WO2021116020A1 - Kraftfahrzeug mit hartschale zum schutz eines brennstoffführenden anschlusselements - Google Patents

Kraftfahrzeug mit hartschale zum schutz eines brennstoffführenden anschlusselements Download PDF

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Hans-Ulrich Stahl
Christoph Warkotsch
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the technology disclosed here relates to a motor vehicle.
  • the motor vehicle can be a passenger car, a motorcycle or a utility vehicle.
  • the motor vehicle comprises i) at least one pressure vessel for storing fuel; and ii) at least one holder for holding the pressure vessel, the holder enclosing one end of the pressure vessel in the installation position.
  • the holder comprises a hard shell and an inner layer, the inner layer in the installed position being arranged at least in regions between the hard shell and the connection element, the hard shell having a higher rigidity than the inner layer.
  • the pressure vessel is used to store fuel which is gaseous under ambient conditions.
  • the pressure vessel can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed (also called compressed natural gas or CNG) or liquefied (also called liquid natural gas or LNG) natural gas or with hydrogen.
  • the pressure vessel is fluidly connected to at least one energy converter (e.g. a fuel cell), which is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy.
  • the pressure vessel usually comprises: at least one fiber-reinforced layer or reinforcement, which expediently surrounds a liner. But linerless pressure vessels are also conceivable. Such pressure vessels are also referred to as composite overwrapped pressure vessels.
  • the pressure vessel can be, for example, a cryogenic pressure vessel or a high-pressure gas vessel.
  • NWP nominal working pressure
  • a cryogenic pressure vessel is suitable for storing the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures that are well below the operating temperature of the motor vehicle.
  • the motor vehicle can include a plurality of pressure vessels.
  • the individual pressure vessels can each have a length-to-diameter ratio with a value between 5 and 200, preferably between 7 and 100, and particularly preferably between 9 and 50.
  • the length-to-diameter ratio is the quotient of the length of the pressure vessel in the numerator and the outer diameter of the pressure vessel in the denominator.
  • the individual pressure vessels can also be referred to as storage tubes.
  • the multiple pressure vessels then form a system that is also referred to as a pipe storage system. Such a system is particularly suitable for flat installation spaces, in particular in the underfloor area below the vehicle interior.
  • the pressure vessels arranged parallel to one another are expediently mechanically coupled to one another at their ends. This advantageously creates a system which can be mounted as a whole in the installation space provided in the motor vehicle. It can also advantageously be provided that common body connection points are provided at both ends for the plurality of pressure vessels, by means of which the system can be fastened as a whole in the motor vehicle.
  • the pressure vessels are connected in series.
  • curved fluid connection elements can be provided between the individual pressure vessels.
  • the pressure vessels and the fluid connection elements can particularly preferably be designed in such a way that both can be produced together in a continuous production process be.
  • a common liner can be provided, for example, which is produced in a continuous extrusion process and which is braided or wrapped around (spirally) with reinforcing fibers in a likewise continuous process.
  • This type of pipe storage system is also known as a chain tank or a snake tank.
  • the end of the serially connected container can be reconnected to the beginning (for example with a Venturi nozzle) to enable a flow during refueling.
  • the pressure vessels are connected in parallel.
  • a common distributor pipe can be provided.
  • the multiple pressure vessels are usually connected directly to the distributor pipe without a separate, externally electrically operated shut-off valve being provided between the distributor pipe and the individual pressure vessels.
  • the plurality of pressure vessels are advantageously connected to the distributor pipe in a materially bonded manner (by means of adhesive bonding and / or by means of welding), so that the individual pressure vessels cannot be detached from the distributor pipe without being destroyed.
  • the distributor pipe is used to establish a fluid connection with the individual pressure vessels.
  • An electrically actuable and normally closed shut-off valve can be provided on the distributor pipe, which shut-off valve is set up to shut off the distributor pipe from the other fuel-carrying lines of the fuel supply system leading to the energy converter.
  • This shut-off valve has the function of an on-tank valve of a conventional pressure vessel. Only a normally closed shut-off valve is expediently provided on the distributor pipe.
  • the shut-off valve can, for example, be screwed onto or screwed directly onto the distributor pipe.
  • the shut-off valve is the first valve that is provided downstream of each of the pressure vessels connected to the common manifold.
  • a pipe burst safety device also called excess flow valve, can be installed on everyone Pressure vessel or be provided on the manifold. In this way, additional security can be achieved in the event of the distributor pipe breaking.
  • connecting pipe can be used to mechanically couple the individual pressure vessels and possibly common ones
  • the connecting pipe can thus form a unit which can be integrated as a whole into the motor vehicle.
  • a combination of parallel and series connection is also possible.
  • the at least one holder is used to hold the pressure vessel.
  • the holder and the energy-absorbing deformation element disclosed here can be designed to connect one end of the pressure vessel to a vehicle body element in a load-bearing manner.
