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Das
technische Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft Sicherheitsvorrichtungen,
die dafür vorgesehen
sind, Tanks auszurüsten,
die ein unter Druck stehendes Fluid, wie Flüssiggas (LPG), aufnehmen, das
als Kraftstoff für
Kraftfahrzeuge verwendet wird.
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Um
die mit Emissionen in die Atmosphäre verbundene Verschmutzung,
die aus der massiven Nutzung der Kraftfahrzeuge resultiert, zu reduzieren, ist
es wünschenswert,
den Verbrauch von weniger verschmutzendem Kraftstoff, wie LPG, zu
fördern.
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Als
Beispiel erzeugt LPG eine Kohlendioxid-Emission, die in Bezug auf
Benzin um 40 bis 75% kleiner ist. Ebenso ist die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
und an Stickoxid um 30 bis 65% kleiner. Es muss ebenfalls festgestellt
werden, dass dieser Kraftstoff den Vorteil aufweist, keine Zusätze wie
Blei, Schwefel oder Benzol zu enthalten, deren Emission schädlich für die Gesundheit
ist.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dafür
vorgesehen, das Auffüllen
von Tanks, die verflüssigte
Gase, und insbesondere Flüssiggas,
das als Kraftstoff für
Kraftfahrzeuge verwendet wird (LPG), enthalten, zu begrenzen.
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Das
Flüssigkeits-Gasgleichgewicht,
das in den LPG-Tanks herrscht, muss die mit den Temperaturschwankungen
verbundenen Beanspruchungen tragen. Diese Druckbeanspruchungen können sehr groß sein und
die Explosion des Tanks nach sich führen, was ernsthafte Verletzungen
bei den Benutzern sowie bei den Rettern verursachen kann.
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Um
diese Gefahr zu reduzieren, wird ein Einstellwert zugewiesen und
der Tank wird derartig gefüllt,
dass die flüssige
Phase nicht mehr als 80% des Gesamtvolumens des Tanks einnimmt.
Die verbleibenden 20% bilden die Gasdecke, welche die thermische
Expansion der flüssigen
Phase auf Grund von Schwankungen der Umgebungstemperatur erlaubt.
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Dieses
Expansions-Phänomen
kann sehr groß sein.
In den Fällen
von LPG kann die Expansion der flüssigen Phase zwischen 0°C und 60°C 21,8% erreichen.
Um genauer zu sein, wenn ein Benutzer seinen Fahrzeugtank bei einer
Temperatur von –15°C zu 80%
mit LPG füllt,
dann ist die Gasdecke nach Expansion bei 50°C auf 3% des Gesamtvolumens
reduziert.
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Außerdem bieten
die gegenwärtigen,
so genannten „mechanischen" Auffüll-Begrenzer,
keine ausreichende Sicherheit im Störungsfall. Tatsächlich kann
das Auffüllen
in der flüssigen
Phase vollständig erfolgen
und die Gasdecke ist dann reduziert oder Null (es wird dann von
hydraulischer Füllung
gesprochen). Die Volumenvergrößerung der
flüssigen
Phase würde
nun unmöglich
werden und die Explosion des Tanks hervorrufen. Es ist somit nützlich,
einen zuverlässigen
Auffüll-Begrenzer
zu haben, um die hydraulische Füllung
zu vermeiden.
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Außerdem können die
gegenwärtigen
Auffüll-Begrenzer,
die an einem Verteilersystem arbeiten, durch LPG-Pumpen, die einen
niedrigen Druck liefern, zum Versagen gebracht werden. Außerdem umfassen
diese Begrenzer ein Mittel zur Bekämpfung von thermischen Beanspruchungen,
das auf einem Leckstrom basiert, und so einem unaufmerksamen Benutzer
die Möglichkeit
bietet, den Fahrbereich seines Fahrzeuges zu vergrößern. Es
ist dann möglich,
das Auffüllen
zu „forcieren", bis die hydraulische
Füllung
mit all den Gefahren, die dies mit sich bringt, erzielt wird. Diese
Nachteile gilt es, zu überwinden.
