DE4107846C2 - Flüssiggaspumpe, insbesondere fahrzeugtaugliche Flüssiggaspumpe für kryogenen Wasserstoff - Google Patents
Flüssiggaspumpe, insbesondere fahrzeugtaugliche Flüssiggaspumpe für kryogenen WasserstoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Flüssiggaspumpe, insbesondere
fahrzeugtaugliche Flüssiggaspumpe für kryogenen Wasserstoff,
nach den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmalen.
Aus der DE 39 07 728 A1 ist eine gattungsgemäße Flüssiggaspumpe
mit einem Zylindergehäuse und einem darin geführten Kolben be
kannt, dessen Kolbenboden gemeinsam mit dem Zylindergehäuse
einen Kompressionsraum bildet, in welchen eine Niederdrucklei
tung für kryogenen Wasserstoff einmündet, die gegenüber dem
Kompressionsraum durch ein Einlaßventil verschließbar ist. Von
dem Kompressionsraum führt eine Hochdruckleitung für den unter
Druck setzbaren kryogenen Wasserstoff weg, die gegenüber dem
Kompressionsraum durch ein Auslaßventil verschließbar ist. Ne
ben diesem Kompressionsraum ist durch den als Stufenkolben
ausgebildeten Kolben ein zweiter Kompressionsraum gebildet,
wobei beide Räume untereinander durch einen Gasfilm in Verbin
dung stehen. In dem Gasfilm wird ein Gasstrom in Richtung des
ersten Kompressionsraumes erzeugt, wodurch das kalte Flüssiggas
nicht mehr im Gasfilm von dem ersten Kompressionsraum wegströ
men und somit den Kolben abkühlen kann.
Mit Maßnahmen dieser Art wird eine Reduzierung der Kolbenab
kühlung erreicht sowie die bei fahrzeugtauglichen
Flüssiggaspumpen üblichen Probleme insbesondere hinsichtlich
der Abdichtung vermieden.
Eine weitere Flüssiggaspumpe ist aus der JP 59-194 089 A bekannt.
Hier liegt ein Wirksystem vor, bei dem in einem Gehäuse ein
Schwimmer mit der Aufgabe eines Beruhigers eingesetzt ist.
H₂-Gas wird in diesem System tiefgekühlt, um bei der Berührung
mit flüssigem H₂ die Verdampfung zu begrenzen.
Ferner ist aus der JP 61-76 773 A eine Pumpvorrichtung mit Zy
lindergehäusen und darin längsverschiebbar geführten Kompres
sionskolben bekannt, bei der der jeweilige Kompressionskolben
auf seiner dem Kompressionsraum abgewandten Seite mit einer
Speichereinrichtung in Wirkverbindung steht und mit einem min
destens dem Kompressionsdruck im Kompressionsraum entsprechen
den Speicherdruck steuerbar beaufschlagbar ist. Bei Ausfüh
rungen dieser Art sind Abdichtprobleme durch Druckdifferenzen
zwischen der Vorder- und Rückseite des Kompressionskolbens kaum
zu vermeiden.
Aus der FR 25 06 858 ist eine Pumpvorrichtung bekannt, bei der
ein Kompressionskolben als Doppelkolben ausgebildet ist und
durch Strömungswechselsteuerung als energiesparende Wasserpumpe
für einen geschlossenen Wasserkreislauf eines Motors wirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße
Flüssiggaspumpe nach der DE 39 07 728 A1 mit bauaufwandarmen
Maßnahmen zu versehen, die eine gasfilmfreie Lagerung des Kom
pressionskolbens bei gleichzeitiger Vermeidung von Abdichtpro
blemen ermöglichen und die ferner bezüglich der Ventilanordnung
eine platzsparende Bauweise erlauben.
Zur Lösung der Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Patentan
spruchs 1 angegebenen Merkmale.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich die Rückseite
des Kompressionskolbens in besonderer Weise zu beaufschlagen,
wird eine Leckage der in den Kompressionsraum eingebrachten
kryogenen Flüssigkeit vermieden. Durch die Druckdifferenz zwi
schen der Vorderseite (Kompressionsraum) und der Rückseite des
Kompressionskolbens ergibt sich somit ein Übertrittswiderstand
zwischen dem Kompressionskolben und dem Zylindergehäuse, der
ein Übertreten der kryogenen Flüssigkeit auf die Stickstoff
seite zuverlässig ausschließt. Die möglicherweise übertretenden
geringen Mengen von Stickstoff in den Kompressionsraum sind
bedeutungslos. Dadurch, daß in die Flüssiggaspumpe ein Ein
satzkörper integriert ist, der sowohl das Einlaß- und Auslaß
ventil enthält und zudem von einer Nockenwelle als Antrieb für
das Auslaßventil durchsetzt ist, ergibt sich eine einen ge
ringen Platzbedarf erfordernde Pumpenausführung.