  • the holding element thus simultaneously serves as a bearing point.
  • a particularly space-saving connection to the body can thus advantageously be implemented.
  • a holder is preferably provided at each end of the pressure vessel. The forces and moments (eg dead weight, etc.) caused by the pressure vessel are preferably transmitted to the vehicle body via the holder.
  • the holder advantageously rests on one end of the pressure vessel and / or on the connection element or on the distributor pipe, or is only slightly spaced apart.
  • a substantially constant distance between the cross-sectional contour of the hard shell of the holder and the outer contour at the enclosed end of the pressure vessel is advantageously provided.
  • the holder is expediently not provided in the jacket area of the pressure vessel. The installation space can thus advantageously be used better and a better heat exchange between the pressure vessel and the environment can be ensured.
  • the holder In the installed position, the holder encloses one end of the pressure vessel. Those components of the connection element which protrude from the pressure vessel in the installation position of the connection element can be accommodated in the interior of the holder.
  • the holder can be set up to enclose the ends of a plurality of pressure vessels, in particular the distributor pipe or a plurality of connection elements.
  • the holder comprises a hard shell and an inner layer.
  • the inner layer is provided inside the hard shell. In the installed position, the inner layer is arranged at least in some areas between the hard shell and the connection element.
  • the hard shell is more rigid than the inner layer.
  • the structure is thus similar to that of a crash helmet.
  • the inner layer can be designed to be flexible in such a way that forces and moments to be transmitted by the holder can be introduced onto the pressure vessel surface as uniformly as possible and without local stress peaks.
  • the hard shell usually has a wall thickness of a few millimeters.
  • the inner layer usually has a greater wall thickness than the hard shell.
  • the inner layer is designed to be flexible in such a way that the inner layer reversibly compensates for changes in length caused by the operation of the at least one pressure vessel.
  • the inner layer rests on the outer wall of the pressure vessel.
  • an additional energy-absorbing deformation element can be provided between the holder and the vehicle body element.
  • the vehicle body element (such as a side member or a cross member) itself naturally already has an energy-reducing effect in the event of an accident.
  • the deformation element is designed to convert kinetic energy into deformation work in the event of a collision.
  • the deformation element can have an energy dissipation path that extends in the direction of the longitudinal axis of the pressure vessel.
  • the deformation element can have a length of at least 15 cm or of at least 10 cm or of at least 5 cm in the direction of the longitudinal axis of the pressure vessel.
  • the deformation element can preferably have a honeycomb structure.
  • the person skilled in the art is familiar with suitable structures for absorbing forces and moments that occur in the event of a collision.
  • the deformation element is therefore expediently set up i) on the one hand to transfer the forces and moments that occur during normal operation to the body element and ii) on the other hand for forces and moments that are greater than the forces and moments that occur during normal operation (e.g.
  • the deformation element can comprise honeycomb sheets and / or fiber-reinforced structures.
  • the energy dissipation path can be used to ensure that the energy resulting, for example, from a side impact is converted into deformation work, so that the impact of the impact has less of an effect on the pressure vessel.
  • the hard shell also ensures that the energy, if it does get to the pressure vessel, is primarily transmitted to the wall of the pressure vessel and does not affect the fuel-carrying connection element, or to a lesser extent.
  • the motor vehicle comprises at least one fuel-carrying connection element which is provided at an outlet of the pressure vessel.
  • the fuel-carrying connection element is a tank shut-off valve which can be detachably attached to the pressure vessel.
  • no shut-off valve is provided directly on each pressure vessel, in particular if a common distributor pipe is provided. Then, for example, the distributor pipe can form the connection element.
  • the vehicle body element can be a side member, in particular a rocker, or a cross member of the vehicle body.
  • the pressure vessels can accordingly be installed in the longitudinal direction of the vehicle or in the transverse direction of the vehicle. If several pressure vessels with a comparatively small diameter are installed, they can be arranged in the transverse direction of the vehicle when installed in such a way that the underfloor space is optimally used. For example, more pressure vessels could be arranged one above the other below the passenger seats or passenger benches than in the area below the footwell area.
  • the flart shell can be constructed in several parts.
  • it can be provided, for example, that in the installation position all parts of the holder (ie of the hard shell and inner layer) and of the deformation element provided on one side (eg towards the vehicle floor) and of the deformation element are reversibly detachably mounted.
  • a form-fit connection can be provided be.
  • these parts can be assembled from several directions. A structure that is particularly easy to assemble and service can thus be realized.
  • the lines are easier to assemble with such a pressure vessel body connection.
  • Parts of the deformation element can advantageously be formed in one piece with parts of the holder.
  • the parts that are provided on the same side in the installed position can be formed in one piece. This makes assembly and service of the pressure vessel and the lines easier.
  • the shape-adapted, energy-absorbing holder is expediently constructed in several parts.
