Titel:

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas G, Natural Gas“ = NG) handeln, das beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in flüssiger Form G.Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird.

Stand der Technik

Aus der EP 2 541 062 Al ist eine Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe, insbesondere für Erdgas, mit einem hin- und herbeweglichen Pumpenkolben bekannt. Der Pumpen kolben begrenzt einen Pumpenarbeitsraum, der mit flüssigem Erdgas befüllbar ist, so dass im Pumpenarbeitsraum vorhandenes flüssiges Erdgas über eine Hubbewegung des Pumpenkolbens mit Hochdruck beaufschlagbar ist. Andernends begrenzt der Pumpenkolben einen Druckraum, der mit einem hydraulischen Druckmittel befüllbar ist, um den Pumpenkolben in einer Hubbewegung anzutreiben. Alternativ wird ein elektri scher, pneumatischer oder mechanischer Antrieb vorgeschlagen.

Die Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens führt im Betrieb der Kolbenpumpe zu oszillierenden Massenkräften. Zur Kompensation derartiger Kräfte sind aus dem Stand der Technik rotierende Verfahren bekannt, bei denen eine definierte Unwucht an einer Ausgleichswelle rotiert. Die durch die Unwucht erzeugten Massenkräfte an der Aus gleichswelle wirken dabei den oszillierenden Massenkräften des Pumpenkolbens ent gegen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ausgleich oszillierender Massenkräf te ohne rotierende Bauteile zu schaffen, so dass rotierende Komponenten und Wellen lager verzichtbar sind.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe umfasst eine Kolbenpumpe zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck. Die Kolben pumpe weist einen hin- und herbeweglichen Pumpenkolben auf, der einenends einen Kompressionsraum und andernends einen in einem Hohlzylinder ausgebildeten Druck raum begrenzt, der mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist. Erfin dungsgemäß trennt der Pumpenkolben den Druckraum von einem Hydraulikvolumen, das ein innerhalb des Hohlzylinders ausgebildetes erstes Teilvolumen sowie mindes tens ein außerhalb des Hohlzylinders ausgebildetes und von einer hin- und herbeweg lichen Ausgleichsmasse begrenztes weiteres Teilvolumen umfasst. Über das Hydrau likvolumen ist demnach der Pumpenkolben mit der Ausgleichsmasse hydraulisch ge koppelt, so dass die Bewegung des Pumpenkolbens zu einer Bewegung der Aus gleichsmasse führt. Die Bewegung der Ausgleichmasse führt dabei zu einem Aus gleich der oszillierenden Massenkräfte, und zwar ohne rotierende Bauteile.

Vorzugsweise bewegt sich die Ausgleichsmasse in eine Richtung, die der Bewegungs richtung des Pumpenkolbens entgegengesetzt ist. Dies ist der Fall, wenn die Aus gleichsmasse auf der Seite des Hydraulikvolumens angeordnet ist, auf der sich auch der Pumpenkolben befindet. Bewegt sich der Pumpenkolben im Verdichtungstakt der Kolbenpumpe von einer unteren Endlage in eine obere Endlage, verkleinert sich das durch den Pumpenkolben begrenzte Teilvolumen, während sich das mit dem Teilvolu men verbundene weitere Teilvolumen vergrößert, so dass sich die das weitere Teilvo lumen begrenzende Ausgleichsmasse in Richtung der unteren Endlage des Pumpen- kolbens bewegt. Dies ermöglicht eine besonders kompaktbauende Anordnung der Ausgleichsmasse innerhalb der Kolbenpumpe.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausgleichsmasse gegen das Hydraulikvolumen mechanisch oder pneumatisch vorgespannt. Die Vor spannung der Ausgleichsmasse führt zu einer sicheren Rückstellung der Ausgleichs masse, wenn der Pumpenkolben sich im Saugtakt der Kolbenpumpe von der oberen Endlage zurück in seine untere Endlage bewegt. Die Vorspannung kann sowohl mittels einer mechanischen Feder, beispielsweise einer Schraubendruckfeder, als auch pneumatisch, das heißt mittels einer Gasfeder bewirkt werden. Die Ausgleichsmasse wird hierzu auf ihrer dem Hydraulikvolumen abgewandten Seite dauerhaft mit Gas druck beaufschlagt.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Masse der Ausgleichsmasse im Wesentli chen der Masse des Pumpenkolbens entspricht. Auf diese Weise kann ein vollständi ger oder zumindest annähernd vollständiger Ausgleich der oszillierenden Massenkräfte erreicht werden.