In den Unteransprüchen sind noch förderliche Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Eine Flüssiggaspumpe 1 gemäß Fig. 1, die für Fahrzeugmotoren
mit innerer Gemischbildung vorgesehen ist, besteht aus einem
Zylindergehäuse 2 mit innenliegend ausgekleidetem Isolierwerk
stoff 3, z. B. Teflon oder Keramik, und einem längsverschiebbar
geführten Kompressionskolben 4, der sich aus einem Hauptkol
benteil 5, einem Nebenkolbenteil 6 und einer beide Teile ver
bindenden Kolbenstange 7 zusammensetzt. Hauptkolbenteil 5 und
Nebenkolbenteil 6 sind mit Verwirbelungsnuten 5a und 6a verse
hen, um den Übertrittswiderstand zu erhöhen.
Der Hauptkolbenteil 5 bildet gemeinsam mit dem Zylindergehäuse
2 und einem in diesem fest eingesetzten Einsatzkörper 8 einen
Kompressionsraum 9, in den eine an einem Flüssigkeitsspeicher 10
für kryogenen Wasserstoff angeschlossene Niederdruckleitung
11 führt und von dem eine mit Zylindern eines Motors (nicht
dargestellt) verbundene Hochdruckleitung 12 wegführt.
Die Niederdruckleitung 11 ist gegenüber dem Kompressionsraum 4
durch ein Einlaßventil 13 und die Hochdruckleitung 12 durch ein
Auslaßventil 14 verschließbar. Einlaßventil 13 und Auslaßventil
14 sind im scheibenförmigen Einsatzkörper 8 untergebracht.
Das Zylindergehäuse 2 und der Einsatzkörper 8 sind von einer
vom Motor angetriebenen und fünf Nocken 15, 16, 17, 18, 19
aufweisenden Nockenwelle 20 durchsetzt, deren mit 17 bezeich
neter Nocken das Auslaßventil 14 betätigt. Das Einlaßventil 13
ist durch eine sich am Innenbund 21 des Einsatzkörpers 8 ab
stützende Druckfeder 22 in Schließstellung gehalten, wenn kein
Druck in der Niederdruckleitung 11 anliegt.
Auf der dem Kompressionsraum 9 gegenüberliegenden Seite des
Hauptkolbenteiles 5 befindet sich ein Beaufschlagungsraum 23,
der mit einer aus einem Hochdruckspeicher 24 und einem Nieder
druckspeicher 25 bestehenden Stickstoffspeichereinrichtung 26
über eine Leitungsanordnung verbunden ist.
Eine im Zylindergehäuse 2 angeordnete Zwischenwand 27 trennt
den Beaufschlagungsraum 23 von einem Stickstoffraum 28, in dem
der Nebenkolbenteil 6 geführt ist. Die Kolbenstange 7 ist in
der Zwischenwand 27 verschiebbar gelagert.
Der Hochdruckspeicher 24 ist mit dem Beaufschlagungsraum 23
durch eine Verbindungsleitung 29 unter Zwischenschaltung eines
von dem Nocken 16 der Nockenwelle 20 betätigten Steuerventiles
30 verbunden. Von der Verbindungsleitung 29, und zwar stromauf
des Steuerventiles 30, führt eine Abzweigungsleitung 31 eben
falls unter Zwischenschaltung eines Steuerventiles 32, das von
dem Nocken 15 betätigt wird, zu dem Stickstoffraum 28. Von dem
Beaufschlagungsraum 23 führt noch eine an dem Niederdruckspei
cher 25 angeschlossene Verbindungsleitung 33 mit zwischenge
schaltetem und von dem Nocken 18 betätigtem Steuerventil 34
weg. Stromab dieses Steuerventiles 34 zweigt eine in den
Stickstoffraum 28 einmündende Nebenleitung 35 mit einem Steu
erventil 36 ab, das von dem mit 19 bezeichneten Nocken betätigt
wird. Der rückseitige Raum 37 des Nebenkolbenteiles 6 ist mit
der zum Niederdruckspeicher 25 führenden Verbindungsleitung 33
durch eine Leitung 38 verbunden.
