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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zum Einbau in einem Wasserstoff-betriebenen Fahrzeug mit mehreren Wasserstoff-Drucktanks, auf Hochdruck-Niveau mit mindestens 200 bar ausgelegt, vorgesehen. Wobei das Kraftstoffsystem einen Betankungsstutzen, einen Anschluss für eine Ausgangsleitung und einen Druckminderer umfasst. Und wobei der Druckminderer so ausgeführt ist, dass er den Druck des Wasserstoffs vom Hochdruck-Niveau aus dem Drucktank auf ein Mitteldruck-Niveau zwischen 3 bar und 30 bar reduzieren kann.
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Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge haben beispielsweise einen Gasmotor oder eine Brennstoffzelle mit Elektromotor als Antrieb. Um ausreichend Treibstoff speichern zu können, wird der Wasserstoff als Gas unter hohem Druck im Tank gespeichert. Typisch für solche Drucktanks sind Drücke von über 200 bar, oftmals 350 bar oder 700 bar und teilweise sogar bis 875 bar. Da der Gasmotor oder die Brennstoffzelle bei niedrigerem Eingangsdruck betrieben wird, muss der Druck des Wasserstoff-Gases zuverlässig vom Hochdruck-Niveau auf ein Mitteldruck-Niveau geregelt werden.
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Im Stand der Technik sind Kraftstoffsysteme für Wasserstoff-Drucktanks (Gastanks) und zum Einbau in einem Wasserstoff-betriebenen Fahrzeuge bekannt. Solche werden beispielsweise in der
DE 102019200459 A1 und in der
DE 102017214184 A1 beschrieben. Mit einem Druckminderer wird das Druckniveau vom Tankdruck auf das geforderte niedrigere Druckniveau für eine Brennstoffzelle reduziert. Über eine Steuereinrichtung und einen Drucksensor am Drucktank kann gegebenenfalls der Füllstand bestimmt und mit einer Tankstelle kommuniziert werden. Darüber hinaus weist das Kraftstoffsystem Absperrventile und Rohrleitungen auf, die über entsprechende Verschraubungen verbunden werden. Werden mehrerer Drucktanks parallel angeschlossen, so kommen noch Verteilerstellen für die verschiedenen Tankleitungen dazu. All diese Komponenten und Verbindungsstellen müssen nach dem Einbau getestet und geprüft werden.
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Das verursacht erheblichen Aufwand und birgt Risiken in Bezug auf fehlerhafte Montage und entsprechende Undichtigkeit.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Kraftstoffsystem für ein Wasserstoff-betriebenes Fahrzeug weiterzuentwickeln und zu verbessern, so dass es zuverlässig und sicher betrieben werden kann und schnell und fehlerfrei montiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Kraftstoffsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich das Kraftstoffsystem nach Anspruch 1 dadurch aus, dass es folgende Baueinheiten umfasst:
- - einen Betankungsstutzen, der geeignet ist, mit einer entsprechenden Kupplung einer Tankstelle verbunden zu werden,
- - ein Zwischenstück, welches ein Gehäuse und zumindest ein Rückschlagventil aufweist,
- - einen Verteiler, welcher mehrere Anschlüsse für Leitungen zu den Wasserstoff-Drucktanks aufweist,
- - und eine Ventil-Baueinheit, welche zumindest ein Absperrventil, einen Anschluss für eine Ausgangsleitung und einen Druckminderer umfasst, der so ausgeführt ist, dass er den Druck des Wasserstoffs vom Hochdruck-Niveau aus dem Drucktank auf ein Mitteldruck-Niveau zwischen 3 bar und 30 bar reduzieren kann;
wobei das Zwischenstück auf der einen Seite mit dem Betankungsstutzen und auf der anderen Seite mit dem Verteiler verbunden ist, derart dass der Strömungspfad beim Betanken im Wesentlichen geradlinig ist vom Betankungsstutzen durch das Zwischenstück bis zum Eingang in den Verteiler; und wobei die Ventil-Baueinheit ohne zwischenliegende Rohrleitungen derart mit dem Zwischenstück verbunden ist, dass Wasserstoff von den Anschlüssen für die Leitungen zu den Drucktanks durch den Druckminderer hindurch zum Anschluss für die Ausgangsleitung geleitet werden kann.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems ist, dass es nicht nur für den Betrieb des Fahrzeugs optimiert ist, sondern auch für den Vorgang des Betankens und für die Montage des Kraftstoffsystems im Fahrzeug.