  • the basic elements can be multilayered.
  • the primitives can further include auxetic layers.
  • the basic elements "hard layer” and “soft layer” together with the shape-adapted holder are comparable to the principle of the protective helmet.
  • the deformation element and the holder form a combined holding and crash element that facilitates assembly and service.
  • the existing installation space is used more efficiently.
  • the space between the rocker panel and the tank contour can thus advantageously be used as completely as possible for energy dissipation.
  • the effect of an approximately punctiform or small-area load can be reduced by the hard shell, since a comparatively pointed effect is distributed as flatly as possible through the hard shell.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of the pressure vessel 200.
  • the pressure vessel 200 is connected to the vehicle body element 100 in a load-bearing manner.
  • the vehicle body element 100 is here a longitudinal member, in particular an outer rocker.
  • the vehicle body element 100 comprises a vehicle outer skin 110.
  • the pressure vessel 200 comprises a fuel-carrying connection element 210.
  • the connection element 210 is a container valve.
  • the holder 30 comprises a hard layer or hard shell 300.
  • the hard shell 300 is molded onto the surface of the pressure vessel 200 and the vessel valve 210. In other words, the contour of the hard shell 300 corresponds to the outer contour of the end of the pressure vessel 200.
  • the outer contour is formed by the end of the pressure vessel 200 and the connection element 210.
  • a soft layer or inner layer 310 is located between the hard shell 300 and the surface of the pressure vessel 200 and the connection element 210.
  • the hard shell 300 in turn is encompassed or embedded in an energy-absorbing holder or energy-absorbing deformation element 320 that extends up to extends to the vehicle body element.
  • the hard case 300 is formed so stiff that a points or small areas (for example smaller 50cm 2 or less 25cm 2 or less 16cm 2 or less than 9 cm 2 or less 2 or less 4cm 1cm 2) on the hard shell impacting force, for example of at least 25 kN or at least 5 kN or at least 1 kN, is distributed over a large area without the hard shell 300 being destroyed in the process.
  • the hard shell 300 is preferably made from one of the following materials: metals, metal alloys (eg steel), and / or fiber composite materials (eg carbon fiber reinforced and / or aramid fiber reinforced and / or glass fiber reinforced fiber composite materials).
  • the inner layer 310 provides the mediation between the surfaces of the pressure vessel 200 or connection element 210 and the hard shell 300.
  • the inner layer 310 is designed in particular so flexible that the inner layer 310 can adapt to the outer contour of the end of the pressure vessel 200 in the installed position, in particular also to outer contours that differ due to assembly tolerances or identical part concepts. Furthermore, the inner layer 310 can be designed to be flexible in such a way that the inner layer 310 reversibly compensates for operational container expansions (in particular also those caused by the internal pressure).
  • the inner layer 310 is preferably made from a plastic, in particular from a polymer, elastomer and / or foamed plastic. For protection against falling, the inner layer 310 can also be designed in such a way that the holder 30, in particular the hard shell 300 and inner layer 310, at least partially absorb the impulse resulting from the fall of the pressure vessel.
  • the energy-absorbing deformation element 320 (also called energy-absorbing holder) can be designed in the manner of a crash element and comprise, for example, honeycomb sheets or fiber composite structures. In particular, structures with auxetic behavior (negative Poisson's number) can also be used. These have the advantage that when an impactor penetrates locally they condense under the penetration point and therefore oppose a lot of resistance to penetration and thus ensure that the force is distributed over a larger area.
  • the deformation element 320 and / or the holder 30 is made up of several parts or segments. Each part can be a component unit which comprises parts of the holder 30 and the deformation element 320 and connects them in one piece.
  • the parts can thus be placed around the pressure vessel 200, around the connection element 210 and any fuel-carrying lines.
  • the available volume can thus advantageously be used as completely as possible.
  • Positive connections are preferably provided between the parts, for example toothings or pins, so that the parts can simply be plugged together in the manner of a three-dimensional puzzle. With a suitable design, it is thus possible to transfer the forces appropriately.

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst mindestens einen Druckbehälter (200) zur Speicherung von Brennstoff; und mindestens eine Halterung (30) zum Halten des Druckbehälters (200). Die Halterung (30) umschließt in der Einbaulage ein Ende des Druckbehälters (200). Die Halterung (30) umfasst eine Hartschale (300) und eine Innenschicht (310); wobei die Innenschicht (310) in der Einbaulage zumindest bereichsweise zwischen der Hartschale (300) und dem Anschlusselement (210) angeordnet ist. Die Hartschale (300) weist eine höhere Steifigkeit auf als die Innenschicht (310).