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Die
auf dem Markt bekannten Auffüll-Begrenzer
arbeiten von einem Schwimmerventil-System aus. Diese Anbringung
weist den Nachteil auf, keine perfekte Dichtigkeit zu liefern. Zum
Beispiel ein seitliches Nicken oder eine Höhendifferenz eines Fahrzeuges
kann die Stabilität
des Auffüll-Begrenzers ändern und
somit die 80% überschreiten,
um schließlich
die hydraulische Füllung
mit den Gefahren, die dies mit sich bringt, zu erreichen. Kurz gesagt ist
die Zuverlässigkeit
dieser so genannten „mechanischen" Begrenzer nicht
ausreichend groß und
kann eine Gefahr bilden, die es den Rettern nicht erlaubt, unter
günstigen
Bedingungen einzugreifen.
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Es
ist durch das Patent EP-0884512 ebenfalls ein Ventil bekannt, das
dafür vorgesehen
ist, einen Fahrzeugtank auszurüsten,
der ein unter Druck stehendes Fluid vom Typ LPG enthält. Dieses
Ventil umfasst die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1, unter
anderem ein Elektroventil, einen mit dem Tank verbunden Körper, der
einen ersten, mit dem Tank in Verbindung stehenden Kanal und eine undurchlässige Membran
aufweist, die zwischen dem Körper
und dem Ventilkopf eingefügt
ist, um den ersten Kanal unter der Wirkung einer Feder zu schließen. Dieses
Dokument betrifft ein Ventil zur Versorgung eines Fahrzeugmotors
mit gasförmigem
Kraftstoff. Aufgabe dieses Ventils ist nicht, das Auffüllen eines
Tanks zu begrenzen, sondern die Versorgung des Motors mit Gas zu überwachen
und eventuell den Tank im Falle von Fehlfunktion zu trennen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Begrenzer von so
genanntem „hydraulischem" Auffüllen für LPG-Tanks vorzusehen,
der geeignet ist, eine perfekte Trennung zwischen dem Eingang (Pistole)
und dem Inneren des Tanks zu gewährleisten,
wobei dabei der zugewiesene Einstellwert völlig eingehalten wird.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist somit ein Auffüll-Begrenzer, der dafür vorgesehen
ist, einen Fahrzeugtank, der ein unter Druck stehendes Fluid vom
Typ LPG enthält,
auszurüsten,
und der mit einem Versorgungskanal und einem Elektroventil, das
die Sperrung des Auffüllens
steuert, verbunden ist, indem er einen mit dem Tank verbundenen
Körper,
der einen ersten, mit dem Tank, dem Versorgungskanal und dem Elektroventil
in Verbindung stehenden Kanal aufweist, einen den Körper überdeckender
Kopf, eine undurchlässige
Membran, die zwischen dem Körper
und dem Kopf eingefügt
ist, um den ersten Kanal unter der Einwirkung einer Feder zu schließen, und
Steuermittel die es erlauben, unter Druck stehendes Fluid vom Körper zum
Kopf hin im Zusammenhang mit der Membran einzuführen, um das Öffnen und
Schließen
des ersten Kanals zu erlauben, umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass er ein in dem ersten Kanal tankseitig angeordnetes Rückschlagventil
enthält.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante grenzt
der erste Kanal einen Sitz ab, an den sich die Membran anlegt.
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Gemäß einer
weiteren Variante umfasst der Körper
eine Kammer, in die der erste Kanal und der Versorgungskanal münden.
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Gemäß noch einer
weiteren Variante umfasst der Kopf einen durch die Membran geschlossenen
Hohlraum, wobei die Feder in dem Hohlraum angeordnet ist und sich
an der Membran abstützt.
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Vorteilhafterweise
steht der erste Kanal mit Hilfe der Steuermittel mit dem Elektroventil
in Verbindung.
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Gemäß noch einer
besonderen Ausführung umfassen
die Steuermittel:
- – eine erste Kanalisation,
die den ersten Kanal mit dem Elektroventil verbindet und stromaufwärts vom
Rückschlagventil
einmündet
,
- – eine
zweite Kanalisation, die die Kammer mit dem Elektroventil verbindet,
- – eine
dritte Kanalisation, die das Elektroventil mit dem Hohlraum verbindet.
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Vorteilhafterweise
wird die erste Kanalisation an einer Seite durch einen, eine Kammer
abgrenzenden Kragen abgeschlossen, wobei sich das Elektroventil
auf dem Kragen abstützt
und die zweite und dritte Kanalisationen in die Kammer einmünden.