In der Niederdruckleitung 11 ist ein bei Stillstand des Motors
den Durchlaß des Wasserstoffes sperrendes Abschaltventil 39 und
in der vom Hochdruckspeicher 24 wegführenden Verbindungsleitung
ein weiteres Abschaltventil 40 vorgesehen. Beide Abschaltven
tile 39, 40 werden vor oder mit Inbetriebnahme des Motors auf
Durchgang geschaltet. Eine von der Verbindungsleitung 33 abge
hende Belüftungsleitung 41 ist durch ein Absperrventil 42 ver
schließbar.
Die Hochdruckleitung 12 ist mit Abzweigungen 43, 44 versehen,
deren Anzahl der Zylinderzahl des Motors entspricht. Jede Ab
zweigung 43, 44 führt über ein gesteuertes Ventil 45, 46 zur
entsprechenden Einspritzdüse 47, 48. Die Ventile 45, 46 werden
durch ein von Betriebsparametern des Motors abhängiges Steuer
gerät 49 angesteuert, ebenso können die Abschaltventile 39, 40
und das Absperrventil 42 angesteuert werden.
Zunächst werden die Abschaltventile 39 und 40 geöffnet.
Kryogener Wasserstoff aus dem Flüssigkeitsspeicher 10 bei einem
Druck von ca. 2 bar öffnet gegen die Kraft der Feder 22 das
Einlaßventil 13 und strömt in den Kompressionsraum 9 ein. Der
rückseitig liegende Beaufschlagungsraum 23 ist über das
Absperrventil 42 in der gedrosselt ausgeführten Entlüftungs
leitung 41 entlüftet. Beim Anlassen des Motors dreht sich die
Nockenwelle 20, das Absperrventil 42 ist geschlossen und das
Steuerventil 30 sowie das Steuerventil 36 und das Auslaßventil
14 öffnen. Der Hauptkolbenteil 5 des Kompressionskolbens 4 wird
durch den unter hohem Druck von etwa 80 bar stehenden Stick
stoff beaufschlagt, das Einlaßventil 13 wird mit Hilfe der Fe
der 22 geschlossen und flüssiger Wasserstoff unter Druck aus
dem Kompressionsraum 9 in die Hochdruckleitung 12 gepreßt und
durch entsprechende Ansteuerung der Ventile 45 und 46 über die
Einspritzdüsen 47 und 48 in zugeordnete Zylinder des Motors
gespritzt.
In der gegenläufigen Bewegung bzw. Ansaugphase des Kompressi
onskolbens 4 sind das Auslaßventil 14, die Steuerventile 30 und
36 geschlossen, während das Einlaßventil 13 und die Steuerven
tile 32 und 34 geöffnet sind. Der unter Hochdruck über die Ab
zweigungsleitung 31 in den Stickstoffraum 28 einströmende
Stickstoff drückt den Nebenkolbenteil 6 an den deckelseitigen
Anschlag 50. Dabei wird flüssiger Wasserstoff in den Kompres
sionsraum 9 eingezogen, zugleich Stickstoff aus dem Beauf
schlagungsraum 23 in die zum Niederdruckspeicher 25 führende
Verbindungsleitung 33 verdrängt.
Beim Abstellen des Motors werden die Abschaltventile 39 und 40
geschlossen und das Entlüftungsventil 42 geöffnet.
Anstelle der Nockenwelle für die mechanische Betätigung der
Steuerventile sowie des Auslaßventiles kann auch eine An
steuerungsmöglichkeit elektromagnetischer Art vorgenommen wer
den.
Um eine gleichmäßige Versorgung der Motorzylinder mit Wasser
stoff sicherzustellen, sind mindestens zwei Flüssiggaspumpen
vorzusehen, die im Gegentakt arbeiten, damit jeweils in einem
Kompressionsraum der kryogene Wasserstoff unter Hochdruck
steht.
