DE102018216175A1

DE102018216175A1 - Kraftstofffördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018216175A1
Application number: DE102018216175.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bartsch; Wolfgang Sander; Tobias Falkenau; Diana Cordes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-03-26
Also published as: CN110939532A

Abstract

Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Pumpe (10,16), wobei durch die mindestens eine Pumpe (10,16) Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter (12) in einen Hochdruckbereich gefördert wird, wobei der Hochdruckbereich einen Buffertank (18) und einen Hochdruckspeicher (20) aufweist. Der Vorratsbehälter (12) ist über eine Abströmleitung (30) mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie (40) der mindestens einen Pumpe (10,16) verbunden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Reduzierung des Druckes im Vorratsbehälter einer Kraftstofffördereinrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 1.
Eine solche Kraftstofffördereinrichtung ist aus der DE 10 2006 052 109 A1 bekannt. Dieses Fahrzeug weist eine mit einem Gas betriebene Brennkraftmaschine auf, wobei das Gas in einem Gastank bevorratet wird. Wird in dem Gastank ein vorgegebener Gasdruck überschritten, was beispielsweise durch eine übermäßige Erwärmung aufgrund von Sonneneinstrahlung erfolgen kann, wird eine Druckentlastung des Gastanks eingeleitet. Diese Druckentlastung erfolgt über ein Überdruckventil, durch das das Gas in die Umgebung abgelassen wird.
Aus der DE 10 2015 212 988 A1 ist eine Kraftstofffördereinrichtung bekannt mit einem Gastank, in dem das Gas im flüssigen Zustand bevorratet wird. Bei einer längeren Standzeit des Fahrzeugs unter Sonneneinstrahlung auf den Gastank kann in dem Gastank ein Überdruck entstehen, der aufgrund einer Verdampfung des flüssigen Gases entsteht. Um eine unzulässig hohe Druckzunahme in dem Gastank zu vermeiden, ist eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen, die eine mit dem Gastank zusammenwirkende Abführleitung mit einem Überdruckventil umfasst, so dass das Gas in die Umgebung abgelassen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gasbetriebenes Fahrzeug anzugeben, das eine verbesserte Kraftstofffördereinrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung des Druckes im Vorratsbehälter einer Kraftstofffördereinrichtung aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, dass der Druck im Vorratsbehälter reduziert werden kann ohne das Gas in die Umwelt gelangt. Des Weiteren kann die im Kraftstoff vorhandenen Energie zum Antrieb der mindestens einen Pumpe der Kraftstofffördereinrichtung genutzt werden.
Im kälteisolierten Vorratsbehälter (z.B. LNG-Tank, Kryo-Tank) wird der gasförmige Kraftstoff bei einer Temperatur von -140°C gespeichert. Aufgrund der niedrigen Temperaturen befindet sich der Kraftstoff in der flüssigen Phase. Für den motorischen Betrieb sind aber deutlich höhere Temperaturen nötig (ca. -20°C). Durch einen Wärmeeintrag von außen, beispielsweise durch Sonneneinstrahlung, oder durch erwärmten Kraftstoff, welcher durch die Rücklaufleitung zurück in den Vorratsbehälter strömt, kann sich die Temperatur des Kraftstoffes im Vorratsbehälter erhöhen.
Der Kraftstoff im Vorratsbehälter kann aufgrund des Wärmeeintrages eine Änderung des Aggregatszustandes erfahren, so dass sich ein Teil des Kraftstoffes von der flüssigen in die gasförmige Phase umwandelt, welches einen Druckanstieg im Vorratsbehälter bedingt.
Durch die Abströmleitung und Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie der mindestens einen Pumpe kann Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter entweichen und zum Antrieb der mindestens einen Pumpe genutzt werden. Auf diese Weise geht die Energie, die sich im Kraftstoff befindet nicht ungenutzt, beispielsweise durch ein Ausströmen in die Umwelt, verloren.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie einen Verbrennungsmotor aufweist, da dieser ohne großen Integrationsaufwand in das Fahrzeug verbaut werden kann. Der mit dem Verbrennungsmotor verbundene Pumpenantrieb kann auf einfache Weise direkt an der mindestens einen Pumpe erfolgen. Des Weiteren kann der im Normalfall vorgesehene hydraulische Antrieb der Hochdruckpumpe entfallen, so dass zusätzliche Speichervolumen, Hydraulikpumpen und Ventile entfallen, was einen großen Kostenvorteil mit sich bringt.
Hierbei ist der Verbrennungsmotor auf vorteilhafte Weise über eine Welle, ein Getriebe und/oder eine hydraulische Kopplung mit der mindestens eine Pumpe verbunden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie ein Generator zur Umwandlung von gasförmigen Kraftstoff in elektrische Energie, insbesondere eine Brennstoffzelle, aufweist, da die elektrische Energie flexibel zur Nutzung des Antriebs der mindestens einen Pumpe genutzt werden kann. Hierbei ist der Generator über einen Inverter mit einem Elektromotor verbunden, wobei durch den Elektromotor die mindestens eine Pumpe antreibbar ist.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn der Inverter mit einer Batterie verbunden ist, da auf diese Weise die Batterie als Zwischenspeicher für die gewonnene elektrische Energie genutzt werden kann, so dass auch in Phasen in denen keine Energie durch den Generator gewonnen wird ein Antrieb der mindestens einen Pumpe möglich ist.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch ein Druckregelventil, welches in der Abströmleitung angeordnet ist, da die Menge an Kraftstoff, welche aus dem Vorratsbehälter strömt exakt und auf einfache Weise gesteuert werden kann.
Ein in der Abströmleitung angeordneter Wärmetauscher ist vorteilhaft, da über diesen der aus dem Vorratsbehälter entnommene Kraftstoff erwärmt werden kann, so dass er die für die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie benötigte Betriebstemperatur annehmen kann.
Ausführungsbeispiele
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
2 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung 1 aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung 1 weist eine Förderpumpe 10 auf, die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 12 ansaugt.
Der Vorratsbehälter 12 kann zur Aufnahme von Kraftstoff, welcher als verflüssigtes Gas (LNG) bzw. Gas in der flüssigen Phase vorliegt, ausgebildet sein.