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Der
Druckverlust der Kammer und der ersten Kanalisation ist kleiner
als der der dritten Kanalisation, um die Membran zurückzudrücken, wenn
das Elektroventil offen ist.
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Beim
Schließen
des Elektroventils wird das unter Druck stehende Fluid mittels der
zweiten und dritten Kanalisation zum Hohlraum hin geleitet, um den
Druck beiderseits der Membran ins Gleichgewicht zu bringen.
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Der
Auffüll-Begrenzer
kann ein Mittel zum Ablassen von im Hohlraum, in der Kammer und
im Versorgungskanal eingesperrtem Fluid zum ersten Kanal umfassen.
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Vorteilhafterweise
wird das Ablass-Mittel von einer Kanalisation gebildet, die den
Hohlraum mit dem ersten Kanal verbindet, der mit einem Sperrventil
versehen ist, das den Durchfluss von unter Druck stehendem Fluid
vom ersten Kanal zum Hohlraum hin im Laufe des Auffüllens unterbindet.
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Das
Sperrventil wird durch die Druckerhöhung des im Hohlraum, in der
Kammer und im Versorgungskanal enthaltenen Fluids betätigt.
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Die
durch den Versorgungsdruck im Inneren des ersten Kanals erzeugte
Kraft ist größer als
die durch die Feder gelieferte Kraft.
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Beim
Auffüllen
ist die durch den Versorgungsdruck erzeugte Kraft im Inneren des
ersten Kanals größer als
die Schließkraft
des tankseitigen Rückschlagventils.
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Vorteilhafterweise
ist die auf das Sperrventil ausgeübte Kraft größer als
die durch den Druck im Hohlraum während der Auffüll-Phase
gelieferte Kraft.
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Ein
allererster Vorteil des Begrenzers gemäß der Erfindung liegt in der
Tatsache, dass dieser auf hydraulische Weise betätigt wird.
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Ein
zweiter Vorteil liegt in der Tatsache, dass ein Defekt des Auffüll-Systems
dessen Sperrung bewirkt.
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Ein
weiterer Vorteil des Begrenzers gemäß der Erfindung liegt in der
Tatsache, dass dieser keinen Leckstrom aufweist. Ein weiterer Vorteil
liegt in der Tatsache, dass die Verarbeitungsstufe und das Elektroventil
durch einen elektrischen Strom von geringer Stärke gesteuert werden können, was
so die Möglichkeit
bietet, sie zu miniaturisieren.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung erscheinen deutlicher
bei der Lektüre der
ergänzenden
Beschreibung, die hiernach im Zusammenhang mit Abbildungen zur Veranschaulichung
gegeben wird, in denen:
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1 eine
Schnittansicht des Versorgungssystems und eines Begrenzers gemäß der Erfindung darstellt,
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2 eine
Schnittansicht eines Begrenzers gemäß der Erfindung in Auffüll-Position
darstellt,
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3 eine
Schnittansicht eines Begrenzers gemäß der Erfindung in Sperr-Position
darstellt.
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In
den 1 und 2 wird ein Begrenzer 1 gemäß der Erfindung
im Zusammenhang mit einem Elektroventil 2 von bekannter
Bauart und einer Stufe zur Verarbeitung 3 von Information
dargestellt. Diese Stufe 3 umfasst insbesondere einen Sensor 4,
der das Öffnen
und Schließen
des Elektroventils 2 steuert. Dieser Begrenzer 1 ist
fest mit einem teilweise dargestellten Tank 5 verbunden.
Dieser Begrenzer 1 ist mittels eines Ablaufes 8,
der von einer Eintrittsmuffe 9 gefolgt wird, an ein Versorgungsmundstück 6 angeschlossen,
das in herkömmlicher
Weise eine Verschlussklappe 7 integriert. Zum Zwecke des
Verständnisses
wird angenommen, dass in der Anordnung dieser Figuren der Tank 5 horizontal
angeordnet ist, während
der Begrenzer 1 im Wesentlichen senkrecht angeordnet ist.
