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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffbehälter für gasförmigen Kraftstoff, einen Kraftstofftank mit einer Anzahl von solchen Kraftstoffbehältern sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kraftstofftank.
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Kraftstofftanks für gasförmigen Kraftstoff wie beispielsweise Wasserstoff können derart ausgeführt werden, dass eine Vielzahl von Kraftstoffbehältern innerhalb eines druckdicht umschlossenen Tankraums angeordnet werden. Eine beispielhafte Ausführung ist in dem Dokument
DE 10 2010 044 035 B4 gezeigt. Dabei ist vorgesehen, dass ein Ventil eines jeweiligen Kraftstoffbehälters ein Ausströmen des gasförmigen Brennstoffs bewirkt, wenn der Umgebungsdruck, also der Druck in unmittelbarer Umgebung des Kraftstoffbehälters, geringer ist als ein vorgegebener maximaler Umgebungsdruck.
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Ist dieser maximale Umgebungsdruck nun größer oder gleich 1 bar, also Atmosphärendruck, so bewirkt ein Aufenthalt eines befüllten Kraftstoffbehälters in Atmosphärendruck ein Ausströmen des Brennstoffs. Dies wäre beispielsweise beim Transport befüllter Kraftstoffbehälter in Atmosphäre oder bei einer Leckage mit Druckverlust des Tankraums der Fall. Beides ist höchst nachteilig.
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Ist der maximale Umgebungsdruck jedoch kleiner als 1 bar, also kleiner als Atmosphärendruck, so erfordert die Entnahme des Brennstoffs aus den Kraftstoffbehältern einen Unterdruck im Tankraum. Dieser Unterdruck wird dabei typischerweise zunächst aufwändig durch Vakuumpumpen erzeugt. Um den Brennstoff dann zum Verbraucher wie beispielsweise eine Brennstoffzelle zu pumpen, wird wiederum eine Pumpe benötigt, welche diesen auf einen höheren Druck von beispielsweise 3 bar pumpt. Die Verwendung zweier solcher Pumpen ist sehr aufwändig.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen Kraftstoffbehälter vorzusehen, welcher alternativ ausgeführt ist, beispielsweise die oben genannten Nachteile vermeidet. Es sind des Weiteren Aufgaben der Erfindung, einen Kraftstofftank mit einer Anzahl von solchen Kraftstoffbehältern sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kraftstofftank vorzusehen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch einen Kraftstoffbehälter, einen Kraftstofftank und ein Kraftfahrzeug gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffbehälter für gasförmigen Kraftstoff. Der Kraftstoffbehälter weist einen Behälterinnenraum zur Lagerung des Kraftstoffs unter Druck auf. Der Kraftstoffbehälter weist ein Ventil zum selektiven Ablassen des Kraftstoffs aus dem Behälterinnenraum in Abhängigkeit von einem Umgebungsdruck, welcher den Kraftstoffbehälter umgibt, auf.
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Das Ventil ist dazu ausgebildet,
- - bei einem Umgebungsdruck unterhalb eines ersten Druckschwellenwerts einen geschlossenen Zustand einzunehmen,
- - bei einem Umgebungsdruck zwischen dem ersten Druckschwellenwert und einem zweiten Druckschwellenwert, welcher größer ist als der erste Druckschwellenwert, einen offenen Zustand einzunehmen, und
- - bei einem Umgebungsdruck oberhalb des zweiten Druckschwellenwerts einen geschlossenen Zustand einzunehmen.
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Die erfindungsgemäße Ausführung eines Kraftstoffbehälters ermöglicht es, bei einem Kraftstoffbehälter nicht nur einen Schwellenwert sondern zwei Schwellenwerte vorzusehen, so dass nur in einem vordefinierten Druckbereich an Umgebungsdruck zwischen dem ersten Druckschwellenwert und dem zweiten Druckschwellenwert Kraftstoff abgegeben wird. Dadurch stehen mehr Parameter zur Verfügung, um den Kraftstoffbehälter an seine jeweilige Verwendung anzupassen. Die eingangs beschriebenen Probleme können damit vorteilhaft vermieden werden.
