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Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das 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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Die Bevorratung kryogener Kraftstoffe an Bord eines Kraftfahrzeugs erfolgt in der Regel in sogenannten Kryotanks. Hierbei handelt es sich um tiefkalte Speicher, die ausreichend isoliert sind, um den kryogenen Kraftstoff in flüssiger Form zu speichern. Die ideale Speichertemperatur von Erdgas beträgt beispielsweise -160°C. Wasserstoff wird bei -253°C gelagert. Eine eigene Kühlung besitzen diese Tanks in der Regel nicht.
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Die Entnahme des kryogenen Kraftstoffs aus dem Tank erfolgt üblicherweise mittels einer Kraftstofffördereinrichtung, die zumindest eine Hochdruckpumpe zum Verdichten des Kraftstoffs umfasst. Die Hochdruckpumpe kann dabei teilweise im Tank angeordnet sein. Beispielsweise kann der Pumpenkopf im Tank und der Antrieb der Pumpe außerhalb des Tanks angeordnet sein. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass der Pumpenkopf gekühlt ist, so dass eine separate Kühlung für die Pumpe entfallen kann. Durch die teilweise Anordnung der Hochdruckpumpe im Tank erhöht sich jedoch der konstruktive Aufwand, da im Bereich der Durchführung die Isolierung des Tanks unterbrochen wird. Aus dem Stand der Technik sind daher auch Kraftstofffördersysteme für kryogene Kraftstoffe bekannt, bei denen die Hochdruckpumpe außerhalb des Tanks angeordnet und mittels einer im Tank angeordneten Vorförderpumpe mit Kraftstoff versorgbar ist. Zur Kühlung der Hochdruckpumpe kann dann eine separate Kühlung vorgesehen werden.
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Aus der
DE 10 2016 014 928 A1 geht beispielhaft ein Kraftstoffsystem mit einem Tank zum Speichern von Flüssiggas sowie eine Pumpeinrichtung zum Fördern des Flüssiggases hervor, das darüber hinaus eine Kühleinrichtung umfasst, um die Temperatur des Flüssiggases in einem Bereich des Kraftstoffsystems zu verringern, welcher mit einer Saugseite der Pumpeinrichtung fluidisch gekoppelt ist.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine alternative Kühlung einer Hochdruckpumpe anzugeben, die einfach und kostengünstig umsetzbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, insbesondere für verflüssigtes Erdgas, umfasst eine Hochdruckpumpe mit einem Pumpenkopf, in dem ein Kompressionsraum ausgebildet ist, der über ein Einlassventil mit einem Zulauf zur Befüllung mit kryogenem Kraftstoff aus einem Tank verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist in den Pumpenkopf ein elektromagnetisch betätigbares Kaltfahrventil zur Verbindung des Kompressionsraums mit einem Rücklauf integriert. Das Kaltfahrventil weist dabei einen elektromagnetischen Aktor und eine Ventileinheit mit einem gegen den Druck im Kompressionsraum öffnenden Ventilstößel auf.
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Mit Hilfe des Kaltfahrventils kann der Kompressionsraum der Hochdruckpumpe, vorzugsweise vor Inbetriebnahme nach einer längeren Stillstandsphase bzw. bei einer „Kaltfahrt“, mit kryogenem bzw. tiefkaltem Kraftstoff gespült werden, so dass der Pumpenkopf der Hochdruckpumpe gekühlt wird. Dadurch wird verhindert, dass mit Inbetriebnahme der Hochdruckpumpe in den Kompressionsraum gelangender flüssiger Kraftstoff verdampft und die Effizienz der Hochdruckpumpe mindert.
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Durch Vorsehen eines elektromagnetischen Aktors kann das Kaltfahrventil gezielt angesteuert, insbesondere geöffnet werden. Denn die Aktorkraft wirkt bevorzugt in Öffnungsrichtung eines Ventilstößels des Kaltfahrventils, der gegen den Druck im Kompressionsraum öffnet. Das Schließen des Kaltfahrventils kann somit über den Druck im Kompressionsraum bewirkt werden. Da während des Stillstands der Hochdruckpumpe kein Druck im Kompressionsraum aufgebaut wird, so dass keine Druckdifferenz am Kaltfahrventil ansteht, kann das Kaltfahrventil mit geringer Kraft geöffnet werden. Der Aktor kann dementsprechend klein ausgelegt werden. Dadurch sinken der Energiebedarf als auch der Bauraumbedarf des Kaltfahrventils.
