DE102017210722A1

DE102017210722A1 - Kraftfahrzeug und Druckbehälter mit divergierendem Verbindungsrohr

Info

Publication number: DE102017210722A1
Application number: DE102017210722.7A
Authority: DE
Inventors: Timo Gutmann; Olivier Cousigne; Ömer Ahmet-Tsaous
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: DE102017210722B4

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter und ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst mindestens einen Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff und mindestens ein Verbindungsrohr 130. Das Verbindungsrohr 130 verbindet mindestens einen Druckbehälteranbindungsbereich 136 mit mindestens einem Karosserieanbindungsbereich 210, 220 des Kraftfahrzeugs. Das Verbindungsrohr 130 ist divergierend ausgebildet. Das Verbindungsrohr 130 ist eingerichtet, an der Innenseite 132 mindestens ein Gleitelement 134 aufzunehmen. Die Innenseite 132 verfügt ferner über eine Gleitfläche 132A zur Aufnahme von mechanischer Energie.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einen Druckbehälter. Druckbehälter als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Druckbehälter werden in der Regel über sogenannte Spannbänder an die Fahrzeugkarosserie montiert. Die Spannbänder sind dabei im zylindrischen Mittelbereich des Druckbehälters angeordnet. Spannbänder verbrauchen vergleichsweise viel Bauraum und reduzieren daher das maximale Speichervolumen des Druckbehälters. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Enden der Druckbehälter direkt mit der Fahrzeugkarosserie zu befestigen (engl. neck mounting). Letzteres ist eingeschränkt hinsichtlich der Kräfte und Momente, die übertragen werden können. Tendenziell vergrößert sich dabei auch die axiale Ausdehnung, was wiederum das Speichervolumen negativ beeinflusst. Ferner kann die genaue Positionierung von Tankventil und Tankzuleitung aufgrund der wenigen Freiheitsgrade bei der Montage schwierig sein. Allen Anbindungstechnologien gemeinsam ist, dass sie in einem sehr geringen Maße energieabsorbierend ausgebildet sind. Ferner sollte die Tankaufhängung derart ausgebildet sein, dass sie Längendehnungen des Druckbehälters aufgrund von Temperatur- und/oder Druckänderungen kompensieren kann.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Druckbehälteraufhängung bereitzustellen, die hinsichtlich Bauraum-Ausnutzung, Herstellkosten, Längendehnungskompensation, Lastübertragung und/oder Crashsicherheit eine alternative oder verbesserte Ausgestaltung darstellt. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einen Druckbehälter. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner einen Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Der mindestens eine Druckbehälter dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der mindestens eine Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein.
Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Der Druckbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, 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. Es kann ebenso auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein.
Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. 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. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. mehrere Schichtlagen auf.
Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. Kreuz- und Umfangslagen auf. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden über die gesamte Wickelkernoberfläche Kreuzlagen (engl. helical layers) gewickelt bzw. geflochten. Im i.d.R. zylindrischen Umfangsbereich sind i.d.R. sogenannte Umfangslagen (engl. „hoop layers“) vorgesehen, die für eine Verstärkung in Umfangsrichtung sorgen. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters und sind in einem Winkel von ca. 90° (+/- 5°) zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert.
Das Kraftfahrzeug bzw. der Druckbehälter umfasst mindestens ein Verbindungsrohr. Das Verbindungsrohr verbindet mindestens einen Druckbehälteranbindungsbereich des Druckbehälters mit mindestens einem Karosserieanbindungsbereich der Fahrzeugkarosserie. Bevorzugt ist jeweils ein Verbindungsrohr an jedem Ende des Druckbehälters vorgesehen.
Bevorzugt umfasst das Verbindungsrohr zumindest bereichsweise mindestens eine faserverstärkte Schicht, die aufgebaut sein kann wie die hier offenbarte faserverstärkten Schicht, die den Liner zumindest bereichsweise umgibt. Die faserverstärkte Schicht des Verbindungsrohrs kann in mindestens einer Schichtlage zumindest bereichsweise Verstärkungsfasern, bevorzugt Endlosfasern, umfassen, die im Querschnitt durch das Verbindungsrohr gesehen in Umfangsrichtung angeordnet sind und also senkrecht zur Druckbehälterlängsachse verlaufen (=Umfangslagen). Endlosfasern können besonders gut auf Zug beansprucht werden. Umfasst nun das Verbindungsrohr eine oder mehrere Umfangslagen, so werden diese durch das in das konusförmige bzw. kegelstumpfförmige Verbindungsrohr hineindrückende Gleitelement auf Zug beansprucht. Das Hineingleiten des Gleitelements wird somit durch diese Endlosfasern begrenzt, wobei viel Energie absorbiert werden kann. Bevorzugt sind mindestens 40% oder mindestens 60% oder mindestens 80% der Lagen vom Verbindungsrohr Lagen, in denen die Verstärkungsfasern in Umfangslagen angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verbindungsrohr auch Kreuzlagen umfassen.
