DE102018206331A1 - Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe - Google Patents

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Abstract

Kraftstofffördereinrichtung (100) für kryogene Kraftstoffe mit einem Tank (30), einer Hochdruckförderpumpe (1) und einer Zulaufleitung (18), über welche Zulaufleitung (18) der Hochdruckförderpumpe (1) kryogener Kraftstoff aus dem Tank (30) zuführbar ist. Die Hochdruckförderpumpe (1) weist ein Pumpengehäuse (2) auf, in dem ein mit der Zulaufleitung (18) verbundener Ansaugraum (50) ausgebildet ist. Der Ansaugraum (50) ist mittels eines Verbindungskanals (26) mit einem Hochdruckraum (12) verbindbar, wobei zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals (26) ein Saugventil (14) in dem Pumpengehäuse (2) angeordnet ist, wobei das Saugventil (14) ein Saugventilelement (140) umfasst, welches mit einem ersten Dichtsitz (25) zusammenwirkt. Weiterhin ist koaxial zu dem Saugventilelement (140) ein Kaltfahrventilelement (660) angeordnet, an welchem Kaltfahrventilelement (660) der erste Dichtsitz (25) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe. Diese Kraftstofffördereinrichtung findet beispielsweise Anwendung bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem kryogenen Kraftstoff-Antrieb, insbesondere mit Erdgas.
  • Stand der Technik
  • In der nicht vorveröffentlichten Schrift DE 10 2017 219 784 A1 ist eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe beschrieben. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Vorförderpumpe und eine Hochdruckpumpe. Weiterhin weist die Hochdruckpumpe einen Pumpenkopf auf, in dem ein Kompressionsraum ausgebildet ist, welcher durch einen hin- und herbeweglichen Kolben begrenzt wird. Darüber hinaus ist in die Hochdruckpumpe ein Kaltfahrventil integriert, über welches der Kompressionsraum und/oder ein Niederdruckraum der Hochdruckpumpe mit einem Tank verbindbar ist bzw. sind.
  • Wird die Hochdruckpumpe nach einer Betriebspause wieder in Betrieb genommen, weist diese typischerweise Umgebungstemperatur auf. Der kryogene Kraftstoff aus dem Tank weist jedoch eine Speichertemperatur von beispielsweise -160°C auf, so dass bei einer Förderung des kryogenen Kraftstoffs in den Pumpenkopf der Hochdruckpumpe dieser sofort verdampft. Daher ist in der Hochdruckpumpe der DE 10 2017 219 784 ein Kaltfahrventil integriert, wodurch der Kompressionsraum und/oder der Niederdruckraum mit dem Tank verbindbar ist, so dass der Pumpenkopf der Hochdruckpumpe mit kryogenem Kraftstoff vor Inbetriebnahme gespült wird, um diesen für den Betrieb zu kühlen.
  • Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Kühlverfahren anzugeben.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass in einfacher und kostengünstiger Weise die Funktion des Kaltfahrventils in den Niederdruckspeicher integriert ist, ohne die Funktion der Hochdruckförderpumpe zu beeinträchtigen.
  • Dazu weist die Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe einen Tank, eine Hochdruckförderpumpe und eine Zulaufleitung auf, über welche Zulaufleitung der Hochdruckförderpumpe kryogener Kraftstoff aus dem Tank zuführbar ist. Die Hochdruckförderpumpe weist ein Pumpengehäuse auf, in dem ein mit der Zulaufleitung verbundener Ansaugraum ausgebildet ist. Der Ansaugraum ist mittels eines Verbindungskanals mit einem Hochdruckraum verbindbar, wobei zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals ein Saugventil in dem Pumpengehäuse angeordnet ist. Das Saugventil umfasst ein Saugventilelement, welches mit einem ersten Dichtsitz zusammenwirkt. Darüber hinaus ist koaxial zu dem Saugventilelement ein Kaltfahrventilelement angeordnet, an welchem Kaltfahrventilelement der erste Dichtsitz ausgebildet ist.
