Titel:

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Hochdruckpumpe, mittels welcher der kryogene Kraftstoff mit Hochdruck beauf schlagbar ist.

Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas G, Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Fahrzeugs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in flüssiger Form G.Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird. Zum Verflüssigen wird das Erdgas auf eine Temperatur von etwa -160°C heruntergekühlt.

Stand der Technik

Zur Beaufschlagung von Flüssiggas mit Hochdruck sind aus dem Stand der Technik Fördereinrichtungen bekannt, die eine als Kolbenpumpe ausgeführte Hochdruckpumpe umfassen. Über einen hin und her beweglichen Kolben, der einen Kompressionsraum begrenzt, ist das Flüssiggas mit Hochdruck beaufschlagbar. In Kraftstoffeinspritzsys temen zur LNG-Direkteinspritzung werden Drücke von über 300 bar erreicht. Um den Verlust aufgrund Leckage gering zu halten, werden in der Regel die Leckagemengen in den Tank zurückgeführt.

Aus der US 7 293 418 B2 ist eine Hochdruckpumpe für flüssiges Erdgas bekannt, die zumindest abschnittsweise im Tank angeordnet ist, so dass die Leckagemenge unmit telbar in den Tank entweichen kann. Diese Anordnung der Hochdruckpumpe führt je- doch zu einem nicht unerheblichen konstruktiven Aufwand, da der Tank nach außen abgedichtet werden muss.

Darüber hinaus sind daher Kraftstoffeinspritzsysteme bekannt, die eine außerhalb des Tanks angeordnete Hochdruckpumpe umfassen. Die Rückführung anfallender Lecka gemengen erfolgt in diesem Fall über eine separate Rücklaufleitung, welche die Hoch druckpumpe mit dem Tank verbindet. Die Anordnung der Hochdruckpumpe außerhalb des Tanks besitzt den Nachteil, dass die Hochdruckpumpe nach längerem Stillstand aufgrund Erwärmung in der Regel nicht sofort betrieben werden kann. Zur aktiven Küh lung wird daher beim„Kaltanfahren“ die Hochdruckpumpe mit tief kaltem flüssigem Kraftstoff aus dem Tank gespült.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraft stoffe anzugeben, die möglichst einfach aufgebaut sowie umweltschonend und effizient betreibbar ist.

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 Hochdruckpumpe mit einem Gehäuseteil, in dem ein zylinderförmiger Kompressions raum ausgebildet ist, der von einem hin und her beweglichen Kolben begrenzt wird.

Ein Abschnitt des Kolbens ist von einem Niederdruckraum umgeben, der zur Rückfüh rung einer im Wege der Leckage aus dem Kompressionsraum austretenden Leckage menge über mindestens eine Bohrung und/oder Leitung mit einer in einen Tank mün denden Rücklaufleitung verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der Kompressionsraum über ein Kaltfahrventil ebenfalls mit der Rücklaufleitung verbindbar. Ferner erfindungs gemäß ist in der mindestens einen Bohrung und/oder Leitung ein Rückschlagventil ausgebildet, das bei geöffnetem Kaltstartventil verhindert, dass eine aus dem Kom pressionsraum abgeführte Spülmenge in den Niederdruckraum gelangt. Durch die vorgeschlagene Rückführung der anfallenden Leckage- und Spülmengen in den Tank, wird die Umweltbelastung gesenkt. Denn kryogene Kraftstoffe, insbesonde re Erdgas, gelten als klimaschädlich, so dass es die Abgabe an die Umwelt zu vermei den oder zumindest auf ein Minimum zu begrenzen gilt. Ferner bleibt die in den Tank zurückgeführte Kraftstoffmenge dem System erhalten.

Zur Rückführung der Leckage- und Spülmengen ist zudem nur eine Rücklaufleitung er forderlich, so dass der konstruktive Aufwand sinkt. Dabei ist durch das Rückschlagven til sichergestellt, dass die Spülmenge auf möglichst direktem Weg, insbesondere ohne Umweg über den Niederdruckraum, zurück in den Tank geführt wird. Denn dann kann sich die Spülmenge weniger stark erwärmen, wodurch der Wärmeeintrag in den Tank verringert wird.

Gelangt tiefkalter Kraftstoff in den Niederdruckbereich, besteht zudem die Gefahr, dass es zu einem Gefrieren eines Hydraulikmediums in einem an den Niederdruckraum an grenzenden Hydraulikbereich kommt. Durch das Rückschlagventil ist diese Gefahr ge bannt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rückschlagventil im Kontaktbereich des Gehäuseteils mit einem weiteren Gehäuseteil ausgebildet. Diese Maßnahme erleichtert die Ausbildung des Rückschlagventils, da der Kontaktbereich vor der Montage der Hochdruckpumpe leicht zugänglich ist. Die das Rückschlagventil aufnehmende Bohrung erstreckt sich in diesem Fall über beide Gehäuseteile. Das wei tere Gehäuseteil ist vorzugsweise axial an das erste Gehäuseteil angesetzt und/oder axial mit dem ersten Gehäuseteil verspannt, um die erforderliche Abdichtung zu ge währleisten.

