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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Gaseinblassystem mit einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung.
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Eine Kraftstofffördereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
US 7,293,418 B2 bekannt. Die bekannte Kraftstofffördereinrichtung weist eine Hochdruckförderpumpe auf, deren Saugseite in einen Tankbehälter hereinragt, wobei der Antrieb der Hochdruckförderpumpe außerhalb des Tankbehälters angeordnet ist. Die Anordnung des Antriebs der Hochdruckförderpumpe außerhalb des Tankbehälters ist dadurch bedingt, dass sich der Antrieb der Hochdruckförderpumpe beim Betrieb erwärmt und bei einer Anordnung des Antriebs innerhalb des Tankbehälters sich somit auch eine unerwünschte Erwärmung des tiefgekühlten Kraftstoffs im Tankbehälter ergeben würde. Hierzu wird bemerkt, dass bei der Verwendung von Ergas oder Wasserstoff die Temperatur des flüssigen Kraftstoffs im Tankbehälter beispielsweise typischerweise weniger als –110°C beträgt.
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Dadurch, dass die Hochdruckförderpumpe somit die Wand des Tankbehälters durchquert, ist die Schnittstelle zwischen dem Tankbehälter und der Hochdruckförderpumpe relativ komplex bzw. aufwendig ausgebildet. Hierzu wird weiterhin erläutert, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Tankbehälter üblicherweise aus einem Innentank und einer den Innentank umgebenden Außenhülle bestehen, wobei der Zwischenraum zwischen dem Innentank und der Außenhülle evakuiert ist, um den Innentank gegenüber der äußeren Umgebung thermisch zu isolieren bzw. zu entkoppeln.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine vereinfachte Ausbildung des Tankbehälters ermöglicht wird, insbesondere durch eine Vereinfachung bzw. einen Wegfall der oben erwähnten kompliziert ausgebildeten Schnittstelle zwischen der Hochdruckförderpumpe und dem Tankbehälter. Darüber weist sie den Vorteil auf, dass eine höhere Flexibilität bzw. Variabilität der Anordnung der Hochdruckförderpumpe ermöglicht werden kann, derart, dass diese beispielsweise relativ nahe zum Tankbehälter, oder aber relativ nahe zur Brennkraftmaschine angeordnet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Hochdruckförderpumpe und deren Antrieb (der auch über die Brennkraftmaschine erfolgen kann) außerhalb des Tankbehälters anzuordnen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass zusätzlich eine Niederdruck- bzw. Vorförderpumpe vorgesehen ist, die die räumliche Distanz zwischen dem Tankbehälter und der Saugseite der Hochdruckförderpumpe überbrückt, wobei die Anordnung der Niederdruckförderpumpe wiederum auf unterschiedliche Art erfolgen kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer ersten konstruktiven Ausbildung ist es vorgesehen, dass die Niederdruckförderpumpe zusammen mit ihrem Antrieb in dem Tankbehälter angeordnet ist. Die Anordnung der Niederdruckförderpumpe innerhalb des Tankbehälters ist dann unkritisch, wenn der Antrieb der Niederdruckförderpumpe infolge der relativ geringen Druckerhöhung des Kraftstoffs eine relativ geringe Leistung aufweisen muss und somit eine Erwärmung des Kraftstoffs nur in relativ geringem Maß stattfindet. Dies ermöglicht es insbesondere auch, nicht nur den hydraulischen Teil der Niederdruckförderpumpe, sondern auch deren Antrieb (üblicherweise in Form eines Elektromotors) innerhalb des Tankbehälters anzuordnen.
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Eine Anordnung der Niederdruckpumpe im Tankbehälter erfordert lediglich eine den Tankbehälter im Bereich des Außenmantels und des Innentanks durchquerende Leitung, die eine Verbindung zwischen dem Tankbehälter und der Hochdruckförderpumpe herstellt. Die Schnittstelle am Tankbehälter erfordert somit lediglich, dass die angesprochene Verbindungsleitung zwischen der Niederdruckförderpumpe bzw. dem Tankbehälter und der Hochdruckförderpumpe angeordnet werden kann, wobei durch den relativ geringen Durchmesser der Verbindungsleitung die Schnittstelle am Tankbehälter relativ einfach und kostengünstig gestaltet werden kann.