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Da zum Öffnen des Kaltfahrventils nur geringe Aktorkräfte benötigt werden, kann der Öffnungsquerschnitt des Kaltfahrventils vergrößert werden. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung beim Kaltfahren der Hochdruckpumpe verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilstößel über einen Ventilkörper der Ventileinheit hin- und herbeweglich geführt und mittels der Federkraft einer Schließfeder in Richtung eines Ventilsitzes axial vorgespannt. Mit Hilfe der Schließfeder kann das Kaltfahrventil initial geschlossen werden und/oder bei fehlendem Druck im Kompressionsraum geschlossen gehalten werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Ventilkörper den Ventilsitz ausbildet. Dadurch, dass der Ventilkörper zugleich Führung und Sitz ausbildet, ist eine optimale Zentrierung des Ventilstößels in Bezug auf den Ventilsitz gewährleistet.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Ventileinheit in eine Bohrung des Pumpenkopfs eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt. Die Ventileinheit kann somit vormontiert und als vormontierte Einheit in die Bohrung des Pumpenkopfs eingesetzt bzw. eingeschraubt werden. Auf diese Weise wird die Integration des Kaltfahrventils in den Pumpenkopf der Hochdruckpumpe vereinfacht. Die Ventileinheit kann mit Einschrauben in die Bohrung gegenüber dem Pumpenkopf vorgespannt werden, so dass über die Vorspannkraft zugleich eine Dichtkraft realisiert wird. Vorzugsweise wird die Ventileinheit über den Ventilkörper in die Bohrung des Pumpenkopfs eingeschraubt, der hierzu einen Abschnitt mit einem Außengewinde aufweist. In der Bohrung ist vorzugsweise ein entsprechendes Innengewinde ausgebildet.
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Die Ventileinheit begrenzt innerhalb der Bohrung des Pumpenkopfs einen Ringraum, der mit dem Rücklauf verbunden ist. Vorteilhafterweise mündet in den Ringraum mindestens eine im Ventilkörper ausgebildete Radialbohrung, so dass der Ringraum an den Ventilsitz angebunden ist. Dadurch, dass zwischen der mindestens einen Radialbohrung und dem Rücklauf der Ringraum zwischengeschaltet ist, ist die Winkellage der Ventileinheit in Bezug auf den Pumpenkopf unerheblich. Auf diese Weise wird die Montage des Kaltfahrventils weiter vereinfacht.
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Zur Befestigung des elektromagnetischen Aktors am oder im Pumpenkopf wird vorgeschlagen, dass das Kaltfahrventil eine Ventilschraube umfasst. Der elektromagnetische Aktor kann somit ebenfalls vormontiert und als vormontierte Einheit mit Hilfe der Ventilschraube am oder im Pumpenkopf befestigt werden. Die Ventilschraube wird hierzu in die Bohrung eingeschraubt, in die zuvor die Ventileinheit eingesetzt bzw. eingeschraubt worden ist. Um eine Wirkverbindung zwischen dem elektrischen Aktor und dem Ventilstößel der Ventileinheit herzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Ventilschraube eine Durchgangsbohrung zum Hindurchführen des Ventilstößels aufweist.
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Vorteilhafterweise ist bzw. sind der Ventilkörper und/oder die Ventilschraube mittelbar über mindestens ein ring- und/oder scheibenförmiges Dichtelement am Pumpenkopf, insbesondere an einem ringförmigen Absatz innerhalb der sie aufnehmenden Bohrung im Pumpenkopf, abgestützt. Mit Hilfe des mindestens einen Dichtelements kann die Abdichtung zwischen dem Kaltfahrventil und dem Pumpenkopf optimiert werden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der elektromagnetische Aktor eine ringförmige Magnetspule zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker aufweist, der mittels der Federkraft einer Feder gegen den Ventilstößel axial vorgespannt ist. Die erforderliche Wirkverbindung zwischen dem elektromagnetischen Aktor und dem Ventilstößel wird somit durch Kraftschluss zwischen dem Anker und dem Ventilstößel hergestellt. Die Federkraft der den Anker vorspannenden Feder ist dabei kleiner als die Federkraft der Schließfeder gewählt, mittels welcher der Ventilstößel gegen den Ventilsitz vorgespannt ist, um das Kaltfahrventil sicher geschlossen zu halten.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der elektromagnetische Aktor eine Magnethülse zur Führung des Ankers aufweist. Das heißt, dass der Anker zumindest abschnittsweise in der Magnethülse aufgenommen ist. Die Magnethülse ist Teil eines Magnetkreises, der bewirkt, dass bei einer Bestromung der Magnetspule ein Magnetfeld aufgebaut wird, dessen Magnetkraft auf den Anker in der Weise einwirkt, dass er den Ventilstößel aus dem Ventilsitz hebt. Vorzugsweise greift die Magnethülse in die Magnetspule ein, so dass ein nach dem Tauchankerprinzip arbeitender elektromagnetischer Aktor geschaffen wird, der in axialer Richtung besonders kompakt bauend ist. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Magnethülse über eine amagnetische weitere Hülse mit der Ventilschraube verbunden ist. Die Magnethülse ist somit über die amagnetische Hülse lagefixiert.