Sofern die Rückführung der Leckagemenge aus dem Niederdruckraum in den Tank zumindest abschnittsweise über eine Leitung realisiert wird, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Rückschlagventil in einem An schlussbereich der Leitung an das erste Gehäuseteil ausgebildet. Die Anordnung im Anschlussbereich erleichtert die Ausbildung des Rückschlagventils, da der Anschluss bereich ebenfalls leicht zugänglich ist. Im ersten Gehäuseteil ist vorzugsweise eine Bohrung ausgebildet, über welche der Leckagepfad und der Spülpfad zusammenge führt werden. An die Bohrung kann zudem in einfacher Weise die Rücklaufleitung an geschlossen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Rück schlagventil in das erste Gehäuseteil integriert. Die das Rückschlagventil aufnehmende Bohrung ist demnach zumindest abschnittsweise im ersten Gehäuseteil ausgeführt. Die Bohrung kann zugleich dem Anschluss der Rücklaufleitung dienen, so dass vor der Montage der Rücklaufleitung das Rückschlagventil in einfacher Weise von außen in die Bohrung einsetzbar ist. Zur Vereinfachung der Montage der Rücklaufleitung kann diese einen Anschlussstutzen aufweisen, der in die Bohrung einsetzbar, vorzugsweise ein- pressbar oder einschraubbar ist. Die Einleitung der über das Kaltfahrventil aus dem Kompressionsraum abgeführten Kraftstoffmenge in die Bohrung erfolgt zwischen dem Rückschlagventil und der Rücklaufleitung.

Durch Integration des Rückschlagventils in das Gehäuseteil werden Freiheitsgrade in den Schnittstellenbereichen zur Realisierung der erforderlichen Abdichtung geschaffen.

Des Weiteren bevorzugt ist der Kompressionsraum über ein Einlassventil mit einem Zulauf verbindbar, der über eine Zulaufleitung mit dem Tank und/oder einer weiteren Pumpe verbunden ist. Über das Einlassventil kann der Kompressionsraum mit flüssi gem Erdgas aus dem Tank versorgt werden, der dann im Kompressionsbetrieb mittels des Pumpenkolbens mit Hochdruck beaufschlagt wird. Auf gleichem Weg kann bei ei nem Kaltstart dem Kompressionsraum tiefkaltes flüssiges Erdgas zum Spülen zuge führt werden, wobei die Spülmenge über das Kaltstartventil und die Rücklaufleitung zu rück in den Tank geführt wird. Über die Pumpe, die beispielsweise im Tank angeordnet sein kann, kann die der Hochdruckpumpe zugeführte Menge an flüssigem Erdgas ge steuert werden.

Zum Abführen einer mit Hochdruck beaufschlagten Menge aus dem Kompressions raum ist dieser bevorzugt über ein Auslassventil mit einem Hochdruckabgang verbind bar. Das Auslassventil ist vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildet, so dass kein mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus dem Hochdruckabgang zurück in den Kompressionsraum strömen kann. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der die Leckagemenge aufnehmende Nie derdruckraum über mindestens ein Dichtelement nach außen abgedichtet ist. Die Ab dichtung verhindert, dass Erdgas in die Umwelt gelangt. Ferner ist auf diese Weise si chergestellt, dass die in den Niederdruckraum im Wege der Leckage gelangende Kraftstoffmenge nicht verloren gehen. Das Dichtelement kann beispielsweise als Well balgdichtung ausgeführt sein. Diese kann einerseits am Kolben und andererseits ge häuseseitig befestigt werden, so dass eine Abdichtung erreicht wird, ohne die Beweg lichkeit des Kolbens einzuschränken.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich des Kaltfahrventils und des Rückschlagventils,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der Fig. 1 ist eine Hochdruckpumpe 1 einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrich tung für kryogene Kraftstoffe zu entnehmen. Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas handeln, das in flüssiger Form in einem Tank 8 bevorratet wird. Die Hochdruckpumpe 1 umfasst ein erstes Gehäuseteil 2, in dem ein zylinderför miger Kompressionsraum 3 ausgebildet ist. Der Kompressionsraum 3 wird durch einen hin und her beweglichen Kolben 4 begrenzt, der hierzu abschnittsweise ebenfalls im ersten Gehäuseteil 2 aufgenommen ist. Im Tank 8 ist eine Pumpe 16 angeordnet, mittels welcher der Hochdruckpumpe 1 Kraftstoff zuführbar ist. Die Pumpe 16 ist hierzu über eine Zulaufleitung 15 mit einem Zulauf 14 der Hochdruckpumpe 1 verbunden. Der Zulauf 14 ist über ein Einlassven til 13 mit dem Kompressionsraum 3 verbindbar, so dass bei geöffnetem Einlassven til 13 und während eines Saughubs des Kolbens 4 Kraftstoff aus dem Zulauf 14 in den Kompressionsraum 3 strömt. Während eines Arbeitshubs des Kolbens 4 wird der im Kompressionsraum 3 vorhandene Kraftstoff verdichtet und anschließend über ein Aus lassventil 17 einem Hochdruckabgang 18 zugeführt.