Die Ausgleichsmasse kann beispielsweise ring- oder hülsenförmig ausgeführt sein, so dass sie den Hohlzylinder umgibt. Über den Hohlzylinder kann auf diese Weise eine Führung der Ausgleichsmasse bewirkt werden. Die Innenkontur der Ausgleichsmasse ist hierzu bevorzugt an die Außenkontur des Hohlzylinders angepasst. In Abhängigkeit von der Außenkontur des Hohlzylinders kann demnach die Querschnittsform der Aus gleichsmasse kreisförmig, elliptisch oder vieleckig sein.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ausgleichsmasse konzentrisch in Bezug auf den Pumpenkolben angeordnet ist. Auf diese Weise bleibt das System frei von etwaigen Massenmomenten.

Die Ausgleichsmasse kann zudem mehrteilig ausgeführt sein. Sofern die mehreren Teile nicht hintereinander, sondern nebeneinander angeordnet sind, ist vorzugsweise jedem Teil ein weiteres Teilvolumen des Hydraulikvolumens zugeordnet. Weiterhin vorzugsweise sind die mehreren Teile in einer Ebene, in gleichem Winkelabstand zuei nander und in gleichem radialen Abstand zum Pumpenkolben angeordnet. Darüber hinaus kann eine ring- oder hülsenförmige Ausgleichsmasse mit mehreren Teilmassen kombiniert werden, die in diesem Fall ebenfalls in gleichem Winkelabstand zueinander an der ring- oder hülsenförmigen Ausgleichsmasse befestigt werden. Die Teilmassen ermöglichen eine genaue Abstimmung der Masse der Ausgleichsmasse in Bezug auf die Masse des Pumpenkolbens.

Bevorzugt weist die Ausgleichsmasse mindestens einen innenumfangseitig und/oder außenumfangseitig angeordneten Dichtring auf, der das Hydraulikvolumen gegenüber einem Gasvolumen abdichtet. Über den mindestens einen Dichtring wird eine Medien trennung bewirkt, die einer Leckage aus dem Hydraulikvolumen in Richtung des Gas volumens bzw. umgekehrt entgegenwirkt.

Des Weiteren bevorzugt weist der Pumpenkolben außenumfangseitig mindestens eine Hydraulikdichtung zur Abdichtung des Hydraulikvolumens gegenüber dem Druckraum auf. Dadurch ist sichergestellt, dass die Bewegung des Pumpenkolbens zu einer Be wegung der Ausgleichsmasse führt, da das Hydraulikmedium im ersten Teilvolumen nur in das mindestens eine weitere Teilvolumen des Hydraulikvolumens entweichen kann.

Ferner wird vorgeschlagen, dass im Hohlzylinder mindestens eine Radialbohrung zur Verbindung der Teilvolumina des Hydraulikvolumens ausgebildet ist. Die Radialboh rung verbindet das innerhalb des Hohlzylinders ausgebildete Teilvolumen mit dem mindestens einen außerhalb des Hohlzylinders ausgebildeten Teilvolumen.

Vorteilhafterweise wird das Hydraulikvolumen radial außen durch einen weiteren Hohl zylinder begrenzt. Der das Hydraulikvolumen nach außen abschließende weitere Hohl zylinder ermöglicht eine kompaktbauende Form der Kolbenpumpe. Der weitere Hohlzy linder ist vorzugsweise konzentrisch zum ersten Hohlzylinder angeordnet, so dass zwi schen den beiden Hohlzylindern ein Ringraum verbleibt, der vorzugsweise ein Teilvo lumen des Hydraulikvolumens ausbildet. In diesem Teilvolumen kann insbesondere ei ne ring- oder hülsenförmige Ausgleichsmasse angeordnet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe einer erfindungs gemäßen Kraftstofffördereinrichtung im Bereich des antriebsseitigen Endes der Kol benpumpe,

Fig. 2 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der oszillierenden Massen und

Fig. 3 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Massenausgleichs.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs mit Kraftstoff, wobei es sich um einen kryogenen Kraftstoff, vorzugsweise um Erdgas, han delt. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Kolbenpumpe 1 zur Förderung des Kraftstoffs auf Hochdruck.