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So wird beim Betanken ein sehr viel größerer Volumenstrom und bei höherem Druck durch das Kraftstoffsystem geleitet als beim normalen Fahrbetrieb. Die hier vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strömungspfad für den Wasserstoff beim Betanken weniger Druckverlust im Kraftstoffsystem verursacht und damit zu weniger Erwärmung im Gas führt. Da alle Komponenten, die beim Betanken durchströmt werden, geradlinig hintereinander angeordnet sind, ist der Druckverlust deutlich geringer als bei sonst üblichen Systemen. Zudem können dadurch größere Querschnitte und kurze Strömungswege einfacher realisiert werden. Geringe Abweichungen vom geradlinigen Strömungspfad sind akzeptabel. Wesentlich ist, dass kein starker Druckverlust durch größere Umlenkungen entsteht.
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Als Eingang in den Verteiler wird die Stelle angesehen, an der der Wasserstoff in den Verteiler eintritt, und hier ist es da, wo der Verteiler mit dem Zwischenstück verbunden ist.
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Aufgrund seiner kompakten Bauweise und der Ausführung als einer vormontierten Baugruppe ist das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem einfacher zu montieren und hat weniger Bauraumbedarf im Fahrzeug. Ein besonderer Vorteil ist, dass alle hier integrierten Komponenten ohne separate Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Das führt zu einer höheren Zuverlässigkeit bezüglich Dichtheit. Die Ausführung als komplette Baugruppe bietet den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem unabhängig vom Fahrzeug und unabhängig von den Drucktanks vormontiert werden kann. Dieses als Baugruppe vormontierte Kraftstoffsystem kann dann auch vorab getestet und sicherheitstechnisch und qualitätstechnisch abgenommen werden. Dadurch kann das Kraftstoffsystem erstmalig als abgeschlossene Baugruppe angeboten werden. Der Einbau im Fahrzeug ist weniger aufwändig, da nur noch wenige Anschlüsse verbunden werden müssen und alle internen Komponenten und Verbindungen bereits auf Funktion und Dichtigkeit getestet sind. Die Befestigung ist einfacher, da die in sich tragende Ventil-Baueinheit nur wenige Befestigungspunkte benötigt und als eine Baugruppe montiert werden kann. Zudem wird die Anzahl der Verschraubungen im gesamten Kraftstoffsystem erheblich reduziert.
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In einer bevorzugten Ausführung ist zumindest einer der Anschlüsse für die Leitungen zu den Drucktanks so ausgerichtet, dass die Strömungsrichtung an diesem Anschluss in Flucht liegt mit dem Strömungspfad beim Betanken. Dadurch wird zumindest für einen Drucktank der Druckverlust beim Betanken besonders niedrig.
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Insbesondere kann die Erfindung vorteilhaft angewandt werden, wenn der Verteiler drei oder vier oder fünf Anschlüsse für Leitungen zu den Drucktanks aufweist. Insbesondere kann der Verteiler bis zu acht Anschlüsse für Leitungen zu den Drucktanks aufweisen. Die Anordnung dieser Anschlüsse kann insbesondere so gestaltet sein, dass der Druckverlust der jeweiligen Leitungen bis zu Drucktanks mitberücksichtigt wird, welche oftmals unterschiedlich lang sind und damit unterschiedliche Druckverluste verursachen. Beispielsweise können die Anschlüsse gewinkelt zum Strömungspfad beim Betanken angeordnet sein und der Winkel kann unterschiedlich groß für die verschiedenen Anschlüsse sein, so dass eine unterschiedlich starke Umlenkung erfolgt. So kann die längste Leitung an dem Anschluss angebracht, der den Strömungsweg mit dem geringsten Druckverlust aufweist.
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Zudem kann der Verteiler vorteilhafterweise zusätzlich zu einer Hauptbohrung für den Gasdurchlass vor jedem Anschluss für die Leitungen zu den Drucktanks jeweils eine Bohrung aufweisen, die einen kleineren Durchmesser als die Hauptbohrung hat. So kann der Druckverlust an dieser reduzierten Bohrung so eingestellt werden, dass eine gleichmäßige Gasverteilung auf die verschiedenen Anschlüsse erfolgt. Bei Bedarf können die einzelnen Bohrungen vor den Anschlüssen verschiedene Durchmesser haben, so dass zum Beispiel weitere Druckverluste in den jeweiligen Leitungen bis zu Drucktanks mitberücksichtigt werden. Anschlüsse mit längerer Leitung würden mit einem etwas größeren, Anschlüsse mit kürzerer Leitung mit einem kleineren Durchmesser dieser Bohrung ausgeführt, um eine möglichst gleichmäßige Strömungsverteilung zu erreichen.
