bekannter Art und Weise dazu, den von der Förderpumpe 10 unter Druckerhöhung aus dem Tankbehälter 5 geförderten, flüssigen Kraftstoff 1 zu erwärmen und wenigstens einem Gasventil (nicht dargestellt) mittelbar zuzuführen, das entweder einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, oder einem einzelnen Brennraum der Brennkraftmaschine.
Das Pumpengehäuse 11 weist beispielhaft zwei Gehäuseteile 16, 17 auf, die in axialer Richtung aneinander anschließen, wobei zwischen den beiden Gehäuseteilen 16, 17 beispielhaft eine Dichtung 18 angeordnet ist, die der Abdichtung der beiden Gehäuseteile 16, 17 dient (2). In dem ersten Gehäuseteil 16, das teilweise innerhalb des Tankbehälters 5 und teilweise außerhalb des Tankbehälters 5 angeordnet ist, ist eine Ausnehmung 20 in Form einer Längsbohrung mit Bohrungsabschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet. Innerhalb der Ausnehmung 20 ist ein entlang einer Längsachse 21 der Ausnehmung 20 in Richtung des Doppelpfeils 22 hin- und herbeweglicher Pumpenkolben 25 angeordnet. Der Pumpenkolben 25 ist mit einer Kolbenstange 26 verbunden, die auf der dem zweiten Gehäuseteil 17 zugewandten Seite aus der Ausnehmung 20 herausragt und in eine sacklochförmige Bohrung 27 des zweiten Gehäuseteils 17 hineinragt. Innerhalb der Bohrung 27 ist ein mit der Kolbenstange 26 verbundener Hydraulikkolben 28 längsverschiebbar angeordnet.
Der Pumpenkolben 25 ist innerhalb der Ausnehmung 20 in einem Pumpenraum 30 angeordnet. Der Pumpenraum 30 hat auf der Kolbenstange 26 abgewandten Seite über einen Bohrungsabschnitt 31 der Ausnehmung 20 Verbindung mit dem Kraftstoff 1 im Innentank 6. Über den Bohrungsabschnitt 31 kann Kraftstoff 1 aus dem Innenrank 6 in den Pumpenraum 30 angesaugt werden. Hierzu ist es vorgesehen sein, dass im Bereich des Bohrungsabschnitts 31 ein Saugventil 32 in Form eines Rückschlagventils angeordnet ist, das ein Ausstoßen von Kraftstoff 1 aus dem Pumpenraum 30 in Richtung des Innentanks 6 verhindert. Weiterhin ist nahe des Bohrungsabschnitts 31 in dem Pumpengehäuse 11 eine Hochdruckbohrung 33 ausgebildet, die auf der dem Pumpenraum 30 abgewandten Seite mit der Heizeinrichtung 15 verbunden ist. Im Bereich des Pumpenraums 30 weist die Hochdruckbohrung 33 ein Hochdruckventil 35 auf, das einerseits ein Rückströmen von Kraftstoff 1 aus dem Bereich der Hochdruckbohrung 33 in den Pumpenraum 30 bei einer Ansaugbewegung des Pumpenkolbens 25 verhindert, und andererseits beim Ausstoßen von Kraftstoff 1 aus dem Pumpenraum 30 in die Hochdruckbohrung 33 ab einem bestimmten Überdruck öffnet.
Der Antrieb des Pumpenkolbens 25 erfolgt über den Hydraulikkolben 28, der Bestandteil eines hydraulischen Antriebs 40 der Förderpumpe 10 ist.
Ergänzend wird erwähnt, dass in Abänderung des dargestellten Ausführungsbeispiels die Bewegung des Pumpenkolbens 25 bzw. der Antrieb der Förderpumpe 10 auch über einen pneumatischen, elektrischen oder sonstigen Antrieb erfolgen kann. Wesentlich ist lediglich, dass der Pumpenkolben 25 über die Kolbenstange 26 entsprechend des Doppelpfeils 22 hin- und herbeweglich angeordnet ist.