Claims (6)
1. Flüssiggaspumpe, insbesondere fahrzeugtaugliche Flüssig
gaspumpe für kryogenen Wasserstoff, bestehend aus einem Zylin
dergehäuse mit einem darin längsverschiebbar geführten Kom
pressionskolben, der einen Kompressionsraum für kryogene Flüs
sigkeit begrenzt, mit einer von einem Flüssigkeitsspeicher
ausgehenden und in den Kompressionsraum einmündenden Nieder
druckleitung, die gegenüber dem Kompressionsraum durch ein
Einlaßventil verschließbar ist, und mit einer von dem Kompres
sionsraum wegführenden Hochdruckleitung, die bei unter hohem
Druck gesetzter kryogener Flüssigkeit durch ein Auslaßventil
geöffnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Zylindergehäuse (2) der Flüssiggaspumpe (1) ein den
Kompressionsraum (9) begrenzender und das Einlaß- und Auslaß
ventil (13; 14) aufnehmender Einsatzkörper (8) angeordnet ist,
der von einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen und das
Auslaßventil (14) betätigenden Nockenwelle (20) durchsetzt ist,
und daß der Kompressionskolben (4) mit einem mindestens dem
Kompressionsdruck im Kompressionsraum (9) entsprechenden Spei
cherdruck steuerbar beaufschlagbar ist und auf seiner dem Kom
pressionsraum (9) abgewandten Seite mit einer Stickstoffspei
chereinrichtung (26) in Wirkverbindung steht.
2. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stickstoffspeichereinrichtung (26) aus einem Hoch
druckspeicher (24) mit einem Speicherdruck von z. B. 80 bar und
einem Niederdruckspeicher (25) mit einem Speicherdruck von z. B.
1 bar besteht und daß jeder Speicher über Steuerventile (30,
34) aufweisende Verbindungsleitungen (29, 33) mit einem im Zy
lindergehäuse (2) auf der dem Kompressionsraum (9) abgewandten
Seite des Kompressionskolbens (4) vorgesehenen Beaufschla
gungsraum (23) verbunden ist.
3. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß auch die Steuerventile (30, 34) von der das Auslaßventil
(14) betätigenden Nockenwelle (20) antreibbar sind, derart, daß
bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine in der Kompressions
phase das dem Hochdruckspeicher (24) zugeordnete Steuerventil
(30) und auch das Auslaßventil (14) in der Hochdruckleitung
(12) öffnen, jedoch das federbelastete Einlaßventil (13)
gleichzeitig selbsttätig schließt.
4. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kompressionskolben (4) als Doppelkolben ausgebildet
ist, dessen im Kompressionsraum wirkender Hauptkolbenteil (5)
über eine Kolbenstange (7) mit dem in einem Stickstoffraum (28)
geführten Nebenkolbenteil (6) verbunden ist, wobei der Stick
stoffraum (28) und der Beaufschlagungsraum (23) durch eine
Zwischenwand (27) im Zylindergehäuse (2) voneinander getrennt
sind.
5. Flüssiggaspumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stickstoffraum (28) und der Hochdruckspeicher (24)
durch eine von der Verbindungsleitung (29) stromauf des
nockenbetätigten Steuerventiles (30) wegführende Abzweigungs
leitung (31) in Verbindung stehen, in der ein ebenfalls von der
Nockenwelle (20) betätigtes Steuerventil (32) angeordnet ist,
das in der Ansaugphase geöffnet ist, während das Steuerventil
(30) in der Verbindungsleitung (29) geschlossen ist, und daß
eine von dem Stickstoffraum (28) wegführende Nebenleitung (35)
an der mit dem Niederdruckspeicher (25) verbundenen Verbin
dungsleitung (33) stromab des nockenbetätigten Steuerventiles
(34) angeschlossen ist und ebenfalls ein nockenbetätigtes
Steuerventil (36) aufweist, das in der Kompressionsphase im
Gegensatz zum anderen Steuerventil (34) geöffnet ist.
6. Flüssiggaspumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit dem Kompressionsraum (9) verbundene Niederdruck
leitung (11) sowie die an dem Hochdruckspeicher (24) ange
schlossene Verbindungsleitung (29) jeweils ein Abschaltventil
(39, 40) aufweisen.
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1991
- 1991-03-12 DE DE19914107846 patent/DE4107846C2/de not_active Expired - Fee Related
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