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In einer weiteren Ausführung umfasst der Verteiler einen Temperatursensor, welcher in einer weiteren Anschlussbohrung montiert ist. Mit Hilfe des Temperatursensors kann der Zustand des Gases bestimmt, sowie die Erwärmung des Gases beim Tanken überwacht werden. Bei einer alternativen Ausführung ist dieser Temperatursensor nicht im Verteiler, sondern im Zwischenstück angeordnet.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Verteiler einen Flansch aufweist, der so gestaltet ist, dass der Verteiler in verschiedenen Positionen am Zwischenstück befestigt werden kann. Damit können einer oder mehrere der Anschlüsse für die Leitungen zu den Drucktanks in verschiedene Ausrichtung relativ zum Zwischenstück gebracht werden. Das bietet den Vorteil, dass das Kraftstoffsystems sehr flexibel verwendet werden kann. Selbst bei unterschiedlicher Positionierung in verschiedenen Fahrzeugen (zum Beispiel einmal linke Seite, einmal rechte Seite) kann das Kraftstoffsystem so montiert werden, dass die Leitungen zu den Drucktanks passend angeschlossen werden können und möglichst kurz ausgeführt sind, ohne dass der Verteiler umkonstruiert werden muss. Es kann einfach der Verteiler in einer entsprechend geänderten Position mit dem Zwischenstück verbunden werden. Eine mögliche Ausführung ist, dass der Flansch ringförmig ausgebildet ist und mehrere Befestigungsbohrungen mit gleichen Abständen aufweist. So kann der Verteiler in verschiedenen Drehpositionen befestigt werden.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn zwischen der Ventil-Baueinheit und dem Zwischenstück eine thermische Isolierschicht vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Isolierschicht als glasfaserverstärkte Kunststoffschicht ausgebildet sein. Dadurch wird die Ventil-Baueinheit thermisch getrennt von dem Zwischenstück und so vor einer zu starken und schnellen Temperaturänderung geschützt, auch wenn sich das Zwischenstück beim Betanken durch das kalte Wasserstoffgas von der Tankstelle zunächst abkühlt.
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Eine weitere besonders bevorzugt Ausführung weist eine Sollbruchstelle am Betankungsstutzen auf, die so ausgeführt ist, dass bei mechanischer Überlastung am Betankungsstutzen dieser an der Sollbruchstelle bricht. Dadurch wird eine Beschädigung weiterer Teile des Kraftstoffsystems oder eine Verschiebung des Kraftstoffsystems im Fahrzeug verhindert. Dafür ist die Sollbruchstelle so ausgelegt, dass sie die Belastung beim Betanken gut aushält, allerdings weniger stabil ist als die Befestigung des Kraftstoffsystems im Fahrzeug. Insbesondere bleibt durch diese Lösung bei einem Unfall im Bereich des Betankungsstutzens das Zwischenstück mit dem Rückschlagventil intakt und die Leitungen zu den Drucktanks werden nicht durch eine Verschiebung des Kraftstoffsystems belastet, so dass keine Gefährdung durch austretenden Wasserstoff entstehen kann.
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Die Sollbruchstelle kann beispielsweise als Nut oder Kerbe oder als dünnwandige Stelle am Betankungsstutzen ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindung vom Betankungsstutzen am Zwischenstück derart ausgeführt sein, dass sie als Sollbruchstelle dient, indem sie bei Überlastung bricht. Beispielsweise kann die Verbindung über ein Gewinde ausgeführt sein, das so ausgelegt ist, dass es bei Überlastung abreist oder ausbricht.
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Weiter verbessert wird die erfindungsgemäße Ausführung, wenn im Zwischenstück zwei Rückschlagventile hintereinander eingebaut sind. Dadurch wird eine höhere Sicherheit erreicht und dennoch der Vorteil eines geringen Druckverlusts durch einen geradlinigen Strömungspfad beim Betanken beibehalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Druckminderer, der in der Ventil-Baueinheit vorhanden ist, als zweistufiger Druckminderer ausgeführt. Wobei die erste Stufe des Druckminderers den Druck aus dem Drucktank auf ein Zwischen-Niveau zwischen 40 und 80 bar reduziert und die zweite Stufe den Druck weiter auf das Mitteldruck-Niveau reduziert. Durch einen zweistufigen Druckminderer ist eine genauere und feinfühligere, sowie schwankungsfreie Druckeinstellung möglich. Besonders bevorzugt liegt das Mitteldruck-Niveau zwischen 10 und 25 bar. Bevorzugt ist der Druckminderer über eine Federbelastung auf das jeweilige, gewünschte Druckniveau einstellbar.