Das Verbindungsrohr ist zweckmäßig zum Karosserieanbindungsbereich oder zum Druckbehälteranbindungsbereich hin divergierend (d.h. sich erweiternd bzw. im Durchmesser zunehmend) ausgebildet. Insbesondere kann das Verbindungsrohr als Kegelstumpf ausgebildet sein. Der Kegelstumpf erweitert sich dann zu einem der vorgenannten Anbindungsbereiche.
Das Verbindungsrohr ist eingerichtet, an der Innenseite mindestens ein Gleitelement aufzunehmen. Insbesondere bevorzugt liegt das Gleitelement an der Innenseite des Verbindungsrohrs an. Besonders bevorzugt sind die Oberfläche des Gleitelementes und die Innenseite des Verbindungsrohrs im Querschnitt vom Verbindungsrohr im Wesentlichen (d.h. bis auf für die Funktion des Gleitelement des tolerierbare Winkelunterschiede) demselben Winkel zur Längsachse vom Verbindungsrohr angeordnet.
Das Gleitelement ist eingerichtet, an der Innenseite vom Verbindungsrohr entlangzugleiten. Dabei kommt es i.d.R. zur Gleitreibung. Diese Gleitreibung hilft dabei, die Aufprallenergie abzubauen. Anstatt „Gleitelement“ kann gleichsam der Begriff „Reibelement“ oder „Gleitreibelement“ verwendet werden. Vereinfachend wird nachstehend lediglich der Begriff „Gleitelement“ gebraucht- Gleichsam sollen die Begriffe „Reibelement“ oder „Gleitreibelement“ als gleichbedeutende Begriffe mit offenbart sein. Gleiches gilt für den Begriff Gleitfläche und dessen Synonyme „Reibfläche“ oder „Gleitreibfläche“. Alternativ oder zusätzlich kann die Energie hier auch durch eine plastische und/oder elastische Verformung vom Verbindungsrohr absorbiert werden.
Besonders bevorzugt ist das Gleitelement als lastübertragendes Gleitelement ausgebildet und an der Innenseite am Verbindungsrohr angebracht. Hierzu kann beispielsweise das Gleitelement durch Presspassung und/oder Klebung an der Innenseite befestigt sein.
Bevorzugt ist das Gleitelement ringförmig ausgebildet. Somit können etwaige Kräfte und Momente gleichmäßig in das bevorzugt ebenfalls ringförmige Verbindungsrohr eingebracht werden. Bevorzugt weist das Gleitelement auf seiner äußeren Seite eine raue Oberfläche auf. Bevorzugt weist die Außenoberfläche des Gleitelements eine Mikroverzahnung auf. Die Verzahnung bzw. Mikroverzahnung (nachstehend: Mikroverzahnung) kann einen Flankenwinkel von 50 bis 70°, besonders bevorzugt von ca. 60° aufweisen. Eine Verzahnung mit einer solchen Zahngeometrie stellt eine ausreichende Festigkeit der Zähne sicher und ermöglicht zudem das Eindringen der Zähne in das vergleichsweise weiche faserverstärkte Kunststoffmaterial. Kann sich die Verzahnung gut in das faserverstärkte Kunststoffmaterial verankern, so lassen sich die maximal übertragbaren Kräfte deutlich steigern. Ferner bevorzugt weist die Mikroverzahnung eine Höhe (Einstichtiefe) von ca. 0,1 bis 0,1, und besonders bevorzugt von ca. 0,5 mm auf. Die Mikroverzahnung kann einen schraubenförmigen Verlauf aufweisen. Ebenso kann eine Verzahnung aus vielen parallelen Kreiserhebungen gebildet sein. Neben verbesserten mechanischen Belastungswerten verringert eine solche Mikroverzahnung die Herstellungskosten. Die Mikroverzahnung kann mit bekannten Werkzeugen und Verfahren hergestellt werden.
Besonders bevorzugt weisen die Innenseite des Verbindungsrohrs und das Gleitelement unterschiedliche Querschnittskonturen auf. In einer Ausgestaltung weist beispielsweise das Gleitelement eine im Querschnitt durch das Gleitelement kreisförmige Ringform auf, wohingegen die Innenseite des Verbindungsrohrs im Querschnitt durch das Verbindungsrohr quadratisch, wellenförmig oder sternförmig ausgebildet sein kann. Insbesondere kann der Querschnitt vom Verbindungsrohr im Kontaktbereich mit dem Gleitelement derart gestaltet sein, dass sich in Umfangsrichtung gesehen an das Gleitelement anliegende Bereiche und vom Gleitelement abhebende Bereiche des Verbindungsrohrs aufeinanderfolgend abwechselnd angeordnet sind. Eine solche Ausgestaltung der Querschnitte hat den Vorteil, dass sie im Falle eines Zusammenstoßes des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt (=Crash) besonders viel Energie absorbieren können.