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Wenn längere Zeit kein Kraftstoff aus dem Tankbehälter gefördert wird, erwärmen sich die Komponenten außerhalb des Tankbehälters, da diese nicht mehr vom flüssigen Kraftstoff, der die Komponenten durchströmt, gekühlt werden. Dies führt dazu, dass in diesen Komponenten befindlicher Kraftstoff verdampft. Um zu vermeiden, dass der verdampfte Kraftstoff von außerhalb des Tankbehälters über die Niederdruckförderpumpe zurück in den Tankbehälter strömt, ist es vorgesehen, dass zwischen der Hochdruckförderpumpe und der Niederdruckförderpumpe ein Absperrventil angeordnet ist. Das Rückströmen von verdampftem Kraftstoff in den Tankbehälter kann ausgeschlossen werden, wenn im unbestromten Zustand des Absperrventils das Absperrventil sperrt, während bei einem Betrieb der Niederdruckförderpumpe bzw. der Hochdruckförderpumpe durch eine Bestromung des Absperrventils die Leitung zwischen der Hochdruckförderpumpe und der Niederdruckförderpumpe freigegeben ist.
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Insbesondere im Zusammenhang mit dem angesprochenen Absperrventil ist es erforderlich, sicherzustellen, dass auch bei einem defekten Absperrventil der maximal zulässige Druck in der Niederdruckförderpumpe nicht überschritten wird, um eine Beschädigung zu vermeiden. Hierzu ist es vorgesehen, dass zwischen der Niederdruckförderpumpe und dem Absperrventil ein Druckbegrenzungsventil angeordnet ist.
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Um einerseits die Erwärmung des Kraftstoffs in dem Tankbehälter durch Wärmeeintrag beim Betrieb der Niederdruckförderpumpe zu begrenzen, und andererseits sicherzustellen, dass an der Saugseite der Hochdruckförderpumpe stets flüssiger Kraftstoff anliegt, ist es vorgesehen, dass die Niederdruckförderpumpe dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff auf einen Druck von bis zu 60bar zu komprimieren, und dass die Hochdruckförderpumpe dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff auf einen Druck von mehr als 100bar, insbesondere etwa 500bar, zu komprimieren.
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Die Erfindung umfasst auch ein Gaseinblassystem mit einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung. Hierbei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere Tankbehälter mit jeweils einer Niederdruckförderpumpe vorgesehen sind, wobei die Niederdruckförderpumpen mit einer gemeinsamen Hochdruckförderpumpe verbunden sind. Eine derartige Anordnung ermöglicht es bei Verwendung mehrerer Tankbehälter, den vorrichtungstechnischen Aufwand zur Förderung des Kraftstoffs durch Verwendung einer einzigen Hochdruckförderpumpe zu reduzieren.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung ist es in einer bevorzugten Variante vorgesehen, dass vor dem Betreiben der Hochdruckförderpumpe die Niederdruckförderpumpe betrieben wird, wobei der von der Niederdruckförderpumpe geförderte Kraftstoff zum Durchspülen der Hochdruckförderpumpe verwendet wird. Dieses Durchspülen der Hochdruckförderpumpe durch den gekühlten, von der Niederdruckförderpumpe geförderten Kraftstoff hat den Vorteil, dass die Hochdruckförderpumpe dadurch abgekühlt wird. Dieses Abkühlen stellt sicher, dass beim Starten der Hochdruckförderpumpe nur eine kleine Menge des Kraftstoffs beim Ansaugen verdampft.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in der einzigen Figur eine vereinfachte Darstellung eines Gaseinblassystems unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung.