Description

Kraftfahrzeug mit Hartschale zum Schutz eines brennstoffführenden Anschlusselements
Mit gasförmigen Kraftstoffen betriebene Kraftfahrzeuge sind bekannt. Konventionelle Druckbehälter sind i.d.R. vergleichsweise groß und nur umständlich in bestehende Fahrzeugarchitekturen zu integrieren. Ferner besteht ein Bedürfnis, die Sicherheit weiter zu erhöhen.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, Druckbehälter für gasförmige Kraftstoffe möglichst sicher in die Kraftfahrzeuge zu integrieren und gleichzeitig ein besonders hohes Brennstoffspeichervolumen im Kraftfahrzeug bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann ein Personenkraftwagen, ein Kraftrad oder ein Nutzfahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug umfasst i) mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff; und ii) mindestens eine Halterung zum Halten des Druckbehälters, wobei die Halterung in der Einbaulage ein Ende des Druckbehälters umschließt. Die Halterung umfasst eine Hartschale und eine Innenschicht, wobei die Innenschicht in der Einbaulage zumindest bereichsweise zwischen der Hartschale und dem Anschlusselement angeordnet ist, wobei die Hartschale eine höhere Steifigkeit aufweist als die Innenschicht.
Der Druckbehälter dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter ist mit mindestens einem Energiewandler (z.B. einer Brennstoffzelle) fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln. Der Druckbehälter umfasst i.d.R: mindestens eine faserverstärkte Schicht bzw. Armierung, die zweckmäßig einen Liner umgibt. Aber auch linerlose Druckbehälter sind vorstellbar. Solche Druckbehälter werden auch als Composite Overwrapped Pressure Vessel bezeichnet.
Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Das Kraftfahrzeug kann eine Mehrzahl an Druckbehälter umfassen. Beispielsweise können mehrere Druckbehälter vorgesehen sein, deren Längsachsen parallel zueinander liegen. Die einzelnen Druckbehälter können jeweils ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis mit einem Wert zwischen 5 und 200, bevorzugt zwischen 7 und 100, und besonders bevorzugt zwischen 9 und 50 aufweisen. Das Länge-zu-Durchmesser- Verhältnis ist der Quotient aus der Länge des Druckbehälters im Zähler und dem Außendurchmesser des Druckbehälters im Nenner. Die einzelnen Druckbehälter können auch als Speicherrohre bezeichnet werden. Die mehreren Druckbehälter bilden dann ein System aus, dass auch als Rohrspeichersystem bezeichnet wird. Ein solches System eignet sich besonders für flache Einbauräume, insbesondere im Unterflurbereich unterhalb des Fahrzeuginnenraums. Zweckmäßig sind die parallel zueinander angeordneten Druckbehälter an ihren Enden jeweils mechanisch aneinander gekoppelt. Vorteilhaft entsteht somit ein System, welches als Ganzes in den im Kraftfahrzeug vorgesehen Einbauraum montierbar ist. Vorteilhaft kann ferner vorgesehen sein, dass an beiden Enden jeweils für die mehreren Druckbehälter gemeinsame Karosserieanbindungspunkte vorgesehen sind, mittels derer das System als Ganzes im Kraftfahrzeug befestigbar ist.
In einer Ausgestaltung sind die Druckbehälter in Serie geschaltet. Zwischen den einzelnen Druckbehältern können i.d.R. gebogene Fluidverbindungselemente vorgesehen sein. Besonders bevorzugt können die Druckbehälter und die Fluidverbindungselemente so gestaltet sein, dass beide in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess zusammen herstellbar sein. Hierzu kann beispielsweise ein gemeinsamer Liner vorgesehen sein, der in einem kontinuierlichen Extrusionsprozess hergestellt wird und der in einem ebenfalls kontinuierlichen Prozess mit Verstärkungsfasern umflochten oder (spiralisiert) umwickelt wird. Diese Art des Rohrspeichersystems wird auch als Kettentank oder Schlangentank bezeichnet. Um bei der Betankung Überhitzung in „Sackgassen“ zu vermeiden, kann das Ende der seriell verbundenen Behälter wieder mit dem Anfang verbunden werden, um (beispielsweise mit einer Venturidüse) eine Durchströmung bei der Betankung zu ermöglichen.