Die Innenseite und/oder das Gleitelement können jeweils eine Querschnittskontur aufweisen, die von einem kreisförmigen Querschnitt abweicht. Weist beispielsweise auch das Gleitelement einen nicht kreisförmigen Querschnitt auf, so kann eine solche Verbindung zwischen Gleitelement und Verbindungsrohr besser geeignet sein, lasttragend Torsionsmomente zu übertragen. Gleichsam kann eine solche Verbindung zwischen Gleitelement und Verbindungsrohr in der Lage sein, etwaige Längendehnung in Druckbehälter Längsrichtung durch eine entsprechende Längsbewegung zu kompensieren.
Gemäß der hier offenbarten Technologie umfasst die Innenseite ferner eine Gleitfläche zum Abbau bzw. zur Aufnahme von mechanischer Energie, insbesondere indem das Gleitelement über diese Gleitfläche gleitet.
Das Kraftfahrzeug oder der Druckbehälter sind zweckmäßig derart eingerichtet, dass zur Energieabsorption während eines Zusammenstoßes des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt das Gleitelement über die Gleitfläche gleitet. Dabei gleitet das Gleitelement auf den sich verjüngenden Anwendungsbereich zu bzw. in das kegelstumpfförmige Verbindungsrohr hinein.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens eine Schutzkappe. Die Schutzkappe ist zweckmäßig derart ausgebildet und angeordnet, dass die Schutzkappe in einem ersten Zustand des Kraftfahrzeugs zumindest Endstück vor mechanischer Deformation schützt. Das Endstück ist in einer Druckbehälteröffnung vorgesehen. I.d.R. ist das Endstück in einer an einem Ende des Druckbehälters vorgesehenen Druckbehälteröffnung eingeschraubt. Ein solches Endstück ist dann als Auslasseinheit ausgebildet und umfasst i.d.R. auch ein Tankabsperrventil. Diese Auslasseinheit wird mit Brennstoffleitungen fluidverbunden. Die Schutzkappe ist insbesondere eingerichtet, das Endstück während eines Zusammenstoßes des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt zu schützen. Die Schutzkappe ist dem entsprechend formstabil ausgebildet. Zweckmäßig kann die Schutzkappe stabiler ausgeführt sein als die Fahrzeugkarosserie benachbart zur Schutzkappe. Zum Schutz des Endstücks kann der aus dem Druckbehälter herausragende Teil des Endstücks im ersten Zustand des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, in dem Innenbereich der Schutzkappe aufgenommen sein. Bevorzugt liegt die Schutzkappe im ersten Zustand zumindest teilweise mit dem äußeren Rand an einem Ende auf der Oberfläche der Druckbehälterwand auf. Etwaige Kräfte und Momente, die während des Zusammenstoßes auf die Schutzkappe wirken, können somit auf die Druckbehälterwand übertragen werden, ohne dass dabei das Endstück beschädigt wird.
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass in einem zweiten Zustand des Kraftfahrzeugs weniger vom Endstück in der Schubkappe aufgenommen ist als im ersten Zustand. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Rand der Schutzkappe im zweiten Zustand (weiter) von der Oberfläche der Druckbehälterwand beabstandet ist als im ersten Zustand. Besonders bevorzugt ist die Schutzkappe zumindest teilweise, bevorzugt vollständig im Inneren des Verbindungsrohrs angeordnet, insbesondere im ersten und oder zweiten Zustand.
Der erste Zustand ist dabei der Zustand nach dem Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt (= nach dem Unfall). Der zweite Zustand ist dabei ein Zustand vor dem Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt (= vor dem Unfall).
Der Aspekt der hier offenbarten Schutzkappe ist funktional unabhängig von der hier offenbarten Art der Energieabsorption und der hier offenbarten Karosserieanbindung durch das Verbindungsrohr. Mithin könnte ein allgemein beanspruchter Gegenstand auch lediglich folgende Merkmale umfassen: Kraftfahrzeug oder Druckbehälter, umfassend eine Schutzkappe, wobei die Schutzkappe derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Schutzkappe in einem ersten Zustand des Kraftfahrzeuges zumindest ein Endstück vor mechanischer Deformation schützt; wobei das Endstück in einer Druckbehälteröffnung vorgesehen ist; wobei in der Schutzkappe in einem zweiten Zustand des Kraftfahrzeugs weniger vom Endstück in der Schutzkappe aufgenommen ist als im ersten Zustand, und wobei ein erster Zustand ein Zustand nach einem Zusammenprall des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt und ein zweiter Zustand ein Zustand vor einem Zusammenprall des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt ist, wobei die Druckbehälteraufhängung bevorzugt eine Energieabsorbierende Aufhängung sein kann.
Besonders bevorzugt wird das Verbindungsrohr hergestellt nach einem der Verfahren, die in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldungen mit den Anmeldenummern DE 10 2016 201 477 und DE 10 2017 200199 .