Zum Kaltanfahren der Hochdruckpumpe 1 wird der Kompressionsraum 3 mit kryoge nem Kraftstoff gespült. Mittels der Pumpe 16 wird hierzu dem Kompressionsraum 3 über die Zulaufleitung 15, den Zulauf 14 und das Einlassventil 13 tiefkalter Kraftstoff aus dem Tank 8 zugeführt. Der zum Spülen zugeführte Kraftstoff verlässt den Kom pressionsraum 3 über ein Kaltfahrventil 10, über welches der Kompressionsraum 3 mit einer im ersten Gehäuseteil 2 ausgebildeten Bohrung 6 verbindbar ist. An die Boh rung 6 schließt eine Rücklaufleitung 9 an, die zurück in den Tank 8 führt. Die zum Spü len benötigte Kraftstoffmenge geht demnach nicht verloren.

An das erste Gehäuseteil 2 ist ein zweites Gehäuseteil 12 axial angesetzt, so dass ein gemeinsamer Kontaktbereich ausgebildet wird. Dieser wird durch die Bohrung 6 unter brochen, die sich durch das zweite Gehäuseteil 12 bis zu einem Niederdruckraum 5 er streckt, der einen Abschnitt des Kolbens 4 umgibt und als Sammelraum für eine aus dem Kompressionsraum 3 über die Kolbenführung austretende Leckagemenge dient. Ein auf dem Kolben 4 angeordnetes Dichtelement 19 in Form einer Wellbalgdichtung verhindert, dass diese Leckagemenge nach außen gelangt. Über die Bohrung 6 kann die Leckagemenge in den Tank 8 zurückgeführt werden.

Da die Bohrung 6 sowohl der Rückführung der Spülmenge aus dem Kompressions raum 3, als auch der Rückführung der Leckagemenge aus dem Niederdruckraum 5 dient, gilt es die Ströme sicher zu trennen. Insbesondere gilt es zu verhindern, dass der zum Spülen verwendete tiefkalte Kraftstoff in den Niederdruckbereich 5 gelangt, sich dort erwärmt und erst dann in den Tank 8 zurückgeführt wird. Denn dadurch würde sich der Wärmeeintrag in den Tank 8 erhöhen. Um dies zu verhindern, ist in der Bohrung 6 ein Rückschlagventil 11 ausgebildet, und zwar im Kontaktbereich der beiden Gehäuseteile 2, 12 (siehe insbesondere Fig. 2). Der sich vom Rückschlagventil 11 bis hin zum Niederdruckraum 5 erstreckende Abschnitt der Bohrung 6 kann demnach nur zur Rückführung einer Leckagemenge aus dem Nie derdruckraum 5 genutzt werden. Die aus dem Kompressionsraum 3 über das Kaltfahr ventil 19 abgeführte Spülmenge wird dagegen möglichst direkt über die Bohrung 6 und die Rücklaufleitung 9 zurück in den Tank 8 geführt. Der Fig. 3 ist eine Abwandlung der Hochdruckpumpe 1 der Fig. 1 zu entnehmen. Die

Abwandlung besteht darin, dass die Bohrung 6 nur im ersten Gehäuseteil 2 ausgebildet ist. Die erforderliche Verbindung des Niederdruckraums 5 mit der Bohrung 6 und der Rücklaufleitung 9 ist daher über eine Leitung 7 hergestellt. Die Leitung 7 ist hierzu in einem Anschlussbereich an das erste Gehäuseteil 2 angeschlossen, wobei im An- schlussbereich auch das Rückschlagventil 11 angeordnet ist.

Der Fig. 4 ist eine weitere Abwandlung der in der Fig. 1 dargestellten Hochdruckpumpe zu entnehmen. Das Rückschlagventil 11 ist hier in das Gehäuseteil 2 integriert. Die Bohrung 6 ist hierzu als Stufenbohrung ausgeführt, so dass das Rückschlagventil 11 von außen in die Bohrung 6 einsetzbar ist. Ferner kann die Bohrung 6 für den An schluss der Rücklaufleitung 9 genutzt werden.