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2,
die ein Längsschnitt
ist, zeigt einen Begrenzer, der aus einem hohlen Körper 10 gebildet wird,
welcher aus einem Material hergestellt ist, das ihm Festigkeitseigenschaften
gegen Belastungen und Beanspruchungen, denen er im Laufe seiner Verwendung
unterworfen ist, verleiht. Dieser Körper 10 stellt sich
in der allgemeinen Form eines im Wesentlichen parallelepipedischen
Teiles dar. Dieser Körper
ist von einem hindurch laufenden Kanal 12 durchbohrt, der
in eine ringförmige
Kammer 11 in den oberen Teil des Körpers 10 mündet, wobei
das freie Ende des Kanals einen in die Kammer vorspringenden Sitz 13 bildet.
Diese Kammer ist mit der Einstrittsmuffe 9 mittels eines
Kanals 26 verbunden.
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Der
Kanal 12 wird aus drei Teilstücken mit unterschiedlichem
Durchmesser gebildet. Das Teilstück 12a ist
tankseitig mit einem Gewinde versehen, um eine gelochte Mutter 14 aufzunehmen.
Eine Seitenfase 15 ist am oberen Teil dieses Teilstückes 12a angefertigt,
um eine Kugel 16 aufzunehmen, die durch Feder 17,
welche sich auf der Mutter 14 abstützt, angedrückt wird. Die Kugel 16 und
die Feder 17 stellen ein Rückschlagventil dar, das den
Durchfluss des Fluids vom Tank 5 zur Kammer 11 hin
unterbindet. Das Teilstück 12b,
mit einem kleineren Durchmesser als das Teilstück 12a, begrenzt einerseits
die Seitenfase 15 und andererseits das Teilstück 12c.
Das Teilstück 12c,
mit einem größeren Durchmesser
als das Teilstück 12b,
endet im Sitz 13.
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Der
Körper 10 ist
seitlich mit einer Aufnahme 18 versehen, die es erlaubt,
das Elektroventil 2 aufzunehmen. Zu diesem Zweck ist der
Körper
gebohrt und mit Gewinde versehen; das Elektroventil 2 und der
Körper 10 grenzen
so einen Hohlraum 19 ab. Die Dichtigkeit wird durch eine
Dichtung 22 gewährleistet.
Eine Kanalisation 20 ist horizontal in den Körper 10 eingearbeitet,
sie mündet
einerseits stromaufwärts
vom Rückschlagventil
in den Kanal 12 und andererseits in den Hohlraum 19.
Diese Kanalisation 20 endet in einem in den Hohlraum 19 vorspringenden Kragen 21.
In der Phase der Auffüll-Begrenzung stützt sich
das Elektroventil 2 am Kragen 21 ab, um den Kanal 20 zu
versperren.
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Eine
Fläche 23 wird
auf dem oberen Teil des Körpers 10 definiert.
Es ist eine Kanalisation 24 gebohrt, die so die Fläche 23 mit
dem Hohlraum 19 verbindet. Ebenso ist eine Kanalisation 25 eingearbeitet, um
die Kammer 11 mit dem Hohlraum 19 zu verbinden.
Die Eigenschaften dieser Kanalisationen sind hiernach genau umrissen.
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Eine
Senkung 27 wird diesen Kanalisationen 24 und 25 in
Bezug auf den Kanal 12 gegenüberliegend angefertigt, die
dafür ausgelegt
ist, um eine Kugel 28 aufzunehmen, wobei eine Feder 29 sich
zwischen den Boden der Senkung 27 und der Kugel 28 einschiebt.
Ein Kanal 30 wird der Kanalisation 20 in Bezug
auf Kanal 12 gegenüberliegend
gebohrt, der einerseits in das Teilstück 12c und andererseits
nach außen
mündet.
Aus Konstruktionsgründen
ist der Kanal 30 an der Außenseite durch einen Dichtstopfen 31 versperrt.
Der Körper 10 wird
von einem Kanal 32 durchdrungen, der die Senkung 27 mit
dem Kanal 30 verbindet.