Bevorzugt ist das mindestens eine Verbindungsrohr, bevorzugt jeweils ein Verbindungsrohr an jedem der beiden Enden des Druckbehälters, einstückig mit einer faserverstärkten Schicht ausgebildet, die den Liner im Mittelbereich umgibt. Bevorzugt werden die faserverstärkte Schicht im Mittelbereich des Druckbehälters und die beiden Verbindungsrohr zumindest teilweise aus eine oder mehrere Lagen an Verstärkungsfasern ausgebildet, die sich über den Mittelbereich und die Verbindungsrohre erstrecken.
Der Druckbehälteranbindungsbereich ist insbesondere der Bereich, in dem das Verbindungsrohr mit der Druckbehälterwand verbunden ist. Zweckmäßig ist der Druckbehälteranbindungsbereich an einem Ende des Druckbehälters angeordnet. Bevorzugt ist der Druckbehälteranbindungsbereich beabstandet von der Druckbehälterlängsachse angeordnet, bevorzugt mindestens 0,2 D oder mindestens 0,3 D oder mindestens 0,4 D, wobei D der größte Abstand gegenüberliegender Außenoberflächen ist (i.d.R. der größte Durchmesser) des Druckbehälters ist. Bevorzugt schließt die Außenoberfläche vom Verbindungsrohr im Druckbehälteranbindungsbereich bündig mit der Außenoberfläche der Druckbehälterwand (i.d.R. mit der Außenoberfläche einer faserverstärkten Schicht) ab bzw. steht nicht gegenüber der Außenoberfläche der Druckbehälterwand nach außen hervor. Somit können vorteilhaft höhere Kräfte und/oder Momente übertragen werden, eine höhere Energieabsorption und/oder ein besseres Crashverhalten erzielt werden, wobei gleichsam nicht oder nur geringfügig mehr Bauraum benötigt wird.
Der Karosserieanbindungsbereich ist insbesondere der Bereich, in dem während der Herstellung des Kraftfahrzeugs der Druckbehälter an die Karosserie des Kraftfahrzeugs befestigt wird. Die Art der Befestigung kann dabei verschieden ausgeführt sein. Bevorzugt sind reversible lösbare Verbindungen wie beispielsweise Schraubenverbindungen.
Besonders bevorzugt ist in dem Verbindungsrohr mindestens eine laterale Aussparung vorgesehen, durch die ein in dem Verbindungsrohr aufgenommenes Endstück und/oder in bzw. an das Endstück montierte Elemente, wie beispielsweise Brennstoffleitungen und/oder Ventile, einsehbar und/oder (de)montierbar sind.
Zweckmäßig ist diese Verbindung durch das Verbindungsrohr lasttragend bzw. lastübertragend ausgebildet. Der Druckbehälter kann also als lasttragender Druckbehälter bzw. als Versteifungselement der Karosserie ausgebildet sein. Es lässt sich also somit die Fahrzeugkarosserie versteifen. Hierzu lassen sich vorteilhaft Kräfte an einem ersten Ende des Druckbehälters von der Karosserie in den Druckbehälter einleiten und am zweiten Ende des Druckbehälters wieder in die Karosserie ausleiten. Der Druckbehälter (insbesondere das hier offenbarte Verbindungsrohr, der Liner und die faserverstärkte Schicht) kann/können ausgebildet sein, Kräfte und/oder Momente zu übertragen, die vom Betrag her größer sind, z.B. mindestens um den Faktor 2,5, 4, 8, 10, 20 oder 100, als die Kräfte und/oder Momente, die aus der schweren oder trägen Masse des Druckbehälters und des darin enthaltenen Brennstoffs im Betrieb resultieren (z.B. Gewichtskraft, Querbeschleunigung, etc.).
Ein Lastwert kann indikativ für die Kräfte und/oder Momente sein, die vom Karosserieanbindungsbereich über das Gleitelement und das Verbindungsrohr auf den Druckbehälteranbindungsbereich übertragen werden. Das Gleitelement und das Verbindungsrohr können unterhalb von einem Lastgrenzwert lastübertragend sein. Mit anderen Worten können also das Gleitelement und das Verbindungsrohr bei einem Wert unterhalb vom Grenzwert Kräfte und/oder Momente vom Karosserieanbindungsbereich an den Druckbehälteranbindungsbereich und/oder vom Druckbehälteranbindungsbereich an den Karosserieanbindungsbereich übertragen.
Falls der Lastwert den Lastwertgrenzwert übersteigt, so kann es vorteilhaft zu einer Relativbewegung zwischen Gleitelement und Verbindungsrohr kommen. Die Relativbewegung kann reversibel sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Relativbewegung zumindest teilweise irreversibel sein, beispielsweise um zu indizieren, dass eine Teilbeschädigung der Druckbehälteraufhängung stattgefunden hat.