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Um das Kraftstoffsystem zuverlässiger und sicherer im Betrieb zu machen, umfasst es neben dem Druckminderer bevorzugt noch weitere Komponenten: Ein Entlüftungsventil, über welches das System entlastet oder gespült werden kann, zum Beispiel bei Wartungsarbeiten. Einen Gasfilter, der kleinere sporadische Verunreinigungen aus den Drucktanks oder Leitungen zurückhält und so die nachfolgenden Ventile vor Beschädigungen schützt. Ein Absperrventil, mit dem das Kraftstoffsystem gegenüber der Brennstoffzelle oder dem Gasmotor abgesperrt werden kann. Ein Überdruck-Sicherheitsventil, das das Kraftstoffsystem gegen zu hohe Drücke absichert und welches bevorzugt in Durchflussrichtung nach dem Druckminderer angeordnet ist. Ein Drucksensor zur Messung des Zustandes des Wasserstoff-Gases. Aus diesen Messwerten kann - gegebenenfalls zusammen mit Messwerten von Sensoren am Drucktank - zuverlässiger und genauer bestimmt werden, wie viel Wasserstoff im Drucktank vorhanden ist. Das ist eine wichtige Information für die Berechnung der Reichweite eines Fahrzeugs und für den Tankvorgang. Von diesen genannten Komponenten können eine oder mehrere vorhanden sein. Bevorzugt sind die vorhandenen Komponenten in der Ventil-Baueinheit integriert.
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Des Weiteren kann die Ventil-Baueinheit im Querschnitt senkrecht zum Strömungspfad beim Betanken eine L-artige Form aufweist. Dadurch ist eine besonders platzsparende Anordnung am Zwischenstück möglich.
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Besonders bevorzugt, weist die Ventil-Baueinheit ein Gehäuse auf, welches aus einem Aluminium-Werkstoff, bevorzugt aus einem Aluminium-Guss-Werkstoff oder Aluminium-Werkstoff geschmiedet hergestellt ist, und das Zwischenstück weist ein Gehäuse auf, welches aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist. Als Gehäuse wird hier auch ein Grundkörper verstanden, in den die jeweiligen eingebauten Komponenten eingesetzt werden können. Darin können zum Beispiel Ventilsitze und/oder Kanäle als Gasleitungen integriert werden. Die zur Ventilmontage oder zur Montage anderer Komponenten notwendigen Öffnungen oder Hohlräume können mit Dichtungen und Deckeln verschlossen werden. Durch die Materialwahl wird zum einen eine ausreichende Festigkeit im Zwischenstück erreicht, welches beim Betanken sehr hohen Drücken und starker Abkühlung ausgesetzt ist, und zum anderen wird für die Ventil-Baueinheit, ein geringes Gewicht und eine einfache Konstruktion und Gestaltung ermöglicht, auch wenn mehrere Komponenten in der Ventil-Baueinheit vorgesehen sind.
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Ebenso wird eine Ausführung der Erfindung umfasst, bei der die Ventil-Baueinheit aus mehreren Teileinheiten zusammengesetzt ist, die so aneinander befestigt sind, dass sie ohne dazwischenliegende Rohrleitungen auskommen.
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Erfindungsgemäß gibt es keine verschraubten, frei liegenden Rohrleitungen zwischen den Teilen oder den Komponenten, um die Zuverlässigkeit und einfache Montage nicht zu beeinträchtigen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Zwischenstück und der Ventil-Baueinheit eine Verbindungshülse als Strömungskanal vorhanden ist, die sowohl gegenüber dem Zwischenstück als gegenüber der Ventil-Baueinheit mit einer Dichtung abgedichtet ist. Zusätzlich kann ein Gasfilter vorhanden sein, der so angeordnet ist, dass er sich zumindest teilweise in der Verbindungshülse befindet. Und besonders bevorzugt ist die Verbindungshülse so positioniert, dass die Strömungsrichtung in der Verbindungshülse in einer Ebene liegt, die senkrecht zum Strömungspfad im Zwischenstück beim Betanken ausgerichtet ist.
