DE102018201806A1

DE102018201806A1 - Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Info

Publication number: DE102018201806A1
Application number: DE102018201806.5A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schnittger; Andreas Beiter; Friedrich Howey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-08
Also published as: CN111684152B; CN111684152A; WO2019154568A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, umfassend eine Hochdruckpumpe (1) mit einem Gehäuseteil (2), in dem ein zylinderförmiger Kompressionsraum (3) ausgebildet ist, der von einem hin und her beweglichen Kolben (4) begrenzt wird. Ein Abschnitt des Kolbens (4) ist dabei von einem Niederdruckraum (5) umgeben, der zur Rückführung einer im Wege der Leckage aus dem Kompressionsraum (3) austretenden Leckagemenge über mindestens eine Bohrung (6) und/oder Leitung (7) mit einer in einen Tank (8) mündenden Rücklaufleitung (9) verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der Kompressionsraum (3) über ein Kaltfahrventil (10) ebenfalls mit der Rücklaufleitung (9) verbindbar. Ferner erfindungsgemäß ist in der mindestens einen Bohrung (6) und/oder Leitung (7) ein Rückschlagventil (11) ausgebildet, das bei geöffnetem Kaltstartventil (10) verhindert, dass eine aus dem Kompressionsraum (3) abgeführte Spülmenge in den Niederdruckraum (5) gelangt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Hochdruckpumpe, mittels welcher der kryogene Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagbar ist.
Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird. Zum Verflüssigen wird das Erdgas auf eine Temperatur von etwa -160°C heruntergekühlt.
Stand der Technik
Zur Beaufschlagung von Flüssiggas mit Hochdruck sind aus dem Stand der Technik Fördereinrichtungen bekannt, die eine als Kolbenpumpe ausgeführte Hochdruckpumpe umfassen. Über einen hin und her beweglichen Kolben, der einen Kompressionsraum begrenzt, ist das Flüssiggas mit Hochdruck beaufschlagbar. In Kraftstoffeinspritzsystemen zur LNG-Direkteinspritzung werden Drücke von über 300 bar erreicht. Um den Verlust aufgrund Leckage gering zu halten, werden in der Regel die Leckagemengen in den Tank zurückgeführt.
Aus der US 7 293 418 B2 ist eine Hochdruckpumpe für flüssiges Erdgas bekannt, die zumindest abschnittsweise im Tank angeordnet ist, so dass die Leckagemenge unmittelbar in den Tank entweichen kann. Diese Anordnung der Hochdruckpumpe führt jedoch zu einem nicht unerheblichen konstruktiven Aufwand, da der Tank nach außen abgedichtet werden muss.
Darüber hinaus sind daher Kraftstoffeinspritzsysteme bekannt, die eine außerhalb des Tanks angeordnete Hochdruckpumpe umfassen. Die Rückführung anfallender Leckagemengen erfolgt in diesem Fall über eine separate Rücklaufleitung, welche die Hochdruckpumpe mit dem Tank verbindet. Die Anordnung der Hochdruckpumpe außerhalb des Tanks besitzt den Nachteil, dass die Hochdruckpumpe nach längerem Stillstand aufgrund Erwärmung in der Regel nicht sofort betrieben werden kann. Zur aktiven Kühlung wird daher beim „Kaltanfahren“ die Hochdruckpumpe mit tiefkaltem flüssigem Kraftstoff aus dem Tank gespült.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe anzugeben, die möglichst einfach aufgebaut sowie umweltschonend und effizient betreibbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe umfasst eine Hochdruckpumpe mit einem Gehäuseteil, in dem ein zylinderförmiger Kompressionsraum ausgebildet ist, der von einem hin und her beweglichen Kolben begrenzt wird. Ein Abschnitt des Kolbens ist von einem Niederdruckraum umgeben, der zur Rückführung einer im Wege der Leckage aus dem Kompressionsraum austretenden Leckagemenge über mindestens eine Bohrung und/oder Leitung mit einer in einen Tank mündenden Rücklaufleitung verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der Kompressionsraum über ein Kaltfahrventil ebenfalls mit der Rücklaufleitung verbindbar. Ferner erfindungsgemäß ist in der mindestens einen Bohrung und/oder Leitung ein Rückschlagventil ausgebildet, das bei geöffnetem Kaltstartventil verhindert, dass eine aus dem Kompressionsraum abgeführte Spülmenge in den Niederdruckraum gelangt.