Der hydraulische Antrieb 40 weist darüber hinaus in bekannter Art und Weise ein erstes Schaltventil 41 zur Befüllung bzw. Steuerung von Hydraulikflüssigkeit in Richtung zweier Teilräume 43, 44 der Bohrung 27 auf, die einen Hydraulikkolbenraum 45 ausbildet. Das erste Schaltventil 41 ist Bestandteil eines hydraulischen Schaltkreises, der darüber hinaus ein zweites Schaltventil 46, eine Hydraulikpumpe 47, einen Kühler 48, einen Filter 49 sowie einen Hydraulikbehälter 50 umfasst. Durch den hydraulischen Antriebe 40 bzw. die aufgezählten Elemente wird auf bekannte Art und Weise der Hydraulikkolben 28 und somit auch über die Kolbenstange 26 der Verdichterkolben 25 in Richtung des Doppelpfeils 22 hin- und herbewegt.
Wie insbesondere anhand der Darstellung der 2 erkennbar ist, ist die Kolbenstange 26 im Bereich des ersten Gehäuseteils 16 des Pumpengehäuses 11 an ihrem Außenumfang von fünf, in Bezug auf die Längsachse 21 axial voneinander beabstandeten Dichtungen 51 bis 55 umgeben und zur Ausnehmung 20 hin abgedichtet. Beispielhaft ist hierzu in der Ausnehmung 20 des ersten Gehäuseteils 16 jeweils eine Ringnut 56 ausgebildet, die die entsprechende Dichtung 51 bis 54 bereichsweise aufnimmt. Zwischen den beiden Dichtungen 53 und 54 ist zwischen dem Außenumfang der Kolbenstange 26 und der Wand der Ausnehmung 20 ein erster, radial umlaufender Kolbenstangenraum 60 ausgebildet, der eine Dichteinrichtung 63 ausbildet, und der über eine in dem ersten Gehäuseteil 16 ausgebildete Bohrung 61 mit einer im einzelnen nicht bezeichneten Anschlussleitung 62 verbunden ist. Die Anschlussleitung 62 ist wiederum mit einem Speicherbehälter 65 verbunden. Der Speicherbehälter 65 dient der Aufnahme bzw. Speicherung eines Sperrmediums 2, beispielsweise Stickstoff, das innerhalb des Speicherbehälters 65 unter Druck bevorratet ist. Dies hat zur Folge, dass auch der ersten Kolbenstangenraum 60 mit unter Druck stehendem Sperrmedium 2 befüllt ist.
Zwischen den beiden Dichtungen 51 und 52, die auf der dem Kolbenraum 30 zugewandten Seite des ersten Gehäuseteils 16 angeordnet ist, ist ein zweiter Kolbenstangenraum 66 zwischen dem Außenumfang der Kolbenstange 26 und der Wand der Ausnehmung 20 ausgebildet. Der zweite, radial umlaufende Kolbenstangenraum 66 hat über eine in dem ersten Gehäuseteil 16 des Pumpengehäuses 11 sowie im Bereich der Wand des Tankbehälters 5 ausgebildeten Verbindungsleitung 67 Verbindung mit einem Bereich des Innentanks 6, der sich oberhalb des Füllpegels 9 des Kraftstoffs 1 befindet. Somit kann ein Druckausgleich zwischen dem zweiten Kolbenstangenraum 66 und dem Innentank 6 stattfinden.
Wesentlich dabei ist, dass der Druck des (gasförmigen) Kraftstoffs 1 oberhalb des Füllpegels 9 und somit auch im Bereich des zweiten Kolbenstangenraums 66 beispielsweise zwischen 3bar und 15bar beträgt, während der in dem ersten Kolbenstangenraum 60 herrschende Druck des Sperrmediums 2 höher ist.
Zwischen den beiden Hydraulikdichtungen 54 und 55 wird auf der dem Pumpenraum 30 abgewandten Seite des ersten Gehäuseteils 16 ein Leckageraum 68 zwischen dem Außenumfang der Kolbenstange 26 und der Wand der Ausnehmung 20 ausgebildet. Der Leckageraum 26 ist über eine Leckagebohrung 69 im Bereich des ersten Gehäuseteils 16 beispielsweise zur Umgebung hin entlastet.