In einer Ausgestaltung sind die Druckbehälter parallel geschaltet. Dabei kann ein gemeinsames Verteilerrohr vorgesehen sein. Die mehreren Druckbehälter sind i.d.R. direkt an das Verteilerrohr angeschlossen, ohne dass zwischen dem Verteilerrohr und den einzelnen Druckbehältern jeweils ein eigenes, von außen elektrisch betätigbares Absperrventil vorgesehen ist. Vorteilhaft sind die mehreren Druckbehälter stoffschlüssig (mittels Klebung und/oder mittels Schweißen) mit dem Verteilerrohr verbunden, so dass die einzelnen Druckbehälter nicht zerstörungsfrei vom Verteilerrohr lösbar sind. Das Verteilerrohr dient zur Herstellung einer Fluidverbindung mit den einzelnen Druckbehältern. Am Verteilerrohr kann ein elektrisch betätigbares und stromlos geschlossenes Absperrventil vorgesehen sein, dass eingerichtet ist, das Verteilerrohr gegenüber den übrigen brennstoffführenden Leitungen der zum Energiewandler führenden Brennstoffversorgungsanlage abzusperren. Dieses Absperrventil besitzt die Funktion eines On-Tank- Valves eines herkömmlichen Druckbehälters. Zweckmäßig ist lediglich ein stromlos geschlossenes Absperrventil am Verteilerrohr vorgesehen. Das Absperrventil kann beispielsweise unmittelbar an das Verteilerrohr an- bzw. eingeschraubt werden. Das Absperrventil ist das erste Ventil, dass stromab eines jeden der am gemeinsamen Verteilerrohr angeschlossenen Druckbehälter vorgesehen ist. Eine Rohrbruchsicherung, auch Überströmventil (engl. Excess Flow Valve) genannt, kann an jedem Druckbehälter oder am Verteilerrohr vorgesehen sein. Damit kann für den Fall eines Bruchs des Verteilerrohrs eine zusätzliche Sicherheit erreicht werden.
Ferner kann das Verbindungsrohr dazu dienen, die einzelnen Druckbehälter mechanisch zu koppeln und eventuell gemeinsame
Karosserieanbindungspunkte auszubilden. Somit kann das Verbindungsrohr eine Einheit ausbilden, die als Ganzes in das Kraftfahrzeug integrierbar ist. Auch eine Kombination von Parallel- und Serienschaltung ist möglich.
Die mindestens eine Halterung dient zum Halten des Druckbehälters. Die Halterung und das hier offenbarte energieabsorbierende Deformationselement können eingerichtet sein, ein Ende des Druckbehälters lasttragend mit einem Fahrzeugkarosserieelement zu verbinden. Somit können die während des Betriebs des Kraftfahrzeugs auftretenden Kräfte und Momente über die Halterung bzw. über das Deformationselement zwischen Fahrzeugkarosserie und Druckbehälter übertragen werden. Das Halteelement dient somit gleichzeitig als Lagerpunkt. Vorteilhaft lässt sich somit eine besonders platzsparende Karosserieanbindung realisieren. Bevorzugt ist an jedem Ende des Druckbehälters jeweils eine Halterung vorgesehen. Bevorzugt werden über die Halterung die durch den Druckbehälter verursachten Kräfte und Momente (z.B.: Eigengewicht, etc.) auf die Fahrzeugkarosserie übertragen. Vorteilhaft liegt die Halterung an einem Enden des Druckbehälters und/oder am Anschlusselement bzw. am Verteilerrohr auf oder ist nur geringfügig beabstandet. Vorteilhaft ist ein im Wesentlichen konstanter Abstand zwischen der Querschnittskontur der Hartschale der Halterung und der Außenkontur am eingefassten Ende des Druckbehälters vorgesehen. Im Mantelbereich des Druckbehälters ist die Halterung zweckmäßig nicht vorgesehen. Vorteilhaft kann somit der Bauraum besser genutzt werden und ein besserer Wärmeaustausch zwischen Druckbehälter und Umgebung sichergestellt werden.
Die Halterung umschließt in der Einbaulage ein Ende des Druckbehälters. Im Inneren der Halterung können diejenigen Bestandteile des Anschlusselementes aufgenommen sein, die in der Einbaulage des Anschlusselementes aus dem Druckbehälter herausragen. Die Halterung kann in einer Ausgestaltung eingerichtet sein, die Enden von mehreren Druckbehältern zu umschließen, insbesondere das Verteilerrohr oder mehrere Anschlusselemente.
Die Halterung umfasst eine Hartschale und eine Innenschicht. Im Inneren der Hartschale ist die Innenschicht vorgesehen. Die Innenschicht ist in der Einbaulage zumindest bereichsweise zwischen der Hartschale und dem Anschlusselement angeordnet. Die Hartschale weist eine höhere Steifigkeit auf als die Innenschicht. Somit gleicht der Aufbau dem eines Sturzhelmes. Die Innenschicht kann derartig nachgiebig gestaltet sein, dass von der Halterung zu übertragende Kräfte und Momente möglichst gleichmäßig und ohne lokale Spannungsspitzen auf die Druckbehälteroberfläche einbringbar sind.