  • So kann in einfacher Weise ein Kaltfahrventil bauraumoptimiert zur Durchspülung der Hochdruckförderpumpe in die Hochdruckförderpumpe integriert werden, ohne dass deren Funktion beeinträchtigt und insbesondere das Totvolumen der Hochdruckpumpe nur minimal vergrößert wird. So verbleibt der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe trotz integriertem Kaltfahrventil auf demselben Niveau wie ohne integriertem Kaltfahrventil.
  • In erster vorteilhafter Ausbildung ist es vorgesehen, dass an einem konisch verjüngtem Absatz des Pumpengehäuses ein zweiter Dichtsitz ausgebildet ist, der mit einem Kaltfahrventilelement zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Hochdruckraum und der Rückführleitung zusammenwirkt und so ein Kaltfahrventil ausbildet. So ist in einfacher Weise die Rückführung von kryogenem Kraftstoff aus der Hochdruckförderpumpe in Richtung Tank gewährleistet.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Kaltfahrventilelement eine im Wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung aufweist, in der der Verbindungskanal ausgebildet ist und das Saugventilelement aufgenommen ist. Vorteilhafterweise ist der Verbindungskanal zwischen dem Saugventilelement und dem Kaltfahrventilelement ausgebildet. So kann in kompakter Bauweise das Kaltfahrventil in die Hochdruckförderpumpe integriert werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist der erste Dichtsitz konisch ausgebildet. So wird eine verbesserte Funktion des Saugventils in der Hochdruckförderpumpe und damit eine Optimierung der Dichtheit am ersten Dichtsitz erzielt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Kraftstofffördereinrichtung einen Elektromagneten aufweist, welcher eine Magnetspule und einen Magnetkern umfasst, wobei das Kaltfahrventilelement als Magnetanker ausgebildet ist und mittels des Elektromagneten hubbewegbar ist.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Kaltfahrventilelement mittels einer Druckfeder mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes beaufschlagt ist. Dadurch ist die Verbindung zwischen dem Hochdruckraum und der Rückführleitung schließbar.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist das Saugventilelement mittels einer Feder mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes beaufschlagt. So ist der Verbindungskanal zwischen dem Saugventilelement und dem Kaltfahrventilelement schließbar, so dass kein kryogener Kraftstoff aus dem Ansaugraum in den Hochdruckraum eintreten kann.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Hochdruckraum mit einer Rückführleitung verbindbar ist, welche mit dem Tank verbunden ist. Dadurch ist bei Öffnung der Rückführleitung ein Kraftstoffkreislauf zwischen der Hochdruckförderpumpe und dem Tank geschlossen.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Längsbohrung ein längsbeweglicher Pumpenkolben angeordnet ist, welcher den Hochdruckraum begrenzt. Vorteilhafterweise ist der Pumpenkolben mittels einer Feder mit einer Kraft entgegen der Richtung des Ansaugraums beaufschlagt. Durch Längsbewegungen des Pumpenkolbens kann der kryogene Kraftstoff bei Betrieb komprimiert und durch die Hochdruckförderpumpe gefördert werden.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem Tank eine weitere Förderpumpe angeordnet ist, welche Kraftstoff aus dem Tank über die Zulaufleitung in den Ansaugraum der Hochdruckförderpumpe fördert. Dies ermöglicht eine variable Anordnung der Hochdruckförderpumpe, so dass diese beispielsweise relativ nahe zum Tankbehälter, oder aber relativ nahe zur Brennkraftmaschine angeordnet werden kann.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung dargestellt. Es zeigt
    • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung im Längsschnitt,
    • 2 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung aus der 1 mit geöffneten Ventilen im Längsschnitt.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung 100 für kryogenen Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, im Längsschnitt gezeigt. Die Kraftstofffördereinrichtung 100 weist einen Tank 30, eine Hochdruckförderpumpe 1 und eine Zulaufleitung 18 auf, welche den Tank 30 mit der Hochdruckförderpumpe 1 verbindet.