Der Lastwertgrenzwert kann insbesondere so gewählt sein, dass bei Überschreitung vom Lastgrenzwert die Relativbewegung zwischen Gleitelement und Verbindungsrohr Längenänderungen vom Druckbehälter reversibel kompensieren kann; insbesondere diejenigen Längenänderungen, die aus Temperaturänderungen und/oder Druckbehälterinnendruckänderungen resultieren. Die Längenänderungen der Druckbehälterwand werden zweckmäßig durch eine entsprechende Verkürzung des Abstands von Gleitelement zu Druckbehälterende kompensiert. Dabei ist es vorteilhaft, dass sich die Druckbehälterausmaße in einer Richtung senkrecht zur Druckbehälterlängsachse ebenfalls ändern. Somit lockert sich zumindest zu einem gewissen Grad die Presspassung bei Druckanstieg, also in dem Fall, in dem eine Längenänderung stattfindet, die es zu kompensieren gilt. Besonders bevorzugt ist der Öffnungswinkel vom Verbindungsrohr, also der Winkel zwischen Druckbehälterlängsachse A-A und Innenseite vom Verbindungsrohr, so gewählt, dass bei einer Ausdehnung des Druckbehälters aufgrund von Innendruckanstieg die Presspassung zwischen Gleitelement und Verbindungsrohr im Wesentlichen konstant ist wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Relativbewegung zwischen Gleitelement und Verbindungsrohr Energie absorbierend ausgebildet sein, insbesondere für den Fall eines Zusammenstoßes des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt.
Besonders bevorzugt kann der Lastwertgrenzwert so gewählt sein, dass bei einem Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs mit einem Versagenspotential für eine der brennstoffführenden Komponenten (z.B. einer Komponente eines Anodensubsystems eines Brennstoffzellensystems wie Leitungen, Brennstoffzellenstapel, etc.) durch die Relativbewegung die Schutzkappe auf das Endstück geschoben wird.
Die Innenseite vom Verbindungsrohr kann im Querschnitt eine Gerade sein. Alternativ könnte die Innenseite auch eine andere Raumkurve sein, die optimiert ist im Hinblick

i) auf die Kompensation von druck- und/oder temperaturbedingte Dimensionsänderungen des Druckbehälters und/oder
ii) auf die gewünschte Energieabsorption pro zurückgelegte Wegstrecke vom Gleitelement.

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie einen Druckbehälter. Der Druckbehälter kann beispielsweise bewickelt bzw. geflochten werden. Der Energieabsorber in Form eines Verbindungsrohrs schützt den empfindlichen Dombereich mit seinen Ventilen und Leitungsanschlüssen. Das Verbindungsrohr schützt vor scharfe Kanten. Das Verbindungsrohr dient also als Fallschutz für Montage und Logistik des Tanks. Gleichzeitig können mit der hier offenbarten Karosserieanbindung vergleichsweise hohe Kräfte und Momente übertragen werden, ohne dass diese über das Endstück (On-Tank-Valve) und/oder den Bosse übertragen werden müssen. Die hier offenbarte Karosserieanbindung kann ferner vorteilhaft platzsparend ausgebildet sein, so dass nutzbare das Speichervolumen steigt.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Druckbehälteraufhängung an eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs;
1a, 1b schematische Querschnittsansichten durch ein Verbindungsrohr 132 und ein Geleitselement 134; und
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie.

In der 1 ist schematisch eine Querschnittsansicht von oben auf eine Anbindung eines Druckbehälters 100 an Karosserieanbindungsbereiche 210, 220 gezeigt. Weitere Elemente der Fahrzeugkarosserie und der Karosserieanbindungsbereiche 210, 220 wurden vereinfachend weggelassen.
Der Druckbehälter 100 umfasst einen Liner 110, der hier das Speichervolumen I zur Speicherung vom Brennstoff ausbildet. Der Liner 110 sowie etwaige Bosse des Druckbehälters 100 ist/sind umgeben von einer faserverstärkten Schicht 120. Die faserverstärkte Schicht 120 dient als Armierung und trägt die wesentlichen Drucklasten, die während des Betriebs vom Druckbehälter auftreten. An einem Ende des Druckbehälters ist das Endstück 170 in eine Druckbehälteröffnung eingesetzt. Die Druckbehälteröffnung umfasst hier einen Boss, in dem hier ein als On-Tank-Valve ausgeführtes Endstück 170 eingeschraubt ist.
Beabstandet vom Endstück 170 und von der Oberfläche des Druckbehälters 100 unmittelbar benachbart zum Endstück 170 ist hier die Schutzkappe 150 im zweiten Zustand angeordnet. Der zweite Zustand ist ein Zustand vor einem Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt. Das Endstück 170 ist somit im Wesentlichen freiliegend angeordnet. Etwaige Anschlussleitungen können somit einfach montiert und demontiert werden. Auch ist das Endstück 170 für andere Wartungsarbeiten und/oder visuellen Inspektionen zugänglich. Hierzu kann in dem Verbindungsrohr 130, welches hier die Schutzkappe 150 und/oder das Endstück 170 umgibt, mindestens eine laterale Aussparung vorgesehen sein (nicht gezeigt).