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In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Kraftstoffsystem zusätzlich eine elektronische Tanksteuereinheit. Wobei die Tanksteuereinheit geeignet ist, zumindest die Signale der am Kraftstoffsystem vorhandenen Sensoren zu empfangen und zu verarbeiten und eines oder mehrere Ausgangssignale zu erzeugen. Durch die Integration des Kraftstoffsystems der elektronischen Tanksteuereinheit in das Kraftstoffsystem kann die Baugruppe noch umfangreicher vorab getestet werden und es sind noch weniger Schnittstellen bei der Montage im Fahrzeug zu beachten. Der Kabelbaum zwischen Tanksteuereinheit und den Sensoren im Kraftstoffsystem kann somit auch integriert werden.
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Zusätzlich kann die Tanksteuereinheit so eingerichtet sein, dass sie mit einer Wasserstoff-Tankstelle kommunizieren und insbesondere einen Tankvorgang steuern kann. Hierzu wird eine Kommunikationsschnittstelle als Sende- und Empfangseinheit am Betankungsstutzen befestigt und von diesem getragen.
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Um eine weiter vereinfachte Montage zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Ventil-Baueinheit Befestigungsmöglichkeiten aufweist, über die das Kraftstoffsystem an einer Tragstruktur, die die Drucktanks im Fahrzeug befestigt, montiert werden kann. Somit kann gegebenenfalls das Kraftstoffsystem an einem Tankmodul, das eine Tragstruktur und mehrere Drucktanks umfasst, befestigt werden und mit den Tankleitungen der Drucktanks bereits vorab verbunden werden. Das Tankmodul inklusive Kraftstoffsystem wird dann als eine Gesamteinheit im Fahrzeug verbaut. Die Montagezeit in der Fertigungslinie der Fahrzeug-Hersteller ist somit weiter minimiert, was einen großen Vorteil darstellt.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1, 2 Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems in zwei verschiedenen Ansichten
- 3a,b Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem (2 Varianten)
- 4 Längsschnitt durch den Verteiler
- 5 Querschnitt durch erfindungsgemäßes Kraftstoffsystem
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.
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Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung des Kraftstoffsystems 1 für ein Wasserstoff-betriebenes Fahrzeug mit mehreren Drucktanks in zwei verschiedenen Ansichten. Die Drucktanks dienen zur Speicherung des Wasserstoffs als Treibstoff für einen Gasmotor oder eine Brennstoffzelle. Das Kraftstoffsystem 1 umfasst den Betankungsstutzen 2, das Zwischenstück 3, den Verteiler 4 mit den Anschlüssen 13 für die Leitungen zu den Drucktanks und die Ventil-Baueinheit 5 mit dem Anschluss 23 für die Ausgangsleitung. Alle diese Komponenten sind ohne separate Rohrleitungen dazwischen miteinander verbunden.
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Das Kraftstoffsystem 1 kann somit vorab montiert und auf Funktion und Dichtigkeit getestet werden, so dass es bei der Fahrzeugmontage als eine Baugruppe mit wenigen Schnittstellen sehr viel schneller und zuverlässiger als bei bisherigen Kraftstoffsystemen montiert werden kann. Zudem müssen dann bei der Fahrzeugmontage nur noch diese wenigen Schnittstellen auf Dichtigkeit geprüft werden. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem 1 sehr kompakt und benötigt wenig Bauraum im Fahrzeug.
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Das Zwischenstück 3 umfasst ein Gehäuse 3a, das auch als Grundkörper zur Aufnahme der Komponenten ausgebildet sein kann. Bevorzugt ist das Gehäuse 3a aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Nicht zu sehen sind hier das oder die Rückschlagventile im Zwischenstück.
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Gut erkennbar ist, der im Wesentlichen geradlinige Strömungspfads 100 beim Betanken - vom Betankungsstutzen 2 durch das Zwischenstück 3 bis zum Eingang in den Verteiler 4. Dadurch wird ein geringer Druckverlust beim Betanken erreicht. Geringe Abweichungen vom geradlinigen Strömungspfad sind akzeptabel. Wesentlich ist, dass kein starker Druckverlust durch größere Umlenkungen entsteht.
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Der Verteiler 4 ist hier mit vier Anschlüssen 13 für Leitungen zu den Drucktanks dargestellt. Der Verteiler 4 kann analog auch für zwei, drei oder mehr Drucktanks ausgeführt werden. Er ist hier so ausgeführt, dass er über den Flansch 4a und die Schrauben 15 unter verschiedenen Winkeln am Zwischenstück 3 befestigt werden kann, ohne dass Änderungen in Konstruktion oder Fertigung nötig sind. Dadurch kann der Verteiler je nach geplanter Position des Kraftstoffsystems 1 im Fahrzeug so montiert werden, dass die Anschlüsse 13 für die Leitungen zu den Drucktanks passend ausgerichtet sind.