  • Der Tank 30 dient der Speicherung des auf eine Temperatur von beispielsweise -110°C oder weniger herabgekühlten Kraftstoffs. Hierzu weist der Tank 30 einen Innentank 301 und einen Außentank 302 auf, welche durch einen Zwischenraum 303 getrennt sind. Der Zwischenraum 303 ist üblicherweise evakuiert, so dass nur ein sehr geringer Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Tank 30 erfolgen kann. Der Innentank 301 ist bis zu einem Füllpegel 51 mit flüssigem Anteil 32 des Kraftstoffs gefüllt. Oberhalb des Füllpegels 51 liegt der Kraftstoff in seiner gasförmigen Phase 31 vor.
  • Der Tank 30 ist insbesondere in dem flüssigen Anteil 32 des Kraftstoffs von einer Förderpumpe 34 durchsetzt, welche den Kraftstoff aus dem Tank 30 über die Zulaufleitung 18 in Richtung der Hochdruckförderpumpe 1 fördert. Dabei ist in der Zulaufleitung 18 ein Absperrventil 44 angeordnet, welches bei nicht betriebener Kraftstofffördereinrichtung 100 geschlossen ist, um ein Rückströmen von gasförmigen Anteilen 31 des Kraftstoffs aus der Hochdruckförderpumpe 1 in den Tank 30 zu verhindern. Der Tank 30 umfasst darüber hinaus ein Druckbegrenzungsventil 45, so dass bei Überschreitung eines maximalen Grenzdrucks in dem Tank 30 Gas an die Umgebung abgegeben werden kann.
  • Die Hochdruckförderpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2 auf, in dem eine stufenförmige Längsbohrung 17 ausgebildet ist. In der Längsbohrung 17 ist ein längsbeweglicher Pumpenkolben 4 angeordnet. Mit einem Ende 46 begrenzt der Pumpenkolben 4 einen Hochdruckraum 12, welcher mit einer Leitung 16 mittels eines Überdruckventils 52 mit einem Hochdruckspeicher verbindbar ist. Weiterhin ist der Hochdruckraum 12 über eine Rückführleitung 22 mit dem Tank 30 verbindbar.
  • Weiterhin ist in der Längsbohrung 17 ein Ansaugraum 50 ausgebildet, welcher mit der Zulaufleitung 18 verbunden ist und von welchem ein Verbindungskanal 26 in den Hochdruckraum 12 mündet. In dem Ansaugraum 50 ist ein längsbewegbares Saugventilelement 140 angeordnet, welches mit einem tellerförmigen Ende 54 in den Hochdruckraum 12 hineinragt. Das Saugventilelement 140 ist von einem Kaltfahrventilelement 660 umgeben, an dem ein erster Dichtsitz 25 ausgebildet ist. Dieser erste Dichtsitz 25 bildet zusammen mit dem Saugventilelement 140 ein Saugventil 14 aus. Weiterhin weist das Saugventilelement 140 einen Absatz 39 auf, an welchem sich eine Feder 5 abstützt, welche das Saugventilelement 140 mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes 25 beaufschlagt, so dass das Saugventil 14 mit seinem tellerförmigen Ende 54 den Verbindungskanal 26 sperrt. Das Kaltfahrventilelement 660 weist eine Ausnehmung 29 auf, in der das Saugventilelement 140 aufgenommen ist. Der Verbindungskanal 26 ist dabei zwischen dem Saugventilelement 140 und dem Kaltfahrventilelement 660 ausgebildet.
  • In dem Ansaugraum 50 ist weiterhin ein Elektromagnet 6 angeordnet, welcher einen Magnetkern 60 und eine Magnetspule 600 umfasst. Das Kaltfahrventilelement 660 ist hier als Magnetanker 66' ausgebildet. Zusammen mit einem an einem konisch verjüngtem Absatz 20 des Pumpengehäuses 2 ausgebildetem zweitem Dichtsitz 27 bildet das Kaltfahrventilelement 660 ein Kaltfahrventil 66 aus. Mittels einer Druckfeder 3, welche sich zwischen einer Anformung 38 des Kaltfahrventilelements 660 und einem Absatz 36 des Pumpengehäuses 2 abstützt, ist das Kaltfahrventilelement 660 mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes 27 beaufschlagt.