Das Gleitelement 134 ist hier ringförmig ausgebildet und liegt an der Innenseite 132 vom Verbindungsrohr 130 an. Beispielsweise kann hierzu eine leichte Presspassung zwischen Verbindungsrohr 130 und Gleitelement 134 vorgesehen sein. Die Presspassung kann dabei so bemessen sein, dass Kräfte und/oder Momente bis zu einem gewissen Grenzwert übertragen werden. Dies kann die Karosserie zusätzlich versteifen. Übersteigen die vom Gleitelement 134 bzw. Verbindungsrohr 130 zu übertagenden Kräfte und/oder Momente den Lastgrenzwert, so kann es zur Relativbewegung zwischen Gleitelement und Verbindungsrohr 130 kommen, beispielsweise um Längenänderungen vom Druckbehälter zu kompensieren und/oder falls sich ein Zusammenstoß ereignet. Dies muss aber nicht so sein. Auch eine andere Passung kann vorgesehen sein.
Die Innenseiten 132 vom Verbindungsrohr 130 sind hier im Querschnitt winkelig zur Druckbehälterlängsachse A-A angeordnet. Eine Innenseite 132 bildet dabei mit der Druckbehälterlängsachse A-A den Öffnungswinkel aus. Dieser Öffnungswinkel kann optimiert sein für das Verhalten zur Energieabsorption und/oder zur Kompensation von druck- und/oder temperaturbedingte Dimensionsänderungen des Druckbehälters 100.
Die Schutzkappe 150 ist hier durch eine Platte gehalten, die wiederum an Axialstege 222, 224 vom Karosserieanbindungsbereich 220 angeschraubt ist. An der Platte angebracht ist ebenfalls das Gleitelement 134, der hier ebenfalls im Wesentlichen denselben Öffnungswinkel aufweist wie die Innenseite 132. Die Verbindung von Schutzkappe 150/ Gleitelement 134 und Karosserieanbindungsbereich 220 kann aber auch anders gestaltet sein.
Das/die Verbindungsrohr(e) 130 sind hier einstückig mit einer faserverstärkten Schicht 140 ausgebildet. Insbesondere kann das mindestens eine Verbindungsrohr 130 und die faserverstärkte Schicht 140 in einem Herstellungsprozess durch Wickeln und/oder Flechten hergestellt worden sein. Vorteilhaft handelt es sich also um einen auf den Liner 110 direkt oder auf einer faserverstärkten Schicht 120 aufgetragenen Aufbau mehrerer Lagen mit Endlosfasern, die sich von einem Karosserieanbindungsbereich über die Druckbehälteranbindungsbereiche 136 hin zum anderen Karosserieanbindungsbereich erstrecken. Somit können besonders platzsparend die Kräfte und/oder Momente übertragen werden. Vorteilhaft sind sowohl in den Verbindungsrohren 130 als auch in der faserverstärkten Schicht 140 im Mittelteil des Druckbehälters Umfangslagen vorgesehen.
Die Verbindungsrohre 130 in der 1 sind hier derart ausgebildet und angeordnet, dass das mit Bezug auf die Druckbehälterwand distale Ende des Verbindungsrohr 130 einen größeren Durchmesser aufweist als das proximale Ende des Verbindungsrohrs 130, das hier einstückig mit der Druckbehälterwand ausgebildet ist.
Die Karosserieanbindungsbereiche umfassen hier ringförmige Rohraufnahmebereiche 218, 228 auf. Dieser mindestens eine Rohraufnahmebereich 218, 228 ist eingerichtet, beim Übergang vom ersten in den zweiten Zustand und danach (d.h. während und nach dem Zusammenstoß des Kraftfahrzeuges mit einem Objekt) das mindestens eine Verbindungsrohr 130 zumindest teilweise aufzunehmen, insbesondere derart, dass die Schutzkappe 150 einer Oberfläche der Druckbehälterwand zumindest angenähert oder an dieser angelegt werden kann. Vorteilhaft kann somit das Endstück 170 vor mechanischen Einwirkungen geschützt werden.
Stößt nun das Kraftfahrzeug mit einem Objekt zusammen, so kann es abhängig von der Aufprallenergie dazu kommen, dass sich der mindestens eine Karosserieanbindungsbereich 210, 220 auf die Druckbehälterwandung zu bewegt. Dabei wird Gestaltänderungsarbeit geleistet, indem das Gleitelement 134 die Innenwand 132 vom Verbindungsrohr 130 nach außen drückt. Diese Gestaltänderungsarbeit ist eine Art von Energieabsorption, die die Auswirkung des Zusammenstoßes auf den Druckbehälter selbst abmildert. Bei Zusammenstößen größeren Ausmaßes wird hier gleichsam die Schutzkappe 150 auf das Ende vom Druckbehälter aufgelegt.