Beim Betrieb der Förderpumpe 10 bzw. bei einer Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 26 entsprechend des Doppelpfeils 22 wird durch das in dem ersten Kolbenstangenraum 60 befindliche Sperrmedium die Menge von in den ersten Kolbenstangenraum 60 eintretenden flüssigen oder gasförmigen Bestandteile des Kraftstoffs 1 verringert. Dies wird insbesondere auch dadurch bewirkt, dass der Druck des Sperrmediums 2 im ersten Kolbenstangenraum 60 größer ist als der Druck des Kraftstoffs 1 in dem zweiten Kolbenstangenraum 66.
Dadurch, dass die beiden Dichtungen 52 und 53 in Richtung der Längsachse 21 betrachtet ebenfalls axial voneinander beabstandet sind, wird zwischen dem ersten Kolbenstangenraum 60 sowie dem zweiten Kolbenstangenraum 66 darüber hinaus ein hinsichtlich seiner axialen Länge relativ kurzer, weiterer und radial umlaufender Kolbenstangenraum 71 ausgebildet, der insbesondere auch von dem Sperrmedium 2 befüllt ist. Weiterhin ist die der Kolbenstange 26 zugewandte Rückseite des Pumpenkolbens 25 im Pumpenraum 30 zum Druckausgleich über eine Verbindungsbohrung 72 mit dem flüssigen Kraftstoff 1 des Innentanks 6 verbunden.
Die soweit beschriebene Förderpumpe 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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

US 7293418 B2 [0002]

Claims

Förderpumpe (10) für kryogene Kraftstoffe (1), mit einem Pumpengehäuse (11), in dem ein Pumpenkolben (25) innerhalb eines Pumpenraums (30) hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei der Pumpenkolben (25) mittels einer Kolbenstange (26) mit einem Antrieb (40) für den Pumpenkolben (25) verbunden ist, wobei die Kolbenstange (26) innerhalb einer Ausnehmung (20) des Pumpengehäuses (11) angeordnet und mittels wenigstens einer Dichteinrichtung (63) abgedichtet ist, wobei die wenigstens eine Dichteinrichtung (63) dazu ausgebildet ist, ein Ausströmen von Kraftstoff (1) aus dem Pumpengehäuse (11) zumindest zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dichteinrichtung (63) einen zwischen der Kolbenstange (26) und der Ausnehmung (20) angeordneten, vorzugsweise radial umlaufenden ersten Kolbenstangenraum (60) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein unter Druck stehendes Sperrmedium (2) aufzunehmen.
Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenstangenraum (60) über eine Anschlussleitung (62) Verbindung mit einem Speicherbehälter (65) für das Sperrmedium (2) hat.
Förderpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den ersten Kolbenstangenraum (60) auf der dem Kolbenraum (30) zugewandten Seite ein zweiter Kolbenstangenraum (66) anschließt, der über eine Verbindungsleitung (67) mit einem Innentank (6) verbindbar ist.
Förderpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenstangenräume (60, 66) axial von Dichtungen (51 bis 54) begrenzt sind, die die Kolbenstange (26) radial umfassen und an ihrem Außenumfang an der Ausnehmung (20) anliegen.
Förderpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Sperrmediums (2) im ersten Kolbenstangenraum (60) größer ist als der Druck der gasförmigen Bestandteile des Kraftstoffs (1) im zweiten Kolbenstangenraum (66).
Förderpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Sperrmedium (2) Stickstoff verwendet wird.
Förderpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Kolbenstangenräumen (60, 66) ein weiterer Kolbenstangenraum (71) angeordnet ist, der in axialer Richtung von zwei Dichtungen (52, 53) begrenzt ist.
Förderpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich in axialer Richtung an ersten Kolbenstangenraum (60) auf der dem Pumpenkolben (25) abgewandten Seite zwischen der Kolbenstange (26) und der Ausnehmung (20) ein Leckageraum (68) anschließt, der zur Umgebung hin entlüftet ist.
Förderpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckageraum axial (68) von zwei, die Kolbenstange (26) umfassenden Dichtungen (54, 55) begrenzt ist.
Förderpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (26) auf der dem Pumpenkolben (25) abgewandten Seite mit einem Hydraulikkolben (28) als Teil eines hydraulischen Antriebs (40) der Förderpumpe (10) verbunden ist.