  • Mit seinem dem Ansaugraum 50 abgewandten Ende begrenzt der Pumpenkolben 4 zusammen mit dem Pumpengehäuse 2 einen Steuerraum 48, wobei der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 48 über einen Kanal 8 abbaubar ist. Weiterhin ist in dem Steuerraum 48 eine Feder 47 angeordnet, welche den Pumpenkolben 4 in Richtung einer Öffnung 58 kraftbeaufschlagt. Die Öffnung 58 ist dabei mit einem nicht gezeigten Hydrauliksystem zum Antrieb der Hochdruckförderpumpe 1 verbunden.
  • Funktionsweise der Kraftstofffördereinrichtung
  • Bei Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung 100 fördert die Vorförderpumpe 34 Kraftstoff aus dem Tank 30 über die Zulaufleitung 18 in Richtung Ansaugraum 50 der Hochdruckförderpumpe 1. Durch Längsbewegungen des Saugventilelements 140 und des Pumpenkolbens 4 wird der Kraftstoff in die Hochdruckförderpumpe 1 gefördert. Dabei bewegt sich der Pumpenkolben 4 in Richtung der Öffnung 58, wodurch in dem Hochdruckraum 12 der Druck absinkt, so dass das Saugventil 14 den Verbindungskanal 26 freigibt, so dass kryogener Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 12 in den Ansaugraum 50 strömen kann. Dadurch sinkt der Druck in dem Hochdruckraum 12, so dass der Druck an dem Endbereich des Pumpenkolbens 4, welcher dem Hochdruckraum 12 zugewandt ist, nicht so hoch ist wie an dem anderen Endbereich des Pumpenkolbens 4. Aufgrund dessen bewegt sich der Pumpenkolben 4 wieder in Richtung der Öffnung 58 und das Saugventil 14 schließt den Verbindungskanal 26. Dadurch wird der kryogene Kraftstoff auf einen angesprochenen Systemdruck von beispielsweise 500 bar komprimiert und über das Überdruckventil 52 in die Leitung 16 gedrückt. Der komprimierte Kraftstoff kann dann beispielsweise Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine zugeführt werden.
  • Bei einem erstmaligen Betrieb oder einer Wiederaufnahme des Betriebs der Kraftstofffördereinrichtung 100 wird die Hochdruckförderpumpe 1 mit kryogenem Kraftstoff gespült, um diese zu kühlen und eine Verdampfung des kryogenen Kraftstoffs unmittelbar nach Eintritt in die Hochdruckförderpumpe 1 zu verhindern und möglichen Verlusten vorzubeugen.
  • 2 zeigt dazu das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der Kraftstofffördereinrichtung 100 aus der 1 im Längsschnitt bei geöffnetem Saugventilelement 140 und geöffnetem Kaltfahrventilelement 660.
  • Zur Öffnung des zweiten Dichtsitzes 27 wird die Magnetspule 600 bestromt und so ein Magnetfeld erzeugt, welches auf das als Magnetanker 66' ausgebildete Kaltfahrventilelement 660 eine magnetische Kraft ausübt. Ist diese magnetische Kraft größer als die Federkraft der Druckfeder 3, so bewegt sich das Kaltfahrventilelement 660 in Richtung des Pumpenkolbens 4 und gibt den zweiten Dichtsitz 27 frei. Ist der erste Dichtsitz 25 von dem Saugventilelement 140 ebenfalls freigegeben, so ist ein Kraftstoffkreislauf zwischen dem Tank 30 und der Hochdruckförderpumpe 1 geschlossen, wobei der Pumpenkolben 4 bei der Durchspülung keine Längsbewegung ausführt. Kryogener Kraftstoff strömt nun über die Zulaufleitung 18 in den Ansaugraum 50 und von dort aus über den Verbindungskanal 26 in den Hochdruckraum 12. Über den freigegebenen zweiten Dichtsitz 27 strömt der kryogene Kraftstoff über die Rückführleitung 22 in den Tank 30 zurück.