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Das in der einzigen Figur dargestellte Gaseinblassystem 100 dient der Einblasung von gasförmigem Kraftstoff in den Ansaugtrakt oder aber in die Brennräume einer im Einzelnen nicht gezeigten Brennkraftmaschine. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln, und bei dem gasförmigen Kraftstoff beispielsweise und nicht einschränkend um Wasserstoff oder Erdgas.
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Das Gaseinblassystem 100 weist eine Kraftstofffördereinrichtung 10 auf. Die Kraftstofffördereinrichtung 10 dient dazu, den in einem Tankbehälter 11 bevorrateten Kraftstoff 1 einem Speichervolumen, insbesondere in Form eines Rails 12, zuzufördern. In dem Rail 12 ist der gasförmige Kraftstoff 1 unter einem Systemdruck von beispielsweise 500bar gespeichert. Das Rail 12 ist über Verbindungsleitungen 13 beispielhaft mit vier Gasventilen 15 verbunden, die wiederum jeweils einem Brennraum bzw. einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet sind, um das Gas in den jeweiligen Brennraum einzublasen.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es auch denkbar ist, das Gaseinblassystem 100 derart auszubilden, dass das Rail 12 lediglich mit einem einzigen Gasventil 15 verbunden bzw. gekoppelt ist, wobei das Gasventil 15 den gasförmigen Brennstoff in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine einbläst.
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Der Tankbehälter 11 weist einen Außenmantel 17 auf, der unter Ausbildung eines Zwischenraums 18 einen Innentank 20 umschließt. Der Zwischenraum 18 kann auf nicht gezeigte Art und Weise insbesondere evakuiert sein, um einen Wärmeübergang von der Umgebung über den Außenmantel 17 in Richtung des Innentanks 20 zu verhindern bzw. zumindest zu reduzieren. In dem Innentank 20 ist der Kraftstoff 1 unter einem Tankdruck von beispielsweise zwischen 3bar und 15bar gespeichert. Weiterhin ist der Kraftstoff 1 derart herabgekühlt, dass dieser innerhalb des Innentanks 20 zumindest im Wesentlichen in flüssiger Form vorliegt. Hierzu weist der Kraftstoff 1 eine Temperatur von beispielsweise –110°C oder weniger auf, je nach verwendetem Kraftstoff 1. Typisch für einen derartigen Innentank 20 ist darüber hinaus, dass nicht der gesamte Innentank 20 von dem flüssigen Kraftstoff 1 ausgefüllt ist, sondern lediglich bis zu einem Füllpegel 21. Oberhalb des Füllpegels 21 liegt der Kraftstoff 1 in Form seiner gasförmigen Phase vor.
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Die Kraftstofffördereinrichtung 10 umfasst eine Niederdruckförderpumpe 25 als Vorförderpumpe, die vorzugsweise vollständig unterhalb des Füllpegels 21, d.h. im flüssigem Kraftstoff 1 innerhalb des Innentanks 20 angeordnet ist. Die Niederdruckförderpumpe 25 weist einen hydraulischen Teil 26 auf, der über einen Antrieb 27, vorzugsweise in Form eines Elektromotors, angetrieben ist. Die Druckseite der Niederdruckförderpumpe 25 ist innerhalb des Innentanks 20 über eine erste Druckleitung 28 mit einem Absperrventil 30 gekoppelt, das stromlos geschlossen ist. Von der ersten Druckleitung 28 zweigt eine Leitung 31 ab, an deren Ende ein Druckbegrenzungsventil 32 angeordnet ist. Auch das Druckbegrenzungsventil 32 ist innerhalb des Innentanks 20 angeordnet. Auf der dem Absperrventil 30 abgewandten Seite der ersten Druckleitung 28 ist eine zweite Druckleitung 33 angeordnet, die den Tankbehälter 11, d.h. sowohl den Außenmantel 17, als auch den Innentank 20 durchquert. Hierzu ist die zweite Druckleitung 33 auf nicht gezeigte Art und Weise durch die entsprechenden Abschnitte des Innentanks 20 bzw. des Außenmantels 17 hindurchgeführt und gegenüber diesen Bereichen abgedichtet.