Die Platte, die die Schutzkappe hält, die Schutzkappe 150 selbst und der mindestens eine Axialsteg 222, 224 sind dabei bevorzugt so gestaltet, dass (zweckmäßig bei Zusammenstößen größten Ausmaßes) das Gleitelement 134 in eine Endstellung gleitet. In der Endstellung kann das Gleitelement und/oder der mindestens eine Axialsteg 222, 224 an eine Schulter 135 vom Druckbehälter anliegen. Die Schulter 135 kann bevorzugt im Druckbehälteranbindungsbereich 136 angeordnet sein. Falls die Energie nicht vollständig abgebaut werden konnte, so kann mit vergleichsweise einfachen Mitteln platzsparend und gewichtsneutral die Restenergie zum anderen Ende des Druckbehälters transportiert werden, wo gegebenenfalls noch das Verbindungsrohr 130 am anderen Ende zur Energieabsorption genutzt werden kann. Vorteilhaft kann der mindestens eine Axialsteg 224, 222 so gestaltet sein, das er in diesem Fall nicht knickt, sondern an der Innenseite vom Verbindungsrohr 130 sich anschmiegt.
Die 1a und 1b zeigen Querschnitte durch ein Gleitelement 134 und einem Verbindungsrohr 130. In der 1a ist das Gleitelement 134 kreisringförmig ausgebildet, wohingegen das Verbindungsrohr 130 im Querschnitt sternförmig bzw. wellenförmig ausgebildet ist. Eine solche Ausgestaltung weist ein besonders vorteilhaftes Energieaufnahmeverhalten auf. Alternativ kann auch das Gleitelement 134 im Querschnitt sternförmig bzw. wellenförmig ausgebildet sein. Vorteilhaft können bei einer solchen Ausgestaltung höhere Torsionsmomente zur lasttragenden Anbindung übertragen werden. Sofern beide Querschnitte gleiche Konturen aufweisen, können besonders große Momente übertragen werden. Gleichsam können sich die Querschnittskonturen auch unterscheiden (wie in der 1b gezeigt), so dass ein Kompromiss aus übertragbaren Torsionsmomenten und verbesserte Energieabsorption erhalten werden kann.
Die 1c zeigt das Detail A der 1. Es handelt sich dabei um einen Längsschnitt entlang der Verbindungsrohrlängsachse. Das Verbindungsrohr 130 kann auch in Richtung der Verbindungsrohrlängsachse gewellt sein.
Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden nur die Unterschiede erläutert. Das Verbindungsrohr 130 ist hier anders orientiert und am Karosserieanbindungsbereich 220 angebracht. Die Innenseiten 132 sind hier zur Druckbehälterwand hin divergierend angeordnet. Mithin weist der zum Druckbehälteranbindungsbereich 136 im zweiten Zustand unmittelbar benachbarte Rand vom Verbindungsrohr 130 einen größeren Durchmesser auf als der Rand beabstandet zum Druckbehälteranbindungsbereich 136. Am Druckbehälteranbindungsbereich 136 ist hier druckbehälterseitig das Gleitelement 134 an die Druckbehälterwand angebracht. Bevorzugt steht das Gleitelement 134 nur wenig oder nicht in radialer Richtung vor. Bevorzugt ist also der größte Durchmesser vom Druckbehälter im zylindrischen Bereich angeordnet. Das Gleitelement 134 ist jedoch zweckmäßig so weit von der Druckbehälterlängsachse A-A beabstandet, dass im Falle eines Zusammenstoßes des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt der Druckbehälter zumindest teilweise in das Verbindungsrohrinnere zur Energieabsorption aufgenommen werden kann. Mit anderen Worten schiebt sich also das Verbindungsrohr 130 dann zumindest teilweise auf den Druckbehälter 100.
Die Schutzkappe 150, das Verbindungsrohr 130 und das Druckbehälterende sind hier (wie in der 1) so gestaltet, dass die Schutzkappe 150 während und/oder nach dem Zusammenstoß das Endstück 170 (insbesondere schützend und einrahmend) auf die Druckbehälterwand abstützbar positioniert werden kann. An dem anderen Ende ist hier eine der Druckbehälteranbindungsbereich 136 als Spannbandaufnahme ausgebildet. Vorteilhaft kann diese in der faserverstärkten Schicht als umlaufende Nut vorgesehen sein. Dass Spannband und deren Karosserieanbindung wurde hier vereinfachen weggelassen. Bevorzugt steht bei der hier gezeigten Lösung das Spannband nicht in radialer Richtung hervor und das Speichervolumen kann optimiert sein. Der Abstützrohrabschnitt 160 dient hauptsächlich zur Übertragung von Axialkräften in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A. Findet benachbart zu diesem Ende ein Zusammenstoß statt, so können die Kräfte und Momente über den Karosserieanbindungsbereich 210 und den Abstützrohrabschnitt 160 auf den Druckbehälter übertragen werden. Am anderen Ende wird dann die Energie vom Zusammenstoß im Verbindungsrohr 132 absorbiert. Eine solche Ausgestaltung ist besonders platzsparend.