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Der
Körper 10 wird
von einem Teil 33 in allgemeiner Form vom Typ „tiefer
Teller" überdeckt. Zwischen
den beiden ist eine Membran 34 bekannter Art angeordnet,
die sich an einer am Umfang der Kammer 11 angefertigten
Schulter 35 festklemmt. Die Dichtigkeit zwischen dem Körper und
Kopf wird mittels bekannter Verfahren hergestellt. Eine Feder 36 ist
zwischen dem Boden des Kopfes 33 und der Membran 34 eingefügt. Es wird
so eine Kammer 38 bestimmt, die durch den Kopf 33 und
die Membran 34 abgegrenzt ist. Der Kopf 33 ist
von einer Kanalisation 37 mit komplizierten Eigenschaften
durchbohrt, welche die Kanalisation 24 mit der Kammer 38 verbindet. Die Dichtigkeit
zwischen den Kanalisationen 37 und 24 wird durch
eine Dichtung 41 bekannter Art bewerkstelligt. Gegenüber der
Kanalisation 37 wird ein Kanal 39 hergestellt,
der von einer Seitenfase 40 abgeschlossen wird, welche
es erlaubt, die sich abstützende
Kugel 28 aufzunehmen.
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Die
Eigenschaften der Kanalisationen 20, 24 und 37 sind
derartig definiert, dass der Druckverlust der Kanalisation 20 kleiner
ist als der mit dem der Kanalisation 37 zusammengezählte Druckverlust
der Kanalisation 24, und dies mit Hilfe von verschiedenen Mitteln,
wie Unterschied in Durchmesser, Krümmung, Oberflächenbeschaffenheit
oder einer Kombination aus diesen Mitteln.
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In
der Auffüll-Phase,
wie sie in den 1 und 2 dargestellt
ist, dringt Flüssigkeit,
die vom Versorgungsmundstück 6 stammt,
in den Begrenzer 1 ein und füllt über die Schräge der Klappe 7,
den Ablauf 8, die Muffe 9 und den Versorgungskanal 26 die Kammer 11.
Die Flüssigkeit
füllt dann
die Kanalisation 25, den Hohlraum 19 und läuft dann
vorrangig zur Kanalisation 20, wobei das durch die Unterschiede der
Druckverluste zwischen der Kanalisation 20 und den Kanalisationen 24 und 37 bedingt
ist. Aus diesem Grund führt
die ungleiche Druckverteilung zwischen der Kammer 38 und
der Kammer 11 zum Anheben der Membran 34, wobei
so die Feder 36 zusammengedrückt wird, und zur Freigabe
des Sitzes 13. Die Flüssigkeit
benutzt nun den Kanal 12 und übt einen Druck aus, um das
Rückschlagventil,
das aus der Kugel 16 und der Feder 17 gebildet
wird, zu öffnen,
und kann zum Tank 5 strömen.
Das Auffüllen des
Tanks beginnt.
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Sobald
der Tank zu 80% mit Flüssigkeit
gefüllt
ist, liefert der Sensor 4, der ein kapazitiver Schwimmer
oder ein Schwimmer mit Lichtwellenleiter sein kann, ein elektrisches
Signal an die Verarbeitungsstufe 3. Diese Letztere unterbricht
nun die Versorgung des Elektroventils 2, dessen Ende die
Kanalisation 20 schließt.
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In
der Phase der Auffüll-Begrenzung,
wie sie in 3 dargestellt ist, versperrt
das am Kragen 21 anliegende Elektroventil die Kanalisation 20.
Die im Hohlraum 19 vorhandene Flüssigkeit strömt nun über die
Kanalisationen 24 und 37 zur Kammer 38,
um den Druck beiderseits der Membran 34 ins Gleichgewicht
zu bringen. Die durch die Feder 36 gebildete Kraft fügt sich
nun der durch den Druck in der Kammer 38 erzeugten Kraft
hinzu, wobei so die Membran 34 an den
Sitz 13 in abdichtender Weise angedrückt wird. Es gibt keine mögliche Verbindung
mehr zwischen dem Versorgungskanal 26 und dem Tank 5. Das
Auffüllen
des Tanks ist beendet.
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Aufgrund
der Verschlussklappe direkt hinter dem Auffüll-Mundstück 6, liegt ein im
Ablauf 8, in der Muffe 9, im Versorgungskanal 26,
in den Kammern 11 und 38, in den Kanalisationen 24, 25, 37 und
in dem Hohlraum 19 eingesperrtes Flüssigkeitsvolumen vor. Die durch
die Feder 29, deren Einstelldruck größer ist als der durch die Versorgungspumpe
gelieferte Druck, an der Seitenfase 40 in Anlage gehaltene Kugel 28 erlaubt
es, die eingesperrte Flüssigkeit über das
Teilstück 12c des
Kanals 12 durch Verschiebung der Kugel 28 abzuführen.