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Der erste Druckschwellenwert ist dabei bevorzugt größer als der Atmosphärendruck. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Kraftstoffbehälter, welcher sich außerhalb eines Kraftstofftanks in der normalen Atmosphäre befindet, keinen Kraftstoff abgibt. Als Atmosphärendruck kann beispielsweise ein Wert von 1 bar, 1013 hPa oder auch ein Luftdruck an besonders tief liegenden Stellen der Erde wie beispielsweise dem Toten Meer herangezogen werden.
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Bevorzugt beträgt der erste Druckschwellenwert mindestens 3 bar. Dadurch kann erreicht werden, dass der Kraftstoff mit einem Druck abgegeben wird, welcher in typischen Implementierungen dazu ausreicht, ohne Zwischenschaltung von Pumpen zu Verbrauchern wie beispielsweise einer Brennstoffzelle zu gelangen.
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Das Ventil weist gemäß einer Ausführung einen ersten bewegbaren Ventilschieber und einen zweiten bewegbaren Ventilschieber auf. Jeder bewegbare Ventilschieber kann dabei jeweils einen offenen und einen geschlossenen Zustand einnehmen. Der erste Ventilschieber ist dazu ausgebildet, bei einem Umgebungsdruck unterhalb des ersten Druckschwellenwerts den geschlossenen Zustand einzunehmen und oberhalb des ersten Druckschwellenwerts den offenen Zustand einzunehmen. Der zweite Ventilschieber ist dazu ausgebildet, mit einem Umgebungsdruck unterhalb des zweiten Druckschwellenwerts den offenen Zustand einzunehmen und oberhalb des zweiten Druckschwellenwerts den geschlossenen Zustand einzunehmen.
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Durch die eben beschriebene Ausführung kann eine Aufteilung der Funktionalität des Ventils in zwei Ventilschieber erreicht werden. Beide können auf ihren jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert werden, wobei der erste Ventilschieber für eine Schließung bei niedrigen Drücken sorgt und der zweite Ventilschieber für eine Schließung bei hohen Drücken sorgt.
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Gemäß einer Ausführung weist das Ventil einen bewegbaren Ventilschieber auf. In dem Ventilschieber ist eine Öffnung ausgebildet, welche in dem offenen Zustand den Behälterinnenraum mit der Umgebung des Kraftstoffbehälters verbindet, insbesondere fluidisch verbindet, wobei in dem geschlossenen Zustand der Ventilschieber den Behälterinnenraum von der Umgebung abtrennt. Mit einer solchen Ausführung kann die Funktionalität in einen einzigen Ventilschieber integriert werden.
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Ein jeweiliger Ventilschieber kann beispielsweise mit einem runden Querschnitt oder mit einem rechteckigen Querschnitt und/oder plattenförmig ausgeführt sein. Ein Querschnitt steht typischerweise quer zu einer vorgesehenen Bewegungsrichtung des Ventilschiebers.
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Der Ventilschieber kann eine erste Fläche aufweisen, welche mit der Umgebung fluidisch verbunden ist, so dass der Umgebungsdruck auf die erste Fläche zur Bewegung des Ventilschiebers wirkt. Beispielsweise kann sich dazu der Ventilschieber in einer Ausnehmung befinden. Die unmittelbare Wirkung des Umgebungsdrucks auf den Ventilschieber bewirkt eine unmittelbare und zuverlässige Betätigung.
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Gemäß einer Ausführung weist der Ventilschieber eine zweite Fläche auf, welche einem Raum innerhalb des Kraftstoffbehälters zugewandt ist, so dass ein in dem Raum befindlicher Druck auf die zweite Fläche zur Bewegung des Ventilschiebers wirkt. Dadurch kann ein definierter Gegendruck aufgebaut werden.
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Der Raum kann evakuiert sein oder einen Druck unter Atmosphärendruck aufweisen. Der Raum kann auch einen Druck über Atmosphärendruck aufweisen, welcher auf die zweite Fläche wirkt. In letzterem Fall kann der Raum mit seinem Druck beispielsweise eine ähnliche Wirkung wie eine Gasdruckfeder haben.
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Das Ventil kann eine Feder aufweisen. Der Ventilschieber kann mit der Feder verbunden sein, so dass die Feder eine elastische Kraft in eine Vorspannrichtung auf den Ventilschieber ausübt. Die Vorspannrichtung kann dabei insbesondere einer Richtung, in welche der Umgebungsdruck den Ventilschieber drückt, entgegengesetzt sein. Zusammen mit einer eventuellen Wirkung von in dem Raum befindlichem Druck kann damit eine definierte Gegenkraft zum Umgebungsdruck ausgebildet werden, welche je nach Umgebungsdruck den Ventilschieber in unterschiedlichen Stellungen hält.