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Im dargestellten Beispiel ist ein Anschluss 13 so angeordnet, dass dessen Verteilerströmungsrichtung 101 in Flucht mit dem Strömungspfad 100 liegt.
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Im Verteiler 4 ist zudem der Temperatursensor 14 vorgesehen. Alternativ könnte der Temperatursensor auch im Zwischenstück 3 positioniert werden.
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Die Ventil-Baueinheit 5 ist mit Hilfe mehrerer Schrauben 26 direkt am Zwischenstück befestigt. Zur thermischen Isolierung zwischen dem Zwischenstück 3 und der Ventil-Baueinheit 5 ist die Isolierschicht 30 vorgesehen. So werden der Druckminderer 20.1,20.2 und die Ventile in der Ventil-Baueinheit 5 vor den Temperaturschwankungen geschützt, die bei der Betankung mit dem sehr kalten Wasserstoffgas aus der Tankstelle auftreten. Das Gehäuse 5a kann als Grundkörper der Ventil-Baueinheit 5 ausgeführt werden, in welchen die nötigen Ventilsitze, Öffnungen oder Hohlräume für die Sensoren, sowie die Gasleitungen, zum Beispiel als strömungsoptimierte Kanäle, eingearbeitet sind. Als bevorzugte Ausführung kann das Gehäuse 5a als Alu-Bauteil hergestellt werden. Beispielsweise geschmiedet oder als Druckguss-Bauteil. Wenn es mehrteilig ausgeführt ist, ist es wichtig, dass keine separaten Rohrleitungen zwischen den Teilen vorgesehen sind, sondern dass die Teile direkt miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt werden.
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In der gezeigten Ausführung ist der Druckminderer zweistufig mit einer ersten Stufe 20.1 und einer zweiten Stufe 20.2 und bevorzugt federbelastet auf die gewünschten Druckniveaus eingestellt. So kann der Druck am Anschluss 23 für die Ausgangsleitung zum Verbraucher zuverlässig eingestellt werden.
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In der Ventil-Baueinheit ist zudem das Absperrventil 22 vorhanden, welches bevorzugt als elektromagnetisches Ventil ausgeführt ist. Darüber hinaus sind hier weitere Ventile und Sensoren in der Ventil-Baueinheit 5 vorhanden, die nicht alle zwingend vorhanden sein müssen:
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So beispielsweise das Überdruck-Sicherheitsventil, welches die Mitteldruck-Seite des Kraftstoffsystems, also den Bereich in Durchflussrichtung nach dem Druckminderer 20.1,20.2, gegen zu hohe Drücke absichert. Es führt zum Ausgang 25, an den eine Abblasleitung angeschlossen werden kann, die nach außen geht zur sicheren Abführung des Wasserstoff-Gases im Notfall. Weiterhin kann ein Entlüftungsventil vorgesehen sein, welches bevorzugt als manuelles Ventil ausgeführt ist, da es nur bei Inbetriebnahme oder Wartungsarbeiten benötigt wird. Die Drucksensoren 21 und 24 sind zum einen zur Kontrolle des Hochdruckniveaus und zum anderen zur Kontrolle des Mitteldruckniveaus vorgesehen.
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Zusätzlich kann eine elektronische Tanksteuereinheit vorgesehen werden, welche an der Ventil-Baueinheit 5 oder dem Zwischenstück 3 befestigt ist. Die Tanksteuereinheit verarbeitet die Signale der Sensoren, hier beispielsweise der Drucksensoren 21,24 und die des Temperatursensors 14. Die Tanksteuereinheit kann als Ausgangssignal beispielsweise die Tankfüllstände oder ähnliches ausgeben. Und die Tanksteuereinheit ist mit einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor verbunden, um Informationen und Signale auszutauschen. Zudem kann eine Kommunikationsschnittstelle als Sende- und Empfangseinheit am Betankungsstutzen befestigt werden, über die die Tanksteuereinheit mit einer Wasserstoff-Tankstelle kommuniziert, so dass der Tankvorgang optimal abläuft, oder sie kann den Tankvorgang in Kommunikation mit der Tankstelle steuern.
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Beim Betrieb des Fahrzeugs strömt Wasserstoffgas aus dem Anschluss 23. Die Ausgangsströmung 102 wird über geeignete Leitungen zur Brennstoffzelle oder zum Gasmotor geführt.
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Die 3a und 3b zeigen einen Längsschnitt für zwei verschiedene Varianten des Kraftstoffsystems 1,1'. Diese unterscheiden sich in der Anbindung des Betankungsstutzens 2,2` am Zwischenstück 3,3` und in der Umsetzung der Sollbruchstelle 9,9.1.