Die Kraftstofffördereinrichtung 1 ist zur Förderung von Gas in der flüssigen Phase als Kraftstoff ausgelegt. Im Vorratsbehälter 12 wird das Gas in flüssigem Aggregatszustand bzw. in der flüssigen Phase bei sehr niedrigen Temperaturen aufgenommen. Um das Gas in dem flüssigen Aggregatszustand bzw. der flüssigen Phase zu halten, muss das Gas unter sehr niedrigen Temperaturen im Vorratsbehälter 12 aufbewahrt werden. Der Vorratsbehälter 12 weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Isolierung auf, um einen Wärmeeintrag von außen in den Kraftstoff zu vermeiden.
Durch die Förderpumpe 10 wird Kraftstoff zur Saugseite wenigstens einer Hochdruckpumpe 16 gefördert, die ebenfalls Bestandteil der Kraftstofffördereinrichtung 1 ist. Durch die wenigstens eine Hochdruckpumpe 16 wird Kraftstoff in einen Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 gefördert.
Die Förderpumpe 10 kann entweder im Vorratsbehälter 12 oder außerhalb des Vorratsbehälters 12 angeordnet sein und den Kraftstoff auf ein erstes Druckniveau verdichten, während die Hochdruckpumpe 16 der Förderpumpe 10 nachgeordnet ist und den Kraftstoff vom ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau, insbesondere ein Druckniveau zwischen 500 und 600 bar, verdichtet.
Der Hochdruckbereich umfasst einen Buffertank 18 und einen Hochdruckspeicher 20, wobei der Hochdruckspeicher 20 mit mindestens einem Injektor 21 zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum, verbunden ist.
Die Injektoren 21 können als Dual-Fluid-Injektoren ausgebildet sein und mit einem Hochdruckrail 22 für flüssigen Kraftstoff verbunden sein.
Zwischen dem Buffertank 18 und dem Hochdruckspeicher 20 ist ein Druckregler 19 angeordnet. Der Druckregler 19 ermöglicht eine Einstellung der gewünschten Druckverhältnisse im Hochdruckspeicher 20, indem er die Kraftstoffstoffmenge, die aus dem Buffertank 18 in den Hochdruckspeicher 20 strömt regelt.
Zwischen der Hochdruckpumpe 16 und dem Buffertank 18 ist ein Wärmetauscher 31 angeordnet. Der Wärmetauscher 31 überträgt thermische Energie auf den Kraftstoff in der Leitung zwischen Hochdruckpumpe 16 und Buffertank 18.
Durch einen Wärmeeintrag in den Vorratsbehälter 12 kann der Kraftstoff im Vorratsbehälter 12 eine Aggregatsänderung erfahren und sich von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase oder in einen Zwischenzustand mit geringerer Dichte umwandeln. Dies bewirkt eine Druckerhöhung des Kraftstoffes im Vorratsbehälter 12, welche so groß sein kann, dass Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 12 entweichen muss, um nicht den zulässigen Höchstdruck zu überschreiten.
Eine Abströmleitung 30 ist über einen Anschluss 36 mit dem Vorratsbehälter 12 verbunden und ermöglicht, dass Kraftstoff, insbesondere Gas in der gasförmigen Phase aus dem Vorratsbehälter 12 entweichen kann, falls der Druck des Kraftstoffes im Vorratsbehälter 12 zu hoch wird.
Der Anschluss 36 kann im oberen Drittel des Vorratsbehälters 12 angeordnet sein, um sicherzustellen, dass vornehmlich Kraftstoff in der gasförmigen Phase aus dem Vorratsbehälter 12 entweicht. In einer besonderen Ausführungsform ist der Anschluss 36 am oberen Rand des Vorratsbehälter 12 angeordnet. In der 1 ist eine gestrichelte Linie innerhalb des Vorratsbehälters 12 gezeigt, welche andeutet in welchen Bereichen sich vornehmlich Kraftstoff in der flüssigen Phase und Kraftstoff in der gasförmigen Phase befindet.
Die Abströmleitung 30 verbindet den Vorratsbehälter 12 mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie 40, wobei die Antriebsenergie zum Antrieb der Hochdruckpumpe 16 und/oder Förderpumpe 10 dient.
In der Abströmleitung 30 zwischen Vorratsbehälter 12 und Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie 40 ist ein Druckregelventil 32 angeordnet ist, so dass die Menge an Kraftstoff die aus dem Vorratsbehälter 12 in die Absaugleitung 30 strömen kann, bewusst gesteuert werden kann. Abhängig vom gewünschten Druckverlust im Vorratsbehälter 12 kann das Druckregelventil 32 für längere oder kürzere Zeit geöffnet werden.
Das Druckregelventil 32 kann so angesteuert werden, dass der Druck im Vorratsbehälter 12 sinkt. Dies kann durch eine Wahl der Öffnungszeiten oder Öffnungsquerschnitte des Druckregelventils 32, welche ermöglichen, dass eine gewisse Menge an Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 12 entweicht, erfolgen. Das Druckregelventil 32 kann weiterhin zum Absperren des Vorratsbehälters 12 dienen, so dass kein Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 12 entweichen kann.
Ein Wärmetauscher 33 kann in der Abströmleitung 30 angeordnet sein, damit der Kraftstoff erwärmt wird bevor er zur Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie 40 strömt.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie 40 ein Verbrennungsmotor 41. Der Verbrennungsmotor 41 dient zum Antrieb der Hochdruckpumpe 16. In einer alternativen Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor zusätzlich oder alternativ auch die Förderpumpe 10 antreiben.
Der Verbrennungsmotor 41 kann über eine Welle, ein Getriebe und/oder eine hydraulische Kopplung mit der Hochdruckpumpe 16 und/oder Förderpumpe 10 verbunden sein.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Komponenten der Kraftstofffördereinrichtung 1 entsprechen den bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Aufbau. Die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie 40 weist einen Generator 42 zur Umwandlung von gasförmigen Kraftstoff in elektrische Energie, insbesondere eine Brennstoffzelle 42, auf. Die Brennstoffzelle 42 kann vom Prinzip einer Festoxidbrennstoffzelle sein.
Die durch den Generator 42 erzeugte elektrische Energie wird über einen Inverter 43 einem Elektromotor 44 zur Verfügung gestellt. Der Elektromotor 44 ist mit der Hochdruckpumpe 16 und/oder der Förderpumpe 10 verbunden. Der Elektromotor 44 kann die Hochdruckpumpe 16 und/oder die Förderpumpe 10 bedarfsgerecht antreiben.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Inverter 43 auch mit einer Batterie 45 verbunden sein. Die Batterie 45 kann als Zwischenspeicher für die Energie zum Antrieb der mindestens einen Pumpe 10,16 genutzt werden.
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 102006052109 A1 [0002]
DE 102015212988 A1 [0003]