Die Hartschale weist in der Regel eine Wandstärke von wenigen Millimetern auf. Die Innenschicht weist i.d.R. eine größere Wandstärke auf als die Hartschale. Die Innenschicht ist derart nachgiebig ausgebildet, dass die Innenschicht durch den Betrieb des mindestens einen Druckbehälters verursachte Längenänderungen reversibel kompensiert. Die Innenschicht liegt an der Außenwand des Druckbehälters auf. In der Einbaulage des Druckbehälters in Richtung der Druckbehälterlängsachse kann zwischen der Halterung und dem Fahrzeugkarosserieelement ein zusätzliches energieabsorbierendes Deformationselement vorgesehen sein. Das Fahrzeugkarosserieelement (wie beispielsweise ein Längsträger oder ein Querträger) selbst hat natürlich bei einem Unfall bereits eine energieabbauende Wirkung. Das Deformationselement ist eingerichtet, im Falle eines Zusammenpralls auftretende kinetische Energie in Deformationsarbeit umzuwandeln. Dazu kann das Deformationselement eine Energieabbaustrecke aufweisen, die sich in Richtung der Druckbehälterlängsachse erstreckt. Beispielsweise kann das Deformationselement in Richtung der Druckbehälterlängsachse eine Länge von mindestens 15 cm oder von mindestens 10 cm oder von mindestens 5 cm aufweisen. Bevorzugt kann das Deformationselement eine Wabenstruktur aufweisen. Geeignete Strukturen zur Aufnahme von bei einem Zusammenprall auftretenden Kräften und Momenten sind dem Fachmann geläufig. Das Deformationselement ist also zweckmäßig eingerichtet, i) einerseits die beim gewöhnlichen Betrieb auftretenden Kräfte und Momente auf das Karosserieelement zu übertragen und ii) andererseits bei Kräften und Momenten, die größer sind als die beim gewöhnlichen Betrieb auftretenden Kräfte und Momente (z. B. bei einem Unfall), sich zu deformieren, um so die Energie zu absorbieren. Beispielsweise kann das Deformationselement Wabenbleche und/oder faserverstärkte Strukturen umfassen. Mittels der Energieabbaustrecke kann sichergestellt werden, dass die beispielsweise aus einem Seitenaufprall resultierende Energie in Verformungsarbeit umgewandelt wird, so dass die Einwirkung des Aufpralls sich weniger auf den Druckbehälter auswirkt. Ferner stellt die Hartschale zusätzlich sicher, dass die Energie, sofern sie doch zum Druckbehälter gelangt, in erster Linie auf die Wandung des Druckbehälters übertragen wird und sich nicht oder im geringerem Umfang auf das brennstoffführende Anschlusselement auswirkt. Das Kraftfahrzeug umfasst mindestens ein brennstoffführendes Anschlusselement, das an einem Auslass des Druckbehälters vorgesehen ist. In einer Ausgestaltung ist das brennstoffführende Anschlusselement ein Tankabsperrventil, das lösbar an den Druckbehälter befestigt sein kann. In anderen Ausgestaltungen ist an jedem Druckbehälter direkt kein Absperrventil vorgesehen, insbesondere wenn ein gemeinsames Verteilerrohr vorgesehen ist. Dann kann beispielsweise das Verteilerrohr das Anschlusselement ausbilden.
Das Fahrzeugkarosserieelement kann ein Längsträger, insbesondere ein Schweller, oder ein Querträger der Fahrzeugkarosserie sein. Die Druckbehälter können dementsprechend in Fahrzeuglängsrichtung oder in Fahrzeugquerrichtung verbaut sein. Sofern mehrere Druckbehälter mit vergleichsweise geringem Durchmesser verbaut werden, können diese bei einem Einbau in Fahrzeugquerrichtung derart angeordnet sein, dass der Unterflurraum optimal genutzt wird. Beispielsweise könnten unterhalb der Insassensitze bzw. Insassenbänke mehr Druckbehälter übereinander angeordnet sein als im Bereich unterhalb des Fußraumbereiches.
Die Flartschale kann zur besseren Zugänglichkeit des im Kraftfahrzeug montierten Druckbehälters, insbesondere zur besseren Zugänglichkeit des Auslasses vom Druckbehälter oder des brennstoffführenden Anschlusselementes, mehrteilig ausgebildet sein. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der Einbaulage alle an einer Seite (z.B. zum Fahrzeugboden hin) vorgesehenen Teile der Halterung (d.h. von Hartschale und Innenschicht) und des Deformationselementes reversibel lösbar montiert sind. Hierzu kann beispielsweise eine Formschlussverbindung vorgesehen sein. In einer Ausgestaltung können diese Teile aus mehreren Richtungen zusammensetzbar sein. Somit kann ein besonders montage- bzw. servicefreundlicher Aufbau realisiert werden. Die Leitungen sind bei einer solchen Druckbehälterkarosserieanbindung leichter zu montieren. Vorteilhaft können Teile des Deformationselementes einstückig mit Teilen der Halterung ausgebildet sein. Beispielsweise können die Teile, die in der Einbaulage an der gleichen Seite vorgesehen sind, einteilig ausgebildet sein. Somit wird die Montage und der Service vom Druckbehälter und der Leitungen erleichtert.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Druckbehältersystem mit folgenden Grundelementen:
- eine Hartschicht zur besseren Verteilung der Belastung auf die Fläche,
- eine Weichschicht zur Reduzierung der Druckspitzen auf der Tankoberfläche, und
- eine formangepasste Halterung über den Dombereich mit energieabsorbierender Eigenschaft.