  • So kann die Hochdruckpumpe 1 bei erstmaligem Betrieb oder Wiederaufnahme des Betriebs der Kraftstofffördereinrichtung 100 durch Durchspülen mit kryogenem Kraftstoff auf Betriebstemperatur gebracht werden und es entstehen bei Inbetriebnahme keine Verluste wie beispielsweise durch Verdampfung des kryogenen Kraftstoffs unmittelbar nach Eintritt in die Hochdruckpumpe 1.
  • 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 102017219784 A1 [0002]
    • DE 102017219784 [0003]

Claims (12)

  1. Kraftstofffördereinrichtung (100) für kryogene Kraftstoffe mit einem Tank (30), einer Hochdruckförderpumpe (1) und einer Zulaufleitung (18), über welche Zulaufleitung (18) der Hochdruckförderpumpe (1) kryogener Kraftstoff aus dem Tank (30) zuführbar ist, wobei die Hochdruckförderpumpe (1) ein Pumpengehäuse (2) aufweist, in dem ein mit der Zulaufleitung (18) verbundener Ansaugraum (50) ausgebildet ist, welcher Ansaugraum (50) mittels eines Verbindungskanals (26) mit einem Hochdruckraum (12) verbindbar ist, wobei zum Öffnen und Schließen des Verbindungskanals (26) ein Saugventil (14) in dem Pumpengehäuse (2) angeordnet ist, wobei das Saugventil (14) ein Saugventilelement (140) umfasst, welches mit einem ersten Dichtsitz (25) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zu dem Saugventilelement (140) ein Kaltfahrventilelement (660) angeordnet ist, an welchem Kaltfahrventilelement (660) der erste Dichtsitz (25) ausgebildet ist.
  2. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem konisch verjüngtem Absatz (20) des Pumpengehäuses (2) ein zweiter Dichtsitz (27) ausgebildet ist, der mit einem Kaltfahrventilelement (660) zum Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen dem Hochdruckraum (12) und der Rückführleitung (22) zusammenwirkt und so ein Kaltfahrventil (66) ausbildet.
  3. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltfahrventilelement (660) eine im Wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung (29) aufweist, in der der Verbindungskanal (26) ausgebildet ist und das Saugventil (14) aufgenommen ist.
  4. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (26) zwischen dem Saugventilelement (140) und dem Kaltfahrventilelement (660) ausgebildet ist.
  5. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dichtsitz (25) konisch ausgebildet ist.
  6. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstofffördereinrichtung (100) einen Elektromagneten (6) aufweist, welcher eine Magnetspule (600) und einen Magnetkern (60) umfasst, wobei das Kaltfahrventilelement (660) als Magnetanker (66') ausgebildet ist und mittels des Elektromagneten (6) hubbewegbar ist.
  7. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltfahrventilelement (660) mittels einer Druckfeder (3) mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes (27) beaufschlagt ist.
  8. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventilelement (140) mittels einer Feder (5) mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes (25) beaufschlagt ist.
  9. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckraum (12) mit einer Rückführleitung (22) verbindbar ist, welche mit dem Tank (30) verbunden ist.
  10. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsbohrung (17) ein längsbeweglicher Pumpenkolben (4) angeordnet ist, welcher den Hochdruckraum (12) begrenzt.
  11. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkolben (4) mittels einer Feder (47) mit einer Kraft entgegen der Richtung des Ansaugraums (50) beaufschlagt ist.
  12. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tank (30) eine weitere Förderpumpe (34) angeordnet ist, welche Kraftstoff aus dem Tank (30) über die Zulaufleitung (18) in den Ansaugraum (50) der Hochdruckförderpumpe (1) fördert.
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