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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe.
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Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 2 541 062 A1 ist eine Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe, insbesondere für Erdgas, mit einem hin- und herbeweglichen Pumpenkolben bekannt. Der Pumpenkolben begrenzt einen Pumpenarbeitsraum, der mit flüssigem Erdgas befüllbar ist, so dass im Pumpenarbeitsraum vorhandenes flüssiges Erdgas über eine Hubbewegung des Pumpenkolbens mit Hochdruck beaufschlagbar ist. Andernends begrenzt der Pumpenkolben einen Druckraum, der mit einem hydraulischen Druckmittel befüllbar ist, um den Pumpenkolben in einer Hubbewegung anzutreiben. Alternativ wird ein elektrischer, pneumatischer oder mechanischer Antrieb vorgeschlagen.
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Die Rückstellung des Pumpenkolbens einer Kolbenpumpe kann ebenfalls hydraulisch oder mechanisch mittels einer Rückstellfeder, insbesondere einer Schraubendruckfeder, bewirkt werden. Die Schraubendruckfeder ist hierzu in der Regel am Pumpenkolben abgestützt, so dass auf den Pumpenkolben zusätzlich Torsions- und Querkräfte wirken. Insbesondere die Querkräfte führen zu einem erhöhten Verschleiß im Bereich der Führungen und/oder Dichtungen am Pumpenkolben, was sich wiederum negativ auf die Lebensdauer der Kolbenpumpe auswirkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Verschleiß im Bereich von Führungen und/oder Dichtungen eines hin- und herbeweglichen Pumpenkolbens einer Kolbenpumpe zu mindern, so dass die Lebensdauer der Kolbenpumpe gesteigert wird.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 2 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe, die einen hin- und herbeweglichen Pumpenkolben umfasst, der einenends einen Kompressionsraum und andernends einen in einem Hohlzylinder ausgebildeten Druckraum begrenzt. Im Verdichtungstakt der Kolbenpumpe wird der Druckraum mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagt, so dass sich der Pumpenkolben von einer unteren Endlage in Richtung einer oberen Endlage bewegt. Erfindungsgemäß wird zur Rückstellung des Pumpenkolbens im Befülltakt der Kolbenpumpe der hydraulische Druck im Druckraum zumindest teilweise abgebaut und ein durch einen Absatz des Pumpenkolbens begrenzter Kolbenrückraum mit einem Druck beaufschlagt, der in einem Tank zur Bevorratung des kryogenen Kraftstoffs herrscht. Das heißt, dass der Kolbenrückraum mit Tankdruck beaufschlagt wird, der auf den Pumpenkolben eine rückstellende Kraft bewirkt. Die Rückstellung wird demnach allein mit Hilfe des Gasdrucks im Tank bzw. im Kolbenrückraum bewirkt. Der Kolbenrückraum ist hierzu an den Tank angebunden.
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Zum Abbau des hydraulischen Drucks im Druckraum können die Mittel verwendet werden, die auch zur Druckbeaufschlagung eingesetzt werden. Diese Mittel können insbesondere eine externe Hydraulikpumpe und/oder ein Hydraulikventil umfassen.
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Der hydraulische Druck im Druckraum muss im Befülltakt der Kolbenpumpe soweit abgebaut werden, dass auf den Pumpenkolben eine Kraftresultierende wirkt, die zu der gewünschten Rückstellung des Pumpenkolbens führt. Insbesondere darf der hydraulische Druck im Druckraum keinen Gegendruck erzeugen, der die gewünschte Rückstellung des Pumpenkolbens blockiert. Die Kraftresultierende kann über die Flächenverhältnisse am Pumpenkolben beeinflusst werden.
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Die vorgeschlagene pneumatische Rückstellung ersetzt eine hydraulische oder mechanische Rückstellung. Gegenüber der hydraulischen Rückstellung besitzt die pneumatische Rückstellung den Vorteil, dass die Umlaufmenge des Hydraulikmediums, wobei es sich insbesondere um ein Öl handeln kann, verringert wird. Aufgrund der verringerten Ölumlaufmenge ist der Betrieb der Kolbenpumpe umweltfreundlicher.
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Gegenüber der mechanischen Rückstellung besitzt die pneumatische Rückstellung zudem den Vorteil, dass auf den Pumpenkolben keine federbedingten Torsions- und/oder Querkräfte wirken. Dadurch kann der Verschleiß im Bereich der Führungen und/oder Dichtungen am Pumpenkolben gesenkt werden, was mit einer gesteigerten Lebensdauer der Kolbenpumpe einhergeht.