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Beide Varianten weisen zwei Rückschlagventile 7.1,7.2 auf, die hintereinander im Zwischenstück 3,3` angeordnet sind. Dadurch wird eine redundante Absicherung erreicht und der geradlinige Strömungspfad 100 beim Betanken und die damit verbundenen Vorteile bleiben erhalten. Im Betankungsstutzen 2,2` ist der Gasfilter 11 vorgesehen. Die Rückschlagventile 7.1,7.2 sind mit Dichtungen 19 im Gehäuse 3a eingebaut. Die lange Ausführung des Betankungsstutzens 2,2` bietet den Vorteil, dass die Komponenten des Kraftstoffsystems 1,1' weiter im Inneren des Fahrzeugs angeordnet sind und so besser geschützt sind vor direkter Beschädigung bei einem Unfall.
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Der Verteiler 4 weist die Hauptbohrung 16 auf, die in Flucht mit dem Strömungspfad 100 beim Betanken ist. Vor den Anschlüssen 13 für die Leitungen zu den Drucktanks ist jeweils eine Bohrung 12 vorgesehen, die einen kleineren Durchmesser hat als die Hauptbohrung 16. Durch den Druckverlust an diesen Bohrungen 12 wird die Verteilung des Gases etwas vergleichmäßigt.
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In der Variante nach 3a sind die Rückschlagventile 7.1,7.2 durch die eingeschraubte Verbindungsbuchse 6, die Teil des Zwischenstücks 3' ist, in Sperrrichtung fixiert. An der Verbindungsbuchse 6 ist der Betankungsstutzen 2` über ein Gewinde befestigt, welches als Sollbruchstelle 9 fungiert. Es ist so dimensioniert, dass es die normale Belastung beim Betanken zuverlässig trägt, aber dass es weniger stabil ist als die Befestigung der Verbindungshülse 6 am Zwischenstück 3 und weniger stabil als die Befestigung des Kraftstoffsystems 1' im Fahrzeug. So bricht der Betankungsstutzen 2' bei Überlastung am Gewinde der Sollbruchstelle 9.
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In 3b ist eine Variante gezeigt, bei der die Rückschlagventile 7.1,7.2 mit dem Fixierring 6.1 gehalten werden. Der Betankungsstutzen 2 ist durch den aufgeschraubten Flanschring 6.2 am Zwischenstück befestigt. Die Sollbruchstelle 9.1 ist hier als Kerbe ausgebildet, die so dimensioniert ist, dass der Betankungsstutzen an der Sollbruchstelle 9.1 bei Überlastung bricht. Sowohl die Befestigung des Flanschrings 6.2 mit den Schrauben 17 als wiederum die Befestigung des Kraftstoffsystems 1 im Fahrzeug müssen stabiler sein als die Sollbruchstelle 9.1.
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4 stellt den Verteiler 4 im Längsschnitt dar. Links ist noch ein Teil des Zwischenstücks 3 zu sehen. Der Kanal 10 führt außerhalb der Zeichenebene über weitere Kanäle zur Ventil-Baueinheit 5, die hier nicht zu sehen ist.
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Beim Betanken kommt das Gas von links aus dem Zwischenstück 3 entlang des Strömungspfades 100 zum Eingang in den Verteiler 4. Dort strömt es durch die Hauptbohrung 16 zu den Anschlüssen 13 und durch angeschlossene Leitungen zu den Drucktank. Vor jedem Anschluss 13 ist eine Bohrung 12 vorgesehen, die einen kleineren Durchmesser hat als die Hauptbohrung 16. Die Bohrungen 12 sind - bis auf eine - in einem Winkel zur Achse der Hauptbohrung 16 angebracht. Dadurch kann die Verteilung auf die verschiedenen Anschlüsse 13 beeinflusst werden. Des Weiteren können die Bohrungen 12 mit verschiedenem Durchmesser ausgeführt werden, auch dadurch kann die Verteilung der Gasströme auf die verschiedenen Anschlüsse gezielt beeinflusst werden. So können beispielsweise unterschiedliche Druckverluste der Leitungen zu den einzelnen Drucktanks ausgeglichen werden.
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Die Gewindebohrungen 8 sind in gleichmäßigen Abständen an der Stirnfläche des Zwischenstücks 3 vorhanden, so dass der Verteiler 4 über seinen Flansch 4a und mit Hilfe der Schrauben 15 in verschiedenen Winkelpositionen am Zwischenstück 3 befestigt werden kann. Dadurch kann die Ausrichtung der Anschlüsse 13 und deren Strömungsrichtung 101 in gewünschter Weise angepasst werden. So dass eine geeignete Montage im Fahrzeug möglich ist. Eine der Gewindebohrungen 8 bleibt dabei unbenutzt.