Durch die vorgeschlagene Rückführung der anfallenden Leckage- und Spülmengen in den Tank, wird die Umweltbelastung gesenkt. Denn kryogene Kraftstoffe, insbesondere Erdgas, gelten als klimaschädlich, so dass es die Abgabe an die Umwelt zu vermeiden oder zumindest auf ein Minimum zu begrenzen gilt. Ferner bleibt die in den Tank zurückgeführte Kraftstoffmenge dem System erhalten.
Zur Rückführung der Leckage- und Spülmengen ist zudem nur eine Rücklaufleitung erforderlich, so dass der konstruktive Aufwand sinkt. Dabei ist durch das Rückschlagventil sichergestellt, dass die Spülmenge auf möglichst direktem Weg, insbesondere ohne Umweg über den Niederdruckraum, zurück in den Tank geführt wird. Denn dann kann sich die Spülmenge weniger stark erwärmen, wodurch der Wärmeeintrag in den Tank verringert wird.
Gelangt tiefkalter Kraftstoff in den Niederdruckbereich, besteht zudem die Gefahr, dass es zu einem Gefrieren eines Hydraulikmediums in einem an den Niederdruckraum angrenzenden Hydraulikbereich kommt. Durch das Rückschlagventil ist diese Gefahr gebannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rückschlagventil im Kontaktbereich des Gehäuseteils mit einem weiteren Gehäuseteil ausgebildet. Diese Maßnahme erleichtert die Ausbildung des Rückschlagventils, da der Kontaktbereich vor der Montage der Hochdruckpumpe leicht zugänglich ist. Die das Rückschlagventil aufnehmende Bohrung erstreckt sich in diesem Fall über beide Gehäuseteile. Das weitere Gehäuseteil ist vorzugsweise axial an das erste Gehäuseteil angesetzt und/oder axial mit dem ersten Gehäuseteil verspannt, um die erforderliche Abdichtung zu gewährleisten.
Sofern die Rückführung der Leckagemenge aus dem Niederdruckraum in den Tank zumindest abschnittsweise über eine Leitung realisiert wird, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Rückschlagventil in einem Anschlussbereich der Leitung an das erste Gehäuseteil ausgebildet. Die Anordnung im Anschlussbereich erleichtert die Ausbildung des Rückschlagventils, da der Anschlussbereich ebenfalls leicht zugänglich ist. Im ersten Gehäuseteil ist vorzugsweise eine Bohrung ausgebildet, über welche der Leckagepfad und der Spülpfad zusammengeführt werden. An die Bohrung kann zudem in einfacher Weise die Rücklaufleitung angeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rückschlagventil in das erste Gehäuseteil integriert. Die das Rückschlagventil aufnehmende Bohrung ist demnach zumindest abschnittsweise im ersten Gehäuseteil ausgeführt. Die Bohrung kann zugleich dem Anschluss der Rücklaufleitung dienen, so dass vor der Montage der Rücklaufleitung das Rückschlagventil in einfacher Weise von außen in die Bohrung einsetzbar ist. Zur Vereinfachung der Montage der Rücklaufleitung kann diese einen Anschlussstutzen aufweisen, der in die Bohrung einsetzbar, vorzugsweise einpressbar oder einschraubbar ist. Die Einleitung der über das Kaltfahrventil aus dem Kompressionsraum abgeführten Kraftstoffmenge in die Bohrung erfolgt zwischen dem Rückschlagventil und der Rücklaufleitung.
Durch Integration des Rückschlagventils in das Gehäuseteil werden Freiheitsgrade in den Schnittstellenbereichen zur Realisierung der erforderlichen Abdichtung geschaffen.
Des Weiteren bevorzugt ist der Kompressionsraum über ein Einlassventil mit einem Zulauf verbindbar, der über eine Zulaufleitung mit dem Tank und/oder einer weiteren Pumpe verbunden ist. Über das Einlassventil kann der Kompressionsraum mit flüssigem Erdgas aus dem Tank versorgt werden, der dann im Kompressionsbetrieb mittels des Pumpenkolbens mit Hochdruck beaufschlagt wird. Auf gleichem Weg kann bei einem Kaltstart dem Kompressionsraum tiefkaltes flüssiges Erdgas zum Spülen zugeführt werden, wobei die Spülmenge über das Kaltstartventil und die Rücklaufleitung zurück in den Tank geführt wird. Über die Pumpe, die beispielsweise im Tank angeordnet sein kann, kann die der Hochdruckpumpe zugeführte Menge an flüssigem Erdgas gesteuert werden.