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Im Betrieb der Kolbenpumpe sammelt sich im Kolbenrückraum Leckagegas, das im Wege der Leckage aus dem Kompressionsraum in den Kolbenrückraum gelangt ist. Das heißt, dass es sich bei dem Leckagegas um kryogenen Kraftstoff aus dem Kompressionsraum handelt, der aus der flüssigen Phase in die Gasphase übergegangen ist. Eine gewisse Leckage ist stets hinzunehmen, da eine Abdichtung des Kompressionsraums nur über dynamisch belastete Dichtungen möglich ist, die nicht uneingeschränkt dichthalten. Da eine Anbindung des Kolbenrückraums mit dem Tank besteht, kann die in den Kolbenrückraum gelangende Leckagemenge über die Anbindung in den Tank zurückgeführt werden, so dass diese Menge nicht verloren geht.
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Die zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe umfasst einen hin- und herbeweglichen Pumpenkolben, der einenends einen Kompressionsraum und andernends einen in einem Hohlzylinder ausgebildeten Druckraum begrenzt, der mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß weist der Pumpenkolben einen ringförmigen Absatz zur Begrenzung eines Kolbenrückraums auf, der unmittelbar oder mittelbar über einen weiteren Kolbenrückraum an einen Tank zur Bevorratung des kryogenen Kraftstoffs angebunden ist, so dass der Kolbenrückraum zur Rückstellung des Pumpenkolbens mit dem im Tank herrschenden Druck beaufschlagbar ist.
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Die Beaufschlagung des Kolbenrückraums mit Tankdruck dient der Rückstellung des Pumpenkolbens. Eine Rückstellfeder, die auf den Pumpenkolben Torsions- und/oder Querkräfte ausübt, ist somit entbehrlich, was dazu führt, dass der Verschleiß im Bereich der Führungen und/oder Dichtungen am Pumpenkolben verringert wird. Folglich steigt die Lebensdauer der Kolbenpumpe.
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Die vorgeschlagene Kolbenpumpe ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass die Vorteile des Verfahrens sich auch beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ergeben.
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Der Kolbenrückraum, der von einem ringförmigen Absatz des Pumpenkolbens begrenzt wird, ist vorzugsweise im Hohlzylinder ausgebildet ist, in dem auch der Druckraum angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Kolbenrückraum außerhalb des Hohlzylinders ausgebildet ist und sich bis in den Hohlzylinder hinein erstreckt. Der Tankdruck bzw. Gasdruck wirkt somit unmittelbar auf einen Endabschnitt des Pumpenkolbens der zugleich den Druckraum begrenzt bzw. dem Antrieb des Pumpenkolbens dient. Das heißt, dass sich am Endabschnitt des Pumpenkolbens etwa gleich große Wirkflächen gegenüberliegen, die gasdruckseitig nur durch die Querschnittsfläche einer Kolbenstange des Pumpenkolbens reduziert wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Pumpenkolben außenumfangseitig eine dem Kolbenrückraum zugeordnete umlaufende Gasdichtung und eine dem Druckraum zugeordnete umlaufende Hydraulikdichtung aufweist. Auf diese Weise wird eine wirksame Medientrennung erreicht. Die Dichtungen sind vorzugsweise außenumfangseitig an einem Kolbenabschnitt bzw. Kolbenteil angeordnet, der bzw. das einerseits den Kolbenrückraum und andererseits den Druckraum begrenzt.
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An seinem dem Kompressionsraum zugewandten Ende weist der Pumpenkolben bevorzugt einen Verdichterkolben auf, der einerseits den Kompressionsraum und andererseits den Kolbenrückraum oder einen mit dem Kolbenrückraum verbundenen weiteren Kolbenrückraum begrenzt, der eine Kolbenstange des Pumpenkolbens umgibt. Der Kolbenrückraum wird demnach vom Kompressionsraum nur durch den Verdichterkolben des Pumpenkolbens getrennt. Das im Wege der Leckage aus dem Kompressionsraum austretende Gas gelangt somit unmittelbar in den Kolbenrückraum bzw. in die miteinander verbundenen Kolbenrückräume. Über die Anbindung der Kolbenrückräume an den Tank kann die Leckagemenge zurück in den Tank geführt werden.
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Vorteilhafterweise ist der Verdichterkolben unter Ausbildung einer Spaltdichtung in einem Pumpenzylinderkopf aufgenommen, in dem der Kompressionsraum ausgebildet ist. Das heißt, dass auf weitere über die Spaltdichtung hinausgehende Abdichtungsmaßnahmen verzichtet wird. Dadurch kann der Aufbau der Kolbenpumpe vereinfacht werden, wodurch die Fertigungskosten sinken.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in zumindest einen Kolbenrückraum eine Gasleitung mündet, über welche der Kolbenrückraum an den Tank angebunden ist. Die Gasleitung kann insbesondere durch eine Bohrung in einem Gehäuseteil der Kolbenpumpe ausgebildet werden. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Flanschteil handeln, dass den Hohlzylinder mit einem weiteren Hohlzylinder verbindet.
