DE102019208193A1

DE102019208193A1 - Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Info

Publication number: DE102019208193A1
Application number: DE102019208193.2A
Authority: DE
Inventors: Dieter Uhlmann; Reinhard Schmid; Friedrich Howey; Frank Zehnder; Dirk Schnittger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2020-12-10

Abstract

Kraftstofffördereinrichtung (400) für kryogene Kraftstoffe, umfassend eine Kolbenpumpe (1) zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck, wobei die Kolbenpumpe (1) einen entlang einer Längsachse (13) beweglichen Pumpenkolben (2) aufweist. Der Pumpenkolben (2) begrenzt an einem Ende einen Kompressionsraum (3), welcher Kompressionsraum (3) in einem Kolbenpumpenkopf (100) der Kolbenpumpe (1) ausgebildet ist und welcher Kolbenpumpenkopf (100) von einer Wärmeisolationskammer (103) zumindest teilweise umgeben ist. Weiterhin umfasst die Wärmeisolationskammer (103) ein Isolationsgehäuse (101) und einen Isolationsraum (102), in welchem Isolationsgehäuse (101) der Isolationsraum (102) ausgebildet ist, wobei der Kolbenpumpenkopf (100) und das Isolationsgehäuse (101) mittels einer radialen mechanischen Verbindung (17) fest miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, insbesondere eine Kolbenpumpe.
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.
Stand der Technik
Die DE 10 2016 210 752 A1 beschreibt eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe, die einen Tank, eine Vorförderpumpe und eine Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse umfasst, wobei in dem Pumpengehäuse ein längsbeweglicher Pumpenkolben angeordnet ist. Der Pumpenkolben weist einerseits einen Kompressionsraum und andererseits einen Antriebsraum auf, der mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Der Kompressionsraum ist in einem Kolbenpumpenkopf der Kolbenpumpe ausgebildet. Weiterhin ist der Zuströmbereich an kryogenem Kraftstoff in die Kolbenpumpe ebenfalls in dem Kolbenpumpenkopf ausgebildet.
Um eine Erwärmung des zuströmenden kryogenen Kraftstoffs zu verhindern, ist der Kolbenpumpenkopf von einer evakuierten Wärmeisolationskammer umgeben. So kann verhindert werden, dass der kryogene Kraftstoff siedet und so ein Ansaugen durch die Kolbenpumpe nicht mehr möglich ist. Außerdem würde die eingebrachte Wärmemenge, welche ohne die Wärmeisolationskammer in den Kolbenpumpenkopf eintreten würde, mit der Leckage wieder zurück in den Tank befördert werden und diesen aufwärmen. Wird so der maximale Tankdruck erreicht, muss der kryogene Kraftstoff an die Umgebung abgelassen werden, um einem Bersten des Tanks entgegenzuwirken.
Aufgrund der notwendigen thermischen Trennung des Kolbenpumpenkopfs von der hydraulischen Antriebsseite der Kolbenpumpe ist der Pumpenkolben sehr lange ausgebildet. Dies führt daher zu einer axial lang ausgeführten Pumpenkolbenführung in dem Kolbenpumpenkopf. Durch externe Schwingungen, wie beispielsweise Stoßbelastungen oder der Betrieb während der Fahrt, kann der Kolbenpumpenkopf radial auslenken, da er in dieser Richtung nicht sehr steif ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber Vorteil auf, dass trotz Stoßbelastungen und anderen äußeren Einflüssen auf die Kolbenpumpe die radiale Auslenkung des Kolbenpumpenkopfs minimiert wird.
Dazu weist die Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe eine Kolbenpumpe zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck auf, wobei die Kolbenpumpe einen entlang einer Längsachse beweglichen Pumpenkolben aufweist. Der Pumpenkolben begrenzt an einem Ende einen Kompressionsraum, welcher Kompressionsraum in einem Kolbenpumpenkopf der Kolbenpumpe ausgebildet ist und welcher Kolbenpumpenkopf von einer Wärmeisolationskammer zumindest teilweise umgeben ist. Darüber hinaus umfasst die Wärmeisolationskammer ein Isolationsgehäuse und einen Isolationsraum, in welchem Isolationsgehäuse der Isolationsraum ausgebildet ist. Außerdem sind der Kolbenpumpenkopf und das Isolationsgehäuse mittels einer radialen mechanischen Verbindung fest miteinander verbunden.