Zum Abführen einer mit Hochdruck beaufschlagten Menge aus dem Kompressionsraum ist dieser bevorzugt über ein Auslassventil mit einem Hochdruckabgang verbindbar. Das Auslassventil ist vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildet, so dass kein mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Hochdruckabgang zurück in den Kompressionsraum strömen kann.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der die Leckagemenge aufnehmende Niederdruckraum über mindestens ein Dichtelement nach außen abgedichtet ist. Die Abdichtung verhindert, dass Erdgas in die Umwelt gelangt. Ferner ist auf diese Weise sichergestellt, dass die in den Niederdruckraum im Wege der Leckage gelangende Kraftstoffmenge nicht verloren gehen. Das Dichtelement kann beispielsweise als Wellbalgdichtung ausgeführt sein. Diese kann einerseits am Kolben und andererseits gehäuseseitig befestigt werden, so dass eine Abdichtung erreicht wird, ohne die Beweglichkeit des Kolbens einzuschränken.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des Kaltfahrventils und des Rückschlagventils,
3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der 1 ist eine Hochdruckpumpe 1 einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe zu entnehmen. Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas handeln, das in flüssiger Form in einem Tank 8 bevorratet wird. Die Hochdruckpumpe 1 umfasst ein erstes Gehäuseteil 2, in dem ein zylinderförmiger Kompressionsraum 3 ausgebildet ist. Der Kompressionsraum 3 wird durch einen hin und her beweglichen Kolben 4 begrenzt, der hierzu abschnittsweise ebenfalls im ersten Gehäuseteil 2 aufgenommen ist.
Im Tank 8 ist eine Pumpe 16 angeordnet, mittels welcher der Hochdruckpumpe 1 Kraftstoff zuführbar ist. Die Pumpe 16 ist hierzu über eine Zulaufleitung 15 mit einem Zulauf 14 der Hochdruckpumpe 1 verbunden. Der Zulauf 14 ist über ein Einlassventil 13 mit dem Kompressionsraum 3 verbindbar, so dass bei geöffnetem Einlassventil 13 und während eines Saughubs des Kolbens 4 Kraftstoff aus dem Zulauf 14 in den Kompressionsraum 3 strömt. Während eines Arbeitshubs des Kolbens 4 wird der im Kompressionsraum 3 vorhandene Kraftstoff verdichtet und anschließend über ein Auslassventil 17 einem Hochdruckabgang 18 zugeführt.
Zum Kaltanfahren der Hochdruckpumpe 1 wird der Kompressionsraum 3 mit kryogenem Kraftstoff gespült. Mittels der Pumpe 16 wird hierzu dem Kompressionsraum 3 über die Zulaufleitung 15, den Zulauf 14 und das Einlassventil 13 tiefkalter Kraftstoff aus dem Tank 8 zugeführt. Der zum Spülen zugeführte Kraftstoff verlässt den Kompressionsraum 3 über ein Kaltfahrventil 10, über welches der Kompressionsraum 3 mit einer im ersten Gehäuseteil 2 ausgebildeten Bohrung 6 verbindbar ist. An die Bohrung 6 schließt eine Rücklaufleitung 9 an, die zurück in den Tank 8 führt. Die zum Spülen benötigte Kraftstoffmenge geht demnach nicht verloren.
An das erste Gehäuseteil 2 ist ein zweites Gehäuseteil 12 axial angesetzt, so dass ein gemeinsamer Kontaktbereich ausgebildet wird. Dieser wird durch die Bohrung 6 unterbrochen, die sich durch das zweite Gehäuseteil 12 bis zu einem Niederdruckraum 5 erstreckt, der einen Abschnitt des Kolbens 4 umgibt und als Sammelraum für eine aus dem Kompressionsraum 3 über die Kolbenführung austretende Leckagemenge dient. Ein auf dem Kolben 4 angeordnetes Dichtelement 19 in Form einer Wellbalgdichtung verhindert, dass diese Leckagemenge nach außen gelangt. Über die Bohrung 6 kann die Leckagemenge in den Tank 8 zurückgeführt werden.