Zweckmäßig ist die formangepasste, energieabsorbierende Halterung mehrteilig aufgebaut. Die Grundelemente können mehrschichtig sein. Die Grundelemente können ferner auxetische Schichten umfassen.
Die Grundelemente „Hartschicht“ und „Weichschicht“ zusammen mit der formangepassten Halterung sinddem Prinzip des Schutzhelms vergleichbar. Das Deformationselement und die Halterung bilden ein kombiniertes Halte- Crash-Element, das die Montage und den Service erleichtert. Zudem wird der vorhandene Bauraum effizienter genutzt. Vorteilhaft kann somit der Raum zwischen Schweller und Tankkontur möglichst vollständig zum Energieabbau genutzt werden. Durch die Hartschale lässt sich die Einwirkung einer annähernd punktförmigen bzw. kleinflächigen Belastung verringern, da eine vergleichsweise spitze Einwirkung durch die Hartschale möglichst flächig verteilt wird.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Fig. 1 erläutert. In Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht des Druckbehälters 200 gezeigt. Der Druckbehälter 200 ist an das Fahrzeugkarosserieelement 100 lasttragend angebunden. Das Fahrzeugkarosserieelement 100 ist hier ein Längsträger, insbesondere ein äußerer Schweller. Das Fahrzeugkarosserieelement 100 umfasst eine Fahrzeugaußenhaut 110. Der Druckbehälter 200 umfasst ein brennstoffführendes Anschlusselement 210. Hier ist das Anschlusselement 210 ein Behälterventil. Die Halterung 30 umfasst eine Hartschicht bzw. Hartschale 300. Die Hartschale 300 ist an der Oberfläche des Druckbehälters 200 und des Behälterventils 210 angeformt. Mit anderen Worten korrespondiert die Kontur der Hartschale 300 mit der Außenkontur vom Ende des Druckbehälters 200. Die Außenkontur wird vom Ende des Druckbehälters 200 und dem Anschlusselement 210 ausgebildet. Zwischen der Hartschale 300 und der Oberfläche des Druckbehälters 200 und des Anschlusselements 210 befindet sich eine Weichschicht bzw. Innenschicht 310. Die Hartschale 300 wiederum wird umfasst bzw. eingebettet in ein(e) energieaufnehmende Halterung bzw. energieabsorbierendes Deformationselement 320, die/das sich bis zum Fahrzeugkarosserieelement erstreckt. Die Hartschale 300 ist derart steif ausgebildet, dass eine punktuell oder kleinflächig (z.B. kleiner 50cm2 oder kleiner 25cm2 oder kleiner 16cm2 oder kleiner 9 cm2 oder kleiner 4cm2 oder kleiner 1cm2) auf die Hartschale auftreffende Kraft, von beispielsweise mindestens 25 kN oder mindestens 5 kN oder mindestens 1 kN, auf eine große Fläche verteilt wird, ohne dass die Hartschale 300 dabei zerstört wird. Bevorzugt ist die Hartschale 300 aus einem der folgenden Materialien hergestellt: Metalle, Metall-Legierungen (z.B. Stahl), und/oder Faserverbundmaterialien (z.B. kohlefaserverstärkte und/oder aramidfaserverstärkte und/oder glasfaserverstärkte Faserverbundmaterialien). Die Innenschicht 310 sorgt für die Vermittlung zwischen den Oberflächen von Druckbehälter 200 bzw. Anschlusselement 210 und der Hartschale 300. So werden auch bei nicht perfekt angeformten Oberflächen Kraftspitzen vermieden. Die Innenschicht 310 ist insbesondere so nachgiebig gestaltet, dass sich die Innenschicht 310 in der Einbaulage an die Außenkontur vom Ende des Druckbehälters 200 anpassen kann, insbesondere auch an aufgrund von Montagetoleranzen bzw. Gleichteilekonzepten abweichende Außenkonturen. Ferner kann die Innenschicht 310 derart nachgiebig ausgebildet sein, dass die Innenschicht 310 betriebsgemäße Behälterausdehnungen (insbesondere auch die durch den Innendruck) reversibel kompensiert. Bevorzugt ist die Innenschicht 310 aus einem Kunststoff hergestellt, insbesondere aus einem Polymer, Elastomer und/oder geschäumten Kunststoff. Zum Fallschutz kann die Innenschicht 310 auch so gestaltet sein, dass die Halterung 30, insbesondere die Hartschale 300 und Innenschicht 310, zumindest teilweise den aus dem Fall des Druckbehälters resultierenden Impuls aufzunehmen.