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Der Raum kann beispielsweise auch Umgebungsdruck aufweisen, so dass eine etwaige erforderliche Kraft ausschließlich über eine Feder aufgebaut wird.
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Die Feder kann in dem Raum angeordnet sein und die zweite Fläche des Ventilschiebers kontaktieren. Dadurch kann in einfacher Weise die benötigte Kraft aufgewandt werden.
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Die Feder kann eine Schraubenfeder oder eine Gasdruckfeder sein. Derartige Ausführungen haben sich für typische Anwendungen bewährt.
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Die erste Fläche und die zweite Fläche können gemäß einer Ausführung unterschiedlich groß sein. Dadurch kann eine Einstellung der Wirkung der jeweiligen Drücke erreicht werden. Gegebenenfalls kann dadurch beispielsweise auch auf Federn verzichtet werden. Die erste Fläche und die zweite Fläche können jedoch beispielsweise auch gleich groß sein.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kraftstofftank. Dieser weist einen druckdicht umschlossenen Tankraum auf. Der Kraftstofftank weist eine Anzahl von Kraftstoffbehältern gemäß der Erfindung auf, welche in dem Tankraum angeordnet sind. Bezüglich der Kraftstoffbehälter kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Mittels des erfindungsgemäßen Kraftstofftanks können die weiter oben bereits erwähnten Vorteile erreicht werden. Insbesondere können die in dem Kraftstofftank enthaltenen Kraftstoffbehälter auch an einer normalen Atmosphäre transportiert werden, ohne dass dies zum Ausströmen von Gas führt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, welches einen erfindungsgemäßen Kraftstofftank aufweist. Dabei kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
- 1: ein Kraftfahrzeug,
- 2: einen Kraftstofftank mit mehreren Kraftstoffbehältern,
- 3: ein Ventil gemäß einer ersten Ausführung, und
- 4: ein Ventil gemäß einer zweiten Ausführung.
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1 zeigt rein schematisch ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Kraftstofftank 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf.
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2 zeigt rein schematisch den Kraftstofftank 2. Dieser weist eine umgebende Tankwand 3 auf, welche einen Tankraum 4 begrenzt. In dem Tankraum 4 sind eine Anzahl von vorliegend vier Kraftstoffbehältern 5 angeordnet. Es sei verstanden, dass auch eine beliebige andere Anzahl von Kraftstoffbehältern 5 verwendet werden kann.
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Jeder Kraftstoffbehälter 5 weist einen jeweiligen Behälterinnenraum 6 zur Lagerung des Kraftstoffs auf. Insbesondere kann darin jeweils Wasserstoff unter Druck gespeichert werden. Die Verwendung mit anderen Gasen ist jedoch ebenso möglich.
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Jeder Kraftstoffbehälter 5 weist ein jeweiliges Ventil 7 auf. Das jeweilige Ventil 7 ist dazu ausgebildet, bei einem Umgebungsdruck im Tankraum 4 zwischen einem ersten Druckschwellenwert und einem zweiten Druckschwellenwert Gas aus dem jeweiligen Behälterinnenraum 6 in den Tankraum 4 abzulassen und ansonsten kein Gas abzulassen, d.h. den jeweiligen Kraftstoffbehälter 5 zu verschließen. Dadurch kann ein definierter Druck im Tankraum 4 aufrechterhalten werden, zumindest solange eine ausreichende Menge an Kraftstoff vorhanden ist.
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Der erste Druckschwellenwert liegt dabei vorliegend bei etwa 3 bar, was für typische Anwendungen vorteilhaft ist aufgrund der fehlenden Notwendigkeit zum Vorsehen von Pumpen zum Transport des Kraftstoffs zu einem Verbraucher. Außerdem wird dadurch der Vorteil erreicht, dass dieser Druck deutlich über einem Atmosphärendruck liegt und somit keine Gefahr besteht, dass für den Fall einer Leckage oder im Fall eines selbständigen Transports eines jeweiligen Kraftstoffbehälters 5 Kraftstoff entweicht. Es sei jedoch verstanden, dass auch andere Werte für den ersten Druckschwellenwert verwendet werden können.