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Beim Betrieb des Fahrzeugs strömt das Wasserstoffgas von den Drucktanks durch die Leitungen zu den Anschlüssen 13 von dort durch den Verteiler 4 und über die Hauptbohrung 16 in das Zwischenstück 3. Die Rückschlagventile 7.1,7.2 verhindern ein Ausströmen aus dem Betankungsstutzen 2. Stattdessen strömt das Gas über den Kanal 10 und weitere Kanäle im Zwischenstück 3 zur Ventil-Baueinheit 5.
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In 5 ist das Kraftstoffsystem im Querschnitt zu sehen. Gut erkennbar ist, dass die Ventil-Baueinheit 5 eine L-artige Form im Querschnitt aufweist und so gut um das Zwischenstück 3 herum positioniert ist. Die Befestigung der Ventil-Baueinheit 5 erfolgt über die Schrauben 26 am Zwischenstück 3. Dadurch wird das Kraftstoffsystem 1 eine kompakte Baugruppe, die als Ganzes im Fahrzeug montiert werden kann, und benötigt wenig Bauraum.
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An der Verbindungsebene zwischen Ventil-Baueinheit 5 und Zwischenstück 3 ist die Isolierschicht 30 zur thermischen Trennung vorhanden.
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Im Zwischenstück 3 ist die Hauptbohrung 16 vorhanden. Der Kanal 10 ist nicht zu sehen, da er nicht in dieser Schnittebene liegt. Er verbindet die Hauptbohrung 16 mit der sichtbaren Bohrung, die als Kanal zur Ventil-Baueinheit 5 dient. Dargestellt ist die Verbindungshülse 28, die als Strömungskanal das Zwischenstück 3 und die Ventil-Baueinheit 5 verbindet. Sie ist so angeordnet, dass sowohl in einer Bohrung im Zwischenstück 3 als auch in einer Bohrung in der Ventil-Baueinheit 5 steckt, und sie ist zu beiden Seiten mit einer Dichtung 29 abgedichtet. So lässt sich eine zuverlässige und gasdichte Verbindung für den Strömungsweg schaffen. Die Strömungsrichtung 103 in der Verbindungshülse 28 liegt in einer Ebene senkrecht zum Strömungspfad 100. Optional kann der Gasfilter 27 in der Verbindungshülse vorgesehen sein, so dass der Wasserstoff nochmal gereinigt wird, bevor er zu den Ventilen in der Ventil-Baueinheit 5 gelangt. Bevorzugt ist der Gasfilter 27 so angeordnet, dass er sich zumindest teilweise in der Verbindungshülse 28 befindet.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Kraftstoffsystem
- 2, 2'
- Betankungsstutzen
- 3,3`
- Zwischenstück
- 3a
- Gehäuse
- 4
- Verteiler
- 4a
- Flansch
- 5
- Ventil-Baueinheit
- 5a
- Gehäuse
- 6
- Verbindungsbuchse
- 6.1
- Fixierring
- 6.2
- Flanschring
- 7.1,7.2
- Rückschlagventil
- 8
- Gewindebohrung
- 9
- Gewinde
- 9.1
- Sollbruchstelle
- 10
- Kanal
- 11
- Gasfilter
- 12
- Bohrungen zu Anschlüssen für Drucktanks
- 13
- Anschlüsse für Drucktanks
- 14
- Temperatursensor
- 15
- Schraube
- 16
- Hauptbohrung im Verteiler
- 17
- Schraube
- 18
- Gewindebohrung
- 19
- Dichtring
- 20.1
- Druckminderer (erste Stufe)
- 20.2
- Druckminderer (zweite Stufe)
- 21
- Drucksensor
- 22
- Absperrventil
- 23
- Anschluss für Ausgangsleitung
- 24
- Drucksensor
- 25
- Ausgang Überdruck-Sicherheitsventil
- 26
- Schraube
- 27
- Gasfilter
- 28
- Verbindungshülse
- 29
- Dichtungen
- 30
- Isolationsschicht
- 100
- Strömungspfad beim Betanken
- 101
- Strömungsrichtungen am Anschluss für Drucktanks
- 102
- Ausgangsströmung
- 103
- Strömungsrichtung in Verbindungshülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019200459 A1 [0003]
- DE 102017214184 A1 [0003]