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Vorteilhafterweise ist die amagnetische Hülse mit der Magnethülse und/oder mit der Ventilschraube fluiddicht verbunden. Auf diese Weise wird eine Abdichtung erreicht, die verhindert, dass die Magnetspule in Kontakt mit dem Kraftstoff gelangt. Eine aufwendige Abdichtung der elektrischen Komponenten und/oder Anschlüsse kann somit entfallen. Vorzugsweise ist die fluiddichte Verbindung der amagnetischen Hülse mit der Magnethülse und/oder der Ventilschraube über eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Verschweißung oder Verklebung, hergestellt. Der Stoffschluss führt zu einer besonders belastbaren und somit möglichst dauerhaft dichten Verbindung.
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Bevorzugt ist die Hochdruckpumpe über den Zulauf und eine hieran angeschlossene Zulaufleitung mit einer Vorförderpumpe verbunden. Die Vorförderpumpe und die Hochdruckpumpe bilden demnach gemeinsam die Kraftstofffördereinrichtung aus. Mit Hilfe der Vorförderpumpe wird der Hochdruckpumpe kryogener Kraftstoff aus dem Tank zugeführt. Die Vorförderpumpe ist hierzu bevorzugt im Tank angeordnet.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Hochdruckpumpe über den Rücklauf und eine hieran angeschlossene Rücklaufleitung mit dem Tank verbunden. Die zur Kühlung verwendete Spülmenge wird somit in den Tank zurückgeführt, so dass sie dem System nicht verloren geht.
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Ferner bevorzugt weist die Hochdruckpumpe ein Hochdruckauslassventil zur Verbindung des Kompressionsraums mit einem Hochdruckspeicher auf. Das Hochdruckauslassventil ist vorzugsweise ebenfalls in den Pumpenkopf integriert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit einer Hochdruckpumpe und einer in einem Tank angeordneten Vorförderpumpe,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch den Pumpenkopf der Hochdruckpumpe der 1,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch das Kaltfahrventil der Hochdruckpumpe der 1,
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch den elektromagnetischen Aktor des Kaltfahrventils der 3 und
- 5 einen schematischen Längsschnitt durch die vormontierte Ventileinheit des Kaltfahrventils der 3.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Hochdruckpumpe 1 und eine Vorförderpumpe 27, die in einem Tank 6 zur Bevorratung eines kryogenen Kraftstoff angeordnet ist, und zwar im Bereich einer Flüssigphase 31 des Kraftstoffs. Über der Flüssigphase 31 liegt eine Gasphase 29, die sich durch Wärmeeintrag von außen im Tank 6 ausgebildet hat. Die Anordnung der Vorförderpumpe 27 in der Flüssigphase 31 soll sicherstellen, dass der Hochdruckpumpe 1 vorrangig flüssiger Kraftstoff zugeführt wird.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist die Hochdruckpumpe 1 einen Pumpenkopf 2 auf, in dem ein Kompressionsraum 3 ausgebildet ist, der von einem Pumpenkolben 32 begrenzt wird. Im Förderbetreib der Hochdruckpumpe 1 wird mit Hilfe des hin- und herbeweglichen Pumpenkolbens 32 im Kompressionsraum 3 vorhandener Kraftstoff komprimiert und über ein Hochdruckauslassventil 30 einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt. Über ein Einlassventil 4 ist der Kompressionsraum 3 mit einem Zulauf 5 verbindbar, der über eine Zulaufleitung 26 mit der Vorförderpumpe 27 verbunden ist, so dass hierüber der Kompressionsraum 3 mit Kraftstoff aus dem Tank 6 befüllbar ist (siehe 1).