So kann sichergestellt werden, dass der Kolbenpumpenkopf aufgrund von externen Schwingungen keine oder zumindest nur eine minimale radiale Auslenkung erfährt. Eine axiale Beweglichkeit ist dabei immer noch möglich. Durch die Versteifung des Kolbenpumpenkopfs kann das Kolbenspiel verringert werden, ohne dass ein Klemmen in der Kolbenführung durch Auslenkung des Kolbenpumpenkopfs auftritt. Weiterhin wird eine Erhöhung der Lebensdauer einzelner Komponenten der Kolbenpumpe und damit auch der gesamten Kraftstofffördereinrichtung erzielt.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mechanische Verbindung mittels eines Verbindungsflansches ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist der Verbindungsflansch mittels Schraubelementen an dem Kolbenpumpenkopf fest verschraubt, wobei der Verbindungsflansch mindestens eine Bohrung für die Schraubelemente aufweist. So kann die mechanische Verbindung in konstruktiv einfacher und auf kostensparende Weise realisiert werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Verbindungsflansch ringförmig ausgebildet ist und mindestens einen Steg und mindestens eine Ausnehmung zur Reduktion der Wärmeleitung aufweist. Vorteilhafterweise ist der Verbindungsflansch daher aus Keramik oder Kunststoff hergestellt ist.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mechanische Verbindung mittels eines federnden Metallrings ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist der federnde Metallring in einer Ausnehmung des Kolbenpumpenkopfs angeordnet und so zwischen dem Kolbenpumpenkopf und dem Isolationsgehäuse fest verspannt. So wird eine axiale Beweglichkeit erzielt, um sich den äußeren Einflüssen wie beispielsweise thermische Längenausdehnungen auch während des Betriebs der Kraftstofffördereinrichtung anzupassen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der federnde Metallring eine Kunststoffummantelung aufweist. So wird Reibung und Wärmeleitung an den beteiligten Baukomponenten reduziert.
In vorteilhafter Weiterbildung ist das Isolationsgehäuse als hohlzylinderförmiger Stahlmantel mit Vakuum ausgebildet. So wird eine hohe Wärmeisolation des Kolbenpumpenkopfs erzielt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Kraftstofffördereinrichtung einen Tank umfasst, welcher Tank kryogenen Kraftstoff speichert und den kryogenen Kraftstoff der Kolbenpumpe bereitstellt.
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 Kompressionsraum der Kolbenpumpe fördert. Dies ermöglicht eine variable Anordnung der Kolbenpumpe, so dass diese beispielsweise relativ nahe zum Tankbehälter, oder aber relativ nahe zur Brennkraftmaschine angeordnet werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit einer mechanischen Verbindung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 die mechanische Verbindung aus der 1 im Querschnitt,
3 eine zweite Ausführungsform der mechanischen Verbindung in einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung in schematischem Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung 400 zur Versorgung einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs mit einem kryogenen Kraftstoff im Längsschnitt. Dabei kann es sich bei dem kryogenen Kraftstoff insbesondere um Erdgas handeln.
Die Kraftstofffördereinrichtung 400 umfasst eine Kolbenpumpe 1, mittels welcher der Kraftstoff auf Hochdruck gefördert wird. Die Kolbenpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 19 auf, indem eine stufenförmige Längsbohrung 12 ausgebildet ist. In der Längsbohrung 12 ist ein entlang einer Längsachse 13 beweglicher Pumpenkolben 2 angeordnet, der einen Kompressionsraum 3 begrenzt, in dem der kryogene Kraftstoff verdichtet wird. Der Pumpenkolben 2 weist in der Längsbohrung 12 einen Führungsabschnitt auf, zwischen dem und der Längsbohrung 12 ein Leckagespalt 20 ausgebildet ist.