Claims

Kraftstofffördereinrichtung (1) für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Pumpe (10,16), wobei durch die mindestens eine Pumpe (10,16) Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter (12) in einen Hochdruckbereich gefördert wird, wobei der Hochdruckbereich einen Buffertank (18) und einen Hochdruckspeicher (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie (40) der mindestens einen Pumpe (10,16) über eine Abströmleitung (30) mit dem Vorratsbehälter (12) verbunden ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie (40) gasförmigen Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter (12) in Antriebsenergie der mindestens einen Pumpe (10,16) umwandelbar ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie (40) ein Verbrennungsmotor (41) ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (41) über eine Welle, ein Getriebe und/oder eine hydraulische Kopplung mit der mindestens eine Pumpe (10,16) verbunden ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umwandlung von Kraftstoff in Antriebsenergie (40) einen Generator (42) zur Umwandlung von gasförmigen Kraftstoff in elektrische Energie, insbesondere eine Brennstoffzelle (42), aufweist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (42) über einen Inverter (43) mit einem Elektromotor (44) verbunden ist, wobei durch den Elektromotor (44) die mindestens eine Pumpe (9,10) antreibbar ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (43) mit einer Batterie (45) verbunden ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckregelventil (32) in der Abströmleitung (30) angeordnet ist.
Kraftstofffördereinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (33) in der Abströmleitung (30) angeordnet ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (12) zur Aufnahme von Kraftstoff als verflüssigtes Gas (LNG) bzw. Gas in der flüssigen Phase ausgebildet ist.