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In den Pumpenkopf 2 der Hochdruckpumpe 1 ist ein Kaltfahrventil 7 integriert, über welches der Kompressionsraum 3 mit einem Rücklauf 8 verbindbar ist. Der Rücklauf 8 ist über eine Rücklaufleitung 28 mit dem Tank 6 verbunden. Über das Kaltfahrventil 7 kann somit eine dem Kompressionsraum 3 über das Einlassventil 4 zugeführte Kraftstoffmenge zum Spülen bzw. zum Kühlen der Hochdruckpumpe 1 in den Tank 6 zurückgeführt werden. Das Spülen erfolgt während des Kaltfahrens, das heißt vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Hochdruckpumpe. Dadurch ist sichergestellt, dass im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe 1 vorrangig flüssiger Kraftstoff komprimiert wird.
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In der 3 ist das Kaltfahrventil 7 vergrößert dargestellt. Es umfasst einen elektromagnetischen Aktor 9 und eine Ventileinheit 10, die jeweils getrennt vormontiert und verbaut werden. Die Ventileinheit 10, die als vormontierte Einheit in der 5 dargestellt ist, umfasst einen Ventilkörper 12 und einen Ventilstößel 11, der über den Ventilkörper 12 hin- und herbeweglich geführt ist. Der Ventilkörper 12 bildet zudem einen Ventilsitz 14 für den Ventilstößel 11 aus. In Richtung des Ventilsitzes 14 ist der Ventilstößel 11 mittels der Federkraft einer Schließfeder 13 vorgespannt. Der Ventilkörper 12 weist ein Außengewinde 33 auf, über welches die Ventileinheit 10 in eine Bohrung 15 des Pumpenkopfs 2 eingeschraubt ist. Dabei stützt sich die Ventileinheit 10 mittelbar über ein ringförmiges Dichtelement 20 am Pumpenkopf 2 ab, so dass eine Abdichtung des Kompressionsraum 3 gegenüber einem mit dem Rücklauf 8 verbundenen Ringraum 16 bewirkt wird. Um bei geöffnetem Kaltfahrventil 7 eine Verbindung des Ringraums 16 mit dem Kompressionsraum 3 herzustellen, ist im Ventilkörper 12 mindestens eine Radialbohrung 17 ausgebildet, die in den Ringraum 16 mündet.
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Der elektromagnetische Aktor 9, der vergrößert in der 4 dargestellt ist, umfasst eine ringförmige Magnetspule 21, einen hubbeweglichen Anker 22 und eine Magnethülse 24, über welche der Anker 22 geführt ist. Die Magnethülse 24 ist über eine amagnetische weitere Hülse 25 mit einer Ventilschraube 18 verbunden, die der Befestigung des elektromagnetischen Aktors 9 am bzw. im Pumpenkopf 2 dient. Die Ventilschraube 18 weist hierzu einen Abschnitt mit einem Außengewinde 33 auf, der in die Bohrung 15 des Pumpenkopfs 2 eingeschraubt ist. Dabei stützt sich die Ventilschraube 18 mittelbar über ein scheibenförmiges Dichtelement 20 am Pumpenkopf 2 ab, so dass die Bohrung 15 nach außen abgedichtet ist.
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Die Ventilschraube 18 weist eine Durchgangsbohrung 19 auf, durch die der Ventilstößel 11 der Ventileinheit 10 zur Wirkverbindung mit dem Anker 22 geführt ist. Die Wirkverbindung mittels Kraftschluss wird durch eine Feder 23 unterstützt, mittels welcher der Anker 22 gegen den Ventilstößel 11 vorgespannt ist.
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Die Funktionsweise des Kaltfahrventils 7 ist wie folgt:
- Wird die Magnetspule 21 des elektromagnetischen Aktors 9 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 22 in Richtung der Ventilschraube 18 bewegt. Der Anker 22 hebt dabei den Ventilstößel 11 aus dem Ventilsitz 14, so dass das Kaltfahrventil 7 öffnet (siehe 3, die das Kaltfahrventil 7 in Offenstellung zeigt). Kraftstoff aus dem Kompressionsraum 3 vermag somit über den Ventilsitz 14 und die Radialbohrungen 17 in den Ringraum 16 und von dort in den Rücklauf 8 zu strömen. Zum Schließen des Kaltfahrventils 7 wird die Bestromung der Magnetspule 21 beendet, so dass die Schließfeder 13, die stärker als die Feder 23 ist, den Ventilstößel 11 wieder in den Ventilsitz 14 zieht. Unterstützt wird dabei die Schließfeder 13 vom Druckaufbau im Kompressionsraum 3 bei Inbetriebnahme der Hochdruckpumpe 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016014928 A1 [0005]