Zwischen der Längsbohrung 12 und dem Pumpenkolben 2 ist ein Niederdruckbereich 7 ausgebildet. Der Pumpenkolben 2 ist von einer ersten Dichtung 9 umgeben, hier als Kolbenringe ausgebildet, durch welche der Kompressionsraum 3 von dem Niederdruckbereich 7 abgedichtet ist, sodass lediglich über den Leckagespalt 20 Kraftstoff aus dem Kompressionsraum 3 in den Niederdruckbereich 7 eintreten kann.
An der dem Kompressionsraum 3 abgewandten Seite grenzt der Niederdruckbereich 7 an einen Umgebungsdruckbereich 4 mit beispielsweise 1 bar, wobei der Niederdruckbereich 7 mittels einer zweiten Dichtung 8, hier als Dichtringe ausgebildet, von dem Umgebungsdruckbereich 4 abgedichtet ist. Der Umgebungsdruckbereich 4 ist über einen Kanal 5 und einem Rückschlagventil 6 mit der Umgebung verbindbar.
Mit seinem dem Kompressionsraum 3 abgewandten Ende ist der Pumpenkolben 2 in einem Steuerraum 11 angeordnet, wobei der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 11 über ein Steuerventil 50 gesteuert werden kann. Das Steuerventil 50 und der Steuerraum 11 sind dabei mit einem nicht gezeigten Hydrauliksystem zum Antrieb der Kolbenpumpe 1 verbunden.
Über eine Zuführleitung 42 ist ein Zulauf 24 der Kolbenpumpe 1 mit Kraftstoff aus einem Tank 40 befüllbar. In dem Tank 40 ist eine Förderpumpe 41 angeordnet, welche den Kraftstoff aus dem Tank 40 über die Zuführleitung 42 in Richtung der Kolbenpumpe 1 fördert. In der Längsbohrung 12 ist ein Ansaugraum 146 ausgebildet, in dem ein längsbewegliches Saugventilelement 14 angeordnet ist, welches mit einem tellerförmigen Ende 144 in den Kompressionsraum 3 hineinragt.
In dem Ansaugraum 146 ist das Saugventilelement 14 von einem Hülsenelement 16 umgeben und mit diesem fest verbunden, an welchem sich einerseits eine Feder 15 abstützt. Andererseits stützt sich die Feder 15 an dem Pumpengehäuse 19 ab und drückt das Saugventilelement 14 an einen in dem Pumpengehäuse 19 ausgebildeten Ventilsitz 145, so dass das Saugventilelement 14 mit seinem tellerförmigen Ende 144 eine Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 3 und dem Ansaugraum 146 sperrt und so ein Saugventil 140 ausbildet.
Der von der Kolbenpumpe 1 verdichtete Kraftstoff verlässt den Kompressionsraum 3 über einen Hochdruckabgang 25, in dem ein Rückschlagventil 26 ausgebildet ist. So kann der komprimierte Kraftstoff dann beispielsweise Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine zugeführt werden.
Der Bereich der Kolbenpumpe 1, in dem der Kompressionsraum 3, der Zulauf 24 und der Ablauf 25 ausgebildet sind, ist als Kolbenpumpenkopf 100 ausgebildet.
Der Kolbenpumpenkopf 100 ist von einer Wärmeisolationskammer 103 umgeben, wobei die Wärmeisolationskammer 103 ein Isolationsgehäuse 101 und einen Isolationsraum 102 aufweist. Das Isolationsgehäuse 101 ist als hohlzylinderförmiger Stahlmantel mit Vakuum ausgebildet. Weiterhin ist das Isolationsgehäuse 101 über Schraubelemente 104 mit der Kolbenpumpe 1 fest verbunden.
In der Wärmeisolationskammer 103 ist der Kolbenpumpenkopf 100 mittels einer mechanischen Verbindung 17 axial gelagert. Die mechanische Verbindung 17 ist als eine feste radiale Verbindung zwischen dem Isolationsgehäuse 101 und dem Kolbenpumpenkopf 100 ausgebildet. Eine axiale Verschieblichkeit ist immer noch möglich.