Bei der Ausführungsform der 2 weist lediglich ein Ende ein Verbindungsrohr 130 auf. Gleichsam könnte hier an jedem Ende jeweils ein Verbindungsrohr 130 vorgesehen sein. Ebenso könnte bei der Ausgestaltung gemäß der 1 lediglich ein Verbindungsrohr 130 an einem der Enden vorgesehen sein. Die Technologie ist an beiden Enden des Druckbehälters jeweils anwendbar.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, das/ein Verbindungsrohr, der/ein Druckbehälteranbindungsbereich, der/ein Karosserieanbindungsbereich, das/ein Gleitelement, der/ein Gleitring, die/eine Gleitfläche, die/eine faserverstärkte Schicht, der/ein erste Zustand, das/ein Endstück, der/ein zweite Zustand, die/eine Querschnittskontur, der/ein Lastwert, der/ein Lastwertgrenzwert, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, das mindestens eine Verbindungsrohr, der mindestens eine Druckbehälteranbindungsbereich, der mindestens eine Karosserieanbindungsbereich, das mindestens eine Gleitelement, der mindestens eine Gleitring, die mindestens eine Gleitfläche, die mindestens eine faserverstärkte Schicht, der mindestens eine erste Zustand, das mindestens eine Endstück, der mindestens eine zweite Zustand, die mindestens eine Querschnittskontur, der mindestens eine Lastwert, der mindestens eine Lastwertgrenzwert, etc.).
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.
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

DE 102016201477 [0024]
DE 102017200199 [0024]

Claims

Kraftfahrzeug, umfassend: - mindestens einen Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff; und - mindestens ein Verbindungsrohr (130), welches mindestens einen Druckbehälteranbindungsbereich (136) mit mindestens einem Karosserieanbindungsbereich (210, 220) des Kraftfahrzeugs verbindet; wobei das Verbindungsrohr (130) divergierend ausgebildet ist; wobei das Verbindungsrohr (130) eingerichtet ist, an der Innenseite (132) mindestens ein Gleitelement (134) aufzunehmen; und wobei die Innenseite (132) ferner über eine Gleitfläche (132A) zur Aufnahme von mechanischer Energie verfügt.
Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff, umfassend: - mindestens ein Verbindungsrohr (130), welches mindestens einen Druckbehälteranbindungsbereich (136) mit mindestens einem Karosserieanbindungsbereich (210, 220) des Kraftfahrzeugs verbindet, wobei das Verbindungsrohr (130) divergierend ausgebildet ist; - wobei das Verbindungsrohr (130) eingerichtet ist, an seiner Innenseite (132) mindestens ein Gleitelement (134) aufzunehmen; und - wobei die Innenseite (132) ferner über eine Gleitfläche (132A) zur Aufnahme von mechanischer Energie verfügt.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug bzw. der Druckbehälter (100) derart eingerichtet ist/sind, dass zur Energieabsorption während eines Zusammenstoßes des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt das Gleitelement (134) über die Gleitfläche (132A) gleitet.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verbindungsrohr (130) zumindest bereichsweise mindestens eine faserverstärkte Schicht umfasst.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach Anspruch 4, wobei die faserverstärkte Schicht Verstärkungsfasern umfasst, die in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Schutzkappe (150), wobei die Schutzkappe (150) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Schutzkappe (150) in einem ersten Zustand des Kraftfahrzeuges zumindest ein Endstück (170) vor mechanischer Deformation schützt, und wobei das Endstück (170) in einer Druckbehälteröffnung vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach Anspruch 6, wobei in der Schutzkappe (150) in einem zweiten Zustand des Kraftfahrzeugs weniger vom Endstück (170) in der Schutzkappe (150) aufgenommen ist als im ersten Zustand.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Innenseite (132) und das Gleitelement (134) unterschiedliche Querschnittskonturen aufweisen.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Innenseite (132) und/oder das Gleitelement (134) Querschnittskonturen aufweisen, die von einem kreisförmigen Querschnitt abweichen.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Lastwert indikativ für die Kräfte und/oder Momente ist, die über das Gleitelement (134) und das Verbindungsrohr (130) i) vom Karosserieanbindungsbereich (210, 220) auf den Druckbehälteranbindungsbereich (136) übertragen werden oder ii) vom Druckbehälteranbindungsbereich (136) auf den Karosserieanbindungsbereich (210, 220) übertragen werden; wobei das Gleitelement (134) und das Verbindungsrohr (130) sich relativ zueinander bewegen, falls der Lastwert einen Lastwertgrenzwert übersteigt.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach Anspruch 10, wobei der Lastwertgrenzwert so gewählt ist, dass bei Überschreitung vom Lastgrenzwert - die Relativbewegung zwischen Gleitelement (134) und Verbindungsrohr (130) Längenänderungen vom Druckbehälter kompensieren kann; und/oder - die Relativbewegung zwischen Gleitelement (134) und Verbindungsrohr (130) Energie absorbiert, die aus einem Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs mit einem Objekt resultiert.
Kraftfahrzeug oder Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schutzkappe (150) auf das Endstück (170) aufschiebbar ausgebildet ist, insbesondere durch eine Relativbewegung zwischen Gleitelement (134) und Verbindungsrohr (130).