Die Kolbenpumpe 1 weist einen hin- und herbeweglichen Pumpenkolben 2 mit einem Kolbenteil 2.1 und einer Kolbenstange 2.2 auf. Das Kolbenteil 2.1 ist in einem Hohlzy linder 4 aufgenommen und begrenzt innerhalb des Hohlzylinders 4 einen Druckraum 5, der über einen Hydraulikanschluss 3 mit einem Hydraulikmedium, vorzugsweise mit Öl, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagbar ist. Bei einer Beaufschlagung des Druck raums 5 mit dem Hydraulikmedium bewegt sich der Pumpenkolben 2 von einer unteren Endlage (in der Fig. 1„oben“) in Richtung einer oberen Endlage (in der Fig. 1„unten“), so dass in einem Kompressionsraum (nicht dargestellt) vorhandener Kraftstoff verdich tet wird. Durch diese Bewegung verdrängt der Pumpenkolben 2 ein Hydraulikmedium aus einem innerhalb des Hohlzylinders 4 ausgebildeten ersten Teilvolumen 6.1 eines Hydraulikvolumens 6 in ein außerhalb des Hohlzylinders 4 ausgebildetes weiteres Teil volumen 6.2, das über eine im Hohlzylinder 4 ausgebildete Radialbohrung 12 mit dem ersten Teilvolumen 6.1 verbunden ist. Das weitere Teilvolumen 6.2 wird radial außen von einem weiteren Hohlzylinder 13 begrenzt, der konzentrisch zum ersten Hohlzylin der 4 angeordnet ist, so dass das weitere Teilvolumen 6.2. durch einen Ringraum ge- bildet wird. Dieser Ringraum ist in axialer Richtung durch eine hülsenförmige Aus gleichsmasse 7 begrenzt, die hin- und herbeweglich auf dem ersten Hohlzylinder 4 an geordnet und in Richtung des Hydraulikvolumens 6 von einem Gasdruck beaufschlagt ist, der in einem Gasvolumen 10 herrscht. Das Gasvolumen 10 bildet somit eine Gas feder aus, mittels welcher die Ausgleichsmasse 7 gegenüber dem Hydraulikvolumen 6 vorgespannt ist. Das Gasvolumen 10 ist über einen Gasanschluss 14 mit Gas beauf schlagbar. Der Gasanschluss 14 ist zusammen mit dem Hydraulikanschluss 3 in einem Deckelteil 17 ausgebildet. Bewegt sich demnach der Pumpenkolben 2 im Verdich tungstakt der Kolbenpumpe 1 von seiner unteren Endlage in seine obere Endlage (in der Fig. 1„von oben nach unten“), führt das aus dem ersten Teilvolumen 6.1 in das weitere Teilvolumen 6.2 verdrängte Hydraulikmedium dazu, dass sich die Ausgleichs masse 7 in die zur Bewegungsrichtung des Pumpenkolbens 2 entgegengesetzte Rich tung bewegt (in der Fig. 1„von unten nach oben“), und zwar gegen die Gasfeder. Auf diese Weise wird ein Ausgleich oszillierender Massenkräfte erreicht. Der an der Aus gleichsmasse 7 anliegende Gasdruck kann im Saugtakt der Kolbenpumpe 1 zugleich zur Rückstellung des Pumpenkolbens 2 von seiner oberen Endlage in seine untere Endlage genutzt werden.

Um zu verhindern, dass Hydraulikmedium aus dem Hydraulikvolumen 6 in das Gasvo lumen 10 bzw. Gas aus dem Gasvolumen 10 in das Hydraulikvolumen 6 gelangt, weist die Ausgleichsmasse 7 mindestens einen Dichtring 8, 9 auf. Vorliegend dichten ein au ßenliegender und ein innenliegender Dichtring 8 das Gasvolumen 10 ab. Jeweils ein weiterer außenliegender und ein innenliegender Dichtring 9 dichten das Hydraulikvo lumen 6 ab.

Das Kolbenteil 2.1 des Pumpenkolbens 2 weist außenumfangseitig zwei umlaufende Hydraulikdichtungen 11 auf, die den Druckraum 5 vom Hydraulikvolumen 6 trennen. Darüber hinaus ist jeweils eine Hydraulikdichtung 1 und eine Gasdichtung 15 in einer Führungsbohrung 19 zur Führung der Kolbenstange 2.2 angeordnet. Die weiteren Dichtungen 11, 15 dichten das Hydraulikvolumen 6 gegenüber einem Leckageraum 18 ab. Die Führungsbohrung 19 zur Führung der Kolbenstange 2.2 ist in einem Flansch bauteil 16 ausgebildet, das dem Deckelteil 17 am Hohlzylinder 4 gegenüberliegt. Die sich aufgrund der gegengleichen Bewegungen des Pumpenkolbens 2 und der Ausgleichsmasse 7 überlagernden Massenkräfte führen zu einer resultierenden Mas senkraft, die verschwindend geringe Werte annimmt (siehe Fig. 2). Im Beispiel der Fig. 3 ergibt sich eine maximale freie Massenkraft von weniger als 2 N.