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Zur Realisierung der vorzugsweise unterschiedlich großen Wirkflächen am Pumpenkolben wird vorgeschlagen, dass der Pumpenkolben mehrteilig ausgeführt ist. Bevorzugt weist der Pumpenkolben eine Kolbenstange auf, an deren Enden jeweils ein Kolben angeordnet ist, und zwar ein Verdichterkolben, der den Kompressionsraum begrenzt, und einen weiteren Kolben bzw. ein Kolbenteil, das den Druckraum begrenzt. Der Pumpenkolben kann auf diese Weise einfach und kostengünstig hergestellt werden. Ferner wird die Montage der Kolbenpumpe erleichtert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs mit einem kryogenen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann.
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Die dargestellte erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 weist einen hin- und herbeweglichen Pumpenkolben 2 auf, der an einem ersten Ende einen in einem Pumpenzylinderkopf 14 aufgenommenen Verdichterkolben 10 zur Begrenzung eines im Pumpenzylinderkopf 14 ausgebildeten Kompressionsraum 3 aufweist. Im Befülltakt der Kolbenpumpe 1 wird der Kompressionsraum 3 über einen im Pumpenzylinderkopf 14 ausgebildeten Zuströmkanal 16 mit kryogenem Kraftstoff befüllt. Im anschließenden Verdichtungstakt wird der im Kompressionsraum 3 vorhandene Kraftstoff verdichtet und über einen ebenfalls im Pumpenzylinderkopf 14 ausgebildeten Hochdruckkanal 17 einem Pufferspeicher (nicht dargestellt) zugeführt.
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Andernends weist der Pumpenkolben 2 ein Kolbenteil 20 auf, das mit dem Verdichterkolben 10 über eine Kolbenstange 12 verbunden ist und einen in einem Hohlzylinder 4 ausgebildeten Druckraum 5 begrenzt. Der Druckraum 5 ist über eine Hydraulikleitung 18 mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar, so dass auf das Kolbenteil 20 eine hydraulische Druckkraft wirkt, die den Pumpenkolben 2 in einer Hubbewegung antreibt. Der Antrieb im Verdichtungstakt wird demnach über den ansteigenden hydraulischen Druck im Druckraum 5 bewirkt.
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Das Kolbenteil 20 weist vorliegend einen Außendurchmesser D1 auf, der größer als ein Außendurchmesser D2 der Kolbenstange 12 ist. Auf der dem Druckraum 5 abgewandten Seite bildet demnach das Kolbenteil 20 einen ringförmigen Absatz 6 aus. Der am Kolbenteil 20 ausgebildete ringförmige Absatz 6 begrenzt einen im Hohlzylinder 4 ausgebildeten Kolbenrückraum 7, der mit einem weiteren Kolbenrückraum 11 verbunden ist, der sich bis an den Verdichterkolben 10 erstreckt. Die zwischen dem Verdichterkolben 10 und dem Pumpenzylinderkopf 14 ausgebildete Spaltdichtung 13 vermag eine Leckage aus dem Kompressionsraum 3 in den Kolbenrückraum 11 nicht zu verhindern, so dass sich im Verdichtungstakt der Kolbenpumpe 1 der Kolbenrückraum 11 und der Kolbenrückraum 7 mit Leckagegas füllen. Zugleich werden die Kolbenrückräume 7, 11 mit einem Druck beaufschlagt, der in einem Tank 21 herrscht, in dem der kryogene Kraftstoff bevorratet wird. Die Kolbenrückräume 7, 11 sind hierzu über eine Gasleitung 15 mit dem Tank 21 verbunden. Die Gasleitung 15 ist als Bohrung in einem Flanschbauteil 19 ausgebildet. Der am ringförmigen Absatz 6 des Kolbenteils 20 anliegende Gasdruck bewirkt im Befülltakt der Kolbenpumpe eine auf den Pumpenkolben wirkende rückstellende Kraft, da zugleich der hydraulische Druck im Druckraum 5 abgebaut wird. Der Druckabbau kann mittels einer Hydraulikpumpe (nicht dargestellt) realisiert werden, die auch der Druckbeaufschlagung des Druckraums 5 dient. Die Rückstellung des Pumpenkolbens 2 wird demnach pneumatisch über den Gasdruck im Gasvolumen bewirkt.
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Um das Gasvolumen vom Hydraulikvolumen zu trennen, weist das Kolbenteil 20 außenumfangseitig eine umlaufende Gasdichtung 8 und eine umlaufende Hydraulikdichtung 9, die jeweils in radialer Richtung gegen den Hohlzylinder 4 abdichten.
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Der Druckabbau im Druckraum 5 erfolgt über eine Hydraulikleitung 18, die den Druckraum 5 mit der Hydraulikpumpe (nicht dargestellt) verbindet. Das im Befülltakt der Kolbenpumpe 1 aus dem Druckraum 5 zu verdrängende hydraulische Druckmittel bewirkt am Kolbenteil 20 einen Gegendruck, der durch den Gasdruck im Gasvolumen überwunden werden muss. Dabei gilt es zu beachten, dass die am Kolbenteil 20 ausgebildete pneumatische Wirkfläche um die Querschnittsfläche der Kolbenstange 12 reduziert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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