Da die Bohrung 6 sowohl der Rückführung der Spülmenge aus dem Kompressionsraum 3, als auch der Rückführung der Leckagemenge aus dem Niederdruckraum 5 dient, gilt es die Ströme sicher zu trennen. Insbesondere gilt es zu verhindern, dass der zum Spülen verwendete tiefkalte Kraftstoff in den Niederdruckbereich 5 gelangt, sich dort erwärmt und erst dann in den Tank 8 zurückgeführt wird. Denn dadurch würde sich der Wärmeeintrag in den Tank 8 erhöhen.
Um dies zu verhindern, ist in der Bohrung 6 ein Rückschlagventil 11 ausgebildet, und zwar im Kontaktbereich der beiden Gehäuseteile 2, 12 (siehe insbesondere 2). Der sich vom Rückschlagventil 11 bis hin zum Niederdruckraum 5 erstreckende Abschnitt der Bohrung 6 kann demnach nur zur Rückführung einer Leckagemenge aus dem Niederdruckraum 5 genutzt werden. Die aus dem Kompressionsraum 3 über das Kaltfahrventil 19 abgeführte Spülmenge wird dagegen möglichst direkt über die Bohrung 6 und die Rücklaufleitung 9 zurück in den Tank 8 geführt.
Der 3 ist eine Abwandlung der Hochdruckpumpe 1 der 1 zu entnehmen. Die Abwandlung besteht darin, dass die Bohrung 6 nur im ersten Gehäuseteil 2 ausgebildet ist. Die erforderliche Verbindung des Niederdruckraums 5 mit der Bohrung 6 und der Rücklaufleitung 9 ist daher über eine Leitung 7 hergestellt. Die Leitung 7 ist hierzu in einem Anschlussbereich an das erste Gehäuseteil 2 angeschlossen, wobei im Anschlussbereich auch das Rückschlagventil 11 angeordnet ist.
Der 4 ist eine weitere Abwandlung der in der 1 dargestellten Hochdruckpumpe zu entnehmen. Das Rückschlagventil 11 ist hier in das Gehäuseteil 2 integriert. Die Bohrung 6 ist hierzu als Stufenbohrung ausgeführt, so dass das Rückschlagventil 11 von außen in die Bohrung 6 einsetzbar ist. Ferner kann die Bohrung 6 für den Anschluss der Rücklaufleitung 9 genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7293418 B2 [0004]

Claims

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, umfassend eine Hochdruckpumpe (1) mit einem Gehäuseteil (2), in dem ein zylinderförmiger Kompressionsraum (3) ausgebildet ist, der von einem hin und her beweglichen Kolben (4) begrenzt wird, wobei ein Abschnitt des Kolbens (4) von einem Niederdruckraum (5) umgeben ist, der zur Rückführung einer im Wege der Leckage aus dem Kompressionsraum (3) austretenden Leckagemenge über mindestens eine Bohrung (6) und/oder Leitung (7) mit einer in einen Tank (8) mündenden Rücklaufleitung (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (3) über ein Kaltfahrventil (10) ebenfalls mit der Rücklaufleitung (9) verbindbar ist und in der mindestens einen Bohrung (6) und/oder Leitung (7) ein Rückschlagventil (11) ausgebildet ist, das bei geöffnetem Kaltstartventil (10) verhindert, dass eine aus dem Kompressionsraum (3) abgeführte Spülmenge in den Niederdruckraum (5) gelangt.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (11) im Kontaktbereich des Gehäuseteils (2) mit einem weiteren Gehäuseteil (12) ausgebildet ist, das vorzugsweise axial an das erste Gehäuseteil (2) angesetzt und/oder axial mit dem ersten Gehäuseteil (2) verspannt ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (11) in einem Anschlussbereich der Leitung (7) an das erste Gehäuseteil (2) ausgebildet ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (11) in das erste Gehäuseteil (2) integriert ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (3) über ein Einlassventil (13) mit einem Zulauf (14) verbindbar ist, der über eine Zulaufleitung (15) mit dem Tank (8) und/oder einer weiteren Pumpe (16) verbunden ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (3) über ein Auslassventil (17) mit einem Hochdruckabgang (18) verbindbar ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckraum (5) über mindestens ein Dichtelement (19), das beispielsweise als Wellbalgdichtung ausgeführt ist, nach außen abgedichtet ist.