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Die zweite Druckleitung 33 mündet an der Saugseite 34 einer Hochdruckförderpumpe 35. Auch die Hochdruckförderpumpe 35 weist einen im Einzelnen nicht gezeigten Antrieb 36, zum Beispiel in Form eines Elektromotors oder aber einen Antrieb über die Brennkraftmaschine auf. Wesentlich ist, dass die Hochdruckförderpumpe 35 vollständig außerhalb des Tankbehälters 11 angeordnet ist. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Hochdruckförderpumpe 35, je nach Anwendungsfall, beispielsweise relativ nahe am Tankbehälter 11, oder aber relativ nahe an der Brennkraftmaschine bzw. dem Rail 12 oder den Gasventilen 15 angeordnet ist. Die Druckseite 37 der Hochdruckförderpumpe 35 hat Verbindung mit einer Heizeinrichtung 40 (zum Beispiel in Form eines Wärmetauschers), die dazu ausgebildet ist, den von der Hochdruckförderpumpe 35 geförderten, flüssigen Kraftstoff 1 zu verdampfen. Die Heizeinrichtung 40 ist wiederum über eine Verbindungsleitung 41 mit einem zwischengeschalteten Pufferspeicher 42 und einer Druckregelventil 43 mit dem Rail 12 gekoppelt.
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Beim Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung 10 fördert die Niederdruckförderpumpe 25 den Kraftstoff 1 aus dem Innentank 20 in Richtung der Saugseite 34 der Hochdruckförderpumpe 35. Dabei findet eine Druckerhöhung des Kraftstoffs 1 von dem im Tankbehälter 11 herrschenden Druck auf bis zu 60bar, beispielsweise auf 18bar, statt. Bei diesem Druck ist der an der Saugseite 34 anstehende Kraftstoff 1 weiterhin flüssig. Die Hochdruckförderpumpe 35 komprimiert den Kraftstoff 1 auf den angesprochenen Systemdruck von beispielsweise 500bar.
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Um bei nicht betriebener Kraftstofffördereinrichtung 10 ein Rückströmen von gasförmigen Anteilen des Kraftstoffs 1 aus Richtung der Hochdruckförderpumpe 35 in Richtung des Innentanks 20 zu verhindern, ist bei nicht betriebener Kraftstofffördereinrichtung 10 das Absperrventil 30 geschlossen. Weiterhin ist vor Inbetriebnahme der Kraftstofffördereinrichtung 10, insbesondere wenn aufgrund beispielsweise von erfassten Temperaturen im Bereich der Hochdruckförderpumpe 35 angenommen wird, dass im Bereich der Hochdruckförderpumpe 35, insbesondere im Bereich deren Saugseite 34, gasförmige Bestandteile des Kraftstoffs 1 vorliegen, bei geöffnetem Absperrventil 27 zunächst lediglich die Niederdruckförderpumpe 25 eingeschaltet. Weiterhin ist die Hochdruckförderpumpe 35 auf nicht gezeigte Art und Weise derart ausgebildet, dass bei nicht betätigter Hochdruckförderpumpe 35 und aktivierter Niederdruckförderpumpe 25 der von der Niederdruckförderpumpe 25 geförderte, gekühlte Kraftstoff 1 die Hochdruckförderpumpe 35 durchströmen kann, um diese herabzukühlen und ggf. vorhandene gasförmige Bestandteile des Kraftstoffs 1 zu verdrängen.
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Die soweit beschriebene Kraftstofffördereinrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die Hochdruckförderpumpe 35 nicht nur mit einem Tankbehälter 11, sondern mit mehreren Tankbehältern 11 gekoppelt ist, wie dies durch die gestrichelte Darstellung in der Figur gekennzeichnet ist. In diesem Fall ist in jedem der Tankbehälter 11 eine entsprechend den obenstehenden Ausführungen ausgebildete Niederdruckförderpumpe 25 angeordnet bzw. vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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