Das energieabsorbierende Deformationselement 320 (auch energieaufnehmende Halterung genannt) kann in der Art eines Crash- Elements gestaltet sein und beispielsweise Wabenbleche oder Faserverbund-Strukturen umfassen. Es können dabei insbesondere auch Strukturen mit auxetischem Verhalten (negative Poisson-Zahl) zum Einsatz kommen. Diese haben den Vorteil, dass sie sich bei einem lokalen Eindringen eines Impaktors unter der Eindringstelle verdichten und deshalb einem Eindringen besonders viel Widerstand entgegensetzen und so für eine Verteilung der Kraft auf eine größere Fläche sorgen. Um die Montage und den Service von Druckbehälter und Leitungen zu erleichtern, kann vorgesehen sein, dass das Deformationselement 320 und/oder die Halterung 30 aus mehreren Teilen bzw. Segmenten aufgebaut ist. Jedes Teil kann dabei eine Bauteileinheit sein, die Teile der Halterung 30 und des Deformationselementes 320 umfasst und einstückig verbindet. Bei entsprechender Gestaltung können die Teile somit um den Druckbehälter 200, um das Anschlusselement 210 und etwaige brennstoffführenden Leitungen herumgelegt werden. Vorteilhaft kann somit das zur Verfügung stehende Volumen möglichst vollständig ausgenutzt werden. Bevorzugt sind formschlüssige Verbindungen zwischen den Teilen vorgesehen, beispielsweise Verzahnungen oder Stifte, so dass die Teile einfach in der Art eines dreidimensionalen Puzzles zusammengesteckt werden können. Bei geeigneter Gestaltung gelingt es somit, die Kräfte entsprechend geeignet zu übertragen.

Claims

Ansprüche
1. Kraftfahrzeug, umfassend:
- mindestens einen Druckbehälter (200) zur Speicherung von Brennstoff; und
- mindestens eine Halterung (30) zum Halten des Druckbehälters (200), wobei die Halterung (30) in der Einbaulage ein Ende des Druckbehälters (200) umschließt; wobei die Halterung (30) eine Hartschale (300) und eine Innenschicht (310) umfasst; wobei die Innenschicht (310) in der Einbaulage zumindest bereichsweise zwischen der Hartschale (300) und dem Anschlusselement (210) angeordnet ist; wobei die Hartschale (300) eine höhere Steifigkeit aufweist als die Innenschicht (310).
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 , ferner umfassend mindestens ein brennstoffführendes Anschlusselement (210), das an einem Auslass des Druckbehälters (200) vorgesehen ist; wobei die Halterung (30) in der Einbaulage zum Schutz des brennstoffführenden Anschlusselements (210) das Anschlusselement (210) umschließt
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei an einem Ende des Druckbehälters (200) die Innenschicht (310) an der Außenwand des Druckbehälters (200) aufliegt.
4. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei [in der Einbaulage des Druckbehälters (200)] in Richtung der Druckbehälterlängsachse (A-A) zwischen der Halterung (30) und einem Fahrzeugkarosserieelement (100) ein energieabsorbierendes Deformationselement (320) vorgesehen ist.
5. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Deformationselement (320) den Druckbehälter (200) lasttragend mit dem Fahrzeugkarosserieelement (100) verbindet.
6. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Fahrzeugkarosserieelement (100) ein Längsträger oder ein Querträger der Fahrzeugkarosserie ist.
7. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Halterung (30) zur besseren Zugänglichkeit des im Kraftfahrzeug montierten Druckbehälters (200) mehrteilig ausgebildet ist; und/oder wobei das Deformationselement (320) zur besseren Zugänglichkeit des im Kraftfahrzeug montierten Druckbehälters (200) mehrteilig ausgebildet ist.
8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei diejenigen Teile der Halterung (30) und des Deformationselementes (320), die in der Einbaulage an der gleichen Seite vorgesehen sind, ein einstückiges Bauelement ausbilden.
9. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Innenschicht (310) derart nachgiebig ausgebildet ist, dass die Innenschicht (310) durch den Betrieb des mindestens einen Druckbehälters (200) verursachte Längenänderungen reversibel kompensiert.
10. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kraftfahrzeug mehrere Druckbehälter (200) umfasst, wobei eine Halterung (30) eingerichtet ist, i) die Enden, ii) mehrere Anschlusselemente (210) oder das Verteilerrohr von mehreren Druckbehältern (200) zu umschließen.
11. Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein gemeinsames Verteilerrohr das Anschlusselement (210) ausbildet, wobei die mehreren Druckbehälter (200) direkt an das Verteilerrohr angeschlossen sind, ohne dass zwischen dem Verteilerrohr und den einzelnen Druckbehältern (200) jeweils ein Absperrventil vorgesehen ist.
12. Kraftfahrzeug nach Anspruch 11 , wobei die Halterung (30) das
Verteilerohr umschließt.
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