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Das jeweilige Ventil 7 ist in 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Das Ventil 7 weist einen Brennstoffeinlass 10 auf, welcher zu dem jeweiligen Behälterinnenraum 6 führt. Es weist einen Brennstoffauslass 20 auf, welcher in den Tankraum 4 mündet, zumindest in dem in 2 dargestellten Zustand.
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Das Ventil 7 weist einen Ventilschieber 40 auf, welcher auch als Stift bezeichnet werden kann. In diesem befindet sich eine Öffnung 30, welche sich mit dem Ventilschieber 40 verschiebt. Unterhalb des Ventilschiebers 40 ist ein Raum 60 angeordnet, welcher vorliegend evakuiert und mittels Dichtungen 70 abgedichtet ist. In dem Raum 60 befindet sich eine Feder 50, welche von unten gegen den Ventilschieber 40 drückt. Von oben wirkt hingegen ein Umgebungsdruck 80 auf den Ventilschieber 40, wobei es sich hierbei in dem in 2 dargestellten Zustand um den Umgebungsdruck handelt, welcher in dem Tankraum 4 vorherrscht.
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Die obere Seite des Ventilschiebers 40 wird als erste Fläche 42 bezeichnet, wobei der Ventilschieber 40 wie gezeigt auch zwischen der Öffnung 30 und der ersten Fläche 42 mittels seitlicher Dichtungen 70 abgedichtet ist. Die untere Seite des Ventilschiebers 40 wird als zweite Fläche 44 bezeichnet. Der Umgebungsdruck 80 wirkt somit auf die erste Fläche 42 und wirkt einem durch die Feder 50 ausgeübten Druck entgegen. Dadurch nimmt der Ventilschieber 40 unterschiedliche Stellungen ein, je nachdem welcher Umgebungsdruck 80 anliegt.
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Liegt der Umgebungsdruck 80 unterhalb dem ersten Druckschwellenwert, so wird der Ventilschieber 40 von der Feder 50 nach oben geschoben, so dass die Öffnung 30 keinen Durchgang zwischen Brennstoffeinlass 10 und Brennstoffauslass 20 freigibt. Der Ventilschieber 40 ist vorliegend mit einem quadratischen Querschnitt ausgeführt, so dass außerhalb der Papierebene von 3 eine seitliche Abdichtung in einfacher Weise ermöglicht wird. Bei einem Umgebungsdruck über dem ersten Druckschwellenwert wird der Ventilschieber 40 so weit nach unten geschoben, dass die Öffnung 30 einen Durchlass zwischen dem Brennstoffeinlass 10 und dem Brennstoffauslass 20 freigibt. Wird der Druck noch weiter erhöht, nämlich über den zweiten Druckschwellenwert, so wird der Ventilschieber 40 so weit nach unten geschoben, dass die Öffnung einen Durchlass zwischen dem Brennstoffeinlass 10 und dem Brennstoffauslass 20 wieder verschließt. Dies entspricht der weiter oben bereits beschriebenen Funktionalität.
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Es sei verstanden, dass durch das Vorsehen eines Drucks im Raum 60 ein nach oben gerichteter Druck erzeugt werden kann, welcher den Druck der Feder 50 unterstützen kann oder gegebenenfalls auch die Feder ersetzen kann. Dieser Druck wirkt dann auf die bereits erwähnte zweite Fläche 44 des Ventilschiebers 40.
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Durch eine Variation der Größen der Flächen 42, 44 auch auf unterschiedliche Größen kann das Verhalten des Ventilschiebers 40 abhängig vom Umgebungsdruck 80 eingestellt werden, wobei dies eine im Vergleich zu 3 abgewandelte Ausführung darstellt, da in 3 beide Flächen 42, 44 gleich groß sind.
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In 4 ist eine alternative Ausführung des Ventils 7 dargestellt. Die Öffnung 30 ist dabei nicht wie bei 3 gerade, sondern abgewinkelt ausgeführt. Der Ventilschieber 40 kann dadurch in einfacherer Weise mit einem runden Querschnitt ausgeführt werden, wobei die Abdichtung mit den gezeigten Dichtungen 70 erfolgen kann.
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Ansonsten sei bezüglich der Komponenten und der Funktionalität auf die Beschreibung von 3 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010044035 B4 [0002]