Im ersten Ausführungsbeispiel in 1 ist die mechanische Verbindung 17 mittels eines Verbindungsflansches 90 ausgebildet. Der Verbindungsflansch 90 ist mit dem Kolbenpumpenkopf 100 über Schraubelemente 18 fest verschraubt.
2 zeigt eine Querschnittansicht des Verbindungsflansches 90. Der Verbindungsflansch 90 weist einen ringförmigen Querschnitt mit einer mittigen Ausnehmung 25 auf. Weiterhin umfasst der Verbindungsflansch 90 drei Bohrungen 22 und weitere Ausnehmungen 23. Diese und die daraus gebildeten Stege 24 des Verbindungsflansches 90 reduzieren die Wärmeleitung innerhalb des Isolationsraums 102. Der Verbindungsflansch 90 ist vorzugsweise aus Keramik oder Kunststoff hergestellt.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der mechanischen Verbindung 17 in einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung 400 in schematischem Längsschnitt. Hier ist die mechanische Verbindung 17 mittels eines federnden Metallrings 33 ausgebildet. Dabei ist der federnde Metallring 33 in einer Ausnehmung 80 des Kolbenpumpenkopfs 100 U-förmig angeordnet und so zwischen dem Kolbenpumpenkopf 100 und dem Isolationsgehäuse 101 fest verspannt. Weiterhin weist der federnde Metallring 33 eine U-förmig angeordnete Kunststoffummantelung 34 auf, um Reibung und Wärmeleitung innerhalb des Isolationsraums 102 zu minimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016210752 A1 [0003]

Claims

Kraftstofffördereinrichtung (400) für kryogene Kraftstoffe, umfassend eine Kolbenpumpe (1) zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck, wobei die Kolbenpumpe (1) einen entlang einer Längsachse (13) beweglichen Pumpenkolben (2) aufweist, welcher Pumpenkolben (2) an einem Ende einen Kompressionsraum (3) begrenzt, welcher Kompressionsraum (3) in einem Kolbenpumpenkopf (100) der Kolbenpumpe (1) ausgebildet ist und welcher Kolbenpumpenkopf (100) von einer Wärmeisolationskammer (103) zumindest teilweise umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolationskammer (103) ein Isolationsgehäuse (101) und einen Isolationsraum (102) umfasst, in welchem Isolationsgehäuse (101) der Isolationsraum (102) ausgebildet ist, wobei der Kolbenpumpenkopf (100) und das Isolationsgehäuse (101) mittels einer radialen mechanischen Verbindung (17) fest miteinander verbunden sind.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung (17) mittels eines Verbindungsflansches (90) ausgebildet ist.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsflansch (90) mittels Schraubelementen (18) an dem Kolbenpumpenkopf (100) fest verschraubt ist, wobei der Verbindungsflansch (90) mindestens eine Bohrung (22) für die Schraubelemente (18) aufweist.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsflansch (90) ringförmig ausgebildet ist und mindestens einen Steg (24) und mindestens eine Ausnehmung (23) zur Reduktion der Wärmeleitung aufweist.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsflansch (90) aus Keramik oder Kunststoff hergestellt ist.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung (17) mittels eines federnden Metallrings (33) ausgebildet ist.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der federnde Metallring (33) in einer Ausnehmung (80) des Kolbenpumpenkopfs (100) angeordnet ist und so zwischen dem Kolbenpumpenkopf (100) und dem Isolationsgehäuse (101) fest verspannt ist.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der federnde Metallring (33) eine Kunststoffummantelung (34) aufweist.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsgehäuse (101) als hohlzylinderförmiger Stahlmantel mit Vakuum ausgebildet ist.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstofffördereinrichtung einen Tank (40) umfasst, welcher Tank (40) kryogenen Kraftstoff speichert und den kryogenen Kraftstoff der Kolbenpumpe (1) bereitstellt.
Kraftstofffördereinrichtung (400) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tank (40) eine weitere Förderpumpe (41) angeordnet ist, welche kryogenen Kraftstoff aus dem Tank über eine Zuführleitung (42) in den Kompressionsraum (3) der Kolbenpumpe (2) fördert.